KR101978444B1 - 편광 빛살 가르게를 이용한 광섬유 사냑 간섭계 - Google Patents

편광 빛살 가르게를 이용한 광섬유 사냑 간섭계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개선된 사냑 간섭계에 관한 것이다. 상기 사냑 간섭계는, 광원; 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;를 구비한다. 상기 감지부는, 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 서로 반대 방향을 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며, 상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공한다. 상기 사냑 간섭계는 제1 빔과 제2 빔의 위상차를 이용하여 회전 각속도를 검출하여 제공한다.

Description

편광 빛살 가르게를 이용한 광섬유 사냑 간섭계{Optical fiber Sagnac interferometer using a polarizing beam splitter}
본 발명은 광섬유 사냑 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 편광 빛살 가르게(polarizing beam splitter, PBS)를 이용하여 입력 빛을 서로 수직인 편광 성분으로 분리시킨 후 각각을 한 번 이상 감긴 편광유지 광섬유 코일(coil)의 양쪽 끝에 입력시켜 동일한 광섬유를 따라 서로 반대 방향, 즉 시계방향(clockwise, 이하 'CW'라 한다.)과 반시계 방향(counter clockwise, 이하 'CCW'라 한다.)으로 진행시켜 다시 PBS에서 합쳐주면, PBS에서 출력되어 함께 진행하는 각각의 편광성분은 입력 빛과 90도로 분리되어 출력되기 때문에 이들을 간섭시켜 전형적인 간섭계 신호처리 방법을 이용하여 복조시키면 CW 방향과 CCW 방향으로 진행한 서로 다른 편광성분들 사이의 위상 차이를 측정할 수 있는 사냑 간섭계에 관한 것이다.
Sagnac 간섭계는 1913년에 G. Sagnac에 의하여 처음으로 개발되었다. 도 1은 종래의 Sagnac 간섭계를 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 사냑 간섭계는 빛살 가르게(beam splitter, BS)에 의해 반으로 나누어진 두 빛살이 두 개 이상의 거울에 의해 고리(ring) 구조를 갖고 각각 CW 및 CCW 방향으로 진행하여 다시 BS에 의해 합쳐져 간섭을 일으키게 하는 구조를 가지며 광 검출기로 측정된 간섭신호를 분석하여 CW와 CCW 방향으로 진행한 두 빛 사이의 위상 차이를 측정할 수 있도록 고안된 간섭계이다.
Sagnac 간섭계는 CW와 CCW 방향에 대하여 광학적으로 비가역적인 변화를 유도시키는 현상을 측정/관측하는데 응용되며 그 대표적인 예로 회전센서와 전류센서 등이 있다. 예를 들어, 간섭계가 CW 방향으로 회전할 경우 같은 방향으로 진행하는 빛은 정지했을 때 보다 조금 먼 거리를 이동하고 반대 방향으로 진행하는 빛은 조금 짧은 거리를 이동하기 때문에 CW 방향으로 진행하는 빛(이하 CW 광이라고 함)과 CCW 방향으로 진행하는 빛(이하 CCW 광이라고 함) 사이에 위상차이가 발생하여 간섭신호가 달라진다. 따라서 광 검출기에서 출력되는 간섭신호를 복조시킴으로써 회전 각속도를 측정할 수 있다.
기존의 Sagnac 간섭계는 도 1에서 볼 수 있듯이 CW와 CCW 경로가 정확히 일치하기 때문에 이들 사이의 위상 차이가 0이며, 따라서 간섭계의 회전에 의해 작은 위상 차이 △φ가 유도될 경우 간섭신호는 cos△φ에 비례하게 된다. 그러나 cosine 함수는 매우 작은 위상 변화 △φ에 대하여 민감하게 변하지 않기 때문에 Sagnac 간섭계는 CW와 CCW 경로 사이의 아주 작은 위상변화를 측정하는데 적절치 못하다. 간섭신호가 작은 위상 차이에 대하여 민감하게 반응하기 위해서는 CW와 CCW 경로 사이에 정지 상태에서 위상 차이가 (2n+1)π/2 가 되게 해야 하는데, 여기서 n = 0, ±1, …, 즉 간섭신호가 회전에 의해 유도된 위상 차이 △φ의 sine에 비례하게 만들어 주어야 하는 데 기존의 Sagnac 간섭계의 대칭성 때문에 이 조건을 만들어 줄 수 있는 방법이 없다. 따라서 기존의 Sagnac 간섭계는 각속도가 작은 회전을 측정하는 데는 적합하지 않다.
또한 BS에서 반사된 빛과 투과된 빛 사이에는 90도 만큼 위상 차이가 발생하는데, 도 1의 Sagnac 간섭계에서 CW 광은 BS에서 반사되어 광 검출기로 출력되면서 BS에서 두 번 반사를 하고, 반면에 CCW 광은 광 검출기에 도달하기 위해서 두 번 투과하기 때문에 광 검출기에 도달하는 CW 광과 CCW 광 사이에는 180도 위상차이가 발생한다. 즉, 회전이 없는 경우 CW와 CCW 광 사이에 소멸 간섭이 발생하여 검출기로 향하는 빛의 세기가 0이다. 따라서 회전 각속도가 매우 작을 경우 광 검출에 대한 잡음은 광검출기를 포함한 전자 소자들에 의해 주어지는 전자적인 잡음(electronics noise)에 의해 주어지기 때문에 작은 회전 각속도에 대한 측정에 적합하지 않다.
자이로스코프(gyroscope)는 회전 물체의 회전 운동 역학을 측정하는 장치로서, 특히 회전 각속도를 측정하여 제공한다. 자이로스코프의 응용분야로는 비행기, 미사일, 우주선, 잠수함 등에 사용되는 항법장치, 카메라, 로봇, 무인 자동화 기기 등의 자세 제어, 그리고 자이로 콤파스 등으로 매우 넓다. 자이로스코프는 그 응용에 따라서 요구되는 정밀도와 안정도가 다르다. 전술한 자이로스코프에는 기계식 자이로스코프와 광학식 자이로스코프가 있으며, 초정밀 계측 분야에서는 대부분 광학식 자이로스코프가 사용된다. 전술한 광학식 자이로스코프에는 링(ring) 레이저 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프 등이 있다.
