KR101828061B1 - 광 간섭계의 구조와 이를 이용하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서와 이를 위한 신호처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SLED 광원으로부터 입사되는 빛을 출력하는 제1 Y-분기 광도파로 소자와, 상기 제1 Y-분기 광도파로 소자에서 출력되는 빛을 원거리에 위치한 센싱부에 전달하기 위한 편광유지 광섬유와, 상기 편광유지 광섬유를 통해 전달되는 빛을 두 개의 원편광 상태로 변환시키는 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)과, 상기 사분파장판(QWP)을 통과한 빛을 반사시키는 미러와, 상기 사분파장판(QWP)과 미러 사이에 구비되는 전기광학 또는 자기광학 프로브와, 상기 제1 Y-분기 광도파로 소자의 일단과 연결되며, 상기 미러를 통해 반사된 빛이 유입되는 제2 Y-분기 광도파로 소자와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 일측에 위치하여 분기 된 빛의 일부가 통과하는 편광 변환기와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 다른 일측에 위치하여 분기 된 빛의 나머지가 통과하는 위상 변조기와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 두 경로를 통과한 빛이 유입되는 2×4 MMI 커플러 및 상기 2×4 MMI 커플러 일측에 구비되는 편광필터를 포함하도록 구성되어, 상기 2×4 MMI 커플러로 유입되는 빛은 다중 모드 간섭현상과 함께 편광필터에 의해 TE 성분의 빛들만 4개의 광도파로를 거쳐 출력되어 광검출기를 통해 전류로 바뀌게 되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 간섭계형 광센서에서 초기 위상을 제어하기 위한 피드백 제어 알고리즘과 회로를 제거할 수 있게 된다.

Description

광 간섭계의 구조와 이를 이용하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서와 이를 위한 신호처리방법 { Optical interferometer structure and optical sensors incorporating multimode interference waveguide devices using of the same and signal processing method for the same }

본 발명은 전류/전압에 의한 자기장 및/또는 전기장과 같은 물리량의 변화로 인해 발생 되는 광파의 위상 변화를 효과적으로 검출하기 위한 광 간섭계의 구조 및 이를 이용하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서와 이를 위한 신호처리 방법에 관한 것이다.

최근 급격히 다양화된 광부품 기술의 발전으로 인해 여러 가지 다양한 물리량을 효과적으로 측정하기 위한 센서가 요구되고 있으며, 이와 같은 센서의 구현에 있어서, 광센서 기술이 적용되고 있다.

전류측정용 광센서는 광섬유를 이용하여 제작되는 것이 일반적이며, 빛 또는 빛에 포함되는 정보를 전기신호로 변환하여 검지하고, 비접촉, 비파괴, 고속도 및 외란에 영향을 받지 않는 특징 등의 장점을 가진다.

특히, 광섬유를 통하여 원거리에 센싱 신호를 전달하는 과정에서 외란을 받지 않는 특징은 대전력 발전, 전송 시스템의 제어계측을 위하여 광센서를 이용하는 추세를 점차 확대시키고 있다.

한편, 광센서 기술에서는 전계나 자계로 광섬유에 인가된 매우 작은 굴절률의 변화에 의해 광파의 위상 변화가 발생하게 되고, 이와 같은 위상 변화를 보다 정밀하고 정확하게 측정할 수 있는지 여부가 광센서 기술의 핵심이라 할 수 있다.

따라서, 주변 온도의 변화나 광섬유의 진동에 의해 편광 변화가 유발되는 문제점을 해결하기 위한 다양한 연구가 이루어졌으며, 이와 관련하여 US20050088662 A1“Temperature-stabilized sensor coil and current sensor”; US20040101228 A1“(Fiber-optic current sensor”; JP2007040884 A1“Reflection type optical fiber current sensor” 등의 선행문헌에서는 편광유지 광섬유를 이용하는 형태의 센서에 관한 기술이 개시되어 있다.

하지만, 이와 같이 편광유지 광섬유를 이용한 전류 센서는 편광유지 광섬유가 필수적으로 요구되며, 편광 상태를 조절해주기 위한 광부품이 요구된다. 따라서, 시스템 구성이 복잡해지고, 가격이 상승하게 되는 문제점을 가진다.

한편, 광섬유에 빛의 진행방향과 평행하게 자기장이 인가되면 페러데이 효과(Faraday effect)로 인해 원형 복굴절이 발생하게 되며, 이는 두 종류의 원 편광 간에 위상 차이를 발생시킨다.

