KR101098666B1 - Optical Electric-Field Sensors - Google Patents

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Abstract

온도나 진동과 같은 주변 환경 변화에 의해 발생하는 신호의 왜곡을 방지할 수 있는 향상된 형태의 광센서 구조를 제공하기 위하여 본 발명은, 빛을 생성하는 광원(21)을 포함하며, 상기 광원(21)에서 발산된 빛의 위상 정보를 검출하는 위상 검출부(20); 전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변하는 특성을 지닌 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11), 상기 리튬나이오베이트(11)의 일 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광의 편광을 회전시키는 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12) 및 상기 리튬나이오베이트(11)의 타 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광을 반사시키는 반사 미러(13)를 포함하는 센서부(10); 및 상기 센서부(10)와 상기 위상 검출부(30)를 연결하는 편광 유지 광섬유(31)를 포함하는 전계 측정용 광센서를 제공한다. In order to provide an improved type of optical sensor structure that can prevent distortion of a signal caused by changes in the surrounding environment such as temperature or vibration, the present invention includes a light source 21 for generating light, and the light source 21 Phase detection unit 20 for detecting the phase information of the light emitted from the; Lithium niobate 11, an electro-optic crystal material having a property of changing optical refractive index in proportion to the size of an electric field, is disposed on one side of the lithium niobate 11 and polarized light emitted from the light source 21. A sensor unit including a Faraday rotator 12 for rotating the light and a reflection mirror 13 disposed on the other side of the lithium niobate 11 to reflect light emitted from the light source 21 ( 10); And a polarization maintaining optical fiber 31 connecting the sensor unit 10 and the phase detection unit 30.

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Figure R1020100027339

Description

전계 측정용 광센서{Optical Electric-Field Sensors}Optical Electric Field Sensors

본 발명은 광을 이용하여 전계 또는 전압의 크기를 측정하는 센서에 관한 것으로, 기존 광센서에 비하여 간단한 구조를 가지면서도 온도, 진동 등의 환경 변화에 대하여 무관하게 안정적으로 동작하는 특성을 지닌 전계 측정용 광센서에 관한 것이다. The present invention relates to a sensor for measuring the magnitude of an electric field or voltage using light, and has a simple structure compared to the conventional optical sensor, but has an electric field measurement that has a stable operation regardless of environmental changes such as temperature and vibration. It relates to a light sensor for.

산업의 발전과 더불어 나날이 증대되어 가는 에너지 수요는 기존의 전기 에너지 발전 설비로는 충당이 어려운 상황을 예견케 하고 있으며, 이로 인해 태양광이나 풍력 발전을 이용한 전기 생산 설비들이 빠른 속도로 확충되어 나가고 있다. 다양한 전력 생산 설비들을 통하여 여러 곳에서 생산된 전기에너지를 효과적으로 저장할 수 있는 방법은 원천적으로 개발이 어려우며, 또한 생산된 전기에너지는 곧바로 이를 필요로 하는 곳으로 보내져서 사용되어야만 한다. 대부분의 전력이 소수의 발전소에서 생산되던 예전의 경우와 달리, 신재생 에너지를 통한 전기 발전 시설이 늘어남에 따라, 다양한 시설에서 생산된 전력을 가장 효과적으로 소비할 수 있는 수요처로 공급하여 주기 위하여, 스마트 그리드를 이용한 전력 네트워크의 관리가 필요하게 된다.The demand for energy, which is increasing day by day, with the development of the industry, predicts that it is difficult to cover the existing electric energy generation facilities. As a result, electricity production facilities using solar or wind power generation are expanding rapidly. . A method of effectively storing electrical energy produced in various places through various power generating facilities is difficult to develop at the source, and the produced electrical energy must be sent directly to where it is needed. Unlike in the past, where most of the electricity was produced by a few power plants, as the number of electric power generation facilities is increased through renewable energy, smart power is provided to supply the most efficient consumption of power produced by various facilities. Management of the power network using the grid is required.

스마트 그리드 기술을 이용한 전력 전송 시스템에서는, 전통적인 송배전 시스템에서는 불가능하였던 다음과 같은 여러 가지 기능들을 추가로 가능하게 하여 효과적인 전력 관리를 가능케 한다. 먼저, 태양력 및 풍력 발전과 같이 지속적이지 못하고 순간적으로 발생하는 전력을 모니터링 하여, 전체적인 네트워크에서 생산하는 전력의 량을 일정하게 유지시키는 기능을 가져야 한다. 이를 통하여 전력이 부족하거나 남아돌 때, 화력 발전과 같은 손쉽게 관리 가능한 전력 생산 설비의 운행 여부를 결정할 수 있다. 또한, 이와 같은 전력 공급망의 지속적인 모니터링은 일부 지역의 전력 수요가 사고로 인해 변화가 생겼을 때, 발 빠른 대처를 통하여 전체 전력 네트워크에 미치는 영향을 최소화시키는 기능을 제공한다. 즉, 전력 네트워크에 연결된 부하 저항이 사고로 인해 순간적으로 변하게 되면, 공급되던 전류가 전체 전력망으로 흩어져 퍼지게 되면서 인접한 지역에서부터 순간 전력을 증가시키게 되며 연쇄적인 전력망 사고를 일으키게 되는데, 스마트 그리드를 이용한 전력 모니터링은 이러한 사고에 즉각적으로 대처할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 또한 스마트 그리드 전력망은 고의적인 전력 누출을 감시하거나, 전력 공급이 차단되는 사고에 즉각적으로 대응할 수 있는 효과적인 체계를 제공할 수 있다.In power transmission systems using smart grid technology, effective power management is made possible by the addition of several functions that were not possible in traditional transmission and distribution systems. First, it must have the function of monitoring the constant and instantaneous power generation such as solar power and wind power generation to keep the amount of power produced in the whole network constant. This can be used to determine whether or not an easily manageable power generation facility, such as thermal power generation, is running when electricity is scarce or surviving. In addition, continuous monitoring of the power supply chain provides the ability to minimize the impact on the entire power network by responding quickly when power demand in some areas changes due to an accident. In other words, if the load resistance connected to the power network changes instantaneously due to an accident, the current supplied spreads over the entire grid, increasing instantaneous power from adjacent areas and causing a chain grid accident. Power monitoring using smart grid Can provide a way to deal with these incidents immediately. In addition, smart grid grids can provide an effective system to monitor for deliberate power leaks or respond immediately to an accident that cuts off the power supply.