링 레이저 자이로스코프는 3개 또는 그 이상의 반사경으로 이루어진 공진기 안에 서로 반대 방향, 예컨대 시계 방향과 반시계 방향으로 진행하는 레이저 빔이 동시에 발진하도록 하고, 이 레이저 빔의 진동수는 외부에서 자이로스코프를 회전시킬 때의 회전 각속도에 따라 달라지게 되며, 이 진동수의 차이 즉, 회전에 의해 주어지는 CW 및 CCW 방향으로의 유효 공진기 길이 차이를 검출하여 회전각속도를 측정하는 장치이다. 링 레이저 자이로스코프는 바이어스 안정성과 환산계수 선형성이 높고, 측정범위가 넓고, 온도 민감도가 낮기 때문에 항법 장치에 대부분 적용된다.
하지만, 링 레이저 자이로스코프의 출력은 사인파(sine wave)의 형태로 나타나며, 회전 각속도의 크기에 따라 사인파의 주파수가 바뀌게 된다. 그런데, 외부 회전 각속도의 크기가 작은 경우, 반사경에서 일어나는 역 산란에 의하여 양방향으로 발진하는 두 레이저 빔의 진동수가 서로 같아지려고 하는 현상인 주파수 잠김 현상(Lock-in Effect)이 발생하게 되며, 이로 인하여 회전 각속도의 크기가 어느 한계치 이하일 때는 자이로스코프의 측정이 불가능하게 되는 문제점이 있다.
한편, 광섬유 자이로스코프는 기본적으로 광원과 광섬유를 원형으로 감아놓은 광섬유 코일로 구성된 감지부를 구비한다. 광섬유 자이로스코프의 동작을 간단하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 광원에서 나온 빛이 방향성 결합기를 지난 후 두 개의 빛으로 나뉘어서 광섬유 코일을 지나게 되며, 서로 반대 방향으로 광섬유 코일을 지난 두 빛은 다시 방향성 결합기에서 만나서 간섭한다. 자이로스코프가 정지 상태에 있는 경우, 두 빛은 광섬유 코일을 지나는 동안 똑같은 위상 변화를 경험하므로, 방향성 결합기에서 보강 간섭하고, 광검출기의 출력은 최대가 된다. 반면, 자이로스코프가 회전하고 있는 경우, Sagnac 효과에 의하여 두 빛 사이에는 회전각속도에 비례하는 위상차가 발생하고, 광검출기의 출력이 변화된다. 그러므로 광검출기의 출력 세기 변화를 측정함으로써 회전각속도를 검출할 수 있다. 이러한 광섬유 자이로스코프는 다른 형태의 자이로스코프에 비하여 가격, 안정도, 내구성, 빠른 기동 시간 등에서 큰 이점을 가지고 있다. 하지만, 광섬유 자이로스코프는 회전에 의해 유도된 위상 차이를 측정하기 위해 고가이고 복잡한 신호처리 과정을 필요로 하는 복조장치를 사용하여야 하며, 온도에 민감한 바이어스 특성을 갖고, 측정 감도를 높이기 위해 광섬유 길이를 확장하는 경우 비선형성이 증가하게 되는 문제점이 발생한다.
전술한 바와 같이, 사냑 간섭계를 이용하여 자이로스코프를 구성하는 경우, 종래의 사냑 간섭계의 문제점들로 인하여 자이로스코프의 측정 성능이 제한되는 문제점이 발생된다.
한국등록특허공보 제 10-1121879호 한국등록특허공보 제 10-1078387호 한국공개특허공보 제 10-2000-0073036호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 편광 빛살 가르게를 사용하여 서로 수직으로 편광된 2개의 빔이 편광유지 광섬유를 한 번 이상 원형으로 감아 준 광섬유 코일(이하, '편광 유지 광섬유 코일'이라 함) 에 의해 형성된 경로를 따라 시계 및 반시계 방향으로 각각 진행하도록 구성되어 측정 성능을 향상시킨 개선된 구조의 Sagnac 간섭계를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계는, 선형 또는 원형 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유 코일의 양쪽 끝에 입력시킴으로써 각각의 빔을 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;를 구비하며,
상기 감지부는, 상기 광원으로부터 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 또는 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며, 상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계는, 45도 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유 코일에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 형성되어 감지부의 제1 빔과 제2 빔을 공진시키는 공진기; 및 상기 공진기로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 제1 빔과 제2 빔의 사이에 유도된 위상 차이를 측정하는 복조부;를 구비하며,
상기 감지부는 상기 광원으로부터 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며, 상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공된다.
전술한 제2 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 공진기는 상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 및 제2 거울; 상기 제1 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 및 상기 제2 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제2 사분파장판; 을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유 코일에서 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부; 상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게;를 구비하며,
상기 감지부는, 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일; 및 상기 편광 빛살 가르게의 출력 포트 중 하나에 붙여서 배치되어, 상기 편광 유지 광섬유 코일로 입력되는 제 1 또는 제2 빔의 편광 방향과 상기 광섬유로부터 출력되어 상기 편광 빛살 가르게로 입력되는 제2 또는 제1 빔의 편광 방향을 각각 90도씩 회전시키는 반파장판(Half Wave Plate; HWP);를 구비하며,
상기 편광 유지 광섬유로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공된다.
본 발명의 제4 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계는, 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에서 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부; 상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게;를 구비하며,
상기 감지부는, 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 및 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하고, 상기 편광 유지 광섬유 코일의 일단의 주축(principal axes)은 90도 회전되도록 배치하여, 상기 편광 유지 광섬유를 투과하는 광의 편광 방향을 90도 회전시키는 것을 특징으로 하며,
상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공된다.