이와 같은 위상 차이는 미소한 차이를 보이게 되며, 이를 측정하기 위해서는 광 간섭계가 요구된다.

미소한 위상 차이를 측정하기 위한 광 간섭계에는 두 개의 선편광을 입사시킨 후 돌아온 빛들의 상대적 위상 차이를 검출하는 편광회전 반사간섭계(Polarization-Rotated Reflection Interferometer, 이하‘PRRI’라함)가 있다.

상기, PRRI는 광센서 코일부 주변의 온도 변화와 진동 등의 외부환경 변화에 의해 발생 되는 오차를 줄이기 위해 사용된다.

상기 PRRI 구조에서는 두 개의 수직 한 선편광을 이용하여, 전류에 의해 발생되는 두 편광 간의 미소한 위상 차이를 간섭계를 이용하여 측정한다.

하지만, 광 간섭계의 특성상 바이어스 전압에 따른 초기 동작점이 변하게 되면 간섭되어 나타나는 신호의 크기가 달라지므로 센서 동작점을 유지시키기 위한 피드백 제어가 필수적으로 요구된다. 그리고, 이를 위해 선편광 변환기, 원편광 변환기를 비롯하여 광 결합기, 위상 변조기 등 부가적인 광 부품이 추가됨에 따라 여전히 복합한 구조를 가지게 되며, 이로 인한 가격 상승의 문제점을 가진다.

US 20050088662 A1 US 20040101228 A1 JP 2007040884 A1

본 발명의 목적은 동작점 제어를 위한 광센서 동작 제어 알고리즘과 제어 전자 회로를 간소화하면서 안정적인 감지동작이 가능한 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다중모드 간섭계를 포함한 다양한 광부품들을 하나의 기판상에 제작함으로써 간섭계의 안정성을 향상시키고 제품의 생산성을 증대시킬 수 있는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서를 제공하는 것이다.

본 발명은 SLED 광원으로부터 입사되는 빛을 출력하는 제1 Y-분기 광도파로 소자와, 상기 제1 Y-분기 광도파로 소자에서 출력되는 빛을 원거리에 위치한 센싱부에 전달하기 위한 편광유지 광섬유와, 상기 편광유지 광섬유를 통해 전달되는 빛을 두 개의 원편광 상태로 변환시키는 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)과, 상기 사분파장판(QWP)을 통과한 빛을 반사시키는 미러와, 상기 사분파장판(QWP)과 미러 사이에 구비되는 전기광학 또는 자기광학 프로브와, 상기 제1 Y-분기 광도파로 소자의 일단과 연결되며, 상기 미러를 통해 반사된 빛이 유입되는 제2 Y-분기 광도파로 소자와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 일측에 위치하여 분기 된 빛의 일부가 통과하는 편광 변환기와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 다른 일측에 위치하여 분기 된 빛의 나머지가 통과하는 위상 변조기와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 두 경로를 통과한 빛이 유입되는 2×4 MMI 커플러 및 상기 2×4 MMI 커플러 일측에 구비되는 편광필터를 포함하도록 구성되어, 상기 2×4 MMI 커플러로 유입되는 빛은 다중 모드 간섭현상과 함께 편광필터에 의해 TE 성분의 빛들만 4개의 광도파로를 거쳐 출력되어 광검출기를 통해 전류로 바뀌게 되는 것을 특징으로 한다.

상기 광 간섭계의 구조를 포함하는 본 발명에 따른 광센서는, 상기 2×4 MMI 커플러를 통해 출력되는 4개의 광신호 입출력특성 곡선은 서로 90°, 180°, 270°의 위상 차이를 가지고, 상기 4개의 광신호 출력 신호를 조합하여 생성되는 신호를 통해 전류/전압 신호를 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 광 간섭계의 구조를 포함하는 광센서의 신호처리방법에 있어서, 마이크로 히터를 포함하는 위상변조기를 구동시켜 센서를 초기화하는 과정에서 광센서의 동작특성을 확보하는 단계와, 상기 광센서의 동작특성을 확보하는 단계를 통해 확보된 동작특성을 이용하여 초기 위상 상태에 따라 발생하게 되는 미소한 영향을 보정하는 단계를 포함하며, 상기 보정하는 단계에서는, 위상 오차 Φ_e가 존재하는 경우에 하기 수식

