KR102079807B1 - 집적 광 반사계 - Google Patents

Abstract

장치는 타깃 주파수에서 레이저 광을 출력하도록 구성된 레이저 소스; 및 현재의 시간대에서 상기 레이저 소스에 의해 출력된 실제 주파수 및 상기 레이저 소스의 타깃 주파수 간의 편차를 측정하도록 구성된 측정 유닛을 포함한다. 상기 장치는 상기 실제 주파수 및 타깃 주파수 간의 측정 편차에 기반하여, 상기 레이저 소스를 제어하여 상기 레이저 소스로부터 출력되는 레이저 주파수를 일정하게 유지함으로써 상기 레이저 소스로부터 전송되는 레이저 광 주파수가 상기 타깃 주파수로 조정되게 하도록 구성된 피드백 제어 유닛;을 포함한다. 상기 피드백 제어 유닛은 상기 레이저 소스를 제어하여 출력된 상기 레이저 소스의 레이저 광의 주파수에서의 선형 변화율을 유지하고, 주파수 측정용으로 이용되는 상기 측정 유닛의 특성들을 보상할 수 있다. 상기 레이저 소스의 피드백 제어를 수행하는 방법이 제공된다.

Description

집적 광 반사계{Integrated optics reflectometer}

관련출원에 대한 전후참조

본 출원은 2012년 3월 14일자 출원된 미국 임시출원 제61/610,533호를 기초로 우선권을 주장한 것이다. 상기 미국 임시출원 제61/610,533호의 전체 내용은 이로써 본 출원에 전부 참조 병합된 것이다.

연방정부 스폰서에 의한 연구 또는 개발에 관한 진술

본 개시내용 중 적어도 일부는 미국 에너지부(U.S. Department of Energy)와의 협약에 따른 관례대로 기재되었거나 실제로 먼저 감축되었다.

기술분야

본 개시내용은 광섬유(fiber optic; FO) 설비들의 광 무결성(optical integrity)을 테스트하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 좀더 구체적으로 기술하면, 본 개시내용은 단소인(單掃引; single sweep)에서 값싸고 효율적으로 1 킬로미터 이상의 범위에서 (예컨대, 1 cm 미만, 예를 들면 2 mm 미만의) 고분해능으로 FO 설비들의 광 무결성을 테스트할 수 있는 집적 광 반사계 및 관련 방법에 관한 것이다.

광섬유 및 레이저를 포함하는, 광 통신 기법들은, 인터넷 및 고용량 컴퓨팅의 워크호스(workhorse)들이다. 다음 수 십년의 컴퓨팅 및 원격통신 요구들을 충족시키려면 지능적이고 원활한 네트워킹과 아울러, 광 신호 생성, 전송, 스위칭 및 라우팅을 포함하는, 폭넓은 연구 개발을 통한 진보들이 필요하다. 비록 기관들 및 회사들이 급속하게 성장하는 그러한 고속 글로벌 원격통신 네트워크들을 이용하고 있지만, FO 설비들에서 광전력을 충분히 활용하는 개인 사용자의 이용을 제공하도록 하는 기반구조(infrastructure)가 아직 자리를 잡고 있지 않다.

공지된 FO 진단용 기기들은 다음과 같은 2 가지의 고가의 카테고리로 이루어지는데, 상기 2 가지의 고가의 카테고리는, 1) 일반적으로 광 시간 영역 반사계(optical time domain reflectometery; OTDR)을 사용하며 0.1 내지 1 m의 분해능을 가지고 수십 km의 경간(徑間; span)을 제공하는, 원격통신 및 대용량 데이터 네트워크용의 비교적 낮은 분해능을 지닌 장거리 유닛들; 및 2) 1 mm 미만의 분해능을 제공하는 광 주파수 영역 반사계(optical frequency domain reflectometery; OFDR)를 이용하는 매우 높은 분해능의 실험실용 기기들이다.

본 개시내용에서 사용되는 용어들 "코히어런트(coherent)" 또는 "코히어런스(coherence)"는 균일한 파장(또는 주파수)을 의미한다. 따라서, 용어 "코히어런스 길이(coherence length)"는 레이저 광의 파장이 공기 중에서 균일한 공기의 길이(distance of air)를 의미한다.

OFDR들은 동조가능한 파장의 고-코히어런스 레이저 소스를 사용한다. OFDR 레이저들은 반사계에서 매우 높은 공간 분해능으로 변환할 수 있는 넓은 광 주파수 소인을 제공할 수 있지만, 상기 레이저 소스의 비용이 매우 높고 공급자들이 국한되어 있다. 표준형 분산 피드백(distributed feedback; DFB) 레이저는 훨씬 더 값싸고 훨씬 짧은 파장 길이 범위에 걸쳐 동조될 수 있지만, DFB 레이저 동조능력은 1 cm 미만 영역의 분해능용으로 충분하다. 그러나, DFB 소스는 전형적으로 광섬유 길이가 약 1 m가 넘는 측정들에 사용될 코히어런스를 충분히 제공하지 못한다.

가정에서부터 데이터 센터에 이르기까지의 통신 네트워크에서와 같은 연속적인 대규모 FO 배치를 지원하기 위해, 이러한 보다 더 콤팩트한 환경에서 오류들을 국부화하도록 이러한 FO 설비들을 훨씬 더 적은 비용으로, 그리고 높은 분해능으로 테스트할 필요성이 확인되고 있다.

위의 필요성을 고려하여, 본 개시내용은 높은 신뢰성 레벨에서 비용효과적인 방식으로 광 통신을 부가적으로 개발할 수 있는 새로운 집적 광 반사계를 제공한다.

통신, 감지, 진보된 조명 시스템 및 다른 FO 플랫폼을 위한 연속적인 대규모 FO 배치를 지원하기 위해, 본 개시내용의 집적 광 반사계는 FO 설비들의 광 무결성이 높은 분해능으로 그리고 훨씬 더 낮은 비용으로 테스트될 수 있게 한다. 본 개시내용의 집적 광 반사계는 1 킬로미터 이상의 범위에서 < 1 cm 인 분해능으로 값싼 광 측정을 제공한다. 상기 집적 광 반사계는 완전하고 그리고/또는 사용자 정의가능한 솔루션을 제공한다.