본 발명의 제3 및 제4 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 광섬유 사냑 간섭계는 상기 빛살 가르게와 상기 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 공진기를 더 구비하며,
상기 공진기는, 상기 빛살 가르게와 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 배치된 거울; 및 상기 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 을 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징들에 따른 상기 광섬유 사냑 간섭계는, 복조부로부터 제1 빔과 제2 빔의 위상 변화에 따른 위상차(△φ)를 제공받고, 상기 위상차를 이용하여 회전 각속도(Ω)를 측정하여 제공하는 제어부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징들에 따른 상기 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는, 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 빔을 제3빔과 제4빔으로 나누어 각각 출력하는 빛살 가르게; 상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하는 I 신호 출력부; 상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하는 Q 신호 출력부; 를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징들에 따른 상기 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는, 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔을 45도로 정렬시켜 제1빔과 제2빔의 간섭 신호를 출력하는 편광자(Polarizer); 및 상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하는 광검출소자;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징들에 따른 상기 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고 편광 상태에 따라 나누어 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하는 제1 광검출소자; 상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력하는 제2 광검출소자; 상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 검출하여 출력하는 차동 증폭기; 를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 사냑 간섭계는 편광 빛살 가르게를 이용하여 구성함으로써, 종래의 사냑 간섭계와는 달리 각속도가 작은 회전까지도 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예와 제4 실시예에 따른 사냑 간섭계는 공진 구조를 구성함으로써, CW광과 CCW광이 공진기내에서 다수 회를 진행된 후 출력된다. 그 결과, 회전을 보다 정밀하게 측정할 수 있으며 항상 높은 감도를 유지할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 사냑 간섭계를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 따른 위상차를 이용하여, 회전 각속도를 검출하기 위하여 사용되는 사냑 효과(Sagnac Effect)를 설명하기 위하여 도시한 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 일실시 형태를 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다른 실시 형태를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 또 다른 실시 형태를 도시한 구성도이다.
본 발명에 따른 사냑 간섭계(Sagnac Interferometer)는 편광 빛살 가르게, 광섬유 및 공진기를 이용하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 새로운 구조의 사냑 간섭계의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
< 제1 실시예 >
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광섬유 자이로스코프(1)는, 광원(10), 감지부(20) 및 복조부(30)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다.
상기 광원(10)은 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 또는 원형 편광된 광을 입력받고, 45도로 선형 또는 원형 편광된 광을 상기 감지부(20)의 편광 빛살 가르게(200)로 제공한다. 상기 광원은 단일의 레이저 빔 발생장치를 사용하여 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 레이저 빔을 출력하도록 구성하거나, 레이저 빔 발생장치와 편광 회전 장치를 결합하여 구성함으로써, 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력할 수도 있을 것이다.
상기 감지부(20)는 편광 빛살 가르게(PBS; 200) 및 편광 유지 광섬유 코일(PMF Coil; 210)을 구비하여, 하나의 광 경로를 구성하게 된다. 전술한 구조를 갖는 상기 감지부는, 상기 광원으로부터 제공된 광을 이용하여 사냑 간섭계의 회전이나 이동을 감지하고, 회전이나 이동에 의한 회전 각속도에 따른 위상차를 갖는 제1 빔과 제2 빔을 복조부(30)로 출력한다.
상기 편광 유지 광섬유 코일(210)은 적어도 1회 이상 원형으로 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어진다.
특히, 상기 감지부(20)는 광원으로부터 입사된 광을 PBS(200)에서 편광 방향에 따라 S 편광은 반사되고 P 편광은 투과됨으로써 2개의 빔으로 나누고, 이렇게 나뉘어진 2개의 빔이 편광 유지 광섬유 코일(210)에 의해 형성된 하나의 광경로를 따라 서로 반대 방향으로 각각 진행된 후 PBS(200)에서 다시 합쳐져 복조부로 출력된다. 상기 복조부는 이렇게 출력된 빔을 복조함으로써, CW 방향과 CCW 방향으로 각각 진행한 제1빔과 제2빔의 위상차를 측정할 수 있게 된다.
상기 편광 빛살 가르게(200)는 상기 광원으로부터 제공된 빔을 편광 방향에 따라 S 편광은 반사시키고 P 편광은 통과시키는 광학 소자로서, 편광 방향에 따라 반사시키거나 통과시킴으로써 편광 방향이 서로 다른 제1빔과 제2빔으로 분리하여 PMF Coil(210)의 양단으로 각각 출력시킨다. 상기 PMF Coil(210)의 양단으로 각각 출력된 제1빔과 제2빔은 서로 반대 방향으로 회전하여 PBS(200)로 다시 입사되어 합쳐진 후 상기 복조부로 제공된다.
상기 편광 유지 광섬유 코일(210)은 상기 PBS(200)로부터 출력된 빔들이 PMF Coil(210)에 의해 형성된 광경로를 따라 서로 반대 방향으로 회전한 후 다시 PBS(200)로 입사되도록 배치되며, 빔들이 PMF Coil의 주축을 따라 진행하게 된다. 상기 편광 유지 광섬유 코일에 의하여, 상기 편광 빛살 가르게에서 반사되어 출력된 제2빔은 시계 방향(CW)으로 진행하여 편광 빛살 가르게로 재입사되며, 편광 빛살 가르게를 투과한 제1빔은 시계 반대 방향(CCW)으로 진행하여 편광 빛살 가르게로 재입사된다. 따라서, 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔이 편광 유지 광섬유 코일(210)를 따라 서로 반대 방향으로 이동한 후 편광 빛살 가르게(200)로 재입사하여 복조부로 출력된다.