을 이용하여 보정이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광간섭계를 제조하는 방법에는, 실리콘 기판에 폴리머 계열의 코팅제를 스핀코팅하여 하부 클래딩층을 형성하는 단계와, 포토레지스트를 이용하여 도파로 코어패턴을 제작하고, 건식식각을 통해 상기 하부 클래딩층에 도파로 코어패턴을 전사하는 단계와, 상기 도파로 코어패턴의 상측으로 폴리머 계열의 코팅제를 코팅하고 경화시켜 코어층을 형성하는 단계와, 상기 코어층의 상측에 폴리머 계열의 코팅제를 코팅하고 크롬(Cr) 또는 금(Au) 등의 금속을 이용하여 다중으로 각각 서로 다른 두께를 가지도록 증착하여 편광 패턴을 제작하는 단계와, 상기 편광 패턴이 제작된 코어층의 상측으로 ZPU 계열의 코팅제를 추가로 코팅하여 클래딩층의 두께를 늘린 이후 크롬(Cr)과 금(Au)을 증착하고 위상변조 패턴을 형성하는 단계와, 적어도 일부분이 도파로 상에 위치되는 이분파장판을 삽입하기 위하여 그루브 라인을 형성하고, 상기 그루브 라인에 이분파장판을 삽입하여 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 간섭계형 광센서에서 초기 위상을 제어하기 위한 피드백 제어 알고리즘과 회로를 제거할 수 있다. 또한, 다중모드 간섭계를 포함하는 PRRI 구조를 폴리머 광도파로 칩상에 집적화시켜서 광센서의 안정성을 향상시키고, 보다 간단한 구조의 광센서 제품을 대량 생산할 수 있도록 하는 이점을 가진다.

도 1 은 본 발명에 따른 광간섭계형 센서의 일실시 예를 보인 도면.
도 2 는 일반적인 광 간섭계에서 나타나는 특성곡선과 그로 인한 동작점 변화에 따라 출력 신호의 변화를 나타내면서 동작점에 의존적인 특성을 제거하기 위하여 사용되는 90° 위상차를 가지는 추가적인 특성곡선을 비교 도시한 도면.
도 3 은 도 1 에 도시된 광집적회로부의 제작 과정을 보인 도면.
도 4 는 다중모드 간섭소자의 출력특성을 확인하기 위하여 다중모드 간섭소자와 Delayed Mach-Zehnder 간섭구조를 연결한 구조 및 이를 이용하여 Beam Propagation Method를 통하여 설계한 결과 그리고, 제작된 소자에서 측정된 결과를 보인 도면.
도 5 는 다중모드 간섭 소자의 길이를 다르게 하여 제작된 소자의 출력특성을 확인하고 이를 설계 결과와 비교한 도면.
도 6 은 동작점 변화에 따른 출력신호와 이를 분석한 내용을 설명하기 위한 도면.
도 7 은 동작점 변화에 무관한 센서특성을 확인하기 위하여 도 6의 신호를 이용하여 신호처리를 수행한 내용을 설명하기 위한 도면.
도 8 은 동작점 조절을 하지 않은 상태에서 전류를 인가하여 광전류센서의 특성을 확인한 내용을 설명하기 위한 도면.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.

도 1 에는 본 발명에 따른 광간섭계형 센서의 일실시 예로서 센서 프로브의 종류에 따라 다양한 물리량을 측정할 수 있도록 변형할 수 있는 광센서 구조에 대한 도면이 도시되어 있고, 도 2 에는 일반적인 광 간섭계에서 나타나는 단순한 형태의 특성곡선과, 이에 비교하여 90°위상차를 가지는 추가적인 특성곡선을 가지는 광센서의 출력 특성을 비교 도시한 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 광전류센서는 크게 광원(100)으로부터 유입되는 빛을 분할하고 간섭시키기 위한 광간섭계를 형성하는 광집적회로부(200)와 전자기프로브(400) 및 광파워 변화를 검출하기 위한 광검출기(800)로 구분될 수 있다.

상기 광원(100)은 파장 대역폭이 넓고 코히어런스 길이가 짧은 S-LED가 사용될 수 있다.

상기 광집적회로부(200)는 폴리머 또는 실리카 재료를 이용하여 제작되며, 복수의 Y-분기 광도파로와 광결합기 및 위상변조기 등을 집적하여 형성된다.

상기 Y-분기 광도파로는 광원이 유입되는 순서에 따라 제1 Y-분기 광도파로와 제2 Y-분기 광도파로로 구분되며, 상기 제2 Y-분기 광도파로는 제1 Y-분기 광도파로의 일단에 연결된다.

상기 제1 Y-분기 광도파로의 타단은 센싱부를 구성하는 편광유지 광섬유와 연결되고, 상기 센싱부에는 전술한 전자기프로브(400)와 사분파장판(320) 및 미러(600)가 더 포함된다.

