KR101212439B1 - optical mode noise averaging device - Google Patents
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Abstract
다중 모드 광섬유(302)와 다중 모드 광섬유(302) 내에 전파하는 빛의 신호 레벨 변화에 기인하는 모드 노이즈를 평균화하기 위한 수단(308)를 포함하는 광학 모드 노이즈 평균화 장치(300)를 개시한다. 이 장치는 선택 주기 동안 다중 모드 광섬유(302)의 굴절률을 주기적으로 변화하고, 상기 다중 모드 광섬유(302) 내의 광 분산을 스크램블링하여 모드 노이즈 유도 신호 레벨 변화를 평균화할 수 있다. 다중 모드 광섬유의 굴절률은 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 주기적으로 변화하여 주기적으로 변화될 수 있다. 대안적으로, 다중 모드 광섬유(302)를 주기적으로 조작함으로써 굴절률이 변형되거나 다중 모드 광섬유(302) 내의 광 분산이 스크램블 될 수 있다. Disclosed is an optical mode noise averaging apparatus 300 comprising a multimode optical fiber 302 and means 308 for averaging mode noise due to signal level changes of light propagating within the multimode optical fiber 302. The device may periodically vary the refractive index of the multimode optical fiber 302 during the selection period and scramble the light dispersion within the multimode optical fiber 302 to average the mode noise induced signal level changes. The refractive index of the multimode optical fiber may be changed periodically by periodically changing the temperature of the multimode optical fiber 302. Alternatively, by manipulating the multimode optical fiber 302 periodically, the refractive index may be modified or light scattering within the multimode optical fiber 302 may be scrambled.
다중 모드 광섬유, 모드 노이즈, 광학 장치, 평균화, 굴절률 변화, 온도 변화 Multimode fiber, mode noise, optical device, averaging, refractive index change, temperature change
Description
본 발명은 연소 모니터링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 모드 광섬유와 관련되는 모드 노이즈를 평균화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to combustion monitoring, and more particularly, to apparatus and methods for averaging mode noise associated with multimode fiber.
미국에서 생산되는 전력의 대부분은 석탄 연소 발전소에서 생산된다. 전 세계적으로 유사하게 전기 생산의 태반은 주요 에너지원으로 석탄에 의존하고 있다. 석탄은 핵 발전에 의해 발생하는 폐기물과 관련된 장기적인 환경적 문제와 태양열 발전과 관련한 비효율성을 감안하면 가까운 장래에는 석탄이 주요 에너지원으로서의 지위를 유지할 것으로 보인다. 아울러, 거대한 전 세계적인 석탄 매장량은 현재와 같은 비율로 사용하여도 최소한 200년 동안 에너지를 생산하기에 충분하다. Most of the electricity produced in the United States comes from coal-fired power plants. Similarly worldwide, the placenta of electricity production depends on coal as the main energy source. Coal is likely to remain the main source of energy in the near future given the long-term environmental problems associated with waste generated by nuclear power generation and the inefficiencies associated with solar power generation. In addition, huge global coal reserves are sufficient to produce energy for at least 200 years, even at current rates.
그러나, 석탄 화력 발전에 관련한 오염물질의 방출을 감소시키고 석탄 화력 발전 프로세스의 전체적인 효율성을 증가시키고자 하는 강한 요구가 있어왔으며, 앞으로도 계속될 것이다. 전통적으로, 발전소와 다른 산업 연소 시설에 있어서, 연소 프로세스의 효율성과 오염물 방출의 정도는 채취한 가스 샘플을 비분산적적외선(non-dispersive infrared; NDIR) 광도 측정법(photometry)과 같은 기술로 측정하여 간접적으로 결정하였다. 가스 채취 시간과 최종 분석시간 사이에는 충분한 지연이 유도될 수 있기 때문에, 샘플 채취 시스템은 연소 프로세스의 폐 루프 제 어(closed loop control)에는 특히 적절하지 않다. 또한, 채취과정은 일반적으로 한 점 측정이 되기 때문에, 그 결과가 매우 변화가 심하며, 동적인 연소실 내의 측정된 물질의 실제 농도를 나타낼 수도 있고 아닐 수도 있다. However, there has been a strong need to reduce the emissions of contaminants associated with coal-fired power generation and to increase the overall efficiency of the coal-fired power generation process and will continue. Traditionally, in power plants and other industrial combustion facilities, the efficiency of the combustion process and the degree of pollutant emissions are indirectly measured by measuring a gas sample taken using techniques such as non-dispersive infrared (NDIR) photometry. Determined. Sampling systems are not particularly suitable for closed loop control of the combustion process, as sufficient delay can be introduced between the gas sampling time and the final analysis time. In addition, as the sampling process is generally a one-point measurement, the results are very variable and may or may not represent the actual concentration of the measured material in the dynamic combustion chamber.
레이저 기반의 광학 성분 센서는 최근에 추출 측정 기술과 관련되어 관심을 끌고 있다. 레이저 기반의 측정 기술은 현장에서 즉시 측정을 할 수 있고, 또한 동적 프로세스 제어에 적합한 고속 피드백을 제공한다는 이점이 있다. 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(tunable diode laser absorption spectroscopy, 이하 TDLAS라 함)은 연소 가스의 성분, 온도 등의 연소 파라미터를 측정하는데 있어서 매우 유망한 기술이다. TDLAS는 석탄 연소 프로세스의 제어와 모니터링에 적합하다. TDLAS는 동일하게 다른 연소 프로세스의 모니터링에도 적합하다. 특히, 본문에 기재된 분광 기술은 제트 항공기 엔진 연소 파라미터를 모니터링하고 제어하는 데에 유용하다. TDLAS는 전형적으로 근적외선(near-infrared)과 중적외선(mid-infrared) 스펙트럼 영역에서 작동하는 다이오드 레이저를 사용한다. 텔레커뮤니케이션 산업에서 사용하기 위해 적합한 레이저들은 광범위하게 개발되어왔기 때문에, 이러한 레이저들은 TDLAS 어플리케이션에 즉시 사용이 가능하다. 연소 프로세스를 감지하고 제어하기에 적합한 다양한 TDLAS 기술들이 개발되어 왔다. 일반적으로 알려진 기술은 파장 변조 분광기술(wavelength modulation spectroscopy), 주파수 변조 분광기술(frequency modulation spectroscopy) 및 직접 흡수 분광기술(direct absorption spectroscopy)이 있다. 이러한 기술들은 연소실에 존재하는 가스들의 특성인 레이저 빛이 연소실을 통과하고 특정 스펙트럼 밴드에서 흡수된 후 검출기에 의해 수신된 레이저 빛의 양과 성질 사이의 일정한 관계에 기반을 두고 있다. 검출기로 수신된 흡수 스펙트럼은 온도와 같은 관련 연소 파라미터 외에 분석 중인 가스 성분의 양을 결정하는데 사용된다.Laser-based optical component sensors have recently attracted interest with extraction measurement techniques. Laser-based measurement technology has the advantage of making instant measurements in the field and providing high-speed feedback for dynamic process control. Tunable diode laser absorption spectroscopy (hereinafter referred to as TDLAS) is a very promising technique for measuring combustion parameters such as the composition and temperature of combustion gases. TDLAS is suitable for the control and monitoring of coal combustion processes. TDLAS is equally well suited for monitoring other combustion processes. In particular, the spectroscopic techniques described herein are useful for monitoring and controlling jet aircraft engine combustion parameters. TDLAS typically uses diode lasers operating in the near-infrared and mid-infrared spectral regions. Since lasers suitable for use in the telecommunications industry have been developed extensively, these lasers are readily available for TDLAS applications. Various TDLAS technologies have been developed that are suitable for detecting and controlling combustion processes. Commonly known techniques include wavelength modulation spectroscopy, frequency modulation spectroscopy, and direct absorption spectroscopy. These techniques are based on a constant relationship between the nature and amount of laser light received by the detector after laser light, a characteristic of the gases present in the combustion chamber, passes through the combustion chamber and is absorbed in a specific spectral band. The absorption spectrum received by the detector is used to determine the amount of gas component under analysis in addition to the relevant combustion parameters such as temperature.
통상적인 석탄 화력 발전소는 일 측면에 10-20미터 크기의 연소실을 갖는다. 발전소는 분쇄된 석탄의 연소에 의해 가동되는데, 그 결과 연소 프로세스는 높은 먼지 부하량으로 인해 레이저 빛의 전달이 곤란하고, 매우 발광하게 된다. 또한, 이러한 환경하에서는 다양한 강한 교란이 발견된다. 프로세스 챔버를 통한 빛의 전체 전송률은 광대역 흡수, 굴절률 변동에 의한 빔조향(beam steering) 혹은 입자에 의한 산란의 결과로 시간이 지남에 따라 극적으로 변동할 것이다. 또한 연소중인 석탄 입자로부터 강한 열 배경 복사가 발생하여 검출기 신호에 간섭을 끼칠 수 있다. 발전소 보일러의 외부 환경 또한 TDLAS 검출의 또는 제어 시스템의 실행에 문제를 일으킨다. 예를 들면, 전자 부품, 광학 부품 또는 다른 민감한 감지 분광기술 구성 부품들은 강한 열로부터 먼 위치에 있거나, 적절하게 차폐되고 냉각되어야 한다. TDLAS 시스템의 실행이 이러한 조건 하에서는 매우 어렵다고 할지라도, TDLAS는 석탄 연소 프로세스를 모니터하고 제어하는 데에 가장 적합하다.A typical coal fired power plant has a combustion chamber of 10-20 meters on one side. The power plant is operated by the combustion of pulverized coal, so that the combustion process is difficult to transmit the laser light due to the high dust load and becomes very luminous. In addition, under these circumstances, various strong disturbances are found. The overall transmission of light through the process chamber will vary dramatically over time as a result of broadband absorption, beam steering due to refractive index variations, or scattering by particles. In addition, strong thermal background radiation from burning coal particles can interfere with the detector signal. The external environment of the power plant boiler also causes problems with the TDLAS detection or the implementation of the control system. For example, electronic components, optical components or other sensitive sensing spectroscopy components may be located away from strong heat or properly shielded and cooled. Although the implementation of the TDLAS system is very difficult under these conditions, TDLAS is best suited for monitoring and controlling coal combustion processes.
참조로 언급되고 있는 2004년 3월 31일자 출원된 "연소의 모니터링과 제어를 위한 방법 및 장치"로 표제된 국제 특허 출원 번호 PCT/US04/10048 (공개 번호 WO2004/090496)에서 상세히 기재되는 바와 같이, 광섬유 결합은 TDLAS 시스템의 실행에 특히 바람직하다. 광섬유 결합 시스템에서, 여러 관련 파장의 다중화 빛으로 이루어진 하나 이상의 프로브 빔은 발신측(transmit) 광학 장치로 전달되어 연소실 내로 투사된다. 프로브 빔은 연소실을 횡단한 후에 수신측(receive) 광학 장치에 수신된다. 국제 특허 출원 번호 PCT/US04/10048에서 기재된 바와 같이, 수신측 광학 결합장치에는 다중 모드 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 다중 모드 광섬유의 사용은 반드시 모드 노이즈를 초래하게 되는데, 이 모드 노이즈는 빛을 집합하고 전송하는 데에 사용되는 다중 모드 광섬유의 코어에서 비균일한 시간 및 파장 가변 광 분산에 따른 결과로 검출된 빛의 신호 레벨의 변화를 말한다. "수신"측 모드 노이즈는 유효한 TDLAS를 위해 관찰되어야 하는 흡수 특성을 불확실하게 할 수 있다.As described in detail in International Patent Application No. PCT / US04 / 10048 (Publication Number WO2004 / 090496), filed March 31, 2004, filed "Methods and Apparatus for Monitoring and Control of Combustion," which is hereby incorporated by reference. Fiber optic coupling is particularly desirable for the implementation of TDLAS systems. In a fiber optic coupling system, one or more probe beams of multiplexed light of various associated wavelengths are delivered to a transmit optic and projected into the combustion chamber. The probe beam is received by the receiving optics after traversing the combustion chamber. As described in International Patent Application No. PCT / US04 / 10048, it is preferable to use a multi-mode optical fiber for the receiving optical coupling device. The use of multimode fiber necessarily results in mode noise, which is detected as a result of non-uniform time and tunable light dispersion in the core of the multimode fiber used to collect and transmit light. Let's say change of signal level. The "receive" side mode noise may uncertain the absorption characteristics that must be observed for a valid TDLAS.