그러므로, 현재 및 미래의 FO 설비들이 최고 효율로 동작하는데 도움을 주기기 위해, 상기 집적 광 반사계는 어느 부분에서 광섬유 접속 문제들이 존재하는 지를 네트워크 오퍼레이터들이 신속하게 확인하는 것을 용이하게 해준다. 마찬가지로, 본 개시내용에 의해 해결되는 하나의 주요 개선 영역은 고-분해능 통신 테스트 및 측정 장치들의 비용을 감소시키는 것이다. 본 개시내용의 집적 광 반사계는 FO 네트워크들의 유지보수에 사용될 정도로 적정하게 짧은 범위 및 고분해능을 지니는 반사계를 통한 대규모 FO 네트워크 배치를 지원한다. 이러한 기술은 지역들, 사무실 건물들, 파이버-투-더-홈(fiber-to-the-home), 근거리 통신 네트워크들, 광역 통신 네트워크들, 및 항공기, 선박들 등등을 포함하는 일체 완비된 모바일 FO 플랫폼들에 설치되어 있는 새로운 FO 네트워크들을 지원한다. 이러한 FO 플랫폼들 중 일부는 최대 수백 미터(<1 Km)에 이르기까지 확장하며 광 호출 시스템(optical interrogation system)은 전반적인 광 네트워크 무결성을 유지하는데 필요한 수리를 하도록 광 장애점(optical fault)들을 1 센티미터 미만 내로 두는 것이 바람직하다.

본 개시내용은 레이저 출력이 간섭계(예컨대, 측정 유닛)을 사용하여 모니터링되고, 상기 반사계에서 검출된 광이 사용되기 전에 상기 검출된 광에 피드백 보정이 적용되는 것을 제공한다. 상기 간섭계는 레이저 소스의 순간 파장/주파수를 측정하고, 그 순간에 상기 레이저 소스에 의해 출력된 레이저 광의 실제 주파수 및 상기 레이저 소스의 타깃 주파수 간에 편차가 존재하는지의 여부를 결정하는데 이용된다. 상기 간섭계의 출력은 "오차 신호(error signal)"인 것으로 간주할 수 있는데, 그 이유는 상기 간섭계의 출력이 상기 레이저 소스의 실제 주파수 및 타깃 주파수 간의 편차를 나타내기 때문이다. 상기 간섭계에서의 실제 주파수 및 타깃 주파수 간에 측정된 편차에 기반하여, 상기 레이저 주파수를 타깃 주파수로 조정 및 보정함으로써, 상기 레이저 소스로부터 출력된 히어런트가 높은 레이징 주파수를 획득하도록 상기 레이저 소스에 피드백 보정이 실시간으로 적용된다.

따라서, 본 개시내용은 하나의 단일 측정으로 긴(예컨대, 1 킬로미터 이상의) 광섬유의 모든 지점들에 대해 영향을 주는 보정 신호를 발생시키도록 간섭계로 모니터링된 레이징 주파수들에 기반한 위상/주파수 제어 피드백 메커니즘을 이용한다. 높은 피드백 보정 이득들은 최적화된 피드백 위상 응답을 사용하여 레이저 변동들을 보정함으로써 가능하게 된다. 동일한 피드백 메커니즘은 또한 선형성 제어를 보장하고 DFB 레이저 소스의 고유 코히어런스 길이 이상의 정확한 측정 결과들을 제공하도록 파장 제어 신호를 주입해야 하는 지점을 제공한다.

본 개시내용의 추가적인 개량들, 이점들 및 특징들은 이하에서 첨부도면들에 예시된 대표적인 실시예들을 참조하여 좀더 구체적으로 설명될 것이다.

도 1a는 레이저 소스 및 측정 유닛(예컨대, 간섭계)의 배치를 예시하는 도면이다.
도 1b는 레이저 소스 및 측정 유닛(예컨대, 간섭계)의 배치를 예시하는 도면이다.
도 2는 본 개시내용의 대표적인 실시예에 따른 집적 광 반사계를 블록 선도로 예시하는 도면이다.
도 3은 레이저 소스 호출에 대한 테스트 광섬유 간섭계를 지니는 파장 관리 DFB 레이저의 MATLAB Simulink 전기-광학 모델을 예시하는 도면이다.
도 4는 3 가지의 서로 다른 온도에서의 파장에 대한 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating; FBG) 반사 강도를 예시하는 도면이다.
도 5는 광대역 반사기로부터의 기준 신호 및 3 가지의 FBG로부터의 반사 신호들을 예시하는 도면이다.
도 6은 레이저 광 주파수가 시간에 대해 소인(掃引; sweep)됨을 보여주는 그래프를 예시하는 도면이다.
도 7은 (위에서 아래에 이르기까지) 캐비티 전자 번호(cavity electron number), 캐비티 강도, 캐비티 광 위상, 제어 간섭계 출력 필드 및 측정 간섭계 출력 필드를 포함하는 여러 주요 매개변수를 보여주는 도 3의 FO 테스트 네트워크 장치의 시뮬레이션 선도들을 예시하는 도면이다.
도 8은 장치 성능을 수치상으로 정량화하여 비교하기 위해 테스트 장치로부터의 데이터를 사후 처리하는 일례를 예시하는 도면이다.
도 9는 불균형 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 사용한 자려-헤테로다인(self-heterodyne) 구성을 예시하는 도면이다.