상세히, 전류 센싱을 위한 센싱부는 복굴절이 높은 광섬유를 꼬아서 제작한 Hi-Bi spun fiber가 적용될 수 있으며, 전류 측정 범위를 고려하여 5회 권취한 원통형 센싱 코일 형태로 형성될 수 있다.

그리고, 전압 센싱을 위한 센싱부는 리튬나오베이트(LiNbO₃)나 BGO 등과 같은 전기광학 크리스탈을 이용하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 광원(100)에서 출력된 선편광을 상기 광집적회로부(200)에 입력시키면 TE/TM 편광이 동일한 크기로 여기되고, 광집적회로부(200)의 출력부에서 각각의 편광 성분은 센싱부와 연결된 PM fiber의 slow축과 fast 축 성분으로 변환되어 진행하게 된다.

변환된 편광성분은 직교하게 되며, 센싱 코일부의 일측에 구비되는 사분파장판(320)을 통과하면서 두 종류의 원형 편광으로 각각 변환된다. 상기 사분파장판(320)은 복굴절을 가지는 photonic crystal fiber를 이용하여 제작될 수 있다.

원형 편광으로 변환된 이후에는 센싱코일부를 따라 진행하면서 페러데이 효과에 의해 두 원형 편광 간에 위상 차이가 발생하게 되고, 상기 전자기프로브(400)는 전기광학 또는 자기광학 효과를 이용하여 광굴절률을 변화시킬 수 있다.

상기 미러(600)는 유입되는 빛을 반사시키게 되며, 미러(600)에 의해 반사되어 돌아오는 빛은 페러데이 효과에 의한 위상 차이가 두 배로 증폭된다.

한편, 반사되어 돌아온 빛은 사분파장판(320)을 다시 통과하면서 두 가지 선형 편광으로 다시 변환되어 광집적회로부(200)로 입력된다.

이때, 입력 TE/TM 성분들은 입사 및 반사 과정에서 사분파장판(320)을 2회 통과하기 때문에 각각 TM/TE 성분으로 바뀌어 돌아오게 된다.

상기와 같이 광집적회로부(200)로 다시 입력되는 빛은 제2 Y-분기 광도파로에서 2개의 경로로 나뉘어 진행된다.

상기 제2 Y-분기 광도파로의 일 경로에는 위상변조기(260)가 구비되고, 다른 경로에는 이분파장판(340, Half-Waveguide Plate, HWP)이 구비된다.

상기 위상변조기(260)는 폴리머의 열광학효과(Thermo-optic(TO) effect)에 따라 히터에 가해진 열에 비례하여 광파의 위상을 변화시킨다.

상기 이분파장판(340)은 상기 광집적회로부(200)에 끼움 장착되어 편광을 조절한다.

한편, 상기 제2 Y-분기 광도파로의 출력단은 4×4 MMI 커플로로 연결된다.

상기 4×4 MMI 커플러는 다중모드 광도파로 내부에 존재하는 여러 개의 모드 들 간에 일어나는 간섭현상을 이용하여 입력광을 여러 출력 광도파로로 분배시킨다.

그리고, 본 발명에서는 4×4 MMI 커플러 4개의 입력단 중에서 첫번째, 세번째 입력단에 빛을 입사시키는 2×4 커플러(222')구조를 사용하여 서로 90° 위상차이를 가지는 동작 특성을 얻게 된다.

또한, 상기 2×4 MMI 커플러(222')의 일측에는 편광필터(250)가 구비된다.

상기 편광필터(250)는 금속박막 표면에 존재하는 표면 플라즈몬 모드(surface plasmon mode)와 강한 결합을 일으키는 TM 모드 성분을 흡수한다.

따라서, 상기 2×4 MMI 커플러(222')로 유입되는 빛은 다중 모드 간섭현상과 함께 편광필터(250)에 의해 TE 성분의 빛들만 4개의 광도파로를 거쳐 출력되어 광검출기(800)를 통해 전류로 바뀌게 된다.

한편, 일반적인 Mach-Zehnder 간섭계 구조에서 패러데이 효과에 의해 발생한 두 편광 성분 간의 위상 차이가 Φ_F(t) 로 주어질 때, 초기 동작점 Φ_b에 따라 변화하는 간섭 신호의 세기 I 는 다음과 같다.