모드 노이즈의 현상은 수신측 다중 모드 광섬유의 특징을 이루는 TDLAS 구현에 제한되지 않는다. 반대로, 모드 노이즈는 빛을 전송하고 있는 실질적인 길이의 다중 모드 광섬유에 필연적으로 발생하게 된다. 단일 모드 광섬유와 비교하여 더 큰 단면 직경의 다중 모드 광섬유가 전송된 빛이 수많은 광 경로나 모드를 따라 전파하도록 하기 때문에 모드 노이즈는 다중 모드 광섬유에서 필연적인 것이다. 몇몇의 경로 또는 모드는 다른 것 보다 더 길거나 짧을 수 있다. 따라서, 구성적 및 파괴적인 간섭은 반드시 발생하게 되어 통상의 모드 노이즈 스펙클 무늬(speckle pattern)를 발생시키는 다중 모드 광섬유의 코어에서의 비균일한 시간과 파장 가변의 광 분산을 초래하게 된다. 따라서, 모드 노이즈는 컴퓨팅, 텔레커뮤니케이션, 또는 그 외 실질적인 길이의 다중 모드 광섬유를 사용하는 과학적 어플리케이션에서 발생하게 된다. 모드 노이즈가 임의의 광학 시스템의 효율성과 간섭하는지 안하는지는 특정 시스템의 조건에 따라 좌우된다.The phenomenon of mode noise is not limited to the TDLAS implementation that characterizes the receiving multimode fiber. In contrast, mode noise inevitably occurs in multi-mode optical fibers of substantial length carrying light. Mode noise is inevitable in multimode fiber because multimode fiber of larger cross-sectional diameter allows transmitted light to propagate along numerous optical paths or modes compared to single mode fiber. Some paths or modes may be longer or shorter than others. Thus, constitutive and destructive interference necessarily occurs, resulting in non-uniform time and wavelength varying light dispersion in the core of a multimode optical fiber, which generates a conventional mode noise speckle pattern. Thus, mode noise occurs in computing, telecommunications, or other scientific applications that use multi-mode fiber of substantial length. Whether or not mode noise interferes with the efficiency of any optical system depends on the conditions of the particular system.
본 발명은 상술된 문제들 중 하나 이상을 해결하고자 하는 것이다.The present invention seeks to solve one or more of the problems described above.
본 발명은 다중 모드 광섬유 및 다중 모드 광섬유 내에서 전파하는 빛의 모드 노이즈(modal noise)를 평균화하기 위한 수단을 포함하는 광학 모드 노이즈 평균화 장치이다. 이 장치는 선택된 기간 동안 다중 모드 광섬유의 굴절률을 주기적으로 변경하고, 다중 모드 광섬유 내의 광 분산을 스크램블하고, 또는 둘 다를 행하여 빛의 신호 레벨 변화에 기인하는 모드 노이즈를 평균화할 수 있다. 다중 모드 광섬유의 굴절률은 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변형함으로써 주기적으로 변형될 수 있다. 다중 모드 광섬유를 주기적 및 물리적으로 조작함으로써 굴절률을 변형하거나 다중 모드 광섬유 내의 광 분산을 스크램블할 수 있다.The present invention is an optical mode noise averaging apparatus comprising means for averaging modal noise of light propagating within a multimode optical fiber and a multimode optical fiber. The device may periodically change the refractive index of the multimode optical fiber for a selected period of time, scramble the light dispersion in the multimode optical fiber, or both to average the mode noise due to signal level changes in the light. The refractive index of a multimode optical fiber may be periodically modified by periodically modifying the temperature of the multimode optical fiber. By periodically and physically manipulating the multimode fiber, it is possible to modify the refractive index or scramble the light dispersion within the multimode fiber.
다중 모드 광섬유의 온도는 다중 모드 광섬유와 열이 전달되도록 위치되는 써멀 엘리먼트(Thermal Element)의 작용으로 변화될 수 있다. 써멀 엘리먼트로 사용하기에 적당한 장치는, 열전기 모듈, 저항 히터, 적외선 히터, 화학적 히터, 종래의 냉장 장치, 화학적 냉각기, 주변 온도 이하로 냉각된 유체원(source of fluid ), 또는 주변 온도 이상으로 가열된 유체원을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다.The temperature of the multimode optical fiber can be changed by the action of the thermal element and the thermal element positioned to transfer heat. Appropriate devices for use as thermal elements include thermoelectric modules, resistance heaters, infrared heaters, chemical heaters, conventional refrigeration units, chemical coolers, sources of fluid cooled below ambient temperature, or heated above ambient temperature. Including, but not limited to, a fluid source.
광학 장치는 다중 모드 광섬유와 열 접촉하는 열전대(Thermocouple) 등의 온도 센서 및 온도 센서로부터의 입력을 수신하여 써멀 엘리먼트를 제어하는 제어기를 포함한다.The optical device includes a temperature sensor, such as a thermocouple, in thermal contact with the multimode optical fiber, and a controller that receives input from the temperature sensor and controls the thermal element.
다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하기 위한 장치의 특성을 갖는 다른 실시예에서, 상기 조작은 다중 모드 광섬유를 비틀거나, 신장하거나 흔드는 것을 포함한다. 압전 신장기는 다중 모드 광섬유를 주기적으로 신장하는 데에 사용된다. 대안적으로, 모터는 광섬유의 길이 방향 축 및 광섬유의 고정 부분에 대해 시계방향과 반시계 방향 교대로 다중 모드 광섬유의 일부를 주기적으로 비트는 데에 사용될 수 있다. In another embodiment having the characteristics of an apparatus for periodically manipulating a multimode optical fiber, the manipulation includes twisting, stretching or shaking the multimode optical fiber. Piezoelectric stretchers are used to periodically stretch multimode optical fibers. Alternatively, the motor may be used to periodically twist a portion of the multimode optical fiber alternately clockwise and counterclockwise relative to the longitudinal axis of the optical fiber and the fixed portion of the optical fiber.
본 발명은 또한 다중 모드 광섬유의 입력에 빛을 결합하는 단계, 다중 모드 광섬유의 굴절률을 주기적으로 변형하는 단계, 및 다중 모드 광섬유의 출력에서 평균화된 빛을 수신하는 단계를 포함하는, 다중 모드 광 광섬유에서의 광학 모드 노이즈 평균화 방법에 관한 것이다. 모드 노이즈 평균화 방법은 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변형하는 단계와 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하는 단계 중 하나에 의해 굴절률을 변형하는 단계를 포함한다. 다중 모드 광섬유의 온도는 다중 모드 광 광섬유와 열이 전달되도록 하는 열적 구성 요소를 제공함으로써 주기적으로 변형될 수 있다. 대안적으로, 다중 모드 광섬유를 비틀거나, 신장하거나 흔듦으로써 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작할 수 있다.The invention also includes coupling light to the input of the multimode optical fiber, periodically modifying the refractive index of the multimode optical fiber, and receiving the averaged light at the output of the multimode optical fiber. It relates to an optical mode noise averaging method in. The mode noise averaging method includes modifying the refractive index by one of periodically modifying the temperature of the multimode optical fiber and periodically operating the multimode optical fiber. The temperature of the multimode optical fiber can be periodically modified by providing a thermal component that allows heat to be transferred with the multimode optical fiber. Alternatively, the multi-mode fiber can be manipulated periodically by twisting, stretching or shaking the multi-mode fiber.
도 1은 TDLAS 감지 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a TDLAS sensing device.
도 2는 연소실 근처의 구성 요소에 광학적으로 결합된 원격 위치된 구성 요소의 특성을 갖는 TDLAS 감지 장치의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a TDLAS sensing device having the properties of a remotely located component optically coupled to a component near the combustion chamber.
도 3은 본 발명과 호환되는 광학 모드 노이즈 평균화 장치의 개략도이다.3 is a schematic diagram of an optical mode noise averaging apparatus compatible with the present invention.
도 4는 써멀 엘리먼트로 주변 온도 이상으로 가열되거나 이하로 냉각된 유체 원을 갖는 온도 기반의 위상 전이 장치의 확대도이다.4 is an enlarged view of a temperature based phase shifting device having a fluid source heated or cooled below ambient temperature with a thermal element.
도 5는 써멀 엘리먼트로 일련의 열전기 장치를 사용하는 온도 기반의 위상 전이 장치의 확대도이다.5 is an enlarged view of a temperature based phase shift device using a series of thermoelectric devices as thermal elements.
도 6은 도 5의 온도 기반 위상 전이 장치의 다른 확대도이다.FIG. 6 is another enlarged view of the temperature based phase shifting device of FIG. 5.
도 7은 다중 모드 광섬유의 기계적 조작을 위한 모터를 사용한 광학 모드 노이즈 평균화 장치의 개략도이다.7 is a schematic diagram of an optical mode noise averaging apparatus using a motor for mechanical operation of a multimode optical fiber.
도 8은 다중 모드 광섬유의 기계적 조작을 위해 압전 신장기를 사용하는 광학 모드 노이즈 평균화 장치의 개략도이다.8 is a schematic diagram of an optical mode noise averaging apparatus using a piezoelectric stretcher for the mechanical manipulation of a multimode optical fiber.
도 9는 발신측 모드 노이즈 저감 장치의 개략도이다.9 is a schematic diagram of a source mode noise reduction device.
A. 개요A. Overview
본 발명의 바람직한 실시예는 광학 모드 노이즈 평균화 장치이다. 광학 모드 노이즈 평균화 장치는 아래 섹션 E에서 상세히 기재한다. 광학 모드 노이즈 평균화 장치는 광섬유 결합 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(TDLAS) 감지 장치와 관련되는 수신(catch)측 (또는 수신(receive)측) 다중 모드 광섬유에 내재하는 모드 노이즈를 평균화하는 데에 적합하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 이런 감지 장치의 여러 실시예들이 여기에서 참조로 언급되고 있는 2004년 3월 31일자 출원된 "연소의 모니터링과 제어를 위한 방법 및 장치"로 표제된 국제 특허 출원 번호 PCT/US04/10048 (공개 번호 WO2004/090496)에 기재되고 있다. 부가하여, 광섬유 결합 TDLAS 감지 장치를 이하에 기재한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 모 드 노이즈가 존재하는 모든 광학 시스템에서 광학 모드 노이즈를 평균화하는 데에 적합하다. 특히, 광학 모드 노이즈 평균화 장치는 컴퓨팅, 텔레커뮤니케이션, 과학적 연구, 또는 그 외 빛을 전송하는 상당한 길이의 다중 모드 광섬유의 특성을 갖는 시스템으로 구현될 수 있다. 평균화 장치는 어느 광학 시스템에서나 유용하며, 이 때 시스템의 효율성은 다중 모드 광섬유 내에서 전파하는 광에 내재하는 광학 모드 노이즈를 평균화하여 강화될 수 있다.A preferred embodiment of the present invention is an optical mode noise averaging device. The optical mode noise averaging device is described in detail in section E below. The optical mode noise averaging device is suitable for averaging the mode noise inherent in the catch-side (or receive-side) multimode fiber associated with a fiber-coupled tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) sensing device. It is not limited thereto. International patent application number PCT / US04 / 10048 (published number) entitled "Methods and Devices for Monitoring and Control of Combustion", filed March 31, 2004, in which several embodiments of such sensing devices are incorporated herein by reference. WO2004 / 090496). In addition, an optical fiber coupled TDLAS sensing device is described below. A preferred embodiment of the present invention is suitable for averaging optical mode noise in all optical systems where mode noise is present. In particular, the optical mode noise averaging device may be implemented as a system having the characteristics of a considerable length of multimode fiber for transmitting light in computing, telecommunications, scientific research, or other. The averaging device is useful in any optical system, where the efficiency of the system can be enhanced by averaging the optical mode noise inherent in the light propagating within the multimode fiber.