본 개시내용의 대표적인 실시예들은 첨부도면들을 참조하여 설명될 것이다. 이하의 설명은 한정하려는 목적을 위한 것이 아니고 설명하려는 목적을 위한 특정 실시예들, 절차들, 기법들 등등과 같은 구체적인 내용을 개시한 것이다. 당업자라면 이하에서 설명되는 실시예들이 대표적인 것들이며 다른 실시예들이 이러한 구체적인 내용과는 별도로 채용될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 어떤 경우에는, 공지된 방법들, 인터페이스들, 회로들, 및 장치들의 상세한 설명들이 본 개시내용의 설명을 이해하기 어렵게 하지 않도록 생략되어 있다. 더욱이, 개별적인 블록들이 첨부도면들 중 일부 도면들에 도시되어 있다. 당업자라면 그러한 블록들의 기능들이 개별적인 하드웨어 회로들을 사용하여, 주문형 집적회로(application specific integrated circuitry; ASIC)를 사용하고 그리고/또는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(digital signal processor; DSP)를 사용하는 적절히 프로그램된 디지털 마이크로프로세서 또는 범용 컴퓨터와 함께, 비-일시적인 컴퓨터-판독가능 기록 매체 상에 기록된 소프트웨어 프로그램들 및 데이터를 사용하여, 구현될 수 있다는 점을 이해할 것이다.

본 개시내용의 대표적인 실시예들의 설명에서는, DFB 레이저들을 포함하는 다이오드 레이저들과 같은 레이저 소스 타입들의 예들이 제공되어 있다. 당업자라면 이들이 레이저 소스들의 예들로서 제공된 것이며 본 개시내용이 그에 국한되지 않음을 이해하여야 한다.

본 개시내용의 상세한 설명에 대한 도입부에서는, 본 개시내용의 특이한 해결수단을 양호하게 예시하기 위해 여러 가지의 예를 참조하여 OFDR의 원리들에 대한 논의가 제공될 것이다.

반사계들은 한 단에서 주입된 신호의 반사들을 분석함으로써 파장들의 길이를 따라 파장들의 특성들을 검사하는데 사용된다. 상기 OFDR에서는, 상기 신호가 계속해서 변화하는 광 파장(또는 광 주파수)을 지니는 코히어런트 광이다.

한 OFDR 예에서는, 광의 광 주파수가 200 THz(1500 nm 파장)의 공칭 주파수로부터 마이크로초 당 10 MHz의 비율로 계속해서 증가할 수 있으며, 이러한 주파수 소인이 1000 마이크로초의 지속시간 동안 유지될 수 있다. 1 km의 거리에서 광섬유가 불연속됨(예컨대, 결함, 커넥터, 단면(端面; end face) 등)으로 인해 반사되는 광은 (광섬유에서 광속에 대한 전형적인 값을 사용하는 경우에) 대략 10 ㎲의 라운드 트랩 지연(round trip delay)에 직면하게 된다. 따라서, 광 주파수가 소인 중에 있는 동안, 반사된 광은 생성된 광 주파수가 100 MHz 만큼 지체된 시간에 레이저 소스로부터 나오게 된다. 상기 반사된 광 및 현재 레이저 출력 주파수 간의 이러한 특정 주파수 차이는 소인이 유지되는 한 이러한 거리로부터의 모든 광의 특성이게 된다. 다른 모든 거리들로부터 반사되는 광은 다른 특성 차이의 주파수를 지니게 된다.

광 주파수/파장은 고분해능으로 직접 측정하기 어려울 수 있지만, 매우 작은 주파수 차이들은 2개의 광 소스 사이에서 간섭에 의해 쉽게 검출될 수 있다. 이러한 경우에, 반사된 광 에너지는 레이저에서 직접 획득된 광의 일부로 인해 간섭을 받을 수 있다. 이러한 배치가 때로는 자려-헤테로다인(self-heterodyning)이라 불린다. 이러한 2 가지의 간섭 광신호 간의 광 주파수의 차이는 2 가지의 광 입력 신호의 광 주파수 차이와 동일한 간섭 비트(interference beat), 또는 강도 변조 주파수를 생성한다. 간섭 후의 광 강도 변조는 광 검출기를 사용하여 전기 신호로 변환될 수 있으며, 상기 신호를 전기적 영역으로 바꾸는 것이 유용한데, 그 이유는 이러한 영역에서의 부가적인 처리를 위한 양호한 도구들이 구비되어 있기 때문이다. 1 km 떨어져 있는 지점으로부터의 반사는 현재 이러한 배치에서 100 MHz 전기 신호라는 시그니처(signature)를 생성한다. 그의 주파수는 반사가 어디에서 나온 것인지를 식별하며, 상기 비트 주파수의 진폭은 그 지점에서의 반사 강도를 나타낸다. 분명한 점은 상기 광 검출기로부터의 신호들의 주파수 스펙트럼이 현재 광섬유의 길이를 따라 광섬유의 반사 프로파일(reflection profile)의 유사체를 포함한다는 점인데, 여기서 제로(zero) 주파수는 개시 단(launch end)을 나타내며 광섬유의 길이는 100 MHz = 1 km (다시 말하면, 100 kHz/m)인 척도(scale)로 표시된다. 이러한 주파수 스펙트럼은 종종 상기 검출기로부터의 상기 비트 신호의 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform; FFT)에 의해 생성된다.