.......................(1)

.................(2)

여기서, I₀는 간섭 신호의 최대 광 출력이며, A_f는 페러데이 효과에 의한 위상 변화 신호의 진폭으로 수식(2)를 베셀함수(Bessel function)를 이용하여 확장하면 아래 수식(3)과 같이 나타난다.

......(3)

상기 광출력 신호에서 시간평균파워(time average power) 신호 <I>와 ω주파수 성분의 진폭(amplitude)신호 A₀를 추출하면 다음과 같이 나타난다.

...(4)

...(5)

센서출력 A₀는 페러데이 효과 신호의 진폭 A_F에 비례하여 나타나지만 초기 동작점 위상값인 Φ_b에 의존적이며, A₀를 최대로 키우기 위해 Φ_b=п/2인 지점에서 동작점을 유지시켜 주어야하며, 도 2(a)에 도시된 특성곡선에서는 동일한 A_F에 대하여 Φ_b값의 변화에 따라 A₀값이 달라지는 것을 보이고 있다.

그리고, 도 2의 (b)에서는 이와 같이 동작점에 따라 센서 출력이 변하는 것을 극복하기 위하여 90°만큼 위상이 변화된 또 다른 응답 특성곡선을 보이고 있다.

한편, 상기와 같이 도시된 두 개의 응답 특성곡선을 통하여 나타나는 두 개의 출력 신호 진폭은 상호보완적으로 변하게 되며, 이 두 신호의 조합을 통하여 동작점에 무관한 최종 출력 신호를 얻을 수 있다.

상세히, 90°위상 차이가 나는 두 개의 응답 특성곡선의 출력값은 아래 수식(6) 및 수식(7)과 같이 나타낼 수 있다.

..(6)

..(7)

여기서 두 개의 출력신호에 대하여 시간평균파워<I₁>, <I₂> 및 ω의 주파수 성분의 진폭(amplitude) A₁, A₂는 각각 다음 수식(8) 내지 수식(11)과 같이 나타난다.

...............................(8)

...............................(9)

..................................(10)

..................................(11)

상기 수식(8) 내지 수식(11)을 이용하여 최종 센서 출력 A₀의 값을 아래 수식(12)와 같이 구하게 되면 이 값은 Φ_b의 영향을 받지 않고 A_F에 비례함을 볼 수 있다.

.....(12)

한편, 전술한 바와 같은 신호처리방법은 두 개의 특성곡선이 90°위상차이가 나는 이상적인 경우에 해당하는 것으로 실제 광IC소자는 제작 공정 오차로 인하여 두 개의 포트(port)에서 얻어지는 출력신호가 정확히 90°위상 차이를 가지지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 광센서의 신호처리 방법에서는 상기 수식(6) 및 수식(7)에 위상 오차 Φ_e를 도입하여 이를 해소하였다.

상세히 수식(6) 및 수식(7)에 위상 오차 Φ_e를 도입하여 전개하면 아래 수식(13) 및 수식 (14)와 같이 나타낼 수 있다.

..(13)

..(14)

따라서, <I₁>, <I₂> 와 A₁, A₂ 는 아래 수식(15) 내지 수식(18)과 같이 나타난다.

.......................(15)

.......................(16)

..............................(17)

..............................(18)

상기 수식(15) 내지 수식(18)을 이용하여 최종 센서 출력 A₀’의 값을 아래 수식(19)와 같이 계산하게 되면 위상 오차 Φ_e가 존재하는 경우에 그 영향을 최소화시키면서 동작점 바이어스 위상 Φ_b에 무관하게 센서 출력을 얻을 수 있다.

....................(19)

이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 광간섭계의 제조과정에 대하여 설명한다.

도 3 에는 도 1 에 도시된 광집적회로부의 제작 과정을 보인 도면이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 실시 예에 따른 광집적회로부(200)는 굴절률이 1.440, 1.455인 Chemoptics 사의 ZPU-440, ZPU-455 폴리머를 이용하여 제작되며, Single mode waveguide는 Inverted rib 구조로 제작되었다.

Core의 크기는 폭 6.0㎛, 높이 6.5㎛이며, lateral core layer의 두께는 3.0㎛로 제작되었다.

상세히, 본 발명에서는 우선, 실리콘 기판(210)에 폴리머 계열의 코팅제인 ZPU-440을 스핀코팅하여 하부 클래딩층(220)을 형성하는 단계가 먼저 이루어진다.

상기와 같이 하부 클래딩층(220)이 형성되면, 포토레지스트를 이용하여 도파로 코어 패턴(222)을 제작한 이후 ICP-RIE 장비를 이용하여 산소(O₂) 플라즈마로 건식식각하여 상기 하부 클래딩층(220)에 전사하는 단계가 수행된다.