상기 제1빔과 제2빔이 PMF Coil(210)를 따라 이동하는 동안, 사냑 간섭계가 회전하게 되면, 제1빔과 제2빔은 사냑 간섭계의 회전 각속도에 따라 위상차를 갖게 된다.
상기 복조부(30)는 감지부(20)로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고, 이들 사이에 유도된 위상차를 측정하여 제공한다.
상기 제어부(40)는 상기 복조부로부터 제공된 제1빔과 제2빔의 간섭신호로부터 제1빔과 제2빔 사이의 위상 차이를 산출하고 이를 이용하여 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산하여 출력한다. 본 발명에 따른 사냑 간섭계는 상기 제어부(40)를 내부에 포함할 수도 있으며, 제어부(40) 없이 구성될 수도 있다. 사냑 간섭계를 제어부 없이 구성하는 경우, 사냑 간섭계는 외부의 제어 장치 또는 컴퓨터 등으로 사냑 간섭계에 의해 측정된 제1 빔과 제2 빔의 간섭신호를 외부의 제어 장치 또는 컴퓨터로 제공할 수 있다. 상기 제어 장치 또는 컴퓨터는 제1 빔과 제2 빔의 간섭신호를 이용하여 제1 빔과 제1 빔의 위상차와 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 제1 빔과 제2 빔의 위상차를 이용하여 회전 각속도를 검출하기 위하여 사용되는 사냑 효과(Sagnac Effect)를 설명하기 위하여 도시한 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 사냑 간섭계가 회전을 하면, 편광 유지 광섬유(210)를 따라 서로 반대 방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔은 회전 각속도에 따라 서로 광경로차(△L)가 발생하게 된다. 따라서, 사냑 간섭계에 의해 측정된 제1빔과 제2빔의 위상차를 이용하여 광경로차를 구하고, 상기 광경로차를 기반으로 하여 회전 각속도를 측정할 수 있게 된다.
< 제2 실시예 >
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자이로스코프(2)는, 광원(12), 감지부(22), 복조부(32) 및 공진기(52)를 구비하며, 제어부(42)를 더 구비할 수 있다. 제2 실시예의 감지부(22)의 구조는 제1 실시예의 그것들의 구조와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
상기 광원(12)은 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 레이저빔 광원을 사용할 수 있다.
상기 감지부(22)는 공진기(52)의 내부에 배치되며, 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1빔과 제2빔으로 나누고, 상기 제1빔과 제2빔을 PMF Coil(210)에 의해 형성된 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 복조부로 출력한다.
상기 공진기(52)는 상기 감지부(22)의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 거울(520) 및 제2 거울(522)로 구성되며, 상기 제1 및 제2 거울에는 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP ; 521) 및 제2 사분파장판(523)이 각각 배치된다. 제1 및 제2 사분파장판은 입력된 빔을 λ/4 만큼 위상 지연시켜 출력하는 위상지연판이다.
상기 제1 및 제2 거울(520, 522)는 반사계수(R)가 큰 거울들로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 및 제2 거울을 반사계수가 98%인 거울들로 구성하는 경우 편광 빛살 가르게에서의 손실이 없다고 가정하면 공진기의 Finesse 가 157이며, 공진기내의 CW 빔 및 CCW 빔은 약 100회 정도 반복하여 돌아갈 수 있기 때문에 유도되는 위상 값은 약 100배 만큼 증가한다. 편광 빛살 가르게에서의 손실을 고려하더라도 CW 빔 및 CCW 빔이 수십 회 이상 반복하여 돌아갈 수 있기 때문에 그만큼 간섭계의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 감지부(22)는 제1 실시예의 감지부와 동일한 구조로 이루어지되, 광원과 편광 빛살 가르게(200)의 입사면의 사이에 공진기의 제1 거울(520) 및 제1 사분 파장판(521)이 배치되며, 편광 빛살 가르게의 출사면과 복조부의 사이에 공진기의 제2 거울(522) 및 제2 사분파장판(523)이 배치된다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 감지부(22) 및 공진기(52)에서의 제1빔과 제2빔의 진행 경로를 구체적으로 설명한다.
먼저, 광원으로부터 제공된 선형 편광된 빛의 일부가 거울을 거쳐 제1 QWP(521)에 입사되는데, 이때 입사된 빛의 편광 방향이 제1 QWP의 주축과 평행하기 때문에 제1 QWP를 거치면서 편광상태는 입사된 빛과 같은 상태로 유지된다. 제1 QWP의 주축, 즉 입사된 빛의 편광 방향이 편광 빛살 가르게의 주축과 45도의 각을 이루기 때문에 입사된 빔의 P 편광 성분은 편광 빛살 가르게(200)를 투과하여 제1 빔을 이루고 S 성분은 반사되어 제2 빔을 이룬다. 편광 빛살 가르게를 투과한 제1 빔은 편광 유지 광섬유 코일에 의해 형성된 경로를 CCW 방향으로 진행하며, 편광 빛살 가르게에서 반사된 제2 빔은 편광 유지 광섬유 코일에 의해 형성된 경로를 CW 방향으로 진행하게 된다. 편광 유지 광섬유 코일을 따라 CCW 방향으로 진행한 제1빔은 P 편광으로서 편광 빛살 가르게로 재입사되어 다시 투과되어 제2 QWP, 제2 거울, 제2 QWP를 투과한 후 편광 빛살 가르게로 다시 입사하게 된다. 이때, 제1 빔의 편광 방향은 QWP 주축에 대하여 45도로 정렬되어 있으므로 제2 QWP를 두번 투과하게 되어 편광 방향이 90도 회전하며, 그 결과 다시 입사한 편광 빛살 가르게에서 반사되어 PMF를 CCW 방향으로 다시 진행하게 된다. 이러한 과정이 반복됨으로써, 제1 빔은 CCW 방향으로 반복해서 돌아가게 된다. 따라서 공진기가 정상파 조건을 만족하면 제1 거울을 통해 입사되는 빛이 증강간섭을 일으켜 공진기 내부에서 빛의 세기는 점점 커지고 이들 중 일부가 제2 거울(522)을 통해 출력된다. 이 때 제1 빔이 편광 유지 광섬유 코일을 따라 돌아가는 횟수는 거울의 반사율에 의해 주어진다. 한편, 제2 빔은, 제1 빔과 마찬가지로 CW 방향으로 같은 횟수만큼 돌아가며 제2 거울(522)을 통해 출력된다.