발전 설비에서 생성된 전력은 수백 메가와트에 이르며, 이를 몇 단계에 걸쳐서 나누어서 송전을 하게 되는데, 전송선에서의 손실을 줄이기 위하여 110 kV 이상의 고압으로 전송하게 되며 전류의 크기도 수 kA 이상이 된다. 이와 같은 고압 고전류가 흐르는 전선의 인근에는 매우 강한 전자기파 간섭 (Electro-Magnetic Interference: EMI)이 발생하게 되어, 일반적인 전기적 계측기의 기능에 심각한 영향을 미치게 되어, 측정 결과에 대한 오차가 매우 커지는 문제가 존재하였다. 그러나 광의 특성 변화를 이용하여 전압 전류를 측정하는 광센서를 이용하면, 이와 같이 EMI가 심한 환경에서도 전압과 전류를 정확하게 측정할 수 있다. 이는 측정을 위해 사용되는 광파가 전자기파와 독립적으로 전파될 수 있는 특성을 지니기 때문이며, 광섬유를 이용하여 측정된 신호를 EMI가 미치지 못하는 범위로 손쉽게 끌어내는 것도 가능하기 때문이다. The power generated by the power plant is hundreds of megawatts, which can be divided into several stages of power transmission, which are transmitted at high voltages of 110 kV and higher to reduce losses in the transmission line, and currents of several kA or more. In the vicinity of such high-voltage, high-current wires, very strong electromagnetic interference (Electro-Magnetic Interference) occurs, which seriously affects the function of a general electrical instrument, resulting in a large error in measurement results. It was. However, by using the optical sensor that measures the voltage current by using the change in the characteristics of the light, it is possible to accurately measure the voltage and current even in such an EMI environment. This is because light waves used for measurement have the property of propagating independently of electromagnetic waves, and it is also possible to easily pull out a signal measured using an optical fiber to a range that EMI cannot reach.

스마트 그리드를 위하여 적용되고 있는 광센서는 전압센서, 전류센서, 온도센서 등으로 나뉠 수 있는데, 기본적으로 EMI에 강한 공통적인 특성을 지니고 있다. 광센서는 전기 센서와 다르게 금속 재료가 아닌 전도도가 없는 유전체 재료로 이루어지므로, 강한 전자장이 있는 환경에서도 문제를 일으키지 않게 된다. 또한, 최종적인 신호처리를 위한 모듈에까지 센싱된 신호를 보내는 과정에서도 광섬유를 이용하게 됨으로써, 전송 과정에서 발생할 수 있는 EMI 문제도 해결이 된다. 또한 광센서는 부가적인 절연 장치 등을 필요로 하지 않기 때문에, 소형으로 제작하여 적은 공간을 차지한 채 기존 장비에 붙여서 장착이 가능하다. 일반적인 전압측정용 트랜스포머 장비(instrument transformer)는 수 톤의 무게를 지니며 통상적으로 단일 장비로 장착이 된다. 이와 더불어 광센서는 자기 철 공진(magnetic ferro-resonance)나 포화(saturation) 문제가 없으며, 일반적인 오일 절연 방식 장비에서 발생 가능한 폭발과 같은 치명적인 사고 위험이 없다.Optical sensors applied for smart grid can be divided into voltage sensor, current sensor, and temperature sensor, and they have common characteristics that are strong against EMI. Unlike an electric sensor, an optical sensor is made of a dielectric material having no conductivity, not a metallic material, and thus does not cause a problem even in an environment having a strong electromagnetic field. In addition, by using the optical fiber in the process of sending the sensed signal to the module for the final signal processing, EMI problems that may occur during the transmission process is also solved. In addition, since the optical sensor does not require an additional insulation device, it can be made compact and attached to existing equipment while occupying little space. Typical instrument transformers weigh several tons and are usually mounted as a single device. In addition, the optical sensor is free from magnetic ferro-resonance or saturation problems and there is no risk of fatal accidents, such as explosions that can occur with conventional oil-insulated equipment.

이와 같이 스마트 그리드를 위하여 적용되고 있는 광센서 중 전압을 측정하기 위한 광센서는, 전압에 의해 발생하는 전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변화하는 특성을 지니는 전기광학 재료를 이용하여 측정하는 것이 일반적이다. 대표적인 전기광학 재료로 알려져 있는 리튬 나이오베이트(Lithium Niobate: LiNbO3) 크리스탈은 외부에서 인가된 전계의 크기에 비례하여 재료의 굴절률이 변하게 되며, 이와 더불어 전계의 방향에 따라 굴절률 변화가 달라지는 특성을 지닌다. 외부에서 광축에 평행한 방향으로 전계가 인가되었을 때, 광축에 평행한 편광 성분과 광축에 수직한 편광성분이 서로 다른 굴절률 변화를 겪게 되며, 출력된 빛에서 나타나는 편광 상태를 검출하여 인가된 전계의 크기를 측정할 수 있다. 이와 같은 동작원리를 바탕으로 리튬 나이오베이트(lithium niobate) 기판상에 광도파로 형태의 소자를 제작하여 전계 센서를 제작한 결과가 발표되어 있다. 또한, 3개의 전기광학 필드 센서를 이용하여 230 bilion의 전압을 측정하기 위한 광전압 센서도 구현중에 있다. 또한, 절연체로 원통형 석영 크리스탈의 원주를 따라 타원 코어를 갖는 듀얼모드 광섬유를 감은 후, 전계에 의해 발생하는 압전(Piezo-electric) 효과에 의해 크리스탈에 발생하는 변형에 따른 전계의 크기를 이용하여 이를 측정하는 전압센서도 제안되었다. 나아가, 최근에는 리튬 나이오베이트 전기 광학 재료 위에 브래그 격자를 제작하여, 전기 광학 효과로 인하여 변화되는 반사 파장을 모니터링 하는 방식의 전계 센서도 발표되었다. As described above, the optical sensor for measuring voltage among the optical sensors applied for the smart grid is generally measured by using an electro-optic material which has a characteristic in which the optical refractive index changes in proportion to the magnitude of the electric field generated by the voltage. to be. Lithium Niobate (LiNbO3) crystal, which is known as a representative electro-optic material, has a property that the refractive index of the material changes in proportion to the magnitude of the electric field applied from the outside, and the refractive index changes depending on the direction of the electric field. . When an electric field is applied in a direction parallel to the optical axis from the outside, the polarization component parallel to the optical axis and the polarization component perpendicular to the optical axis undergo different refractive index changes, and detect the polarization state appearing in the output light. The size can be measured. Based on the operation principle, the results of fabricating an electric field sensor by fabricating an optical waveguide device on a lithium niobate substrate are reported. In addition, an optical voltage sensor for measuring a voltage of 230 bilion using three electro-optic field sensors is being implemented. In addition, after winding the dual-mode optical fiber having an elliptic core along the circumference of the cylindrical quartz crystal with an insulator, it is made by using the size of the electric field according to the deformation generated in the crystal by the piezo-electric effect generated by the electric field A voltage sensor to measure is also proposed. In addition, recently, a field sensor has been disclosed in which a Bragg grating is fabricated on a lithium niobate electro-optic material to monitor a reflection wavelength that is changed due to an electro-optic effect.