위의 내용에서, 레이저 광이 코히어런트인 것으로 가정되었다. 따라서, 레이저는 광 주파수 발진기인데, 이 경우에 광 주파수 발진기의 위상은 미래의 어느 때라도 예측될 수 있다. 그러나, 실제로는 그러하지 않은데, 그 이유는 모든 발진기들이 상당한 외란(外亂; disturbance)을 받고 특히 반도체 레이저의 발진 위상이 반도체 레이저의 캐비티 내로의 자연 방출(spontaneous emission)에 의한 외란을 받기 때문이다. 여기(勵起)된 광자 방출들이 보강 위상(constructive phase)을 지니는 레이징 파 에너지에 추가되는 동안에, 각각의 자연 방출된 광자는 랜덤 위상(random phase)을 지님으로써 상기 레이징 위상에 랜덤 부호 및 진폭의 작은 외란을 추가시킨다. 충분한 시간이 지나면, 이러한 랜덤 외란의 효과는 레이저 위상이 "랜덤 워크(random walk)" 방식으로 이상적인 타깃 위상(다시 말하면, 이상적인 타깃 위상이 완전히 코히어런트한 경우)에서 쳐지게 하는 것이다. 랜덤 기여도가 매우 작은 경우에, 미래의 임의의 유용한 방식으로 레이저 위상을 예측하는 것이 가능할 수 있을 것이다. 이러한 유용한 예측 시간은 레이저 코히어런스 시간이다. 이는 또한 코히어런스 시간을 광속으로 나눔으로써 레이징 코히어런스 길이로서 표기될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 코히어런스 시간이 3 ㎲인 레이저는 1 km의 공기 중에서의 코히어런스 길이를 지닌다. 위의 예를 취하고 코히어런스 시간이 3 ㎲인 레이저를 가정하면, 광섬유의 코히어런스 길이는 약 600 m(광속은 광섬유에서 더 느림)이므로 광섬유에서 300 m 거리(다시 말하면, 600 m 라운드 트립)에 대한 반사계 측정들이 이루어질 수 있을 것이다. 이리하여, 좀더 긴 코히어런스 길이를 지니는 레이저가 원거리 반사계 측정들을 이루는데 사용될 수 있을 것이다.

여기서 유념해야 할 점은 레이저 위상이 소정 시간에 그리고 알지 못하는 그러한 시간을 넘어서도 잘 정의되어 있거나, 코히어런스 함수가 코히어런스 길이에 대해 최대치를 지니고 그러한 길이를 넘어서는 0으로 급속하게 떨어진다는 점을 위의 코히어런스에 대한 논의가 의미할 수 있다는 점이다. 그러나, 전형적인 코히어런스 함수는 로렌츠 곡선 모양이며 이는 느리게 내려가고 긴 미부(tail)를 지니는 통계적 분포이다. 코히어런스 "컷-오프(cut-off)" 지점은 레이저 광이 50% 코히어런트이거나, 결과적으로 초래되는 간섭 무늬들이 50% 콘트라스트를 지니지만, 코히어런스의 정도가 광범위에 걸쳐 단지 느리게 변화하는 지점으로서 정의될 수 있다. 그러나, 코히어런스 길이에 대한 단일의 수치로는 다소 오해의 소지가 있을 수 있지만, 당업자라면 그러한 수치가 코히어런스 길이/시간을 정량화하기 위한 목적으로 제공된 것임을 이해하여야 한다. 따라서, OFDR 동작을 설명함에 있어서, 사용된 숫자들은 어느 정도로 근사화될 수 있지만, 그러한 근사화는 본 개시내용에서 논의되는 바와 같은 코히어런스 길이들 또는 시간들의 사용 또는 이해에 영향을 주지 않는다.

위에서 설명한 바와 같이, 광섬유의 길이를 따른 임의의 물리적 지점이 자려-헤테로다인 검출 후에 특정 주파수로 식별된다. 이러한 특징 주파수가 거리에 비례하는 동안, 이는 또한 레이징 광 주파수의 변화율에 비례한다. 고분해능을 유지하기 위해, 본 개시내용의 대표적인 실시예들에서는 그러한 지점으로부터 검출된 주파수가 일정하게 되는 것으로 제공된다. 위의 예에서는 1 km 떨어진 지점에서의 반사를 1 cm(100,000 분의 1)로 분해하는 것이 바람직한 경우에, 100,000 분의 1의 광 주파수 소인율(sweep-rate) 선형성이 필요하게 된다. 그러나, 동조가능한 레이저는 이러한 정도의 동조 선형성을 지니면서 쉽게 동조될 수 없다.

측정 거리는 주지했던 바와 같이 레이저 코히어런스에 의해 제한될 수 있다. 이러한 제한을 극복하는 주요 기법에는 1) 위에서 설명한 바와 같이 코히어런스가 높은 동조가능한 레이저 소스를 사용하는 기법, 2) 예를 들면 프로갓(Froggatt)과 그의 동료 명의의 미국 특허 제7,515,276호(이하 "Froggatt 특허"라 함)에 개시되어 있는 바와 같이 결과들을 해석하기 전에 레이저 인코히어런스에 대해 원래의 측정 데이터를 보상하는 기법, 또는 3) 이하에서 좀더 구체적으로 설명되겠지만 본 개시내용의 해결수단에 따라 레이저 소스에서 레이저 인코히어런스를 보정하는 기법과 같이 3 가지가 있다.

기법 1)은 실행가능한 해결수단이고, 측정 범위가 수 km인 경우에 마찬가지로 고품질의 측정 결과들을 생성할 수 있는 고품질의 동조가능한 레이저 소스가 일부 존재하지만, 이러한 레이저들은 종종 MEMS 구성요소들 및 미러(mirror)들과 결합된 레이저 장치들을 포함하는 마이크로메커니컬 구조들이며, 제조 비용이 비싼 것이 일반적이다. 이와는 대조적으로, 적정한 품질의 일반 DFB 반도체 레이저는 원격 통신 시스템들을 위한 광 소스로서 매우 낮은 비용으로 제조된다. DFB 레이저들은 보다 전형적으로 대략 1 m의 매우 제한된 범위에 걸쳐 OFDR 측정들을 허용하는 코히어런스 길이를 지니며, 이는 그다지 유용한 범위가 아니다.