예를 들어, 상기 공진기를 구성하는 제1 및 제2 거울의 반사 계수(R)가 98% 인 경우 공진기의 finesse가 157이 되며 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게 등 다른 소자에서의 손실을 고려하지 않을 경우 약 100회 돌아간 후에 출력된다. 따라서 PMF 길이를 1/100로 줄여 주어도 동일한 효과를 얻을 수 있어 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 매 회전마다 두 개의 편광 유지 광섬유 코일의 주축을 번갈아 가면서 사용하기 때문에 편광 유지 광섬유 코일에 의한 잡음을 최소화 할 수 있다.
상기 공진기로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 복조부(32)로 제공된다. 상기 복조부(32)는 상기 공진기(52)로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 복조하여, 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상차를 검출하여 출력한다.
제2 실시예에 따른 사냑 간섭계는 공진기에 의해 빔이 다수 회 돌아가게 함으로써, 빔이 감지부의 PMF를 따라 1회 돌아가는 제1 실시예에 따른 사냑 간섭계에 비하여 돌아간 횟수만큼 감도를 향상시킬 수 있다.
< 제3 실시예 >
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계(3)는, 광원(10), 빛살 가르게(250), 감지부(23) 및 복조부(30)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다.
상기 광원(10)은 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 빛살 가르게(250)를 통해 감지부(23)로 제공한다. 상기 광원은 단일의 레이저 빔 발생장치를 사용하여 45도로 선형 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력하도록 구성하거나, 레이저 빔 발생장치와 편광 회전 장치를 결합하여 구성함으로써 45도로 선형 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력할 수도 있을 것이다.
상기 빛살 가르게(250)는 상기 광원(10)과 감지부(23)의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력한다.
상기 감지부(23)는 편광 빛살 가르게(200), 편광 유지 광섬유(210) 및 반파장판(240)을 구비하여, 상기 광원으로부터 제공된 광을 이용하여 사냑 간섭계의 회전이나 이동을 감지하고, 회전이나 이동에 의한 회전 각속도에 따른 위상차를 갖는 제1 빔과 제2 빔을 빛살 가르게(250)를 통해 복조부(30)로 출력한다.
상기 편광 빛살 가르게(200)는 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력한다.
상기 편광 유지 광섬유 코일(PMF Coil;210)은 상기 편광 빛살 가르게(200)로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시키고 광섬유를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키게 된다.
상기 반파장판(240)은 상기 편광 유지 광섬유 코일(210)과 연결된 편광 빛살 가르게(200)와 붙어서, 혹은 바로 뒤에 배치되어 상기 편광 유지 광섬유 코일로 들어가거나 나오는 빔의 편광방향을 90도 회전시킨다. 따라서, 편광 유지 광섬유 코일(210)을 따라 CW 방향과 CCW 방향으로 진행하는 빛의 편광상태가 동일하기 때문에 제1 빔과 제 2빔의 편광방향이 편광 유지 광섬유 코일의 두 개의 주축 중 하나와 평행하게 진행하므로 제1 빔과 제2 빔의 환경적으로 같은 영향을 받으므로 편광 유지 광섬유 코일에 인가될 수 있는 복굴절 잡음 등에 영향을 받지 않는다.
상기 편광 유지 광섬유 코일(210)로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게(200)에서 합쳐져 동일한 경로를 따라 빛살 가르게(250)로 출력되어 상기 복조부(30)로 제공된다.
이하, 본 발명의 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 감지부(23)에서의 제1빔과 제2빔의 진행 경로를 구체적으로 설명한다.
먼저, 광원으로부터 입사된 광을 빛살 가르게(250)를 통해 편광 빛살 가르게(200)로 입사되며, 편광 빛살 가르게에서 편광 방향에 따라 S 편광빔은 반사되고 P 편광빔은 투과됨으로써 2개의 빔으로 나누고, 이렇게 나뉘어진 2개의 빔이 편광 유지 광섬유 코일(210)을 따라 서로 반대 방향으로 진행된 후 편광 빛살 가르게에서 다시 합쳐져 출력된다.
한편, 편광 빛살 가르게(200)와 붙어서 반파장판(240)을 배치함으로써, 상기 편광 빛살 가르게(200)를 투과한 빔은 반파장판에 의해 90도만큼 편광이 회전한다. 그 결과, 편광 빛살 가르게를 투과한 P 편광인 제1빔은 편광 유지 광섬유 코일(210)을 시계 반대 방향을 따라 이동하여 편광 빛살 가르게로 재입사하게 되며, 이때 반파장판(240)에 의해 편광 방향이 90도 회전함에 따라 재입사된 편광 빛살 가르게(200)에서 반사되어 빛살 가르게(250)로 진행하게 된다. 한편, 편광 빛살 가르게에서 반사된 S 편광인 제2빔은 반파장판에 의해 편광방향이 90도 회전하여 편광 유지 광섬유 코일을 시계 방향으로 이동하여 재입사된 편광 빛살 가르게(200)를 투과하여 빛살 가르게(250)로 진행하게 된다. 따라서 제1 빔과 제2 빔은 동일한 편광 상태를 가지며 이들의 편광방향을 편광 유지 광섬유 코일의 두 개의 주축 중 하나와 동일하게 정렬시킴으로써 완전히 대칭적인 사냑 간섭계를 구성할 수 있으며, 이렇게 진행하여 재입사된 제1빔은 반파장판(240)을 투과하면서 편광이 90도 회전하여 편광 빛살 가르게에서 반사하고, 제2빔은 편광 빛살 가르게를 투과하여 제1 빔과 합쳐져 빛살 가르게로 진행된 후 빛살 가르게에서 일부가 복조부(30)로 출력된다.