본 발명은 전압에 의해 발생하는 전계의 크기를 빛을 이용하여 센싱하기 위한 광센서에서, 온도나 진동과 같은 주변 환경 변화에 의해 발생하는 신호의 왜곡을 방지할 수 있는 향상된 형태의 광센서 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 패러데이 편광 회전기를 이용하여 입력 편광과 출력 편광을 90도 만큼 회전시키는 방법을 이용하여, 외부 환경 변화에 의해 발생하는 신호변화를 보상하는 방법을 이용하고 있으며, 센싱된 신호를 광 위상 정보 형태로 전달하게 됨으로써 광원의 파워가 환경변화에 의해 변하게 되더라도 센싱 정보의 왜곡이 발생하지 않는 광센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention provides an optical sensor structure of an improved type that can prevent distortion of a signal generated by changes in the surrounding environment such as temperature or vibration in an optical sensor for sensing the magnitude of an electric field generated by voltage using light. It aims to provide. That is, the present invention uses a method of rotating the input polarization and the output polarization by 90 degrees using a Faraday polarization rotator, and uses a method of compensating for a signal change caused by a change in the external environment. It is an object of the present invention to provide an optical sensor that does not generate distortion of sensing information even when the power of the light source is changed by environmental changes by transmitting in the form of phase information.

본 발명의 또 다른 목적은 기존에 사용하고 있는 광도파로 소자를 이용하지 않고, 광섬유 콜리메이터(collimator)와 평판형으로 제작된 부품들을 이용하여 간단히 조립 가능한 광전압 센서를 제안하는 것이다. 종래, 수 마이크론 크기의 구조를 지니고 있는 광도파로 소자를 이용하기 위해서는, 복잡한 반도체 제조 공정을 이용하여 소자를 제작해야 하며, 패키징 단계에서도 서브마이크론 정도의 정밀도를 가지는 제작 장비들을 이용하여야 한다. 이에 비하여 제안된 기술은 광섬유 밖으로 나오는 빛을 콜리메이터를 이용하여 밀리미터 크기로 광을 확장시킨 후, 평판형으로 제작된 패러데이 로테이터, 리튬나이오베이트, 반사거울을 차례로 접착시켜서 조립 가능한 구조를 지니므로 손쉽게 제작 가능한 장점이 있다.It is still another object of the present invention to propose an optical voltage sensor that can be easily assembled using optical fiber collimators and flat panel components without using an optical waveguide device. Conventionally, in order to use an optical waveguide device having a structure of several microns in size, a device must be manufactured by using a complicated semiconductor manufacturing process, and manufacturing equipment having a precision of submicron degree in the packaging step should be used. On the other hand, the proposed technology expands the light from the optical fiber to the size of millimeter using the collimator, and then attaches the Faraday rotator, lithium niobate, and the reflecting mirror made of flat type in order to easily assemble it. There is a merit that can be produced.

본 발명은, 빛을 생성하는 광원(21)을 포함하며, 상기 광원(21)에서 발산된 빛의 위상 정보를 검출하는 위상 검출부(20); 전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변하는 특성을 지닌 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11), 상기 리튬나이오베이트(11)의 일 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광의 편광을 회전시키는 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12) 및 상기 리튬나이오베이트(11)의 타 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광을 반사시키는 반사 미러(13)를 포함하는 센서부(10); 및 상기 센서부(10)와 상기 위상 검출부(30)를 연결하는 편광 유지 광섬유(31)를 포함하는 전계 측정용 광센서를 제공한다. The present invention includes a light source 21 for generating light, the phase detection unit 20 for detecting the phase information of the light emitted from the light source 21; Lithium niobate 11, an electro-optic crystal material having a property of changing optical refractive index in proportion to the size of an electric field, is disposed on one side of the lithium niobate 11 and polarized light emitted from the light source 21. A sensor unit including a Faraday rotator 12 for rotating the light and a reflection mirror 13 disposed on the other side of the lithium niobate 11 to reflect light emitted from the light source 21 ( 10); And a polarization maintaining optical fiber 31 connecting the sensor unit 10 and the phase detection unit 30.

본 발명에 있어서, 상기 광원(21)에서 생성된 빛은 상기 센서부(10)의 상기 패러데이 로테이터(12)로 입사하여, 상기 리튬나이오베이트(11)를 통과한 후, 상기 반사 미러(13)에서 반사되어 다시 상기 위상 검출부(20) 측으로 향할 수 있다. In the present invention, the light generated by the light source 21 is incident on the Faraday rotator 12 of the sensor unit 10, passes through the lithium niobate 11, and then the reflection mirror 13 ) May be reflected back to the phase detector 20.

여기서, 상기 패러데이 로테이터(12)는 상기 리튬나이오베이트(11)를 거쳐서 상기 반사 미러(13)에 반사되어 돌아오는 빛의 편광을 90도 만큼 회전시킬 수 있다. Here, the Faraday rotator 12 may rotate the polarization of the light reflected by the reflective mirror 13 via the lithium niobate 11 by 90 degrees.

여기서, 상기 위상 검출부(20)는, 상기 센서부(10)로부터 입력받은 빛을 분기하는 파워 스플리터(Power splitter)(23)와, 상기 파워 스플리터(23)에서 분기된 빛 중 일 측의 빛의 위상을 변조하는 위상 변조기(Phase modulator)(25)와, 상기 파워 스플리터(23)에서 분기된 빛 중 타 측의 빛의 편광을 변환하는 편광 변환기(Polarization controller)(24)와, 상기 위상 변조기(25)에서 출력된 빛과, 상기 편광 변환기(24)에서 출력된 빛이 광 간섭을 일으키는 광 결합기(22b)와, 상기 광 결합기(22b)에서 간섭을 일으킨 빛의 위상 차이에 비례하는 광 파워 변화를 측정하는 광 검출기(27a)(27b)를 포함할 수 있다. Here, the phase detector 20 may include a power splitter 23 for splitting the light input from the sensor unit 10, and a light of one side of the light split from the power splitter 23. Phase modulator 25 for modulating the phase, Polarization controller 24 for converting the polarization of the light of the other side of the light split from the power splitter 23, and the phase modulator ( Change in optical power proportional to the phase difference of the light coupler 22b in which the light output from the light source 25 and the light output from the polarization converter 24 cause the light interference and the light interfered in the light coupler 22b. It may include a photo detector (27a) (27b) for measuring the.