B. 감지 장치B. Sensing Device
본 발명의 일 실시예는 도1에 도시된 바와 같이, 연소 프로세스를 감지하고, 모니터링하며 제어하는데 적합한 감지 장치(10)에 관한 것이다. 감지 장치(10)는 근적외선 또는 중적외선 스펙트럼의 일정한 주파수에서 발진하는 일련의 파장 가변 다이오드 레이저(12)로부터의 레이저 빛을 사용하는 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(TDLAS)을 사용한다. 파장 가변 다이오드 레이저(12) 각각의 출력은 단일 모드 광섬유(14)인 개별적인 광섬유에 결합되어 멀티플렉서(multiplexer)(16)로 전달된다. 여기에서 사용되는 "결합된(coupled)", "광학적으로 결합된(optically coupled)" 또는 "광학적으로 연통된(in optical communication with)"이라는 표현은 빛이 중간의 매개부품 또는 빈 공간을 통하거나 통하지 않고 제1구성 부품으로부터 제2구성 부품으로 통과할 수 있는 대응부품들 사이의 기능적 관계로 정의된다. 다중화되어 발생된 일부 또는 전 주파수의 레이저 빛은 멀티플렉서(16)에서 복합 선택 주파수를 갖는 다중화 프로브 빔을 형성한다. 다중화 프로브 빔은 발신측 (또는 전송측) 광섬유(18)에 결합되고, 도 1에서 연소실(22)로 표시되어진 프로세스 챔버와 작용적으로 결합된 발신 광학부(pitch optic)(20) 분광기(collimator)로 전달된다.One embodiment of the present invention relates to a
발신 광학부(20)는 연소실(22)을 관통해 다중화 프로브빔을 투사하도록 설치되어 있다. 수신 광학부(catch optic)(24)는 발신 광학부(20)와 광학적으로 연통된 연소실(22)을 가로질러 위치한다. 수신 광학부(24)는 발신 광학부(20)의 대략 맞은편에 설치되는 것이 바람직하며, 연소실(22)과 작용적으로 결합된다. 수신 광학부(24)는 연소실(22)을 통해 발사된 다중화 프로브빔을 수광할 수 있도록 설치된다. 수신 광학부(24)는 수신 광학부(24)에 의해 수광된 다중화 프로브빔을 디멀티플렉서(28)로 전달하는 수광측 광섬유(26)에 광학적으로 결합된다. 수신 광학부(24)에 의해 수신된 다중화 프로브빔은 디멀티플렉서(28) 내에서 역다중화되고, 역다중화된 레이저 빛의 각각의 파장은 출력 광섬유(30)로 결합된다. 각각의 출력 광섬유(30)는 차례로 검출기(32)에 광학적으로 결합된다. 각 검출기(32)는 일반적으로 프로브 빔을 형성하기 위해 다중화된 레이저 빛의 선택 주파수 중 하나에 대해 민감한 광검출기이다. 검출기(32)는 검출기 주파수로 검출기(32)로 전송된 빛의 성질과 양에 따른 전기 신호를 발생시킨다. 각 검출기(32)의 전기 신호는 통상 디지털화되어 데이터 처리 시스템(34)에서 분석된다. 이하 설명하는 바와 같이, 디지털화되어 분석된 데이터는 연소실(22) 내의 여러 가스성분의 농도와 연소 온도 등을 포함하는 프로세스 챔버 내에서 물리적 파라미터들을 인식하기 위해 사용될 수 있다. 데이터 처리 시스템(34)은 피드백 루프(36)를 통해 연소 제어 장치(38)로 신호를 보낼 수 있으며, 이에 의해 선정된 프로세스 파라미터들을 능동적으로 제어할 수 있다. 연소 프로세스의 경우, 제어되는 프로세스 파라미터들은 연료(예컨대, 미분탄) 공급 속도, 산소 공급 속도, 및 촉매 또는 화학 약품 첨가 속도를 포함할 수 있다. 감지 장치(10)의 발신측과 수신측의 전자부품 및 광학 부품들을 광섬유로 결합하면, 파장 가변 다이오드 레이저(12), 검출기(32), 데이터 처리 시스템(34)과 같이 예민하고 온도에 민감한 장치들을 안정적인 동작 환경을 갖는 제어실에 설치할 수 있다. 그러면, 비교적 환경에 강한 발신 및 수신 광학부(20, 24)만이 연소실(22)의 열악한 환경 근처에 설치된다.The transmission
도 2는 광섬유로 결합된 다중화 감지 시스템(40)의 전체적인 부품배치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이 감지 시스템(40)은 일반적으로, 시스템 랙(system rack; 42), 브레이크아웃 박스(breakout box; 44), 발신 광학부(pitch optics: 48)를 갖는 전송기 헤드(46), 수신 광학부(catch optics; 52)를 갖는 수신기 헤드 및 결합 광섬유들을 포함한다. 시스템 랙(42)은 연소실(54)로부터 원거리, 예를 들어 일 킬로미터 거리 떨어져 위치한 원격 제어 룸에 설치하는 것이 바람직하다. 제어 룸은 통상 조절된 환경을 갖는다. 시스템 랙(42)은 레이저(56), 검출기(58), 파장 멀티플렉서(60) 및 파장 디멀티플렉서(62)를 포함한다. 또한 시스템 랙(42)은(도 2에 미도시) 시스템 전자 부품들과 제어 소프트웨어들을 포함한다. 시스템 랙(42)은 선택적으로 얼라인먼트 광원(64)을 포함할 수 있다.2 is a schematic view of the overall component arrangement of a
시스템 랙(42)과 브레이크아웃 박스(44)를 결합하는 광섬유는 일반적으로 표준 단일 모드 통신 광섬유(single-mode telecom optical fiber)를 사용한다. 이 종류의 광섬유는 저렴하고, 쉽게 사용 가능하며, 손실이 적고, 광 스위치, 스플리 터 및 파장 분할 멀티플렉서와 같은, 빛을 조작하는 여러가지 기성의 통신부품에 레이저 빛을 사용할 수 있게 해준다. 광섬유를 사용하지 않으면, 레이저 빛은 빈 공간을 통해 연소실(54)까지 도달되기 때문에 장치를 구성하기가 매우 어려울 것이다. 또한 민감한 전자 부품과 광학 부품을 연소실(54)에 매우 가깝게 설치하여야만 할 것이다. The optical fiber that couples the system rack 42 and the breakout box 44 generally uses standard single-mode telecom optical fiber. This type of fiber is inexpensive, easy to use, low loss, and allows the use of laser light in a variety of off-the-shelf communications components such as optical switches, splitters and wavelength division multiplexers. Without the use of optical fibers, the laser light would reach the
또한, 도 2에는 브레이크아웃 박스(44)가 도시되어 있다. 브레이크아웃 박스(44)는 보일러 가까이에 위치할 수 있도록 내환경성이 좋도록 포장되어 있다. 브레이크아웃 박스(44)는 아래에서 설명하는 바와 같이 광 신호들이 복수의 송신-수신기 헤드 쌍으로 전송되도록 하는데 사용되는 광 스위치, 스플리터 및 커플러(집합적으로 66)를 포함한다.Also shown in FIG. 2 is a breakout box 44. The breakout box 44 is packaged to have good environmental resistance so that it can be located near the boiler. Breakout box 44 includes optical switches, splitters, and couplers (collectively 66) that are used to cause optical signals to be sent to a plurality of transmit-receiver head pairs, as described below.
도 2에서 도시된 바와 같이 시스템 부품들의 제3 그룹은 송신기 및 수신기 헤드(46, 50)이다. 송신기 및 수신기 헤드(46, 50)의 광부품 및 전자 부품은 광섬유(68)로 전달된 빛을 평행광선으로 변환하고, 이 광선이 정확하게 연소실(54)을 통하여 지나도록 하고, 연소실(54)의 반대측에서 그 광선을 받고 그 광선이 광섬유(70)로 연결되도록 해야만 한다. 이러한 기능을 하는 광학 부품들은 전송 거리, 연소 영역에서의 교란, 전송된 광선 및 광섬유(70)의 코어 크기에 따라 선정된다. 코어 크기의 선택은 어플리케이션에 의해 지시되는 디자인 선택의 문제이다. 코어가 커질수록 더 많은 레이저 빛을 받아들이게 되지만 또한 더 많은 배경 빛도 받아들이게 된다. 석탄 연소 보일러가 사용될 때, 50미크론의 광섬유 코어 직경은 허용 가능한 결과를 제공한다. 수신(리시버)측에 광섬유를 사용하는 것은 몇 가지 유리한 점이 있다. 특히, 레이저 빛과 동일한 위치에서 동일한 방향으로 전송된 빛만 광섬유(70)로 초점이 맞춰진다. 이것은 감지되는 배경 빛의 양을 급격히 저감시킨다. 빛은 여러개의 수신기 광섬유 중 하나에 받아들여지고 광 스위치나 다른 광 경로기기가 검출기(58)까지의 경로를 이루는 하나의 광섬유로부터 빛을 선택할 수 있다. 도 2에서는 오직 하나의 수신 광학부만을 도시하고 있다.As shown in FIG. 2, the third group of system components are transmitter and receiver heads 46, 50. The optical and electronic components of the transmitter and receiver heads 46 and 50 convert the light transmitted to the
수신측에 광섬유 커플링을 사용하기 위해서는 송신기와 수신기 광학부 양측의 얼라인먼트 공차가 정확하게 유지되어야 한다(송신기 및 수신기 포인팅 양쪽에 대해 0.5milliradian 이하). 다중화 레이저 신호들이 동시에 효율적으로 송신 및 수신될 수 있도록 발신 광학부와 수신 광학부(48, 52)의 양쪽이 660nm 부터 1650nm 까지의 파장에 대해 주문 설계되고 수차 보정된 것이 바람직하다. To use fiber coupling on the receiver side, the alignment tolerances on both the transmitter and receiver optics must be maintained correctly (0.5 milliradian or less for both transmitter and receiver pointing). It is desirable that both the transmitting and receiving
C. 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술C. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy
파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술 (TDLAS)은 레이저 분광 기술을 갖고 있는 당업자에게 잘 알려진 기술을 사용하여 수행된다. 일반적으로, TDLAS는 표적 환경을 통해 레이저 빛을 전송하고, 일산화탄소나 산소와 같은 표적 가스에 기인하는 특정 파장에서 레이저 빛의 흡수를 검출함으로써 이루어진다. 검출된 빛을 분광 분석하면 레이저 경로를 따라 가스의 종류와 양을 알 수 있다. 직접 흡수 분광법의 상세한 내용은 Teichert, Fernholz 및 Ebert의 "근적외선 다이오드 레이저에 의해 실물 크기의 석탄 연소 발전소에서 CO, H2O 및 가스 온도의 동시 측정" (2003년 4월 20일자, 응용 광학, 42(12):2043)에 기재되어 있으며, 그 내용은 여기 에서 전체적으로 참조될 것이다. 레이저 흡수 분광기의 비접촉 특성때문에 다른 탐침(probes)을 사용할 석탄 화력 발전소의 연소 지역과 같은 가혹한 환경이나, 가연성 또는 독성이 있는 환경에 적합하다. 레이저 빛을 사용하면, 이들 환경에서 볼 수 있는 심한 감쇠(통상 99.9% 이상의 빛 손실)의 존재시 빛의 전달을 검출하는 데에 필요한 고광도(high brightness)를 얻을 수 있다. 목표 응용분야의 가혹한 조건에 더 잘 견디도록 하기 위해, 레이저 빛은 강화된 광섬유를 통해 표적 환경으로 전송된다. Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is performed using techniques well known to those skilled in the art having laser spectroscopy techniques. In general, TDLAS is achieved by transmitting laser light through the target environment and detecting the absorption of the laser light at a particular wavelength due to the target gas, such as carbon monoxide or oxygen. Spectroscopic analysis of the detected light reveals the type and amount of gas along the laser path. Details of direct absorption spectroscopy can be found in Teichert, Fernholz, and Ebert, "Simultaneous Measurement of CO, H 2 O, and Gas Temperatures in Full-Size Coal-fired Power Plants by Near-Infrared Diode Lasers" (April 20, 2003, Applied Optics, 42 (12): 2043), the contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety. The non-contact nature of laser absorption spectroscopy makes them suitable for harsh environments, such as combustion areas of coal-fired power plants, where other probes will be used, or for flammable or toxic environments. Using laser light, it is possible to obtain the high brightness needed to detect the transmission of light in the presence of the severe attenuation seen in these environments (typically greater than 99.9% light loss). In order to better withstand the harsh conditions of the target application, laser light is transmitted to the target environment through the reinforced optical fiber.