상기와 같이 하부 클래딩층(220)에 도파로 코어패턴(222)이 전사되면, 도파로 코어패턴(222)의 상측으로 폴리머 계열의 코팅제인 ZPU-455를 약 3㎛ 두께로 코팅하고 경화시켜 코어층(230)을 형성하는 단계가 수행된다.

코어층(230)의 형성이 완료되면, 상기 코어층(230)의 상부에 ZPU-440을 다시 약 2㎛ 두께로 코팅하고, 크롬(Cr)과 금(Au)을 각각 10㎚, 100㎚ 두께로 증착하여 편광 패턴(250)을 제작하는 단계가 수행된다.

상기와 같이 편광 패턴(250)이 제작된 코어층(230)의 상측에는 ZPU-440을 한번 더 코팅하여 클래딩층(220)의 두께를 8㎛로 늘린 이후 크롬(Cr)과 금(Au)을 증착하고 위상변조 패턴(260)을 형성하는 단계가 수행된다.

상기와 같이 위상변조 패턴(260)이 형성된 이후에는 이분파장판(340)의 삽입을 위하여 그루브 라인(270)을 형성하고, 상기 그루브 라인(270)에 이분파장판(340)을 삽입하여 고정시키는 단계가 수행된다.

상기 그루브 라인(270)은 dicing saw를 이용하여 30㎛의 폭을 가지도록 형성되며, 상기 이분파장판(340)은 상기 그루브 라인(270)에 삽입될 때 광축(Optic axis)과 광집적회로부(200)의 각도가 45°기울기를 가질 수 있도록 삽입된 이후 UV curable epoxy를 사용하여 고정된다.

한편, 본 발명에서는 2×4 MMI 커플러(222')를 설계하기 위하여 BPM 시뮬레이션이 수행되었다.

상세히, 광도파로 간의 Pitch가 14㎛ 이상일 때, 커플링 파워가 1% 이하가 되는 것을 확인하였고, 2×4 MMI 커플러(222')에서 4-fold 이미지가 출력 광도파로 4개로 커플링이 잘 이루어질 수 있도록 다중간섭계의 width와 pitch를 최적화 하는 과정을 수행하여 다중모드 광도파로의 폭은 70㎛, 출력 도파로간의 pitch는 23㎛로 결정하였다.

도 4 에는 다중모드 간섭소자의 출력특성을 확인하기 위하여 다중모드 간섭소자와 Delayed Mach-Zehnder 간섭구조를 연결한 구조 및 이를 이용하여 Beam Propagation Method를 통하여 설계한 결과 그리고, 제작된 소자에서 측정된 결과를 보인 도면이 도시되어 있다.

본 발명에서는 2×4 MMI 커플러(222')의 출력 신호에서 나타나는 특성곡선의 위상 차이를 확인하기 위하여 스펙트럼 반응(Spectral response)를 측정하여 도 4(a)와 같은 delayed Mach-Zehnder interferometer 구조를 이용하게 되며, delay line에 의해 생기는 위상 차이 ΔΦ는 파장에 따라 아래 수식(20)과 같이 나타난다.

.............(20)

이 때, ΔΦ=2п가 되는 파장간격 Δλ는 다음 수식(21)과 같이 나타난다.

.................................(21)

Delay line에 의한 ΔI = 106㎛이고, λ₀=1550㎚ 일때, Δλ는 약 16㎚가 되며, MMI 커플러의 길이가 5130㎚일 때 도 4(b)와 같은 결과 파장을 얻을 수 있다.

그리고, 폴리머 광도파로를 이용하여 제작된 delayed MZ MMI 디바이스에서는 MMI 길이가 5230㎚ 일때 가장 이상적인 결과를 얻을 수 있었으며, 결과 파장은 도 4(c)와 같이 나타났다.

또한, 각각의 출력단에서 나타나는 스펙트럼에서 최소값을 가지는 파장들의 간격을 분석하면 각 신호들의 상대적인 위상 차이를 계산할 수 있으며, 제작된 MMI 디바이스에서 나타난 위상값은 이상적인 90°차이에서 2°미만으로 벗어난 값을 얻을 수 있었다.

즉, 제작된 MMI 디바이스의 특성은 설계된 값에서부터 오차를 가지게 되며, 이를 극복하기 위하여 길이가 서로 다른 여러 개의 소자들을 하나의 기판상에 제작 한 뒤 가장 좋은 특성을 지니는 소자를 선택할 수 있다.