여기서, 상기 위상 변조기(25)와 상기 광 결합기(22b) 사이 및 상기 편광 변환기(24)와 상기 광 결합기(22b) 사이에는, TE 편광 또는 TM 편광 중 한가지만을 통과시키는 편광기(26a)(26b)가 각각 더 개재될 수 있다. Here, between the phase modulator 25 and the optical coupler 22b and between the polarization converter 24 and the optical coupler 22b, polarizers 26a and 26b which pass only one of TE polarization and TM polarization are passed. May each be further interposed.

본 발명에 있어서, 상기 편광 유지 광섬유(31)와 상기 패러데이 로테이터(12) 사이에 콜리메이터 렌즈(32)가 더 개재될 수 있다. In the present invention, a collimator lens 32 may be further interposed between the polarization maintaining optical fiber 31 and the Faraday rotator 12.

이와 같은 본 발명에 의해서, 외부 환경 변화에 무관하게 안정적으로 동작하는 광전압 센서를 구현할 수 있게 된다. 또한, 이를 이용하여 고전압 전류를 전송하여 전자기파 장애가 심각한 환경에서 전압값을 정확히 측정할 수 있는 센서로 활용할 수 있다. 나아가, 기존 광전압 센서에 비하여 안정적인 동작 특성을 보유할 뿐만 아니라 손쉬운 공정을 통하여 센서를 제작할 수 있는 장점을 지니므로 저가 대량 생산이 가능하다.According to the present invention, it is possible to implement an optical voltage sensor that operates stably regardless of external environment changes. In addition, it can be used as a sensor that can accurately measure the voltage value in the environment with severe electromagnetic interference by transmitting a high voltage current using this. In addition, it is possible to produce a low-cost mass production because it not only has a stable operating characteristics compared to the conventional optical voltage sensor, but also has the advantage of manufacturing the sensor through an easy process.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 측정용 광센서의 구성도이다.
도 2는 도 1의 전계 측정용 광센서의 위상 검출부의 구성도이다.
1 is a block diagram of an optical sensor for electric field measurement according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a phase detector of the optical sensor for electric field measurement of FIG. 1.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 측정용 광센서의 구성도이다.1 is a block diagram of an optical sensor for electric field measurement according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 측정용 광센서(1)는 전계를 측정하기 위한 센서부(10)와, 전계에 비례하여 발생되는 위상 정보를 검출하기 위한 위상 검출부(20)를 포함한다. 광원(도 2의 21 참조)은 위상 검출부(20)에 포함되어 구성되며, 센서부(10)와 위상 검출부(20)는 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 연결된다. 이때, 센서부(10)와 편광 유지 광섬유(31) 사이에는 콜리메이터 렌즈(32)가 더 개재되어, 미소한 광원(도 2의 21 참조)에서 나온 광을 평행한 광선으로 변환하는 역할을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 1, an optical sensor 1 for electric field measurement according to an exemplary embodiment of the present invention may include a sensor unit 10 for measuring an electric field and a phase detector 20 for detecting phase information generated in proportion to an electric field. ). The light source (see 21 in FIG. 2) is included in the phase detector 20, and the sensor unit 10 and the phase detector 20 are connected through the polarization maintaining optical fiber 31. In this case, a collimator lens 32 is further interposed between the sensor unit 10 and the polarization maintaining optical fiber 31 to convert light from the minute light source (see 21 in FIG. 2) into parallel rays. Can be.

여기서 센서부(10)는 전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변하는 특성을 지닌 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11)와, 그 좌우에 배치된 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12) 및 반사 미러(13)를 포함하여 구성된다. Herein, the sensor unit 10 includes lithium niobate 11, an electro-optic crystal material having a property of changing optical refractive index in proportion to the size of an electric field, and Faraday rotator 12 and reflections disposed on the left and right sides thereof. It comprises a mirror 13.

이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. This will be described in more detail as follows.

일반적인 광 전압 센서로 가장 많이 이용되고 있는 구조는, 전기광학 효과를 가지는 재료를 통과하여 진행하는 광파의 편광 상태가 변화하는 것을 측정하는 형태이다. 대표적으로 사용되는 리튬나이오베이트(LiNbO3, Lithium Niobate) 결정의 경우, 결정 축 방향으로 외부 전계가 존재하게 되면, 그 방향의 편광을 가지는 광파의 위상이 변화를 겪게 된다. 이때 결정축에 수직한 방향의 편광 성분에 대해서는 광파의 위상 변화 크기가 다르게 나타나게 된다. 그러므로 결정축에 평행한 방향의 성분과 수직한 방향의 성분을 동일한 크기 만큼 가지는 광파를 결정에 입사시키게 되면, 결정을 통과하는 동안 두 편광 성분 간에 상대적인 위상 차이가 발생하게 되고, 이로 인해 출력광의 편광 상태가 변하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 외부 전계의 세기에 비례하여 변화되는 편광 상태를 측정하게 되면, 인가된 전계의 세기를 측정하는 것이 가능해진다.The structure which is used most commonly as a general optical voltage sensor is a form which measures the change in the polarization state of the light wave which passes through the material which has an electro-optic effect. In the case of lithium niobate (LiNbO3), which is typically used, when an external electric field is present in the crystal axial direction, a phase of light waves having polarization in that direction is changed. In this case, the magnitude of the phase change of the light wave is different for the polarization component in the direction perpendicular to the crystal axis. Therefore, when light waves having components of the direction parallel to the crystal axis and components perpendicular to the same magnitude are incident on the crystal, a relative phase difference occurs between the two polarization components during the passage of the crystal, thereby causing the polarization state of the output light. Will change. By measuring the polarization state that changes in proportion to the intensity of the external electric field using this principle, it becomes possible to measure the intensity of the applied electric field.