온도나 복수의 연소 프로세스 구성 성분 가스를 효율적으로 감지하기 위해서는 다수의 넓은 간격 주파수의 레이저 빛을 갖는 TDLAS의 성능이 필요하다. 선택된 주파수는 모니터할 전이(transition)의 흡수선과 매치(match)가 되어야 한다. 예를 들어, 대략적으로 방사된 NO 농도에 대해 670nm의 파장에서 NO2를 모니터하는 것이 유용하다. 또한 석탄 화력 설비 보일러에서 산소, 수증기(온도), 일산화탄소를 모니터하는 것이 매우 유용하다. 적절한 흡수선과 적절한 레이저 주파수는 연소실을 관통하는 레이저 프로브 경로 길이가 10미터이고 각 성분의 몰분율이 CO(1%), O2(4%), CO2(10%), H2O(10%)라는 가정 하에서 결정될 수 있다. 주파수를 선택하기 위해서는, 프로세스 온도는 석탄 화력 발전소에서 통상 관찰되는 것의 온도 보다 약간 더 높은 1800K라고 가정할 수 있으며, 쿠션(cushion)은 계산에 있어서 안전율의 역할을 한다. Efficient detection of temperature or multiple combustion process constituent gases requires the performance of TDLAS with laser light at multiple wide intervals. The selected frequency should match the absorption line of the transition to be monitored. For example, it is useful to monitor NO 2 at a wavelength of 670 nm for approximately emitted NO concentrations. It is also very useful to monitor oxygen, steam (temperature) and carbon monoxide in coal fired boilers. The proper absorption line and the appropriate laser frequency are 10 meters in length for the laser probe path through the combustion chamber and the mole fractions of each component are CO (1%), O 2 (4%), CO 2 (10%), and H 2 O (10%). Can be determined under the assumption that To select the frequency, it can be assumed that the process temperature is 1800K slightly higher than the temperature normally observed in coal-fired power plants, and cushions serve as safety factors in the calculations.
예를 들면, 다음 기준을 만족하는 세 개의 수분 흡수선이 TDLAS로 선택될 수 있다:For example, three moisture absorption lines that meet the following criteria can be selected as TDLAS:
1. 각각 ~1000, 2000, 3000cm-1의 낮은 상태의 에너지;1. low state energy of ˜1000, 2000, 3000 cm −1 , respectively;
2. 차례로 공명에 의한 대략 20%의 빔 흡수율에 이르는 0.1-0.4의 편리한 흡광도(absorbance)를 제공할 것;2. provide a convenient absorbance of 0.1-0.4, which in turn leads to a beam absorption of approximately 20% by resonance;
3. 값이 싸고, 출력이 크며, DFB 다이오드 통신 레이저를 사용할 수 있는1250 내지 1650nm의 영역에서 전이를 사용하는 최적환경;3. Optimal environment using transitions in the region of 1250-1650 nm where low cost, high output and DFB diode communication laser can be used;
4. 전이는 쉽게 다중화할 수 있도록 잘 분리되어야 함;4. Transitions should be well separated for easy multiplexing;
5. 선택된 파장은 기존의 (디)멀티플렉서 격자(grating)에 의해 효과적으로 회절되어야 함;5. The selected wavelength should be effectively diffracted by the existing (de) multiplexer grating;
적절한 수분선들(water lines)은 다음 파장에서 발생한다.Appropriate water lines occur at the next wavelength.
그 외 다른 연소 가스와의 간섭은 없다. 가장 간섭될 것 같은 성분인 CO2는 모형화되어 1.3-1.4미크론 영역에서는 강하고 간섭되는 선들이 존재하지 않는다.There is no interference with other combustion gases. The most likely to interfere component, CO 2, is modeled so that there are no strong and interfering lines in the 1.3-1.4 micron region.
유사하게, 적절한 일산화탄소 라인은 상술한 Ebert의 논문에 기초하여 선택될 수 있다. 적절한 일산화탄소 라인은 석탄 화력 설비 보일러에서 R(24) 라인을 사용하는 1559.562nm에서 발견된다. 이 라인의 선택은 수분과 이산화탄소와의 간섭을 피한다. 공지의 회절 격자는 광 통신 C 밴드에 있기 때문에 이 파장 영역에서 매우 효과적이다. 이 파장에서의 CO의 흡광도는 0.7% 정도이다.Similarly, a suitable carbon monoxide line can be selected based on Ebert's paper described above. Suitable carbon monoxide lines are found at 1559.562 nm using the R (24) line in coal fired boilers. This line selection avoids the interference of moisture and carbon dioxide. Known diffraction gratings are very effective in this wavelength region because they are in the optical communication C band. The absorbance of CO at this wavelength is about 0.7%.
또한, 산소는 760.0932nm에서 측정할 수 있다. 바람직한 (디)멀티플렉싱 회절 격자 효율은 이 영역에서 40%로 계산되지만, 적절한 이러한 특정 효율을 얻기 위해서는 적절한 레이저 출력이 사용되어야 한다.In addition, oxygen can be measured at 760.0932 nm. The preferred (de) multiplexing diffraction grating efficiency is calculated at 40% in this area, but an appropriate laser power must be used to obtain this particular efficiency.
이하에서 설명되는 바와 같이, TDLAS 감지 장치의 발신측과 수신측 양쪽에 광섬유 커플링(fiber coupling)을 사용하기 위해서는 발신 광학부와 수신 광학부의 엄격한 얼라인먼트가 필요하다. 능동적인 얼라인먼트가 선택된 얼라인먼트 파장에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 사용 가능한 얼라인먼트 파장 중의 하나는 660nm이다, 왜냐하면, 고 출력(45mW) 다이오드가 이 주파수에서 사용 가능하고, 660nm는 14차 격차 작용(order grating operation)의 최고치 근처이기 때문이다. 다른 얼라인먼트 파장도 동일하게 또는 보다 적절하게 결정될 수 있다.As will be described below, strict alignment of the transmitting and receiving optics is necessary to use fiber coupling on both the transmitting and receiving sides of the TDLAS sensing device. It is preferred that active alignment is performed by the selected alignment wavelength. One of the available alignment wavelengths is 660 nm, since a high output (45 mW) diode is available at this frequency, and 660 nm is near the peak of the 14th order grating operation. Other alignment wavelengths may be determined equally or more appropriately.
본 발명의 TDLAS를 위한 프로브 빔에 다중화하기 위해 선택된 합당한 세트의 파장들을 표 2에 요약하였다. 이 파장 세트는 석탄 화력 발전소의 감지와 제어를 위해 적절한 TDLAS 감지 장치의 일 실시예를 위한 것임을 유의해야 한다. 다른 파장 세트도 사용 가능함은 물론이다. A reasonable set of wavelengths selected for multiplexing on the probe beam for the TDLAS of the present invention is summarized in Table 2. Note that this set of wavelengths is for one embodiment of a TDLAS sensing device suitable for the detection and control of coal-fired power plants. Of course, other wavelength sets can be used.
D. 다중화 빔을 사용하는 D. Using Multiplexed Beams TDLASTDLAS 의 특정 이점Specific benefits of
파장 다중화 프로브 빔을 사용하는 TDLAS의 특별한 이점은 온도 측정의 정확성을 향상시킨다는 것이다. TDLAS로 정확한 농도 측정을 하기 위해서는 모니터하는 가스의 온도를 알아야 한다. 분자 흡수(molecular absorption)의 강도(strength)는 온도의 함수이다. 따라서, 흡수 특성(obsorption feature)의 진폭을 농도로 변환하기 위해서는 온도를 알아야만 한다. CO와 같은 연소 성분의 농도를 측정하려는 종래의 방법은 정량화에 오차를 일으키는 부정확한 온도 측정때문에 곤란을 겪었다. 이것은 특히 통상적으로 온도 측정과 조화되지 않는 다이오드-레이저 기반 암모니아 슬립 모니터에서 더욱 그러하다. 본 발명에 대한 감지 시스템에서, 온도는 2개 이상의 분자 수분라인(molecular water line)의 강도 비(ratio of the intensity)를 측정함으로써 결정될 수 있다. 두 라인의 통합된 강도의 비는 온도만의 함수이다 (전 시스템의 압력이 일정하다고 가정). 따라서, 원칙적으로 2개의 라인으로 정확한 온도를 얻을 수 있다. 그러나, 비균일한 온도 분포의 경우에는(일반적으로, 산업적인 연소 프로세스 내에서 발견된다), 2개의 라인만으로 온도 분포를 결정할 수 없다. 이런 비균일한 온도 분포의 경우에는, 2개의 라인은 단지 "경로 평균(path-averaged)" 온도만을 결정할 수 있다. 반대로, 2개 이상의 라인(같은 성분)의 통합된 진폭을 측정하면 온도 비균일성을 검출할 수 있다. Sanders, Wang, Jeffries 및 Hanson이 프로브 분자로 산소를 사용하여 이러한 기술을 구현한 일 예(응용 광학, 40(24):4404, 2001년 8월 20일자)가 여기에서 전체적으로 참조된다. 바람직한 기술은 시선을 따라 측정한 최고 강도(peak intensity)의 분포가 평균 온도 500K의 경로와 일치하지 않다는 사실에 기반을 두고 있다. 예를 들면, 그 경로의 절반은 300K이고 나머지 절반은 700K이다. A particular advantage of TDLAS using wavelength multiplexed probe beams is that they improve the accuracy of temperature measurements. Accurate concentration measurements with TDLAS require knowing the temperature of the gas being monitored. The strength of molecular absorption is a function of temperature. Therefore, temperature must be known to convert the amplitude of the absorption feature into concentration. Conventional methods for determining the concentration of combustion components, such as CO, have suffered from inaccurate temperature measurements that lead to errors in quantification. This is especially true for diode-laser based ammonia slip monitors, which are typically not compatible with temperature measurements. In the sensing system for the present invention, the temperature can be determined by measuring the ratio of the intensity of two or more molecular water lines. The ratio of the combined strengths of the two lines is a function of temperature only (assuming the pressure in the entire system is constant). Thus, in principle, the correct temperature can be obtained with two lines. However, in the case of non-uniform temperature distributions (generally found in industrial combustion processes), only two lines cannot determine the temperature distribution. In the case of this non-uniform temperature distribution, the two lines can only determine the "path-averaged" temperature. Conversely, measuring the integrated amplitude of two or more lines (same component) can detect temperature non-uniformity. Reference is made here in its entirety by Sanders, Wang, Jeffries and Hanson, who have implemented this technique using oxygen as the probe molecule (Application Optics, 40 (24): 4404, Aug. 20, 2001). The preferred technique is based on the fact that the distribution of peak intensities measured along the line of sight does not coincide with the path of average temperature 500K. For example, half of the path is 300K and the other half is 700K.
더 정확한 온도 측정을 할 수 있다는 이점 외에, 다중화 프로브 빔을 사용하면, 하나 이상의 연소 가스 성분을 동시에 모니터링 할 수 있으며, 연소 프로세스를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다. In addition to the benefits of more accurate temperature measurements, multiplexed probe beams allow simultaneous monitoring of one or more combustion gas components and more precise control of the combustion process.
E. E. 모드mode 노이즈noise
넓은 간격 파장으로부터 다중화 신호를 필요로 하는 TDLAS 시스템의 광학적 결합장치와 이와 유사한 장치는 모드 노이즈의 감소와 고 효율이 광 집합적이라는 상반되는 설계요구 때문에 많은 설계상의 도전이 존재한다. 여기서 모드 노이즈는 측정될 프로세스 챔버로 들어가거나 나오는 빛을 모으고 전달하는 데 사용되는 광섬유의 코어에서 비균일한 시간과 파장이 변화되는 광 분산으로부터 기인하는 검출된 빛의 신호 레벨의 변화로서 정의된다. Optical coupling devices and similar devices in TDLAS systems that require multiplexed signals from a wide spacing wavelength present many design challenges due to the conflicting design requirements of reduced mode noise and high efficiency of light aggregation. Mode noise is defined here as the change in signal level of detected light resulting from light dispersion that varies in time and wavelength at non-uniformity in the core of the optical fiber used to collect and transmit the light entering or exiting the process chamber to be measured.