상기 복조부는 이렇게 빛살 가르게로부터 입력된 빔을 복조함으로써, CW 방향과 CCW 방향으로 각각 진행한 제2빔과 제1빔의 위상차를 측정할 수 있게 된다.
상기 제1빔과 제2빔이 편광 유지 광섬유 코일을 따라 이동하는 동안, 사냑 간섭계가 회전하게 되면, 제1빔과 제2빔은 사냑 간섭계의 회전 각속도에 따라 위상차를 갖게 된다.
상기 복조부(30)는 감지부(20)로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고, 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하여 제공한다.
상기 제어부(40)는 상기 복조부로부터 제공된 제1빔과 제2빔의 위상차를 이용하여, 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산하여 출력한다.
< 제4 실시예 >
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 사냑 간섭계(4)는, 광원(10), 빛살 가르게(250), 감지부(23), 복조부(30) 및 공진기(54)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다. 본 실시예에 따른 사냑 간섭계(4)는 전술한 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계의 빛살 가르게(250)와 감지부의 편광 빛살 가르게(200)의 사이에 공진기(54)가 더 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 공진기(54)는 빛살 가르게(250)와 감지부의 편광 빛살 가르게(200)의 사이에 배치되며, 거울(530) 및 사분파장판(QWP; 531)으로 이루어진다. 사분파장판은 입력된 빛의 주 편광성분들(principal polarization components) 사이의 위상 차이를 λ/4 만큼 지연시켜 출력하는 위상지연판이다. 상기 거울(530)은 반사계수(R)가 큰 거울들로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반사계수가 98%인 거울로 구성하는 경우 편광 빛살 가르게에서의 손실이 없다고 가정하면 공진기의 Finesse 가 157이며, 공진기내의 CW 빔 및 CCW 빔은 약 100회 정도 반복하여 돌아 갈 수 있기 때문에 유도되는 위상 값은 약 100배 만큼 증가한다. 편광 빛살 가르게에서의 손실을 고려하더라도 CW 빔 및 CCW 빔이 수십 회 이상 반복하여 돌아 갈 수 있기 때문에 그만큼 간섭계의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 공진기(54)의 구동 방식은 제2 실시예에 따른 공진기와 동일하다.
상기 감지부(23)의 구성 및 동작은 제3 실시예에 따른 감지부(23)의 구성 및 동작과 동일하다.
전술한 구성을 갖는 본 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계(4)는 감지부와 공진기에 의하여 제1 빔과 제2 빔이 공진 조건을 만족할 때까지 편광 유지 광섬유 코일(210)을 회전한 후 복조부로 출력하게 되며, 복조부 및 제어부에 의해 제1 빔과 제2 빔의 간섭 신호에 유도된 위상차 및 회전 각속도를 구하게 된다.
한편, 전술한 제3 및 제4 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계의 다른 실시 형태에 있어서, 편광 빛살 가르게(200)와 붙어서 반파장판(240)을 배치하여 상기 편광 빛살 가르게(200)를 투과하거나 반사한 빔은 반파장판에 의해 90도만큼 편광이 회전되도록 하는 것을 대신하여, 편광 유지 광섬유의 일단의 주축(Principal axes)이 90도 회전되도록 배치함으로써, 편광 유지 광섬유의 동일한 주축을 이용하여 서로 다른 편광 성분을 갖는 제1 빔과 제2 빔을 회전시킬 수 있게 된다. 그 결과, 굴절율이 서로 다른 주축을 통해 제1 빔과 제2 빔이 회전하게 되는 제1 및 제2 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계와는 달리, 제3 및 제4 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계는 PMF Coil의 동일한 주축을 따라 제1 빔과 제2 빔이 회전됨으로써 측정 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 전술한 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다양한 실시 형태들에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 일 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 7을 참조하면, 복조부(30)는 위상 지연 장치(372), 편광자(375) 및 광 검출소자(PD)를 구비한다.
상기 위상 지연 장치(372)는 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것이다. 제1 빔과 제2 빔의 최적의 복조를 위하여, 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상 바이어스를 90도의 홀수 배로 만들기 위하여 위상 지연 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 제1빔과 제2빔의 편광 상태에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일예로 주 편광성분 사이에 사분파장을 위상지연시키는 사분파장판(QWP)을 사용할 수 있으며, 만약 제1 빔과 제2 빔의 위상이 편광 빛살 가르게에서의 반사 등에 의해 바뀌는 경우, QWP 가 아닌 다른 위상 지연 장치를 사용하여 제1 빔과 제2 빔의 위상차를 90도의 홀수 배로 만드는 것이 바람직하다.
상기 편광자(Polarizer; 375)는 상기 위상지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔에 45도로 정렬시켜 제1 빔과 제2 빔 사이의 간섭신호를 출력한다.
상기 광 검출소자(PD)는 상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하며, 제1 빔과 제2 빔 사이의 바이어스 위상이 90도인 경우 다음과 같은 수학식 1로 주어진다.
Figure 112017024471572-pat00001
여기서 R은 광검출기의 감응도(responsivity), I 0 는 제1 빔과 제2 빔의 총 세기, 그리고 △φ는 간섭계의 회전 등에 의해 제1 빔과 제2 빔에 유도된 위상차이이며 일상적인 경우 매우 작은 값을 갖는다.
도 8은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다른 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 8을 참조하면, 복조부(31)는 위상 지연 장치(398), 편광 빛살 가르게(392), 제1 및 제2 광 검출소자(PD1, PD2) 및 차동 증폭기(395)를 구비한다.