이와 같은 리튬나이오베이트 결정을 이용한 센서에서는, 입력 편광 상태를 정확하게 광축과 45도 만큼 기울어진 상태로 입사시켜 주는 것이 가장 중요한 요소이다. 이를 위하여, 센서 입력부 바로 앞에 45도 기울어진 편광기를 배치하는 방법이 적용될 수 있다. 그러나 이때에도 센서부에 전달되는 광이 일정한 편광 상태를 유지하고 있어야 하는 어려움이 있으며, 편광 유지 광섬유를 이용하여 정확한 편광 상태를 유지한 채 광신호를 센서부에 전달하는 방법을 도입해야 한다는 어려움이 존재하였다. In a sensor using such a lithium niobate crystal, the most important factor is to make the input polarization state incline with the optical axis inclined by 45 degrees. To this end, a method of arranging the polarizer tilted 45 degrees in front of the sensor input unit may be applied. However, even at this time, there is a difficulty in that the light transmitted to the sensor unit maintains a constant polarization state, and a difficulty in introducing a method of transmitting an optical signal to the sensor unit while maintaining an accurate polarization state using a polarization maintaining optical fiber. Existed.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 측정용 광센서(1)에서는 온도나 진동에 의한 영향을 적게 받고 안정적으로 동작하는 광 전압 센서를 구현하기 위하여, 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11)의 좌우편에 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12)와 반사 미러(13)를 붙여서 구성된 편광 회전 반사 간섭계를 제공하여, 외부 전계에 비례하여 발생하는 센서 신호를 광 위상 정보 형태로 전달하는 것을 특징으로 한다. In order to solve such a problem, in the optical sensor for electric field measurement (1) according to an embodiment of the present invention, in order to implement an optical voltage sensor that is stable and operates under the influence of temperature or vibration, an electro-optic crystal material A polarization rotating reflection interferometer comprising a Faraday rotator 12 and a reflection mirror 13 attached to the left and right sides of the phosphorus lithium niobate 11 provides optical phase information for a sensor signal generated in proportion to an external electric field. It is characterized by the delivery in form.

여기서, 패러데이 로테이터(12)는 리튬나이오베이트(11)를 거쳐서 반사 미러(13)에 부딪힌 후 돌아오는 광파의 편광을 90도 만큼 회전시켜 주는 역할을 수행하게 되며, 편광 유지 광섬유(31) 내부에서 발생할 수 있는 위상 변화를 상쇄시키는 기능을 제공한다. 즉, 일반적인 광 세기 정보가 아닌 광 위상 정보로 신호를 전달하고, 출력부의 광신호 처리부에서 광 위상 정보를 광 세기 정보로 변환시키는 형태의 센서를 이용함으로써, 외부 환경에 의해 광 세기가 변화하더라도 전계를 센싱하는 데는 영향을 미치지 않게 된다.Here, the Faraday rotator 12 serves to rotate the polarization of the light wave returned by hitting the reflection mirror 13 through the lithium niobate 11 by 90 degrees, and inside the polarization maintaining optical fiber 31. Provides the ability to offset phase changes that may occur in That is, by using a sensor that transmits a signal as optical phase information rather than general optical intensity information and converts optical phase information into optical intensity information in an optical signal processing unit of an output unit, even if the optical intensity changes due to an external environment It does not affect sensing.

상세히, 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 센서부(10)에 입력되는 광은, fast축과 slow축 방향의 편광 성분이 초기 위상 차이를 가지게 되는데, 센서부(10)에서 반사되어 돌아가는 과정에서 편광이 변환되어 진행하게 되므로 초기의 위상 차이를 서로 상쇄시키게 된다. 이 과정에서 외부 온도 변화나 진동에 의한 위상 변화도 함께 상쇄되고 리튬나이오베이트(11)에서 외부 전계에 의해 발생된 위상 차이 값만 남게 되며, 이는 위상 검출부(20)에서 최종적으로 검출되어 전계 값을 센싱하게 된다. In detail, the light input to the sensor unit 10 through the polarization maintaining optical fiber 31 has a polarization component in a fast axis and a slow axis direction having an initial phase difference, and is polarized in the process of being reflected by the sensor unit 10 and returned. Since the conversion proceeds, the initial phase difference cancels each other out. In this process, the phase change caused by the external temperature change or the vibration is also canceled, and only the phase difference value generated by the external electric field in the lithium niobate 11 remains, which is finally detected by the phase detector 20 to determine the electric field value. It is sensed.

이와 같은 편광 회전 반사 간섭계를 이용한 광센서는 센서부(10)에서 발생하는 원치 않는 편광 결합 현상에 의한 신호 왜곡을 최소화시킬 수 있다. 즉, 기존의 광센서에서는 편광 결합이 일어나면 출력부의 편광 상태에 영향을 미치게 되는 반면, 제안된 구조에서는 편광 결합이 일어나더라도 곧바로 간섭이 일어나지 않도록 coherence length가 짧은 광원을 이용할 수 있다. 이를 이용하면 결정 재료 내부에서 부가적으로 발생하는 미소한 편광 결합에 의한 신호 변화를 원천적으로 차단하고 안정적인 동작 특성을 지니는 센서를 구현할 수 있다. The optical sensor using the polarization rotation reflection interferometer can minimize the signal distortion caused by the unwanted polarization coupling phenomenon generated in the sensor unit 10. That is, in the conventional optical sensor, when the polarization coupling occurs, the polarization state of the output portion is affected, whereas in the proposed structure, a light source having a short coherence length may be used so that interference does not occur immediately even when the polarization coupling occurs. By using this, it is possible to fundamentally block the signal change caused by the minute polarization coupling generated inside the crystal material and to implement a sensor having stable operating characteristics.

센서에서 발생한 위상 차이 값을 신호 처리부까지 전달한 뒤 위상 검출 광신호 처리부에서 위상 값에 따른 광출력 신호를 생성하게 된다. 이러한 방법을 이용하면 광결정 센서부에서 초기에 지니고 있는 편광간의 복굴절로 인한 위상 차이 값을 위상 변조기를 이용하여 보상해 줄 수 있으며, 센서의 동작점을 민감도가 최대가 되는 지점으로 항상 유지시킬 수가 있다. 뿐만 아니라 센서부의 온도 변화로 인하여 발생하는 동작점 변화를 위상 변조기를 이용하여 보상해 줄 수 있는 기능을 지니게 된다.After transmitting the phase difference value generated by the sensor to the signal processor, the phase detection optical signal processor generates an optical output signal according to the phase value. Using this method, the phase difference due to the birefringence between the polarizations of the photonic crystal sensor can be compensated using the phase modulator, and the operating point of the sensor can be always maintained at the point where the sensitivity is maximized. . In addition, it has a function to compensate for the change in the operating point caused by the temperature change of the sensor unit using a phase modulator.

이와 같은 센서부(10)에서의 센싱 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다. The sensing process in the sensor unit 10 will be described in detail as follows.