다중모드 광섬유에서, 굴절률의 변화에 따라 다른 모드가 다른 속도로 전달된다. 광섬유에서의 강도 분포(intensity distribution)는 다른 유효 경로 길이(effective path length)를 통과한 모든 전파 모드의 간섭에 의해 스펙클 패턴이 된다. 만일 스펙클 패턴의 모든 빛이 모이고 검출된다면, 건설적인 간섭과 파괴적인 간섭이 정확히 상쇄되어 총 전달된 출력은 파장이나 광섬유의 길이에 따라 변하지 않을 것이다. 만일 클리핑(clipping), 비네팅(vignetting) 등의 손실이 있으면, 정확하게 상쇄되지 않아 검출되는 출력은 파장 및/또는 시간에 따라 변한다. 상술된 바와 같은 TDLAS 감지 시스템에서, 모드 노이즈로 인한 출력의 변화는 상당히 문제가 된다. 특정 분광 기술은 연구되는 가스 성분에 의한 빛의 특정 파장의 흡수에 따라 좌우된다. 흡수는 임계 파장에서 출력의 감소로 검출된다. 따라서, 모드 노이즈는 흡수에 따른 출력 강하와 유사하여 TDLAS로 집합된 데이터를 불명료하게 할 수 있다. 길이가 z인 광섬유에서 뒤에 검출된 출력의 일반식은 다음과 같다:In multimode optical fibers, different modes propagate at different speeds as the refractive index changes. Intensity distribution in an optical fiber becomes a speckle pattern by interference of all propagation modes passing through different effective path lengths. If all the light in the speckle pattern is collected and detected, constructive and destructive interference will be accurately offset so that the total transmitted power will not change with wavelength or fiber length. If there is a loss of clipping, vignetting, or the like, the output that is detected is not offset exactly and changes with wavelength and / or time. In the TDLAS sensing system as described above, the change in output due to mode noise is quite problematic. Specific spectroscopic techniques depend on the absorption of certain wavelengths of light by the gas component being studied. Absorption is detected as a decrease in power at the critical wavelength. Thus, the mode noise may be similar to the output drop along the absorption to obscure the data collected by the TDLAS. The general formula of the output detected later in a fiber of length z is:
여기서 P0 = 파장과 관련없는 평균 출력Where P 0 = average power independent of wavelength
Ei = i번째 횡단 모드에서의 빛의 진폭E i = the amplitude of light in the ith crossing mode
cij = i번째와 j번째 횡단 모드 사이의 겹치기 적분c ij = overlap integration between the i th and j th traversal modes
△nij = i번째와 j번째 모드 사이의 굴절률 차이Δn ij = refractive index difference between the i th and j th modes
△Φij = 온도와 응력(stress)에 따른 i번째와 j번째 모드 사이의 상 쉬프트(phase shift)이다. △ Φ ij = Phase shift between the i th and j th modes with temperature and stress.
정규직교 세트 모드(orthonomal set of modes)와 무손실의 경우에, cij=0이다. 그러나, 빔 클리핑, 비네팅, 또는 다른 모드 손실이 있는 경우는 cij≠0이다.이것이 평균 전달 출력에서 리플(ripples)을 일으킨다.In the case of orthogonal set of modes and lossless, c ij = 0. However, if there are beam clipping, vignetting, or other mode loss, c ij ≠ 0. This causes ripples in the average propagation output.
50미크론의 코어를 갖는 통상의 경사형 굴절률 광섬유는, 총 굴절률 변화, △n는 ~1%이지만, 대부분의 모드는 광섬유 코어 중심에 가까우면 많은 전달 시간을 소모한다. 그래서, 일반적으로 △nij<0.0005이다. 일반적으로 사용하는 광섬유인 GIF50은 대략 135 모드를 지원하며, 주어진 합리적으로 얻을 수 있는 빔 클리핑 레벨로 파장 스캔을 하는 동안 현저한 모드 노이즈를 발생시킬 정도로 거칠다.Conventional warp refractive index optical fibers with a 50 micron core have a total refractive index change, Δn of ˜1%, but most modes consume a lot of propagation time when they are close to the center of the fiber core. So, in general, Δn ij <0.0005. The commonly used fiber optic GIF50 supports roughly 135 modes and is rough enough to produce significant mode noise during wavelength scans at a given reasonably obtainable beam clipping level.
구체적인 모드 노이즈의 예로서, 모드 노이즈가 존재하는 가장 간단한 시스템: 일차원에서 최하의 모드만을 지원하고, 정규직교 차원에서 두 개의 최하 모드를 지원하는 직사각형의 웨이브가드(waveguide)를 생각할 수 있다:As an example of specific mode noise, consider the simplest system with mode noise: a rectangular waveguide that supports only the lowest mode in one dimension and two lowest modes in normal orthogonal dimensions:
최하 모드: E1=E1 0[exp i(kz-wt)]cosπx/2aLowest mode: E 1 = E 1 0 [exp i (kz-wt)] cosπx / 2a
다음 모드: E2=E2 0[exp i(kz-wt)]sinπx/aNext mode: E 2 = E 2 0 [exp i (kz-wt)] sinπx / a
광섬유를 따라 z점에서의 강도는:The strength at z along the fiber is:
여기서, 적분은 클리핑과 비네팅의 효과를 포함해야 한다.Here, the integral should include the effects of clipping and vignetting.
클리핑이 없으면, P~E1 2+E2 2이며, 파장에 의존하지 않는다. 클리핑을 추가하는 것은 적분의 한계를 변화시키게 된다. 클리핑은 추가항 ~ E1E2cos△Φ로 표현되고, 여기서 △Φ=△kL=2π△nL/λ이다.Without clipping, P ~ E 1 2 + E 2 2 and do not depend on wavelength. Adding clipping will change the limit of integration. Clipping is represented by the additional term ~ E 1 E 2 cosΔΦ, where ΔΦ = ΔkL = 2πΔnL / λ.
만일 단일 모드 광섬유가 상술된 바와 같이 시스템의 수신측 광학 결합장치에 사용된다면, 모드 노이즈는 문제가 되지 않는다. 그러나, 통상 광섬유 결합 TDLAS 시스템의 수신측 광학 결합장치는 두가지 이유때문에 다중 모드 광섬유를 사용해야 한다. 첫째는, 정 체적(10미터를 초과하는 측정 경로를 갖는 연소실)을 횡단한 후에, 초기 단일 모드 (Gaussian spatial distribution) 빔은 품질이 상당히 저하된다. 따라서, 이와 같이 심하게 왜곡된 빔을 단일 모드 광섬유로 결합하는 커플링 효율이 매우 나쁘다. 빔이 정 체적을 통과할때 주로 검댕과 비산재에 의해 분산되고 가려져서 크기가 3-4배로 감쇄되기 때문에 이것을 받아들일 수 없다. 단일 모드 광섬유를 사용함으로써 발생하는 추가적인 감쇄가 측정을 방해할 것이다. 둘째로, 화구(fireball)에서 굴절 빔 조향 효과(refractive beam steering effects)가 빔의 위치와 지향점을 불안정하게 만든다. 이와같이 주어진 영향 하에서, 규칙적으로 단일 모드 광섬유의 코어를 "맞추는 것(hit)"이 어렵다. If a single mode fiber is used in the receiving optical coupling device of the system as described above, mode noise is not a problem. However, the optical coupling device on the receiving side of the optical fiber coupling TDLAS system typically requires the use of multimode fiber for two reasons. Firstly, after traversing the static volume (combustion chamber with a measuring path exceeding 10 meters), the initial single-mode (Gaussian spatial distribution) beam is of poor quality. Therefore, the coupling efficiency of combining such a severely distorted beam into a single mode optical fiber is very bad. This is unacceptable as the beam passes through a static volume and is attenuated 3-4 times in size, mainly by being scattered and obscured by soot and fly ash. Additional attenuation caused by using single mode fiber will interfere with the measurement. Second, the refracting beam steering effects in the fireball make the position and direction of the beam unstable. Under such a given effect, it is difficult to "hit" the core of a single mode fiber regularly.
반면에, 다중 모드 광섬유의 코어는 단일 모드 광섬유의 표적 단면적보다 적어도 25배가 된다. 따라서, 빔 조향의 효과는 현저하게 감소된다. 또한, 다중 모드 광섬유의 결합 효율은 빛의 공간 모드와는 관계 없기 때문에, 화구를 통과한 후에 얻어지는 열악한 품질의 빔은 문제가 되지 않는다.In contrast, the core of the multimode fiber is at least 25 times the target cross-sectional area of the single mode fiber. Thus, the effect of beam steering is significantly reduced. In addition, since the coupling efficiency of the multimode optical fiber is independent of the spatial mode of light, the poor quality beam obtained after passing through the crater is not a problem.
컴퓨팅, 텔레커뮤니케이션, 또는 일반 과학 기술에서의 다른 유형의 실행은 다중 모드 광섬유의 실질적인 길이의 사용을 요하거나 사용하는 유사하거나 완전히 관련되지 않는 제한 사항을 가질 수 있다. 다른 실행시, 모드 노이즈는 또한 문제가 될 수 있으며 상당한 데이터 집합이나 데이터 전송 과제를 나타낼 수 있다.Other types of implementations in computing, telecommunications, or general science may have similar or completely unrelated limitations that require or use the substantial length of multimode fiber. In other implementations, mode noise can also be a problem and represent a significant data set or data transfer task.
따라서, 다중 모드 광섬유 결합장치에서 발생하는 모드 의존성 손실(mode dependent losses)은 설계상의 도전이다. 다중 모드 광섬유의 코어로부터 발산되 는 광 분산은 랜덤의 스펙클 패턴이다. 즉, 광섬유의 다른 모드 사이에서 건설적인 간섭과 파괴적인 간섭으로 인하여 생기는 밝은 부분과 어두운 부분으로 된 랜덤 패턴이다. 만일, 스펙클 패턴이 시간과 파장의 함수로 변하지 않는다면, 문제가 되지 않는다. 그러나, 빔이 상술된 바와 같이 다중 모드 수신측 광학 결합장치의 어디엔가 클리핑되면, 특히 파장의 함수로서 스펙클 패턴의 느린 변화는 모드 노이즈를 일으킬 수 있다. 이 클리핑은 피하기가 불가능하고, 단지 줄일 수 있을 뿐이다. 그러므로, 시스템의 검출 감도를 향상시키기 위해서는 모드 노이즈를 저감하기 위한 추가적인 측정이 실행되어야 한다.Therefore, mode dependent losses occurring in multimode fiber optic coupling devices are a design challenge. Light dispersion from the core of a multimode fiber is a random speckle pattern. In other words, it is a random pattern of bright and dark portions generated by constructive and destructive interference between different modes of optical fibers. If the speckle pattern does not change as a function of time and wavelength, this is not a problem. However, if the beam is clipped somewhere in the multi-mode receiving side optical coupling device as described above, slow changes in the speckle pattern, especially as a function of wavelength, can cause mode noise. This clipping is inevitable and can only be reduced. Therefore, in order to improve the detection sensitivity of the system, additional measurements must be performed to reduce the mode noise.
모드 노이즈를 줄이기 위한 몇가지 방법이 있다. 상기 수학식 (2)로부터, 모드 노이즈는 다음에 의해 감소될 수 있다:There are several ways to reduce mode noise. From equation (2) above, the mode noise can be reduced by:
1. 모드 의존 손실을 줄인다. 즉, 클리핑을 감소시켜 cij를 적게 유지한다;1. Reduce mode dependent losses. That is, reduce clipping to keep c ij less;
2. z를 감소시켜, 모드 노이즈의 주기를 관심있는 흡수 라인의 주기보다 훨씬 크도록 증가시킨다;2. Reduce z to increase the period of mode noise to be much larger than the period of the absorption line of interest;
3. 낮은 분산(dispersion) 광섬유를 사용하여 △nij를 줄인다;3. Reduce Δn ij by using low dispersion fiber;
4. 모드를 변경한다. 그러나 모든 모드 변경 기술이 후술하는 바와 같이 동일한 효과가 되지 않도록 한다. 4. Change the mode. However, all the mode change techniques do not have the same effect as described below.
본 발명의 광섬유 결합 TDLAS 감지 시스템의 수신 광학부는 모드 노이즈를 감소시키기 위해서 상기의 모든것을 결합하도록 설계 및 구성되었다. 수신 광학부는 시스템의 얼라인먼트가 거의 완전하게 이루어진다면, 빔 클리핑이 낮은 레벨에 서 발생하도록 설계되어 있다. 다중 모드 광섬유의 길이를 최소로 유지하는 노력이 이루어져야 하지만; 어떤 응용에서는 제어 전자 부품을 환경적으로 제어된 장소에 위치시키기 위해서 Z가 길어져야만 한다. △nij의 값은 최고급의 낮은 분산 다중 모드 광섬유를 사용하여 감소시킬 수 있다. 또한, 최상의 결과는 수신측 다중 모드 광섬유의 굴절률을 주기적으로 변화시키거나 기계적으로 조작하여 모드를 평균화하고 수집된 평균 광 신호로부터 데이터를 추출함으로써 얻을 수 있다. The receiving optics of the fiber coupled TDLAS sensing system of the present invention are designed and configured to combine all of the above to reduce mode noise. The receiving optics are designed so that beam clipping occurs at low levels if the alignment of the system is almost complete. Efforts should be made to keep the length of the multimode fiber to a minimum; In some applications, Z must be long to position the control electronics in an environmentally controlled location. The value of Δn ij can be reduced using the highest quality, low dispersion multimode fiber. In addition, the best results can be obtained by periodically varying or mechanically manipulating the refractive index of the receiving multi-mode fiber by averaging the modes and extracting data from the collected average optical signal.