Froggatt 특허의 기법 2)는 값싼 DFB 레이저들이 길이 측정을 길게 하는데 사용되는 것을 허용하는 수단으로서 사용되었다. 원칙적으로, 상기 Froggatt 특허의 기법은 시간에 따른 레이저 위상 변화들을 측정하고 그 측정들을 전자 방식으로 기록함으로써 가까운 과거의 어느 시점에 이르기까지 상기 검출기에서의 판독값들을 보상하는데 사용될 수 있는 실제 레이저 위상(또는 근사치)의 이력 기록(historical record)이 존재하게 하는 것을 포함한다. 따라서, Froggatt 특허는 간섭계를 가지고 DFB 레이저 위상을 모니터링한 다음에 디지털 방식으로 디스플레이된 그러한 정보를 사용하여 위상/주파수 변화의 이력 기록을 만들어내고, 그 다음에 그러한 이력 기록에 기반하여, 레이저 코히어런스 길이를 넘는 광섬유의 영역으로부터 OFDR 판독값들을 경험적으로 보상하는 것을 제안한다. 레이저 모니터 데이터용으로 사용된 지연은 레이저의 코히어런스 길이를 넘는 거리들에서의 실제 반사계 측정들의 보정항(correction term)으로서 보상 영역에 대한 지연과 동일하지만, 상기 보상이 단지 보상 지연에 마련된 작은 윈도우 크기에만 적용되고, 전체 광섬유 길이를 고려하기 위해, 여러 부분 판독 값이 획득되어야 한다.

본 개시내용은 레이저 위상 변화를 모니터링하고 이러한 정보를 피드백 루프에서 즉시 사용하여 레이저 위상 변화들을 보정함으로써 레이저 코히어런스 길이/시간을 증가시키는 새로운 기법을 제공한다. 레이저 소스에서의 레이저 동작을 보정함으로써, 수집된 측정 데이터는 위의 기법 1)에 따른 코히어런트가 높은 동조가능한 레이저 소스를 사용하는 시스템에서와 같이 전체 측정 길이에 걸쳐 적용가능하게 된다. 본 개시내용은 레이저 출력이 간섭계를 사용하여 모니터링되고, 피드백 보정이 레이저 소스의 광 주파수를 보정하도록 레이저 소스에 적용되는 것을 제공한다. 따라서, 본 개시내용은 하나의 단일 측정으로 긴 광섬유의 모든 지점에 대해 영향을 주는 보정 신호를 생성하기 위해 간섭계를 가지고 모니터링되는 레이징 주파수들에 기반하여 위상/주파수 제어 피드백 메커니즘을 이용한다. 높은 피드백 보정 이득들은 최적화된 피드백 위상 응답을 사용하여 레이저 변동들에 대해 보정함으로써 가능하게 된다. 동일한 피드백 메커니즘은 또한 이러한 DFB 레이저를 OFDR 광 소스로서 사용하도록 필요한 광 소인 주파수를 제공하는데 사용되는 파장 제어 신호를 주입해야 하는 지점을 제공한다.

도 1a에는 레이저 소스(110) 및 측정 유닛(120)(예컨대, 간섭계)의 배치가 블록 선도로 도시되어 있다. 상기 레이저 소스(110)는 타깃 주파수를 지니지만 위에서 주지한 바와 같이, 상기 레이저 소스가 항상 이러한 타깃 주파수에서 레이저 광을 출력하지 않는다. 상기 측정 유닛(120)은 현재 순간의 시간에서 상기 레이저 소스(110)에 의해 출력된 실제 주파수 및 상기 레이저 소스(110)의 타깃 주파수 간의 편차를 측정하도록 구성되어 있다.

상기 레이저 소스(110)의 광 위상/주파수를 모니터링(예컨대, 검출)하도록 하는 레이저 출력 상에서의 간섭계 측정의 일례는 지금부터 이러한 모니터링이 어떠한 방식으로 상기 레이저 소스(110)에 대하여 실시간 피드백 제어를 제공하는데 사용되는지를 예시하도록 도 1a를 참조하여 설명될 것이다.

상기 레이저 소스(110)로부터 출력된 광의 일부 상에서의 순간 레이저 위상 및/또는 광 주파수가 간섭계를 사용하여 모니터링될 수 있다. 예를 들면, 상기 측정 유닛(120)의 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계에서는, 레이저 광이 2 개의 경로, 다시 말하면 하나의 경로는 짧고 또 하나의 경로는 긴 2 개의 경로로 분할된 다음에, 재결합될 수 있다. 상기 광이 재결합될 때, 간섭이 일어나며 이는 보강 간섭 또는 상쇄 간섭일 수 있다. 한 대표적인 실시예에 의하면, 상기 간섭계는 광섬유 및 2x2 광섬유 커플러들로 만들어질 수 있다. 제1의 2x2 커플러는 2개의 광섬유 경로로 레이저 광을 분배한다. 제2의 2x2 커플러의 한 입력은 상기 제1 커플러의 한 출력에 직접 융합되어 있고 나머지 입력 및 출력 쌍은 추가적인 광섬유 길이를 통해 접속되어 있다. 상기 제2의 2x2 커플러의 출력들 중 한 출력 또는 양자 모두의 출력은 간섭 결과를 모니터링하도록 광-검출기에 접속될 수 있다. 이러한 간섭계의 입력과 한 출력 간의 경로 길이 차이가 정확한 파장수인 경우에, 그러한 출력에서의 간섭은 보강 간섭이게 되고 광 출력은 최대로(총 입력 광 레벨과 거의 동일하게) 되게 되며, 상기 간섭계의 다른 출력에서의 경로 길이 차이는 반드시 1/2 파장만큼 다르게 되고(이들이 균등 분배 비율을 갖는 2x2 커플러들인 경우에 이는 사실이게 되는데, 다시 말하면 광 지연 차이는 명확하지 않을 수 있지만 이는 상기 커플러에서 생기고) 제2 출력 레벨은 제로(zero)에 근접하게 된다. 제1 파장 길이가 위의 사례보다 1/2 파장만큼 길게 상기 파장이 변하는 경우에, 제1 출력은 제로(상쇄 간섭)이게 되고 제2 출력은 최대(보강 간섭)로 되게 된다. 위의 2 가지 조건 간의 사항들에서는, 어느 한 출력에서의 강도가 레이징 파장의 함수이게 되고, 광섬유 길이 차이가 여러 광 파장인 경우에, 출력 강도는 매우 민감한 광 주파수 함수일 수 있다. 이는 또한 상기 경로 차이를 통한 전파 지연 시간과 비교하여 짧은 시간 척도에서, 출력 강도가 레이저 순간 위상 변화의 직접적인 함수인 것으로 고려되는데, 그 이유는 긴 경로로부터의 광이 그러한 위상 변화에 아직 직면해 있지 않았기 때문이다.