위상 검출부(20)의 광원(도 2의 21 참조)으로부터 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 입사되는 광은 먼저 패러데이 로테이터(12)를 통과하면서 편광 방향이 45도 만큼 틀어지게 된다. 그리고, 리튬나이오베이트(11)의 광축은 편광 유지 광섬유(31)의 광축과 45도만큼 비틀어 지게 정렬되어 부착된다. 그러므로 편광 유지 광섬유(31)의 fast 축에 평행한 편광은 리튬나이오베이트(11) 결정의 광축 방향 편광 성분으로 입사되고, slow 축 성분은 결정 광축에 수직인 방향 성분으로 입사된다. 센싱하고자 하는 외부 전계의 방향이 결정의 광축 방향과 평행한 경우, 이 방향 성분의 편광 성분은 가장 큰 굴절률 변화를 겪게 되며, 이에 수직한 편광 성분은 상대적으로 적은 굴절률 변화를 겪게 된다. 이러한 굴절률 변화의 차이는 각 방향 편광 성분의 위상 변화 값의 차이를 유발하게 되며, 출력광의 편광 상태에 영향을 미치게 된다. Light incident from the light source of the phase detector 20 (see 21 in FIG. 2) through the polarization maintaining optical fiber 31 is first passed through the Faraday rotator 12, and the polarization direction is shifted by 45 degrees. The optical axis of the lithium niobate 11 is aligned and attached to the optical axis of the polarization maintaining optical fiber 31 by being twisted by 45 degrees. Therefore, the polarization parallel to the fast axis of the polarization maintaining optical fiber 31 is incident on the optical axis direction polarization component of the lithium niobate 11 crystal, and the slow axis component is incident on the direction component perpendicular to the crystal optical axis. When the direction of the external electric field to be sensed is parallel to the optical axis direction of the crystal, the polarization component of the directional component experiences the largest refractive index change, and the vertically polarized component experiences a relatively small refractive index change. This difference in refractive index causes a difference in the phase change value of each direction polarization component, and affects the polarization state of the output light.

리튬나이오베이트(11) 결정을 통과한 빛은 반사 미러(13)를 통하여 반대방향으로 다시 한번 더 결정 내부를 통과하게 되며, 이때 위상 변화 값은 두 배로 증폭되게 된다. 이후 패러데이 로테이터(12)를 다시 지나가면서 각각의 편광은 45도만큼 더 회전하게 되어 최종적으로 90도 만큼 편광 변화를 겪게 된다. 결국 fast 축을 따라 입사된 빛은 결정의 광축을 따라서 진행하고 반사된 뒤 slow 축 성분으로 출력되어 돌아가게 되며, slow 축 성분을 센서를 거친 후 fast 축 성분으로 돌아가게 된다. 이와 같은 과정을 편광회전 반사라고 한다.The light passing through the lithium niobate 11 crystal passes through the inside of the crystal once again in the opposite direction through the reflective mirror 13, and the phase change value is doubled. After passing through the Faraday rotator 12 again, each polarization is rotated by 45 degrees and finally undergoes a polarization change by 90 degrees. Eventually, the light incident along the fast axis travels along the optical axis of the crystal, is reflected, and then outputs and returns to the slow axis component. After passing through the sensor, the slow axis component returns to the fast axis component. This process is called polarization rotation reflection.

이와 같이 전계의 크기에 비례하는 위상 정보를 지닌 채 반사되어 돌아온 빛은 위상 검출부(20)에서 서로 간섭을 일으키도록 만들어서 위상값에 비례하는 광 세기 정보를 얻게 된다.
As such, the reflected light returned with phase information proportional to the magnitude of the electric field causes the phase detector 20 to interfere with each other to obtain light intensity information proportional to the phase value.

이와 같은 위상 검출부(20)에 대하여는 도 2에서 상세히 설명한다. Such a phase detector 20 will be described in detail with reference to FIG. 2.

도 1의 전계 측정용 광센서의 위상 검출부의 구성을 나타내는 도 2를 참조하면, 위상 검출부(20)는 광원(Laser diode)(21), 광 결합기(3-dB coupler)(22a)(22b), 파워 스플리터(Power splitter)(23), 편광 변환기(Polarization controller)(24), 위상 변조기(Phase modulator)(25), 편광기(Polarizer)(26a)(26b) 및 광 검출기(Photodetector)(27a)(27b)를 포함한다. Referring to FIG. 2, which shows the configuration of the phase detector of the optical sensor for electric field measurement of FIG. 1, the phase detector 20 includes a laser diode 21, a 3-dB coupler 22a and 22b. , Power splitter 23, polarization controller 24, phase modulator 25, polarizer 26a and 26b and photodetector 27a (27b).

먼저 상기 광원(21), 즉 레이저 다이오드에서 출력된 빛은 제1 광 결합기(22a)를 통과하여 센서부(10)로 진행하게 된다. 이때 광원(21)에서 출력된 빛의 편광 방향을 45도만큼 기울인 상태에서 제1 광 결합기(22a)에 연결됨으로써, 광도파로 내부에 TE 편광과 TM 편광을 생성시킨 후, 광도파로를 통하여 전달되어, 제1 광 결합기(22a)를 지나게 된다. First, the light output from the light source 21, that is, the laser diode, passes through the first light combiner 22a and proceeds to the sensor unit 10. At this time, the polarization direction of the light output from the light source 21 is connected to the first optical coupler 22a by tilting the light by 45 degrees, thereby generating TE polarization and TM polarization inside the optical waveguide, and then transmitting the optical polarization through the optical waveguide. Then, the first optical coupler 22a passes.

제1 광 결합기(22a)를 거치면서 아래 위 두 개의 광도파로로 빛이 나누어진 후, 제1 광 결합기(22a)의 아래쪽 출력으로 진행하는 빛은 손실되어 사라지게 된다. 한편, 제1 광 결합기(22a)의 위쪽 출력으로 진행하는 빛은 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 센서부(10)로 입사하게 된다. After the light is divided into two optical waveguides up and down while passing through the first optical coupler 22a, the light traveling to the lower output of the first optical coupler 22a is lost and disappears. On the other hand, the light traveling to the upper output of the first optical coupler 22a is incident to the sensor unit 10 through the polarization maintaining optical fiber 31.

상세히, 센서부(10)로 입사된 빛은 센서부(10)의 전단에 위치한 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12)를 지나면서, TE 편광과 TM 편광은 각각 45도 만큼 편광 방향이 회전하게 된다. 이렇게 각도가 변화된 선편광 빛은 전계에 민감하게 굴절률이 변화하는 리튬나이오베이트(11) 결정을 통과하여 진행하게 된다. 이때 Z-축 방향으로 인가된 전계에 의해 발생하는 Y-축, X-축 편광 성분에 대한 위상 변화를 측정하기 위해서, 결정의 축 방향 조절을 통하여 입력 편광성분들이 결정의 X-축 또는 Y-축 방향과 평행하도록 만들어 주어야 한다. 다시 말해서 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 전달된 TM 편광 성분은 패러데이 로테이터(12)에서 45도만큼 편광이 회전한 뒤 리튬나이오베이트(11) 결정의 X-축 방향 성분으로 진행이 되어야 한다.In detail, the light incident on the sensor unit 10 passes through a Faraday rotator 12 located in front of the sensor unit 10, and the polarization direction of the TE polarization and the TM polarization are rotated by 45 degrees, respectively. . The linearly polarized light whose angle is changed passes through the lithium niobate 11 crystal in which the refractive index is sensitive to the electric field. At this time, in order to measure the phase change with respect to the Y-axis and X-axis polarization components generated by the electric field applied in the Z-axis direction, the input polarization components are adjusted through the axial direction of the crystal. It should be made parallel to the axial direction. In other words, the TM polarization component transmitted through the polarization maintaining optical fiber 31 should proceed to the X-axis direction component of the lithium niobate 11 crystal after the polarization is rotated by 45 degrees in the Faraday rotator 12.