다중 모드 광섬유에 존재하는 스펙클 패턴은 시간과 파장의 함수로서 또한 광섬유의 기계적 위치의 함수로서 변화한다. 전송 시간과 파장 둘다 광섬유의 굴절률에 의해 영향을 받는다. 광섬유를 구부리고 특정 방법으로 조작하는 것이 스펙클 패턴을 변화시킬 수 있다. 이와같은 기계적 조작이나 굴절률의 주기적 변화가 일정기간 연속하여 이루어지면, 광섬유에서 발산되는 빛의 공간 분포가 상대적으로 균일한 패턴으로 평균화된다.Speckle patterns present in multimode optical fibers change as a function of time and wavelength and also as a function of the mechanical position of the optical fiber. Both transmission time and wavelength are affected by the refractive index of the optical fiber. Flexing the fiber and manipulating it in a specific way can change the speckle pattern. If such mechanical manipulation or periodic change of the refractive index is performed continuously for a certain period of time, the spatial distribution of light emitted from the optical fiber is averaged in a relatively uniform pattern.
모드 노이즈의 효율적인 주기적 위상 전이나 스크램블링을 통해, 시간 평균화 측정이 균일한 신호 레벨을 형성하게 된다. 광섬유의 굴절률은 광섬유를 신장하거나 비틀거나 광섬유의 온도를 변화 시킴으로써 변경될 수 있다. 광섬유의 온도를 변화시키면 i번째와 j번째 횡단 모드 사이의 굴절률 차, △nij에 변경을 초래한다. 이러한 광섬유의 굴절률의 변경은 수학식 2에서 주어진 함수 cos(2πγ0△nijz)/c만큼 모드 노이즈를 전이시킨다.Through efficient periodic phase or scrambling of mode noise, the time averaging measurement results in a uniform signal level. The refractive index of an optical fiber can be changed by stretching or twisting the optical fiber or by changing the temperature of the optical fiber. Changing the temperature of the optical fiber causes a change in the refractive index difference Δn ij between the i-th and j-th crossing modes. The change of the refractive index of the optical fiber transfers the mode noise by the function cos (2πγ 0 Δn ij z) / c given in Equation 2.
F. 광학 F. Optics 모드mode 노이즈noise 평균화 Averaging
도 3에서 개략적으로 나타낸 바와 같이, 시간 평균화된 측량을 형성하는 모드 노이즈의 주기적 위상 전이 또는 스크램블링은 광학 장치(300)로 달성될 수 있다. 광학 장치(300)는 입력(304) 및 출력(306)를 갖는 다중 모드 광섬유(302)를 포함하게 된다. 빛은 다중 모드 광섬유(302)의 입력(304)에의해 투입되며 보통 입력(304) 및 출력(306)와 관련하여 도 3에 나타낸 화살표의 방향으로 시스템을 통해 전파하게 된다.As schematically shown in FIG. 3, periodic phase transition or scrambling of mode noise to form a time averaged survey may be accomplished with the
광학 장치(300)는 또한 다중 모드 광섬유(302)가 입력되어 결합되는 평균화 구성 요소(308)를 포함하게 된다. 평균화 구성 요소(308)는 선택 주기 동안 다중 모드 광섬유(302)의 굴절률을 주기적으로 변화시키기 위한 장치를 포함할 수 있다. 또는 상기의 장치를 대신하여, 평균화 구성 요소(308)는 다중 모드 광섬유(302) 내의 광 분산을 스크램블하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 평균화 구성요소(308)에 의한 굴절률의 변화나 광 분산의 스크램블링은 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 주기적으로 변화시키거나, 다중 모드 광섬유(302)를 주기적으로 조작하거나, 또는 둘 다를 행하는 것에 의해 달성된다.
평균화 구성 요소(308)가 다중 모드 광섬유(302)의 주기적 조작을 실행하는 실시예에서, 평균화 구성 요소(308)는 광섬유(302)를 비틀거나, 신장하거나, 흔들 수 있다. 평균화 구성 요소(308)가 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 주기적으로 변화시키는 실시예에서는, 여러 써멀 엘리먼트나 열적 구성 요소가 다중 모드 광섬유와 서로 열을 주고 받을 수 있도록 구성할 수 있다. 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 변화시키는 장치는 평균화 구성 요소(308)에 포함될 수 있다. 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 변화시키는 데에 사용될 수 있는 대표적 장치는 열전기 모듈, 저항 히터, 적외선 히터, 화학적 히터, 압축 유체와 열 교환기를 사용하는 종래의 냉장 장치, 화학적 냉각기, 주변 온도 이하로 냉각된 유체원, 또는 주변 온도 이상으로 가열된 유체원을 포함한다. 이들 장치 중 몇몇을 이하 상세히 기재한다.In embodiments where the
평균화 구성 요소(308)가 다중 모드 광섬유(302)를 주기적으로 가열시키거나 냉각시키는 실시예에서, 센서(310)를 설치하여 다중 모드 광섬유(302)와의 열전달을 제어할 수 있다. 센서(310)가 제어기(312)에 정보를 제공하면 제어기(312)는 제어선(314)를 통해 평균화 구성 요소(308)를 제어한다.In embodiments where the
G. 온도 기반 위상 전이 장치G. Temperature Based Phase Shifter
온도 기반 모드 위상 전이의 효율성은 단위 시간 당 온도의 변화 및 온도 변화에 노출되는 광섬유의 길이 z에 직접 관련된다. 온도 기반 모드 전이는 모드 노이즈를 처리하는 특히 효과적인 방법이다. 왜냐하면, 광섬유의 온도 변화는 모든 횡단 모드의 굴절률을 변경시키고 상당한 광섬유 길이에 걸쳐 발생할 수 있기 때문이다. 따라서, 광섬유의 굴절률 변경에 의해 모든 횡단 모드의 전이가 보장되고, 어떤 모드도 신호가 "고정"된채 유지될 수 없게 된다.The efficiency of the temperature based mode phase transition is directly related to the change in temperature per unit time and the length z of the fiber exposed to the change in temperature. Temperature-based mode transitions are a particularly effective way of dealing with mode noise. This is because the temperature change of the optical fiber changes the refractive index of all the transverse modes and can occur over a significant optical fiber length. Therefore, the change of the refractive index of the optical fiber ensures the transition of all the crossing modes, and no mode can keep the signal "fixed".
실제로 광섬유의 온도를 순화시키기 위한 다중 모드 섬유와의 열전달 작업을 위해 다양한 유형의 가열/냉각 장치가 설치될 수 있다. 전기 저항 히터, 종래의 냉장 장치, 가열 또는 냉각 유체, 펠티에 또는 그 외 열전기 장치, 적외선 장치, 또는 화학적 장치가 모두 광섬유의 온도를 변화시키는 데에 사용될 수 있다.Indeed, various types of heating / cooling devices can be installed for heat transfer operations with multimode fibers to purify the temperature of the optical fiber. Electrical resistance heaters, conventional refrigeration devices, heating or cooling fluids, Peltier or other thermoelectric devices, infrared devices, or chemical devices can all be used to change the temperature of the optical fiber.
주기적 온도 변화를 사용하는 모드 위상 전이 장치의 일 실시예는 유체 기반 의 모드 위상 전이 장치 (유체 장치; 400)이다. 도 4에 확대도를 나타낸다. 광섬유 주변에 고온과 냉온 공기를 교대로 불어넣기 위해 와류관(402A, 402B)을 사용하는 유체 장치(400)의 실시예를 도 4에 나타내었다. 압축 공기원 (도 4에서 도시 생략)으로부터 전달된 공기는 두 개의 와류관(402A, 402B) 중 하나에 교대로 전달된다. 와류관(402A, 402B)은 챔버(404)의 내부에 유체가 전달될 수 있도록 결합된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 챔버(404)는 측면(408A, 408B), 상판(410), 정면(412) 및 후면 접근 포트(414)를 갖는 인클로저(406)로 형성된다. 전체 인클로저(406)는 통상의 데이터 처리 장비인 랙에 장착되기에 적합하다. 비록 랙 장착이 가능한 인클로저(406)가 특히 적합하긴 하지만, 다중 모드 광섬유(418)의 길이를 고정하는 스풀(416)을 수신하는 데에 적합한 다양한 형상, 유형 또는 스타일의 인클로저를 이용하여 유체 장치(400)를 구현할 수 있다. 대안적으로, 인클로저(406) 없는 장치를 사용할 수도 있다.One embodiment of a mode phase shift device using periodic temperature changes is a fluid based mode phase shift device (fluid device) 400. 4 shows an enlarged view. An embodiment of a
와류관(402A, 402B)은 접근 포트(414)를 통해 인클로저의 내부에 유체를 전달하게 되며, 유체는 스풀(416) 상에 감겨진 다중 모드 광섬유(418)에 열을 전달하게 된다. 따라서, 다중 모드 광섬유(418)는 와류관(402A, 402B)에 의해 공급되는 주변 온도 이상이나 이하로 가열 또는 냉각된 공기에 의해 주기적으로 가열 및/또는 냉각될 수 있다.
적합한 와류관(402A, 402B)은 쉽게 구할 수 있다. 예를 들어, EXAIR®3230 와류관이 EXAIR®사로부터 상용되고 있다. 30ft3/분의 수율로 동작하는 EXAIR® 3230 와류관 또는 이와 유사한 와류관이 관의 배향에 따라서 +60℃로 가열되거나 -20℃로 냉각된 공기를 제공할 수 있다. 부가하여, 상기 와류관은 와류관을 사용할 때 가열 및 냉각된 공기간의 순환이 비교적 쉽다. 뿐만 아니라, 다중 모드 광섬유에 가열 또는 냉각된 유체를 순환하여 공급하기 위한 다양한 장치나 방법은 유체 장치(400)의 실시예의 구현에 적합하다는 것에 유의하는 것이 중요하다. 가열 및 냉각 유체는 상술된 바와 같이 공기일 수 있지만, 물, 가열/냉각 오일, 압축 가스, 또는 그 외의 유체가 다중 모드 광섬유를 가열하거나 냉각하는 데에 사용될 수 있다.