도 1b에는 상기 측정 유닛(130)이 도 1a에 예시된 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 대신에 재순환 간섭계를 포함하는 변형 실시예가 블록 선도로 예시되어 있다. 그럼에도 불구하고, 도 1a 및 도 1b의 측정 유닛들(120, 130)은 각각 현재 순간의 시간에서 상기 레이저 소스(110)로부터 출력된 주파수 및 상기 레이저 소스(110)의 타깃 주파수 간의 편차를 측정하도록 구성되어 있다.

도 2에는 광 주파수가 안정화됨으로써 코히어런스 길이가 본 개시내용에 따라 증가하게 되는 레이저를 포함하는 장치(200)의 한 대표적인 실시예가 예시되어 있다. 상기 장치(200)는 도 1a의 간섭계(120)를 이용하여 상기 레이저 소스(110)의 레이징 주파수를 모니터링하고, 간섭계 측정은 상기 레이저 소스(110)에 의해 출력된 레이저 광의 주파수/파장을 실시간으로 제어하도록 위상/주파수 제어 피드백 메커니즘 내에 공급된다. 도 2에서의 참조부호 210은 상기 간섭계(120)에 의해 상기 레이저 소스(100)의 실제 주파수 및 타깃 주파수 간의 측정 편차에 기반하여, 상기 레이저 소스(110)를 실시간으로 제어하여 상기 레이저 소스(110)로부터 출력되는 레이저 주파수를 일정하게 유지함으로써 상기 레이저 소스(110)로부터 전송되는 레이저 광 주파수가 상기 타깃 주파수로 조정되게 하도록 구성된 피드백 제어 유닛을 나타낸다. 상기 간섭계(120)의 출력은 "오차 신호"인 것으로 간주할 수 있는데, 그 이유는 상기 간섭계(120)의 출력이 상기 레이저 소스(110)의 실제 주파수 및 타깃 주파수 간의 편차를 나타내기 때문이다. 상기 간섭계에서의 실제 주파수 및 타깃 주파수 간의 측정 편차에 기반하여, 상기 피드백 제어 유닛(210)은 상기 레이저 소스(110)에 피드백 보정을 실시간으로 적용하여 상기 레이저 주파수를 상기 타깃 주파수로 조정 및 보정함으로써, 상기 레이저 소스(110)로부터 출력되는 코히어런트가 높은 레이징 주파수를 획득한다.

위에서 주지한 바와 같이, 간섭계에 의해 측정된 바와 같은 레이저 위상/주파수의 시간 변화는 서로 다른 순간의 시간에서 생성된 레이저 광을 가지고 자려-헤테로다인되는 반사(지연) 신호들에 기반하여 이루어진다. 본 개시내용의 한 대표적인 실시예에 의하면, 레이저 주파수의 실시간 측정은 상기 레이저 소스(110)에 의해 출력된 레이저 광의 실제 주파수 및 타깃 주파수 간의 주파수 오차를 (예컨대, 도 2에 예시된 무한 임펄스 응답(IIR) 필터에 의해) 즉시 보정하도록 피드백 루프에서 바로 사용된다.

이는 2 가지의 설계 특징을 제공함으로써 달성된다. 첫째로, 광 주파수 검출 및 피드백 루프는 필요한 보정들의 대역폭과 비교하여 작은 최소 지연들을 초래시켜야 한다. 이는 상기 간섭계 및 피드백 검출기(들)에서 사용된 짧은 광섬유 길이들(광섬유가 사용되는 경우에는, 집적 광 구현이 도파관 길이들을 작게 유지하는데 사용될 수 있음) 및 상기 피드백 루프에서 사용되는 높은 속도, 낮은 대기시간을 지니는 전자 장치를 필요로 한다. 둘째로, 주파수 오차들이 생길 때 주파수 오차들을 보정하기에 충분한 대역폭을 가지고 상기 레이저 소스(110)에 보정용 동조를 적용하는 수단이 제공된다. DFB 레이저들은 온도 변화에 의해, 예컨대 부착형 펠티어 냉각기(Peltier cooler)를 사용하여 일반적으로 동조되지만, 이는 초의 척도로 시간 응답을 지니고 본 개시내용의 피드백 설계에 사용하기에 너무 느리다. DFB 레이저는 또한 레이저에서 흐르는 전류에 의해 약간 동조될 수 있고(전류의 변화가 또한 상기 레이저로부터의 광 강도를 변조시키고) 이것이 본 개시내용에 적용되는 메커니즘이다. 여기에서의 주요 효과는 레이저 전류 가열로부터의 온도 변화이지만, 굴절율, 결과적으로는 레이징 파장에 영향을 주는 레이저 캐비티에서 보다 더 급속한 전자 번호의 변경들이 또한 존재한다. 본 개시내용은 상기 피드백 루프를 폐쇄하고 달리 코히어런스 길이가 짧은 결과를 초래하는 레이저 위상에 대한 상쇄들을 최소화하는데 이용가능한 메커니즘들을 이용한다. (나노초의 척도로) 짧은 기간의 레이저 위상 잡음은 허용될 수 있지만, 상기 피드백 루프는 레이저 주파수를 신속하게 회복하여 수 마이크로초 내지 수십 마이크로초의 시간 척도로 코히어런스를 유지한다. 이러한 코히어런스 특성은 레이저가 OFDR 기기들에 적합해지게 한다.