상기 위상 지연 장치(398)는 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 90도 혹은 90도의 홀수 배에 해당하는 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것으로서, 편광 빛살 가르게, 거울에서의 반사 등에 의해 주어진 제1빔과 제2빔의 위상 값에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 주 편광 성분 사이에 사분파장을 위상지연시키는 사분파장판(QWP)을 사용할 수도 있다.
상기 편광 빛살 가르게(392)는 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔의 편광방향에 대하여 45도로 정렬시키며, 따라서 제1 빔과 제2 빔의 S성분이 합쳐져서 간섭이 일어나며 편광 빛살 가르게에서 반사하고, 제1 빔과 제2 빔의 P 성분은 합쳐져서 간섭이 일어나며 편광 빛살 가르게를 투과한다.
상기 제1 광 검출소자(PD1)는 상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하며, 상기 제2 광 검출소자(PD2)는 상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력한다. 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상 바이어스가 90도인 경우 PD1과 PD2로부터 출력된 광신호는 각각 다음과 같은 수학식 2 및 수학식 3으로 주어진다.
Figure 112018029390512-pat00002
Figure 112017024471572-pat00003
상기 차동 증폭기(395)는 상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 출력하며 출력신호는 다음과 같은 수학식 4로 주어진다.
Figure 112017024471572-pat00004
따라서, 전술한 구조의 복조부는 제3 빔과 제4빔으로부터 검출된 간섭신호를 차동 증폭기로 빼어 줌으로써 각각의 광신호에 실려있는 서로 상관된 잡음은 제거되고 광신호는 두 배로 커지게 되어 신호 대 잡음비를 높일 수 있게 된다. 이와 같은 측정 방법을 Balanced Detection 방법이라고 한다.
도 9는 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 또 다른 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 9를 참조하면, 상기 복조부(32)는, 위상 지연 장치(300), 빛살 가르게(310), I 신호 출력부(320) 및 Q 신호 출력부(330)를 구비하며, I 신호 출력부 및 Q 신호 출력부로부터 각각 서로 위상차가 90°인 I 출력 신호(In-phase Signal ; V I) 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q) 를 생성하여 출력한다. I 출력 신호 (In-phase Signal ; V I)는 cos △φ 에 비례하고, Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q)는 sin △φ에 비례한다.
상기 복조부(32)는 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 복조하여, 제1 빔과 제2 빔에 대한 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V I) 신호 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q) 를 검출하여 출력한다. 상기 I 출력 신호 및 Q 출력 신호로부터 회전 각속도에 따른 위상차를 검출할 수 있게 된다.
상기 위상 지연 장치(300)는 상기 감지부로부터 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것으로서, 제1빔과 제2빔의 편광 상태에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 상기 제1빔과 제2빔을 45도 편광 회전시켜 빛살 가르게(310)로 출력하는 반파장판을 사용할 수 있다.
상기 빛살 가르게(310)는 상기 위상 지연 장치로부터 45도 편광 회전된 제1빔과 제2빔을 제공받고, 상기 제1빔과 제2빔을 50:50으로 제3빔 및 제4빔으로 나누어 각각 투과 및 반사시켜 출력한다. 빛살 가르게를 투과한 제3빔은 I 신호 출력부로 제공되고, 빛살 가르게에서 반사된 제4빔은 Q 신호 출력부로 제공된다.
상기 I 신호 출력부(320)는 상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 I 신호 출력부(320)는 빛살 가르게를 투과한 제3빔의 진행 경로상에 배치된 제2 편광 빛살 가르게(322), 제2 편광 빛살 가르게로부터 반사되어 출력된 빔을 검출하는 제1 검출소자(323), 제2 편광 빛살 가르게를 투과하여 출력된 빔을 검출하는 제2 검출소자(324), 및 상기 제1 검출소자 및 제2 검출소자로부터 출력된 빔들의 차이를 검출하여 증폭시켜 출력하는 제1 차동증폭기(325)를 구비한다. 제1 및 제2 검출소자는 포토 다이오드로 구성될 수 있다.
상기 Q 신호 출력부(330)는 상기 빛살 가르게를 투과한 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 Q 신호 출력부(330)는 상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 Q 신호 출력부(330)는, 빛살 가르게에서 반사된 제4빔을 45도 편광회전시켜 출력하는 QWP(Quarter Wave Plate;331), 상기 QWP를 투과하여 45도 편광 회전된 제4빔의 진행 경로상에 배치된 제3 편광 빛살 가르게(332), 제3 편광 빛살 가르게에서 반사되어 출력된 빔을 검출하는 제3 검출소자(333), 제3 편광 빛살 가르게를 투과하여 출력된 빔을 검출하는 제4 검출소자(334), 및 상기 제3 검출소자 및 제4 검출소자로부터 출력된 빔들의 차이를 검출하여 증폭시켜 출력하는 제2 차동증폭기(335)를 구비한다.
전술한 구성을 갖는 I 신호 출력부의 제1 차동 증폭기 및 Q 신호 출력부의 제2 차동 증폭기는 각각 제1 빔과 제2 빔에 대한 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V I) 신호 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q) 를 출력한다.
상기 제어부(40)는 복조부로부터 I 출력 신호 및 Q 출력 신호를 제공받고, 상기 I 출력 신호 및 Q 출력 신호를 이용하여, 회전 각속도를 검출하여 출력한다. 이하, 본 실시 형태에 따른 복조부의 출력 신호를 이용하여, 제어부(40)가 회전 각속도(Ω)를 검출하는 과정을 구체적으로 설명한다.
먼저, 복조부(32)로부터 얻은 I 출력 신호 (In-phase Signal ; V I)는 cos △φ 에 비례하고, Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :V Q)는 sin △φ 에 비례하므로, I 출력 신호(V I) 및 Q 출력 신호(V Q) 를 이용하여 물체의 회전에 따른 위상차(△φ)를 수학식 5에 의해 구할 수 있다.