도 5 에는 다중모드 간섭 소자의 길이를 다르게 하여 제작된 소자의 출력특성을 확인하고 이를 설계 결과와 비교한 도면이 도시되어 있다.

도 5에서는 MMI 길이가 4950㎚에서 5350㎚까지 다르게 제작된 소자에서 측정된 출력광파워의 균일성과 간섭 특성곡선의 위상차이를 확인할 수 있다.

상세히, MMI 길이가 5215㎚일 때, 출력파워비가 서로 1dB 이하로 나타났으며, 출력 특성의 상대적인 위상차이가 90°씩 차이가 나게 된다. 그리고, 이때, 오차는 5°이하로 나타남을 확인하였으며, BPM 시뮬레이션을 통하여 얻은 결과가 도 5(c) 및 5(d)에 도시되어 있다.

상기와 같이 설계치에 비하여 실험결과가 더 긴 MMI 소자에서 최적화 되어 나타난 것은 제작 공정 중 광도파로 패턴의 폭이 넓어지는 현상 때문인 것으로 파악된다.

한편, 본 발명에서는 MMI 광도파로와 여러 광소자들을 집적시킨 광집적회로부(200)의 삽입손실(insertion loss)을 확인하기 위하여 센싱코일과 연결되는 출력부로 빛을 입사시켜서 MMI 커플러를 지나 출력되는 광파워를 측정하였다.

MMI 출력 광을 측정한 값들을 모두 합치면 삽입손실은 14.2 dB로 나타났으며, 이는 Y-분기 손실 3 dB, fiber-waveguide mode mismatch loss 2.3 dB, propagation loss 3.7 dB, groove line loss 0.9 dB 그리고 MMI coupler loss 1.3 dB 와 함께, polarizer에서 TM 성분이 흡수되어 사라지는 3 dB loss 가 합쳐져서 나타난 것으로 확인되었다.

그리고, 편광필터의 소광비(extinction ratio)는 20 dB 이상으로 측정되었고, 열광학 위상변조기(TO phase modulator) 전극의 저항은 28 Ω으로 나타났다.

도 6 에는 동작점 변화에 따른 출력신호와 이를 분석한 내용을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 7 에는 동작점 변화에 무관한 센서특성을 확인하기 위하여 도 6의 신호를 이용하여 신호처리를 수행한 내용을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있으며, 도 8 에는 동작점 조절을 하지 않은 상태에서 전류를 인가하여 광전류센서의 특성을 확인한 내용을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 센싱코일을 관통하는 방향으로 통과하는 전선에 60Hz 사인파 전류를 인가하면서 광센서에 나타나는 신호를 살펴보기 위하여 위상변조기(260)에 1Hz 미만의 삼각파를 걸어주어서 동작점 위상이 2п 이상으로 천천히 흔들리도록 하여 센서의 동작점 위상을 변화시킨다.

상기와 같이 위상변화가 발생하게 되면, 광센서 출력신호로부터 시간평균파워(Time average power)성분인 <I₁>, <I₂>가 도 6(a)와 같이 나타났으며, 두 개의 특성곡선이 약 90°의 위상차이를 가지는 것이 확인되었다.

그리고, 60Hz 전류 신호의 진폭에 비례하여 나타나는 optical amplitude signal A₁, A₂를 측정한 결과 그림 6(b)와 같이 나타났으며, A₁, A₂의 크기는 동작점 변화에 의존적으로 나타나지만 서로 상호 보완적으로 크기가 변하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 두 개의 특성곡선의 상대적 위상차이를 확인하기 위하여 리사쥬 커브(Lissajous Curve)를 그려보면 도 6(C)와 같이 나타나며, 이로부터 두 특성곡선의 위상차이가 90°에서 11.5°만큼 벗어나게 됨이 확인되었다.

한편, <I₁>, <I₂>값과 A₁, A₂ 값을 이용하여 최종 센서 출력 신호를 구하기 위해 상기 수식(12) 를 이용하여 계산하면 도 7의 녹색선으로 나타나는 결과를 얻게 된다. 이 값은 동작점 위상 φ_b 변화에 따라 10% 이상의 오차를 가지게 되는데 이는 광집적회로의 제작 오차로 인해 두 특성곡선들 간의 위상차이가 정확히 90° 가 되지 못하여서 나타나는 문제이다.

이를 해결하기 위해 Φ_e= 11.5° 를 적용하고 수식(19)를 이용하여 계산한 결과가 도 7의 검은선으로 나타났으며, 신호의 오차가 줄어든 것을 볼 수 있다.