지금까지 관찰되어 왔던 점은 고분해능 기기에 대한 동조 선형성이 중요하다는 점이다. (위에서 언급한 "고품질" 장치들을 포함하는) 대부분의 동조가능한 레이저들은 적당한 동조 선형성을 지니지만, 그럼에도 불구하고, 여러 OFDR 측정들에 대해 부적합하다. 레이저들은 온도의 조정에 의해, MEMS 미러들 및 격자(grating)들의 각도들의 조정에 의해, 기타 등등에 의해 동조된다. 이러한 "개방-루프(open-loop)" 메커니즘들은 일부 비-선형성을 지닌다. 본 개시내용의 해결수단은 위에서 논의된 피드백 루프 내에서 레이징 주파수 제어를 적용하는 것이다.

위에서 언급한 바와 같은, 본 개시내용의 피드백 안정화 기법은 단지 하나의 고정 주파수로 위상을 안정화시키는데 효율적이다. 동조 주파수는 피드백 루프가 동기하게 되는 광 위상을 변경함으로써 이러한 고정 주파수에 추가될 수 있다. 예를 들면, 디지털 위상 회전 기능을 지니는 구적((求積; quadrature) 위상 피드백 루프는 정밀한 동조용으로 제공될 수 있다.

상기 피드백 루프를 사용하여 이러한 주파수 제어를 구현하는 하나의 수단은 간섭계의 긴 광섬유를 신장(伸張)시킴으로써 동조하는 것을 포함하는데, 이는 다음과 같이 동작한다. 피드백 루프는 피드백 광 검출기의 출력에 걸린 소정 전압으로 충족된다. 이러한 전압은 간섭계의 짧고 긴 아암들에서의 광 간의 특정 위상 관계에 의해 생성된다. 광섬유가 신장되는 경우에는, 이러한 위상 관계를 유지하기 위하여, 동일 개수의 파장들이 출력 커플러에서 동일 위상 관계를 갖는 새로운 광섬유 길이에 적합하도록 파장이 증가하게 된다. 이러한 것이 이루어지지 않게 되면, 검출기 출력 전압이 변화하고 레이저 전류가 변화하여 상기 조건이 회복되도록 레이징 주파수를 풀링(pulling)함으로써, 레이저 파장이 새로운 긴 광섬유 길이를 충족시키도록 조정되게 된다. 광섬유는 상기 광섬유를 예를 들면 피에조(Piezo) 실린더 상에 견고하게 래핑(wrapping)하고 인가 전압에 의해 상기 실린더의 치수들을 변경함으로써 이러한 동조에 영향을 주는데 필요한 소량만큼 신장될 수 있다. 레이저 동조 범위는 사용된 레이저 소스(110)에서 이루어지게 될 수 있는 현재의 동조 범위에 의해 한정된다. 이러한 한도에 이르는데 필요한 신장 정도는 광섬유에 의해 견뎌낼 수 있는 변형율(strain)과 비교하여 상당히 작다. 이러한 파장 동조 메커니즘은 레이저 소스 호출에 대한 테스트 광섬유 간섭계를 지니는 파장 관리 DFB 레이저의 MATLAB Simulink 전기-광학 모델을 보여주는 도 3에 예시된 모델에서 설명되었다.

한 대표적인 실시예에 의하면, 다른 한 동조 기법은 피드백 동기 조건의 위상을 회전시키는 것을 포함한다. 구적 간섭계 출력은 여러 수단에 의해, 예를 들면 상기 간섭계의 출력 커플러에 대해 균등 분배용 4x4 커플러를 사용함으로써 달성될 수 있다. 한 대표적인 실시예에 의하면, 이러한 커플러는 4 가지의 구적 관계로 2 개의 광 경로를 결합하는 것을 나타내는 4 개의 출력을 지닐 수 있다. 이들의 직교 쌍은 그들의 출력 강도에서 90도 관계를 지닐 수 있다. 이들 양자 모두를 검출함으로써, 상기 간섭계에서의 광 위상 관계의 직교 좌표 표현이 획득된다. 이러한 검출기 출력들은 상기 피드백 루프가 동기될 때 어떠한 위상 관계라도 충족시키도록 적합한(예컨대, 직교 좌표계-극좌표계 매핑(rectangular to polar mapping)) 비율로 합산될 수 있다. 직교 좌표계-극좌표계 매핑을 회전시킴으로써, 동기 광 위상은 회전하게 될 수 있으며, 레이저 파장은 동기 조건을 충족시키도록 변하게 된다. 회전은 360도보다 큰 각도를 통해 이루어질 수 있으며, 각각의 완전한 회전은 간섭계의 불균형 길이 내에 다른 한 파장을 추가하여 레이징 파장이 진행할 때 레이징 파장을 램핑(ramping)하게 한다. 이러한 위상 회전, 및 레이저 동조는 레이저 전류 동조 범위의 한도에 이르게 될 때까지 계속 이루어질 수 있다.

따라서, 상기 피드백 제어 유닛(210)은 상기 레이저 소스(110)를 제어하여 상기 레이저 소스(110)로부터 출력된 레이저 광의 주파수에서의 선형 변화율을 유지하도록 구성된다. 적어도 2 개의 구적 간섭계 출력 신호의 매핑은 간섭계 위상에 추가됨으로써 상기 피드백 루프가 상기 간섭계(120)에서 어떠한 광 위상 관계라도 동기될 수 있게 한다. 그 결과로, 상기 매핑이 상기 간섭계(120) 내부로나 상기 간섭계 외부로 광 사이클들/파장들을 "와인딩(winding)"하도록 회전될 수 있다. 상기 피드백 제어 유닛(210)의 피드백 루프는 이러한 변화들에 맞도록 레이저 주파수를 조정하여 피드백 동기를 유지하며, 이는 레이저 주파수를 정밀하게 소인(掃引)시키는 결과를 초래한다.