리튬나이오베이트(11) 결정을 통과한 편광 성분들은 반사 미러(13)에서 반사되어 반대 방향으로 돌아오게 된다. 이 과정에서 전기 광학 효과로 인해 발생되는 위상 변화는 두 배로 커지게 된다. 돌아온 빛은 다시금 패러데이 로테이터(12)를 지나면서 45도의 편광 회전을 겪게 되는데, 원래의 방향으로 돌아가는 것이 아니라 최초 편광 방향과 90도 만큼 틀어진 빛으로 출력된다. 즉, 입력광의 TE 성분은 두 번의 45도 패러데이 로테이터(12)를 통과하면서 TM성분으로 바뀌며, 입력 TM 성분은 출력 TE 성분으로 바뀌게 된다.The polarization components having passed through the lithium niobate 11 crystal are reflected by the reflection mirror 13 and returned in the opposite direction. In this process, the phase change caused by the electro-optic effect is doubled. The returned light undergoes 45-degree polarization rotation while passing through the Faraday rotator 12. The light is not returned to its original direction but is output as light that is twisted by 90 degrees with the original polarization direction. That is, the TE component of the input light is changed to the TM component while passing through two 45 degree Faraday rotators 12, and the input TM component is changed to the output TE component.

외부 전계로 인한 위상 변화 값은 두 개의 편광 성분이 지니고 있는 상대적인 위상 차이로 남게 되며, 위상 차이를 광 파워 차이로 변환시켜서 광 검출기(photodetector)에서 검출하기 위하여, 출력단에 위상 검출부(20)를 구성해야 한다.The phase change value due to the external electric field is left as a relative phase difference between the two polarization components, and the phase detector 20 is configured at the output terminal in order to convert the phase difference into an optical power difference to be detected by a photodetector. Should be.

전계 측정 결정 재료를 통과한 후 반사되어 전계 크기에 따른 위상 차이를 지니고 있는 광은, 다시금 제1 광 결합기(22a)를 지나면서 두 개의 경로로 분할된다. 이때 광원(21) 쪽으로 진행되는 빛은 광원(21) 앞에 위치한 아이솔레이터(isolator)(미도시)에 의해 사라지게 되며, 다른 쪽으로 진행한 빛은 광 검출기(Photodetector)(27a)(27b) 쪽으로 진행하게 된다. The light, which has passed through the field measurement crystal material and is reflected and has a phase difference according to the electric field size, is again divided into two paths through the first light combiner 22a. At this time, the light propagating toward the light source 21 is disappeared by an isolator (not shown) located in front of the light source 21, and the light propagating toward the other is directed toward the photodetector 27a and 27b. .

제1 광 결합기(22a)에서 출력된 빛은 파워 스플리터(Power splitter)(23)를 통과하며 두 개의 경로로 분할된다. 파워 스플리터(23)의 왼쪽 출력으로 진행하는 빛은 열 광학 위상 변조기(25)를 통과하여 위상 변조가 된 후, 제1 편광기(26a)를 거치면서 TE 편광만 살아남게 된다. 한편, 파워 스플리터(23)의 오른쪽 출력으로 진행하는 빛은 편광 변환기(24)와 제2 편광기(26b)를 지나게 되는데, 여기서 통과된 TE 편광은 실제로는 센서에서 반사되어온 TM 편광 성분이 된다. Light output from the first optical combiner 22a passes through a power splitter 23 and is split into two paths. Light traveling to the left output of the power splitter 23 passes through the thermo-optic phase modulator 25 to be phase-modulated, and then only the TE polarization survives through the first polarizer 26a. On the other hand, the light traveling to the right output of the power splitter 23 passes through the polarization converter 24 and the second polarizer 26b, where the TE polarized light is actually a TM polarized component reflected by the sensor.

마지막으로 두 개의 다른 경로를 지나온 빛은 제2 광 결합기(22b)에서 서로 만나서 광 간섭을 일으키게 된다. 이로 인해 센서부(10)에서 반사된 TE 편광 성분과 TM 편광 성분이 서로 간섭을 일으키게 되며, 서로 간의 위상 차이에 따라 보강 또는 상쇄 간섭을 일으키게 된다. 간섭을 일으킨 이후에는 위상 차이에 비례하는 광파워 변화를 두 개의 광 검출기(27a)(27b)로 측정할 수 있게 된다. 이후 두 개의 광 출력을 차등 증폭하게 되면 간섭으로 인해 나타나는 광 출력 변화 신호를 증폭하여 얻을 수 있게 되는 것이다.Finally, light passing through two different paths meets each other at the second optical coupler 22b to cause optical interference. As a result, the TE polarization component and the TM polarization component reflected by the sensor unit 10 cause interference with each other, and cause reinforcement or destructive interference according to the phase difference between each other. After the interference, the optical power change proportional to the phase difference can be measured by the two photo detectors 27a and 27b. Subsequently, if two light outputs are differentially amplified, it is possible to amplify and obtain a light output change signal due to interference.

이와 같은 본 발명에 의해서, 외부 환경 변화에 무관하게 안정적으로 동작하는 광전압 센서를 구현할 수 있게 된다. 또한, 이를 이용하여 고전압 전류를 전송하여 전자기파 장애가 심각한 환경에서 전압값을 정확히 측정할 수 있는 센서로 활용할 수 있다. 나아가, 기존 광전압 센서에 비하여 안정적인 동작 특성을 보유할 뿐만 아니라 손쉬운 공정을 통하여 센서를 제작할 수 있는 장점을 지니므로 저가 대량 생산이 가능하다.According to the present invention, it is possible to implement an optical voltage sensor that operates stably regardless of external environment changes. In addition, it can be used as a sensor that can accurately measure the voltage value in the environment with severe electromagnetic interference by transmitting a high voltage current using this. In addition, it is possible to produce a low-cost mass production because it not only has a stable operating characteristics compared to the conventional optical voltage sensor, but also has the advantage of manufacturing the sensor through an easy process.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.As described above, the present invention is not limited to the described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the present invention, which will be apparent to those skilled in the art. Therefore, such modifications or variations will have to be belong to the claims of the present invention.