한정하고자 하는 것이 아니고 실시예로서, 동작 동안 와류관(402A, 402B) 중 하나는 광섬유가 입구 온도 보다 더 높은 약 10℃의 온도에 이를 때 까지 가열된 공기를 전달할 수 있다. 광섬유의 온도는 열전대(420)나 그외 광섬유와 접촉할 수 있게 삽입된 온도 센서를 통해 결정될 수 있다. 온도 제어 유닛 (도 4에서 도시 생략)은 열전대(420)로부터 입력을 수신하고 솔레노이드 스위치를 가동하여 냉각을 위해 다른 와류관(402A, 402B)에 공기가 보내지도록 한다. 대안적으로, 와류관(402A, 402B)에 의해 다중 모드 광섬유(418)에 공급된 가열 공기가 임계 수준에 전혀 이르지 않기 때문에, 온도 제어기의 사용은 가열과 냉각 사이에서 와류관(402A, 402B)을 주기적으로 전환하기 위해 배재되거나 타임드 릴레이로 교체될 수 있다.As an example and not by way of limitation, during operation, one of the
다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변화하는 것에 기초한 모드 위상 전이 장치의 매우 바람직한 실시예를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 열전기 모드 위상 전이 장치(열전기 장치; 500)는 다중 모드 광섬유(504)의 선택 길이를 고정하는 스풀(502)을 포함한다. 하나 이상의 열전기 가열/냉각 모듈(506)이 다중 모드 광섬유(504)와 열을 주고받을 수 있게 위치된다. 도 5에 나타낸 실시예에서, 복수의 열전기 가열/냉각 모듈(506)은 스풀(502)의 내측 둘레에 방사상으로 배치된다. 열 전달은 열전기 모듈(506)의 외표면과 다중 모드 광섬유(504)의 코일 간에 열전기 수지를 사용하여 원활하게 된다. 도 5에 나타낸 실시예에서, 스풀(502)은 열전기 모듈(506)과 다중 모드 광섬유(504) 사이의 접촉을 원활하게 하고 다중 모드 광섬유(504)의 권선을 용이하게 하도록 개방된 테두리로 구성된다. A highly preferred embodiment of a mode phase shift device based on periodically changing the temperature of a multimode fiber is shown in FIGS. 5 and 6. The thermoelectric mode phase shift device (thermoelectric device) 500 includes a
다중 모드 광섬유(504)와 접촉하며 스풀(502)에 상대적인 열전기 모듈(506)의 위치 선정의 일 구성을 도 6의 확대도에서 나타낸다.One configuration of positioning the
하나 이상의 히트 싱크(508)가 또한 열전기 모듈(506)과 열이 전달되게 작용적으로 배치될 수 있다. 바람직하게, 히트 싱크(508)는 알루미늄이나 구리와 같은 높은 열 전도 재료로 제조되며 각 히트 싱크(508)의 표면 영역을 증가시키도록 설계된 핀이나 그외 장치를 갖는다. 팬(510)은 히트 싱크(508)를 통해 공기를 가하거나 불어넣도록 작용적으로 위치되어, 열전기 모듈(506)로부터의 급속한 열의 추출과 이에 따른 다중 모드 광섬유(504)의 급속한 가열이나 냉각을 원활하게 한다. 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 상부 링(514)과 저부 링(516)을 갖는 프레임워크(512)는 히트 싱크(508) 위와 주변에서의 공기 유출을 방해하지 않고 서로에 대해 적당한 배향으로 열전기 장치(500)의 구성 요소를 고정하도록 사용될 수 있다. 바람직하게, 개구(518)가 프레임워크(512)에 형성되어 있어 자유로운 공기 유출을 확실히 한다.One or
도 5 및 도 6에 나타낸 실시예는 펠티에 원리에 기초하는 열 전기 모듈(506)을 사용한다. 리드(520)를 통해 열전기 모듈(506)에 직류가 공급된다. 펠티에 원리로 동작하는 열전기 모듈(506)에서, 열전기 모듈(506)의 대향 표면은 공급된 DC 전류의 방향에 따라 가열 또는 냉각된다. 따라서, 이들 모듈은 리드(520)에 제공된 직류의 극성을 선택적으로 전환하여 다중 모드 광섬유(504)를 선택적으로 가열하거나 냉각하는 것이 비교적 용이하게 되는 특정한 장점을 제공한다. 그러나, 다른 유형의 장치도 다중 모드 광섬유(504)를 가열 및/또는 냉각하도록 구현될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 직접 저항 히터, 종래의 냉장 장치, 적외선 가열 장치, 및/또는 화학 반응 기반의 가열기 및/또는 냉각기가 다중 모드 광섬유(504)의 온도를 변화하는 데에 사용될 수 있다.5 and 6 use a
바람직한 실시예에서, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 원통형 구성으로 장착된 열 전기 모듈(506)에 적당한 전원으로부터 전력이 전달된다. 전류 전환 전자 부품이 각 열 전기 모듈(506)에 전달된 DC 출력의 극성을 주기적으로 바꾸는 데에 사용된다. 모드 위상 전이는 열전기 모듈(506)과 열이 전달되는 다중 모드 광섬유(504), 바람직하게 프리미엄 GIF50 다중 모드 광섬유의 길이에서 발생한다. 55m 내지 100m가 모드 위상 전이와 평균화를 이루는 데에 적합한 다중 모드 광섬유의 길이로 밝혀졌다. 다른 길이가 또한 적합할 수도 있다. 100m의 랩된 (wrapped) 광섬유가 사용되면 약 50%의 광섬유가 열전기 냉각기와 직접 접촉하게 된다. 직접적인 접촉으로, 열전기 수지를 제외하고는, 열전기 모듈(506)과 광섬유(504) 사이 에 전도 재료가 없다는 점에 유의해야 한다. 이 구성은 시스템의 열량을 최소화시킨다. 열량을 최소화함으로써, 시스템의 온도 응답이 빨라지고 더욱 효율적인 모드 위상 전이를 이루게 된다.In a preferred embodiment, power is delivered from a suitable power source to a
하나 이상의 열전대(522) 또는 그 외 온도 측정 장치는 열전기 모듈(506)과 다중 모드 광섬유(504) 사이에 장착되어 다중 모드 광섬유(504)의 온도를 항상 모니터하는 데에 사용될 수 있다. 온도 제어 유닛 (도 5 및 도 6에서는 도시 생략)은 열전대 결정 온도를 수신하고 온도 판독에 기초하여 전류 방향을 순환시킨다. 약 35℃ 내지 50℃의 온도 범위는 쉽게 사용 가능한 열 전기 모듈로 성취 가능하다. 광섬유의 손상이 발생할 수 있는 85℃의 최대 온도에 도달하지 않는 것이 중요하다. 단측 냉각기에서는 65℃ 내지 10℃의 온도 변화과 이중측 냉각기에서는 65℃ 내지 30℃로 테스트가 완성된다. 완전한 주기는 임의로 선택된 기간일 수 있지만, 약 25초의 주기가 유효한 것으로 밝혀졌다.One or
상술된 바와 같이, 열전기 모듈(56)과 열이 전달되게 장착된 히트 싱크(508)를 사용하여 열전기 모듈(506)의 대향 측에서 열이 분산될 수 있다. 가압된 공기는 히트 싱크 핀을 통해 이송되어 입력 출력과 등가인 열의 분산을 도와준다. 효율적인 열 분산은 핀의 저부에서 공기가 개구(518)을 통하게 하여 공기가 시스템을 통해 유닛의 상부 밖으로 흐르게 하여 이루어진다. 충분한 공기 유출을 가능하게 하는 다른 구성이 또한 적용 가능하다. 대안적으로, 열 전기 장치(500)는 냉각 유체 내에 넣어지거나 아니면 냉각될 수 있다. 바람직하게, 팬은 장치가 실행중인 동안 일정하게 동작된다. 적당한 팬이나 유체원이 열을 분산하는 데에 사용되지 만, 300CFM 팬이 도 5 및 도 6에서 나타낸 바와 같은 시스템으로부터 열을 제거하는 데에 효율적인 것으로 밝혀졌다.As described above, heat may be dissipated on the opposite side of the
전자 부품의 제어는 열전기 모듈(506)의 가열 및 냉각과 관련된다. 피드백 제어 전자 부품은 열전대(518), 서모미터 또는 그 외 온도 센서로부터의 입력에 기초하여 광섬유의 온도를 감지한다. 부가하여, 온도 입력에 기초하여, 제어기는 열전기 모듈(506)에 전달되는 파워의 전류 방향을 전환하고 가열 및 냉각 주기에 대한 출력 레벨을 조정한다 (가열은 통상 더 효율적이므로 파워가 덜 필요하다). 또한, 제어기는 광 광섬유에 전달되는 최대 및 최소 온도를 조절하며, 과도가열의 경우 구동 회로를 차단할 수 있다.Control of the electronic components involves heating and cooling of the
H. 열 전기 모듈 위상 전이 시스템 테스트H. Thermoelectric Module Phase Transition System Test
상술된 열 전기 장치(500)로 테스트가 실행된다. 흡수가 자유로운 질소 정화실을 통해 네 파장 대역에 걸쳐 테스트가 실행된다. 경로 길이에 흡수 성분이 없는 상태에서, 레이저는 기준 신호로 분할된 후에 선형 파장 응답을 나타내야 한다. 경사도의 선형성 편차는 모드 노이즈에 의해 주로 초래된다. 측정시의 불확정성을 결정하는 데에 사용되는 수학식의 표현은 다음과 같다:The test is performed with the
이 때, xi=singali/tapi X i = singal i / tap i
fi(ax+b)=linear fit of x1-n f i (ax + b) = linear fit of x 1-n
각 파장 주기의 시작과 끝은 발신와 수신 헤드의 이동 시간으로 인한 시간 지연으로 인해 무시될 수 있다. 이들 시간 지연은 각 주기의 시작과 끝에서 탭과 관찰된 신호 간에 상당한 변형을 일으키는 원인이 된다.The start and end of each wavelength period can be ignored due to time delays due to the travel time of the source and receive heads. These time delays cause significant distortion between the tap and the observed signal at the beginning and end of each cycle.
시스템 성능은 단일측 및 이중측 열전기 모듈(506), 복수의 평균화 회수, 및 다른 광섬유 길이를 사용하여 열 전기 장치(500)의 실시예로 이루어진다. 모든 결과에 대해, 모드 위상 전이 및 평균화는 저감된 모드 노이드 신호 편차를 형성한다. 노이즈의 저감은 수학식 3에서 나타낸 바와 같이 실험에 사용되는 광섬유의 길이에 좌우되는데; 긴 광섬유는 짧은 광섬유보다 더욱 높은 주파수 모드 노이즈 편차를 갖는다. 이 때문에, 모드 위상 전이의 상대적인 해상도 강화는 긴 광섬유에서 더욱 입증된다. 결과를 여러 형태에 대해 아래 제시했다:System performance consists of embodiments of the
(초)Average time
(second)
불확실성Average
uncertainty
모드 스크램블 없음, TEM 턴오프No mode scramble, TEM turn off
단일측 TEM, 100m의 동작 광섬유 길이, 270m 총 광섬유길이, 1912 Single-sided TEM, 100 m operating fiber length, 270 m total fiber length, 1912
10℃-65℃의 온도 범위 평균Temperature range average of 10 ℃ -65 ℃
75m의 동작 다중 모드 광섬유, 245m의 총 광섬유 길이, 2531 75m operating multimode fiber, total fiber length of 245m, 2531
단일측 TEM, 65℃-10℃의 온도 범위 평균Single-sided TEM, temperature range average of 65 ° C-10 ° C
5m의 동작 다중 모드 광섬유, 225m의 총 광섬유 길이, 2167 5m operating multimode fiber, total fiber length of 225m, 2167
이중측 TEM, 65℃-30℃의 온도 범위 평균 Double side TEM, temperature range average of 65 ℃ -30 ℃
기계적 조작에 근거한 장치Devices based on mechanical operation
상술된 바와 같이, 모드 노이즈는 다중모드 광섬유의 기계적 조작과 집합된 평균 광 신호로부터 추출된 데이터에 의한 여러가지 굴절 지수를 평균화하고 평탄화하게 한다. 상술된 온도 기반 위상 전이 장치는 주기 온도 변화으로 다중 모드 광섬유의 굴절률을 변형시켜 모드 위상 전이를 달성한다. 후술되는 바와 같이, 다중 모드 광섬유의 기계적 조작은 굴절률을 변형시키는 데에 사용될 수 있다. 부가하여, 기계적 조작으로 광섬유가 조작되면서 빛이 도파관 내의 특정 모드를 완전히 따를 수 없는 것으로 인해 모드 노이즈의 영향을 받은 신호가 평균화와 평탄화되는 결과를 얻게된다. 따라서, 다중 모드 광섬유의 길이 내에서 모드 노이즈 유도 스펙클 패턴의 평균화와 평탄화는 위상 전이와 기계적 스크램블링의 조합으로 성취될 수 있다.As mentioned above, mode noise allows to average and planarize various refractive indices by mechanical manipulation of multimode optical fibers and data extracted from the aggregated average optical signal. The above-described temperature based phase shifting device modifies the refractive index of a multimode optical fiber with periodic temperature changes to achieve mode phase shift. As described below, mechanical manipulation of multimode optical fibers can be used to modify the refractive index. In addition, mechanical manipulation of the optical fiber results in averaging and flattening of the signal affected by the mode noise due to the inability of light to fully follow a particular mode in the waveguide. Thus, the averaging and flattening of the mode noise induced speckle pattern within the length of the multi-mode fiber can be achieved with a combination of phase transition and mechanical scrambling.
기계적 광섬유 조작의 특정 모드는 다른 것 보다 모드 노이즈를 평균화하는 데에 더욱 효과적이다. 특히, 광섬유를 다른 광섬유 지점에 상대적으로 길이 방향 (z)축으로 비틀게 되면 스펙클 패턴이 변경되게 된다. 얻어진 주요 변경은 z 축에 대한 스펙클 패턴의 회전이다. 관심있는 사실은 광섬유가 기계적 회전되면서 패턴이 축 둘레를 그렇게 멀리 회전하지 않는다는 것이다. 2차 효과는 실제 광 분산이 회전으로 약간 변경되었다는 것이다. 스펙클 패턴의 회전은 주로 광섬유의 응력 유도 굴절률 변경으로 인한 것이 아니지만, 스펙클 강도 패턴의 적은 변경을 설명할 수는 있다. 그보다, 회전은 토션 운동으로 조작될 때 빛이 도판관을 완전히 따를 수 없는 것으로 인한 것이다.Certain modes of mechanical fiber optic manipulation are more effective at averaging mode noise than others. In particular, twisting the fiber in the longitudinal (z) axis relative to other fiber points will change the speckle pattern. The major change obtained is the rotation of the speckle pattern about the z axis. Of interest is that the pattern does not rotate so far around the axis as the optical fiber is mechanically rotated. The secondary effect is that the actual light dispersion has changed slightly with rotation. The rotation of the speckle pattern is not primarily due to the stress induced refractive index change of the optical fiber, but may explain the small change of the speckle intensity pattern. Rather, the rotation is due to the inability of the light to fully follow the conduit when operated in torsional motion.