Φ_e를 고려한 보정 이후에도 남아있는 오차의 원인은 MMI 소자의 특성에서 기인하며, 2×4 MMI 에서 두 입력신호 간의 상대적 위상값이 변할 때 radiation 되는 빛이 발생하여 출력 광파워의 합이 일정하게 유지될 수 없기 때문인 것으로 확인되었다.

따라서, 이와 같은 오차를 보완하기 위하여 φ_b 변화에 따른 최종 출력신호 A₀값을 초기화 단계에서 미리 측정하여 기록한 뒤, 센서 동작중에 <I₁>, <I₂> 신호를 이용하여 실시간으로 동작점을 찾은 후 센서 출력을 다시 한번 캘리브레이션 하는 방법을 적용하였으며, 그 결과 φ_b 가 2п 이상 변화되더라도 센서 출력값의 RMS 오차는 2%이하로 유지됨을 확인할 수 있었다. (도 7의 붉은 점 참조)

한편, 도 8에서는 바이어스에 무관하게 동작하는 전류센서 특성을 확인하기 위하여 동작점 피드백 제어를 하지 않는 오픈루프 상태에서 전류량을 80~900A 까지 증가시켰다가 다시 감소시키면서 센서 출력신호를 확인하였다.

확인결과 전기식 CT로 측정한 값과 비교하였을 때 100A 이상에서 RMS 오차는 0.2%이며, 피크 오차는 ±0.05%로 나타나는 것이 확인되었다.

100........ 광원 200........ 광집적회로부
210........ 실리콘 기판 220........ 코어 클래딩층
222........ 도파관 코어패턴 222′...... 2×4 MMI 커플러
230........ 코어층 250........ 편광필터
260........ 위상변조기 270........ 그루브 라인
320........ 사분파장판 340........ 이분파장판
400........ 전자기 프로브 600........ 미러
800........ 광출력기

Claims (4)

1. SLED 광원으로부터 입사되는 빛을 출력하는 제1 Y-분기 광도파로 소자;
   상기 제1 Y-분기 광도파로 소자에서 출력되는 빛을 원거리에 위치한 센싱부에 전달하기 위한 편광유지 광섬유;
   상기 편광유지 광섬유를 통해 전달되는 빛을 두 개의 원편광 상태로 변환시키는 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP);
   상기 사분파장판(QWP)을 통과한 빛을 반사시키는 미러;
   상기 사분파장판(QWP)과 미러 사이에 구비되는 전기광학 또는 자기광학 프로브;
   상기 제1 Y-분기 광도파로 소자의 일단과 연결되며, 상기 미러를 통해 반사된 빛이 유입되는 제2 Y-분기 광도파로 소자;
   상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 일측에 위치하여 분기 된 빛의 일부가 통과하는 편광 변환기;
   상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 다른 일측에 위치하여 분기 된 빛의 나머지가 통과하는 위상 변조기;
   상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 두 경로를 통과한 빛이 유입되는 2×4 MMI 커플러 및 상기 2×4 MMI 커플러 일측에 구비되는 편광필터;를 포함하도록 구성되어,
   상기 2×4 MMI 커플러로 유입되는 빛은 다중 모드 간섭현상과 함께 편광필터에 의해 TE 성분의 빛들만 4개의 광도파로를 거쳐 출력되어 광검출기를 통해 전류로 바뀌게 되며,
   상기 2×4 MMI 커플러를 통해 출력되는 4개의 광신호 입출력특성 곡선은 서로 90°, 180°, 270°의 위상 차이를 가지는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 구조.
   
2. 제 1 항에 따른 광 간섭계의 구조를 포함하며,
   상기 4개의 광신호 출력 신호를 조합하여 생성되는 신호를 통해 전류/전압 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서
   
3. 제 1 항에 따른 광 간섭계의 구조를 포함하는 광센서의 신호처리방법에 있어서,
   마이크로 히터를 포함하는 위상변조기를 구동시켜 센서를 초기화하는 과정에서 광센서의 동작특성을 확보하는 단계와,
   상기 광센서의 동작특성을 확보하는 단계를 통해 확보된 동작특성을 이용하여 초기 위상 상태에 따라 발생하게 되는 미소한 영향을 보정하는 단계;를 포함하며,
   상기 보정하는 단계에서는 위상 오차 Φ_e가 존재하는 경우에 하기 수식
   

   

   
   을 이용하여 보정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광센서의 신호처리방법.
   
4. 삭제

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