1: 전계 측정용 광센서 10: 센서부
11: 리튬나이오베이트 12: 패러데이 로테이터(Faraday rotator)
13: 반사 미러 20: 위상 검출부
21: 광원(Laser diode) 22a, 22b: 광 결합기(3-dB coupler)
23: 파워 스플리터(Power splitter)
24: 편광 변환기(Polarization controller)
25: 위상 변조기(Phase modulator)
26a, 26b: 편광기(Polarizer)
27a, 27b: 광 검출기(Photodetector)
31: 편광 유지 광섬유
1: field sensor 10: sensor
11: Lithium niobate 12: Faraday rotator
13: reflection mirror 20: phase detector
21: laser diode 22a, 22b: optical coupler (3-dB coupler)
23: Power splitter
24: Polarization controller
25: Phase modulator
26a, 26b: Polarizer
27a, 27b: Photodetector
31: polarization maintaining optical fiber

Claims (6)

빛을 생성하는 광원(21)을 포함하며, 상기 광원(21)에서 발산된 광의 위상 정보를 검출하는 위상 검출부(20);
전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변하는 특성을 지닌 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11)을 구비하는 센서부(10); 및
상기 센서부(10)와 상기 위상 검출부(30)를 연결하는 편광 유지 광섬유(31)를 포함하고,
상기 센서부(10)는 상기 리튬나이오베이트(11)의 좌우에 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12) 및 반사 미러(13)가 배치되어 구성된 편광 회전 반사 간섭계로 이루어지며,
상기 편광 유지 광섬유(31)을 통하여 입사되는 두 개의 편광 성분으로 이루어진 광은 상기 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12)를 통과하여 상기 리튬나이오베이트(11)으로 전달되며, 상기 리튬나이오베이트(11)를 통과하여 위상 변화된 두개의 편광 성분들은 상기 반사 미러(13)를 통하여 반대방향으로 다시 한번 상기 리튬나이오베이트(11)를 통과하여 상기 패러데이 로테이터(12)로 전달되며, 상기 패러데이 로테이터(12)를 통과한 두개의 편광 성분들은 다시 상기 편광 유지 광섬유(31)를 통해 상기 위상 검출부(20)로 전달되도록 하여,
외부 전계로 인한 위상 변화값이 두 개의 편광 성분이 지니고 있는 상대적인 위상 차이로 남게 되면서 상기 위상 검출부(20)에 의해 광파워 변화가 측정되도록 하는 전계 측정용 광센서.
A phase detector 20 which includes a light source 21 for generating light and detects phase information of light emitted from the light source 21;
A sensor unit (10) including lithium niobate (11), an electro-optic crystal material having a property of changing an optical refractive index in proportion to an electric field; And
It includes a polarization maintaining optical fiber 31 connecting the sensor unit 10 and the phase detection unit 30,
The sensor unit 10 is formed of a polarization rotating reflection interferometer having Faraday rotator 12 and the reflection mirror 13 is disposed on the left and right of the lithium niobate 11,
Light composed of two polarization components incident through the polarization maintaining optical fiber 31 is transmitted to the lithium niobate 11 through the Faraday rotator 12 and the lithium niobate ( The two polarization components which are phase shifted through 11 are passed through the lithium niobate 11 once again in the opposite direction through the reflective mirror 13 to the Faraday rotator 12, and the Faraday rotator ( The two polarization components passing through 12 are transmitted to the phase detector 20 through the polarization maintaining optical fiber 31 again.
An optical sensor for electric field measurement, in which a phase change value due to an external electric field remains as a relative phase difference between two polarization components, so that the optical power change is measured by the phase detector 20.
제 1 항에 있어서,
상기 패러데이 로테이터(12)는 상기 리튬나이오베이트(11)를 거쳐서 상기 반사 미러(13)에 반사되어 돌아오는 빛의 편광을 90도 만큼 회전시키는 것을 특징으로 하는 전계 측정용 광센서.
The method of claim 1,
The Faraday rotator (12) is an optical sensor for electric field measurement, characterized in that for rotating the polarization of the light reflected back to the reflection mirror (13) via the lithium niobate (11) by 90 degrees.
제 1 항에 있어서,
상기 위상 검출부(20)는,
상기 센서부(10)로부터 입력받은 빛을 분기하는 파워 스플리터(Power splitter)(23)와,
상기 파워 스플리터(23)에서 분기된 빛 중 일 측의 빛의 위상을 변조하는 위상 변조기(Phase modulator)(25)와,
상기 파워 스플리터(23)에서 분기된 빛 중 타 측의 빛의 편광을 변환하는 편광 변환기(Polarization controller)(24)와,
상기 위상 변조기(25)에서 출력된 빛과, 상기 편광 변환기(24)에서 출력된 빛이 광 간섭을 일으키는 광 결합기(22b)와,
상기 광 결합기(22b)에서 간섭을 일으킨 빛의 위상 차이에 비례하는 광 파워 변화를 측정하는 광 검출기(27a)(27b)를 포함하는 전계 측정용 광센서.
The method of claim 1,
The phase detector 20,
A power splitter 23 for splitting light received from the sensor unit 10;
Phase modulator 25 for modulating the phase of the light of one side of the light branched from the power splitter 23,
A polarization controller 24 for converting polarization of light of the other side of the light branched from the power splitter 23;
A light combiner 22b in which the light output from the phase modulator 25 and the light output from the polarization converter 24 cause optical interference,
And an optical detector (27a) (27b) for measuring a change in optical power proportional to the phase difference of light causing interference in the optical coupler (22b).
제 3 항에 있어서,
상기 위상 변조기(25)와 상기 광 결합기(22b) 사이 및 상기 편광 변환기(24)와 상기 광 결합기(22b) 사이에는, TE 편광 또는 TM 편광 중 한가지만을 통과시키는 편광기(26a)(26b)가 각각 더 개재되는 것을 특징으로 하는 전계 측정용 광센서.
The method of claim 3, wherein
Between the phase modulator 25 and the optical coupler 22b and between the polarization converter 24 and the optical coupler 22b, polarizers 26a and 26b which pass only one of TE polarization or TM polarization are respectively respectively. Optical sensor for electric field measurement, characterized in that the intervening.
제 1 항에 있어서,
상기 편광 유지 광섬유(31)와 상기 패러데이 로테이터(12) 사이에 콜리메이터 렌즈(32)가 더 개재되는 것을 특징으로 하는 전계 측정용 광센서.
The method of claim 1,
An optical sensor for electric field measurement, characterized in that a collimator lens (32) is further interposed between the polarization maintaining optical fiber (31) and the Faraday rotator (12).
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