본 발명의 일 실시예로, 기계적 모드 노이즈 평균화 장치 (기계 장치; 700)가 도 7에 개략적으로 나타나 있다. 기계 장치(700)는 다중 모드 광섬유(704)가 위치 설정되어 고정되게 하는 중공의 샤프트 모터(702)를 사용한다. 광섬유(706)의 원격 부분은 모터(702)의 샤프트 위치에 상대적으로 고정되고, 모터는 바람직하게 +360도 다음에 -360도 운동인 비틀림 운동을 통해 반복적으로 흔들린다. 이 운동의 주파수는 전송된 신호의 효율적인 평균화를 가능하게 하고 수신측 모드 노이즈의 효과를 상당히 감소시키기 위해 10Hz 보다 크거나 동일하다. 길이 방향 축을 따른 다중 모드 광섬유의 비틀림이 스크램블링 모드 노이즈에서 효과적이라고 결정되었지만, 흔듬, 신장, 또는 구부림 등의 다른 기계적 조작도 또한 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, a mechanical mode noise averaging apparatus (mechanical apparatus) 700 is schematically shown in FIG. The
압전 Piezoelectric 신장기Elongation
광섬유를 신장시키게 되면 굴절률과 광섬유의 길이 둘다의 변경이 생긴다. 다중 모드 광섬유는 압전 신장기로 신장될 수 있다. 압전 장치는 일반적으로 단일 모드 광섬유에 변조된 시간 지연을 유도하는 데에 사용된다. 다중 모드 광섬유는 다중 모드 광섬유의 시간 지연이 빛이 이동할 수 있는 다수의 경로나 모드 때문에 제어 가능하지 않기 때문에 압전 신장 장치에 사용되지 않는다. 그러나, 압전 신장 장치는 시간 지연을 만드는데 실용적이지는 않지만, 모드 위상 전이를 유도하는 데에 사용될 수 있다.Stretching an optical fiber causes changes in both the refractive index and the length of the optical fiber. Multi-mode optical fibers can be stretched with piezoelectric stretchers. Piezoelectric devices are generally used to induce a modulated time delay in a single mode fiber. Multimode fiber is not used in piezoelectric stretching devices because the time delay of multimode fiber is not controllable due to the multiple paths or modes through which light can travel. However, piezoelectric stretching devices are not practical for making time delays, but can be used to induce mode phase transitions.
다중 모드 광섬유가 신장되면, 광섬유에 유도된 응력이 굴절률과 광섬유 길이 둘 다의 변경을 초래하게 된다. 도 8에서 개략적으로 나타낸 바와 같이, 압전 장치(800)는 반실린더(804) 둘레에 몇 미터의 다중 모드 광섬유(802)를 감은 다음에 소정의 발진 주파수와 거리를 두고 반실린더(804)를 발진하는 것으로 작용된다. 반실린더(804) 간의 거리가 늘어나고 줄어듬에 따라, 광섬유(802)의 응력은 조화적으로 발진한다. 이 발진은 광섬유(802)의 굴절률이 진동하게 만든다. 모드 전이의 유효성은 광섬유의 길이 (z)의 변경과 광섬유의 굴절률의 변경 (△nij) 둘 다의 함수이다 (수학식(1)).As the multimode optical fiber is stretched, the stress induced in the optical fiber causes a change in both the refractive index and the optical fiber length. As schematically shown in FIG. 8, the
모드 위상 전이는 압전 장치(800)를 사용하여 두 기술 중 하나에 의해 이루어질 수 있다. 제1 기술로, 압전 장치(800)는 큰 정도의 모드 변화를 만드는 데에 충분한 광섬유(802)로 구현되어 응력을 유도하도록 구성되므로 균일한 신호 레벨이 많은 모드를 평균화하여 성취될 수 있게 된다. 대안적으로, 압전 장치(800)가 고른 굴절률 변경으로 순환하기 때문에, 압전 장치(800)는 최소 및 최대 신장 거리로 180°의 고조파의 모드 전이를 형성하는 식으로 발진하도록 동작될 수 있다. 이 방법으로 모드 노이즈는 많은 모드 전이를 시간 평균화하는 것이 아니고, 180°의 위상 전이를 이루도록 신장 특성을 최적화하는 것으로 감소될 수 있다. 따라서, 모드 노이즈는 일 주기 만큼 작게 평균화될 수 있어, 모드 노이즈가 제거된 신속한 데이터 획득이 가능하게 된다.The mode phase transition can be made by one of two techniques using the
발신측Originating side 광학 결합장치 Optical coupling
광섬유 결합된 TDLAS 감지 장치의 발신측 광학 결합장치는 또한 측정 영역을 통해 전송되는 모든 파장의 단일 모드빔을 형성해야 할 필요성으로 인해 디자인에 있어 상당한 문제를 나타내고 있다. 단일 모드 광섬유가 발신측 광학 결합장치 전체에 걸쳐 사용되는 경우, 모드 노이즈는 문제가 되지 않는다. 그러나, 광섬유는 제한된 파장 윈도우에 대해 단일 모드 도파관으로 작용하게 된다. 특정 광섬유에 대한 짧은 파장 컷오프의 범위를 지나, 빛이 몇 고차수 공간 모드에서 광섬유를 통해 전송될 수가 있다. 이들 고차수 모드는 빛이 광섬유를 빠져나갈 때 스펙클 패턴을 형성하게 된 것이다. 스펙클 패턴은 시간 및 파장이 가지각색이다. 적은 양의 빔 클리핑이라도 측정시 노이즈를 일으킨다.The outgoing optical coupling device of the fiber coupled TDLAS sensing device also presents significant problems in design due to the need to form a single mode beam of all wavelengths transmitted through the measurement area. If single mode fiber is used throughout the source optical coupling device, mode noise is not a problem. However, the optical fiber acts as a single mode waveguide for a limited wavelength window. Beyond the range of short wavelength cutoffs for a particular fiber, light can be transmitted through the fiber in some higher order spatial modes. These higher-order modes form speckle patterns as light exits the fiber. Speckle patterns vary in time and wavelength. Even a small amount of beam clipping causes noise in the measurement.
반대로, 전송될 필요가 있는 가장 짧은 파장과 일치하는 단일 모드 컷오프를 갖는 광섬유가 선택되면, 더 긴 도파관은 광섬유에 결합될 때 상당한 손실을 겪게 되고 광섬유는 더 긴 도파관에 대해 광범위한 휨 손실을 나타내게 된다.Conversely, if an optical fiber with a single mode cutoff is selected that matches the shortest wavelength that needs to be transmitted, longer waveguides suffer significant losses when coupled to the optical fiber and the optical fiber exhibits wider deflection losses for longer waveguides. .
이 문제는 760nm 또는 670nm 정도로 짧은 파장으로 1.67미크론 정도로 긴 파장을 멀티플렉스해야 할 필요성으로 인해 상술된 광섬유 결합 파장 다중화 TDLAS 감지 및 제어 장치에서 심하게 나타날 수 있다. 이런 넓은 범위의 파장에 대해 단일 모드 동작, 높은 결합 효율 및 낮은 휨 손실을 제공하게 되는 상용 가능한 광섬유는 알려져 있지 않다. 광자 결정 광섬유는 장차 이 딜레마의 해결책을 제공하지만, 광자 결정 광섬유 기술은 현재 유아 단계이다.This problem can be severe in the fiber-coupled wavelength multiplexed TDLAS sensing and control devices described above, due to the need to multiplex wavelengths as long as 1.67 microns with wavelengths as short as 760 nm or 670 nm. There is no known commercially available optical fiber that will provide single mode operation, high coupling efficiency and low bending loss over this wide range of wavelengths. Photonic crystal fiber offers a solution to this dilemma in the future, but photonic crystal fiber technology is currently in its infancy.
도 9에서 나타낸 바와 같이, 670nm 또는 760nm 내지 1670nm의 단일 모드 빔의 빛을 멀티플렉싱 및 피칭하는 데에 있어서의 문제는 단일 모드 컷오프 보다 더 짧은 파장에 대한 고차수 공간 모드가 가능하게 하지 않는 매우 짧은 다중 모드 광섬유(120)의 전송부를 사용하는 것으로 최소화될 수 있다. 상기 수학식 1를 참조하면, 다중 모드 광섬유의 길이 L이 짧으면, 모드 노이즈는 최소화될 것이다. 이 경우, 예를 들어, 760nm의 빛이 1280nm의 컷오프 파장을 갖는 단일 모드 광섬유의 짧은 부분에 결합되면 (예를 들어, 코닝 SMF28), 760nm의 빛은 적어도 몇 미터 단일 모드를 유지한다. 따라서, 발신측 모드 노이즈의 해결책은 측정 영역을 통해 전송되도록 조준되기 전에 횡단할 짧은 거리로만, 1280nm 보다 더 긴 파장에 대해 단일 모드이지만 760nm에 대해서는 다중 모드일 수 있는 광섬유에 760nm 빛을 결합하는 것이다.As shown in FIG. 9, the problem of multiplexing and pitching light of a single mode beam of 670 nm or 760 nm to 1670 nm is a very short multiple that does not allow for higher order spatial mode for shorter wavelengths than single mode cutoff. It can be minimized by using the transmitter of the mode optical fiber 120. Referring to
이런 시스템의 개략도를 도 9 및 도 2에 나타내었다. 도 9를 참조하여, 넓게 이격된 레이저 발사 주파수에서 발사하는 다수의 다이오드 레이저원(902)이 개별의 단일 모드 광섬유(904A-904n)에 결합된다. 1349nm와 1670nm 사이의 파장에서 발하는 다이오드 레이저는 멀티플렉서(906)로 다중화다. 멀티플렉서(906)의 출력은 실질적인 전송 손실이 없고 모드 노이즈의 유도 없이 1349nm-1670nm의 범위의 파장으로 빛을 전송하는 데에 적합한 크기를 갖는 발신측 광섬유(908)에 결합된다. 이들 파장에 적합한 광섬유는 코닝 SMF28이다. 그러나, 760nm의 입력은 SMF28 광섬유에 멀티플렉스되어 결합되면, 비교적 단거리의 전송 후에, 멀티모화된다. 따라서, 760nm 레이저의 출력은 SMF750과 같이 1280nm 미만의 파장에 대해 단일 모드인 광섬유에 결합된다. 입력 광섬유(904n)에서 전송된 레이저광과 발신측 광섬유(908)에서 전송되는 다중화 레이저빛은 발신 광학부(910) 근방에 결합될 수 있다. 커플러(912) 및 발신 광학부(910)은 전송 광섬유(914)가 중요한 손실 없이 결합되어 다중화 파장 모두를 전송하도록 선택되어 전송 광섬유(914)의 단거리 광학적으로 접속되는 것이 바람직하다. 도 9에 도시된 시스템에 적합한 전송 광섬유는 코닝 SMF28이다. 전송 광섬유가 비교적 짧다면, 전송 광섬유(914)에 결합된 760nm 레이저 빛은 상당한 다중 모드 동작을 나타내지 않는다. 도 9에 도시한 시스템과 광섬유에 대해서, 상당한 다중 모드 노이즈의 도입을 피하기 위해서 전송 광섬유가 3미터 미만의 길이로 유지되어야 한다고 결정되었다.A schematic of this system is shown in FIGS. 9 and 2. With reference to FIG. 9, multiple
유사한 시스템을 도 2에 도시하였는데 여기에서 커플러(134)는 760nm 다이오드 레이저와 실질적으로 긴 파장을 갖는 다이오드 레이저로부터의 다중화 빔 둘다로부터 입력을 수신한다.A similar system is shown in FIG. 2 where coupler 134 receives input from both a 760 nm diode laser and a multiplexed beam from a diode laser having a substantially long wavelength.
본 발명의 목적은 여기 개시된 실시예를 통해 실현된다. 당업자라면 본 발명의 여러 형태는 본 발명의 필수적인 기능에서 벗어나지 않고 여러 실시예로 성취될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 특정 실시예는 설명적인 것으로 다음 청구범위에서 기재된 바와 같이 본 발명의 영역을 제한하고자 하는 것이 아니다.The object of the invention is realized through the embodiments disclosed herein. Those skilled in the art will appreciate that various forms of the invention may be accomplished in various embodiments without departing from the essential function of the invention. The specific embodiments are illustrative and are not intended to limit the scope of the invention as described in the following claims.
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