Figure 112017024471572-pat00005
감지부에서 시계 방향으로 회전하는 제2빔이 광 회전부를 일주하는데 걸리는 시간(t+)는 수학식 6에 의해 구할 수 있으며, 시계 반대 방향으로 회전하는 제1빔이 광 회전부를 일주하는데 걸리는 시간(t-)는 수학식 7에 의해 구할 수 있다.
Figure 112017024471572-pat00006
Figure 112017024471572-pat00007
물체의 회전에 따른 제1빔과 제2빔의 광 경로차(△L )는 수학식 8에 구할 수 있다.
Figure 112017024471572-pat00008
물체의 회전에 의해, 서로 반대 방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔의 사이에 광 경로차(△L )가 발생하게 된다. 이러한 제1빔과 제2빔을 간섭시켜 간섭 신호를 얻을 수 있는데, 간섭신호에서의 위상 변화는 회전 각속도의 선형적인 함수로 주어지게 되므로, 위상 변화를 측정하고 이를 이용하여 회전 각속도를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
물체의 회전에 따른 제1빔과 제2빔의 광 경로차(△L )를 이용하여 제1빔과 제2빔의 위상차(△φ)는 수학식 9에 구할 수 있다.
Figure 112017024471572-pat00009
수학식 9로부터 물체의 회전에 따른 회전 각속도(Ω)는 수학식 10로 표현될 수 있으며, 수학식 4을 통해 I 출력 신호(V I) 및 Q 출력 신호(V Q)를 이용하여 구한 제1빔과 제2빔의 위상차(△φ)를 이용하여 물체의 회전에 따른 회전 각속도(Ω)를 구할 수 있게 된다.
Figure 112017024471572-pat00010
여기서, λ는 빛의 파장이며, t-는 반시계 방향으로 회전하는 제1빔이 고리를 일주하는 데 걸리는 시간이며, t+는 시계 방향으로 회전하는 제2빔이 고리를 일주하는 데 걸리는 시간이며, Ω는 회전 각속도이며, C 는 빛의 속도이며, R은 광 회전부를 구성하는 고리의 반경이며, A 는 고리의 면적이며, △L 은 서로 반대방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔의 광 경로차이며, △φ 는 각속도에 의해 유도되는 위상변화값이다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 샤냑 간섭계는 편광 빛살 가르게를 이용하여 새로운 구조로 구성함으로써, 서로 수직 편광 상태인 2개의 빔을 닫힌 경로를 따라 서로 반대 방향으로 진행시킨 후 위상차를 구하고, 이를 이용하여 물체의 회전에 따른 회전 각속도를 측정할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 사냑 간섭계는 자이로스코프 등과 같이 회전 역학 정보를 측정하는 장비에 널리 사용될 수 있다.
1, 2, 3, 4 : 사냑 간섭계
10, 12 : 광원
20, 22 : 감지부
30, 31, 32 : 복조부
40, 42 : 제어부
52, 54 : 공진기

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에 의해 형성된 경로를 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
    상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 형성되어 감지부의 제1 빔과 제2 빔을 공진시키는 공진기; 및
    상기 공진기로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 제1 빔과 제2 빔의 사이에 유도된 위상 차이를 측정하는 복조부;
    를 구비하며, 상기 감지부는
    상기 광원으로부터 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게;
    1회 또는 2회이상 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어지고, 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며,
    상기 공진기는
    상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 및 제2 거울;
    상기 제1 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 및
    상기 제2 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제2 사분파장판;을 구비하는 것을 특징으로 하며
    상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  3. 삭제
  4. 편광된 광을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에 의해 형성된 경로를 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
    상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;
    상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게; 및
    상기 빛살 가르게와 상기 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 배치된 공진기;를 구비하며,
    상기 감지부는,
    빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게;
    1회 또는 2회 이상 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어지고, 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일; 및
    상기 편광 빛살 가르게의 출력 포트 중 하나에 붙여서 배치되어 상기 편광 유지 광섬유를 투과하는 광의 편광 방향을 90도 회전시키는 반파장판(Half Wave Plate; HWP);를 구비하며,
    상기 공진기는,
    상기 빛살 가르게와 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 배치된 거울; 및
    상기 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 을 구비하는 것을 특징으로 하며,
    상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  5. 편광된 광을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에 의해 형성된 경로를 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
    상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;
    상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게; 및
    상기 빛살 가르게와 상기 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 배치된 공진기;를 구비하며,
    상기 감지부는,
    빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 및
    1회 또는 2회 이상 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어지고, 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일; 을 구비하고,
    상기 공진기는,
    상기 빛살 가르게와 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 배치된 거울; 및
    상기 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 을 구비하는 것을 특징으로 하며,
    상기 편광 유지 광섬유 코일의 일단의 주축(Principal axes)은 90도 회전되도록 배치하여, 상기 편광 유지 광섬유 코일을 투과하는 광의 편광 방향을 90도 회전시키는 것을 특징으로 하며,
    상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유 사냑 간섭계는,
    복조부로부터 제1 빔과 제2 빔의 위상 변화에 따른 위상차(△φ)를 제공받고, 상기 위상차를 이용하여 회전 각속도(Ω)를 측정하여 제공하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  9. 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복조부는,
    상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
    상기 위상 지연 장치로부터 출력된 빔을 제3빔과 제4빔으로 나누어 각각 출력하는 빛살 가르게;
    상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하는 I 신호 출력부;
    상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하는 Q 신호 출력부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  10. 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복조부는,
    상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
    상기 위상 지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔을 45도로 정렬시켜 제1빔과 제2빔의 간섭 신호를 출력하는 편광자(Polarizer); 및
    상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하는 광검출소자;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  11. 제5항에 있어서, 상기 복조부는,
    상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
    상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고 편광 상태에 따라 나누어 출력하는 편광 빛살 가르게;
    상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하는 제1 광검출소자;
    상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력하는 제2 광검출소자;
    상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 검출하여 출력하는 차동 증폭기;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
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