상기 간섭계 불균형 길이에 추가된 각각의 파장은 레이징 파장 및 주파수에 있어서의 정밀한 변경을 나타냄으로써, 동조가 상기 간섭계 내부로나 또는 상기 간섭계 외부로 "와인딩"된 파장들의 개수로 표시되는 바와 같이 매우 정밀하다. 이는 디지털 방식의 정밀한 동조 메커니즘으로서 구현될 수 있다. 직교 좌표계-극좌표계 매핑에 의해 제어되는 이러한 정수 파장 개수들 간의 보간(Interpolation)은 승산용 DAC(digital to analog converter; 디지털-아날로그 변환기)들을 사용하여 달성되고 디지털 방식으로 제어될 수 있다. 이러한 것이 물론 파장들을 계수하는 것만큼 디지털 방식으로 정밀하지 않지만, 이는 정확하게 설계될 수 있으며 디지털 계수들은 정밀도를 높이도록 용이하게 보상될 수 있다. 이러한 기법의 전반적인 결과는 부가적인 신호 처리나 보상 방법들을 필요로 하지 않고 여러 OFDR 애플리케이션에 대해 충분한 매우 높은 디지털 정밀도를 가지고 (자신의 전류 동조 범위 내에서) 동조될 수 있는 레이저이다. 이를 달성함으로써, 레이저 및 피드백 메커니즘의 결합이 부가적인 보상 없이 직접, 그리고 전체 측정 길이에 걸쳐 유효한 각각의 측정 결과들을 가지고 장거리 OFDR 측정들을 수행하는데 사용될 수 있는 코히어런스가 높은 레이저 소스에 상응하는 것으로 (예컨대, 블랙 박스로서) 사용될 수 있다. 따라서, OFDR을 완성하기 위한 나머지 설계는 매우 간단하며, 쉽고 그리고 비용이 저렴할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 구적 정보(quadrature information)는 4x4 커플러를 사용하는 간섭계로부터 생성될 수 있다. 동일한 결과는 다른 수단에 의해 달성될 수 있는데, 예를 들면 3x3 커플러는 구적 출력에 근사치를 제공하지만, 이는 상기 4x4 커플러에 비해 자신의 출력 및 동기될 위상 간의 수정된 매핑(modified mapping)을 포함하게 된다. 그 외에도, 집적 광 반사계에서는, 상기 4x4 커플러가 다른 요소들로 구성될 수 있다. 예를 들면, 이는 2x2 요소들로 만들어질 수 있다.

전류 동조만으로 달성될 수 있는 것보다 넓은 동조 범위를 획득하는 것이 바람직할 수 있다. 한 대표적인 실시예에 의하면, 온도 동조는 상기 피드백 루프 내부에 추가될 수 있다. 온도 동조가 OFDR 파장을 동조하기에는 본질적으로 충분히 선형적이지 않다. 그러나, 이것이 위에서 설명한 바와 같이 파장 제어 피드백 루프 내부인 레이저에 추가되는 경우에, 상기 피드백 루프 제어(전류 동조)는 레이저 동조를 선형화하여 (위의 순 전류 동조 메커니즘과) 동일한 고도의 선형성과 온도 동조에 연관된 넓은 동조 범위를 달성하는데 필요한 보정항들을 생성할 수 있다.

온도 동조의 한 가지 제약은 가열 및 냉각 입력에 응답하여 온도 변화들에 대한 응답이 비교적 느리다는 것이다. 한 대표적인 실시예에 의하면, 자기 냉동(Magnetic Refrigeration)은 레이저 칩의 온도를 더 급속하게 변화시키는데 이용될 수 있다. 자기 냉동은 재료의 온도가 자기장의 인가에 의해 변화될 수 있는 현상이다. 상기 자기장이 제거될 경우에, 재료의 온도는 이전의 값으로 되돌아 간다. 어떠한 열도 생성 또는 제거되지 않는데, 다시 말하면 그러한 과정은 단열(斷熱; adiabatic) 과정이다. 이것은 자기장 세기의 순간 변화에 대한 "순간" 온도 변화를 의미한다. 자기 냉동 재료(예컨대, 가돌리늄(Gadolinium; Gd) 또는 가돌리늄의 합금들)의 일부에 피드백 안정화된 레이저를 부착함으로써, 레이저 온도가 즉각적이지 않지만 매우 급속하게 변화될 수 있는데, 그 이유는 열 에너지가 여전히 자신의 온도를 변화시키도록 자기 냉동 재료 및 레이저 칩 사이에서 교환되어야 하기 때문이다.

본 개시내용의 한 대표적인 실시예에는 레이저 소스(110)의 온도를 조정하도록 자기 냉동 재료를 포함하는 온도 조정 구성요소를 가지고 레이저 소스(110)를 온도 동조시키는 메커니즘이 제공된다. 상기 온도 조정 구성요소는 상기 피드백 제어 유닛(210)과는 독립적이거나 상기 피드백 제어 유닛(210)과 함께 레이저 소스(110)의 온도를 급속하게 동조시킬 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 한 대표적인 실시예에는 또한 레이저 소스(예컨대, 도 1a 및 도 1b의 레이저 소스(110) 및 상기 레이저 소스의 온도를 조절함으로써 상기 레이저 소스로부터 출력된 레이저 광의 주파수를 제어하도록 자기 냉동 재료를 포함하는 온도 조정 구성요소를 포함하는 장치가 제공되어 있다.

본 개시내용의 대표적인 실시예들은 지금까지 FO 설비와 같은 광 구성요소 내에 레이저 광을 출력하도록 구성되는 것으로 설명되었다. 그러나, 본 개시내용은 그에 국한되지 않는다. 본 개시내용의 실시예들은 또한 레이저 광이 예를 들면 공기와 같은 임의의 매체를 통해 관심 영역을 향해 투과되는 독립(free-standing) 또는 격리(stand-off) 구현예들에 적용가능하다. 본 개시내용에서 사용된 광 구성요소는 광섬유, 광 커플러, 광 커넥터, 광 스위치, 광 집적 광도파관, 액체, 대기 및 자유공간 중의 어느 하나 또는 그 이상의 것일 수 있다.

상기 광섬유 구조의 한 대표적인 실시예는 위에서 예를 들면 2x2 커플러들을 포함하는 것으로 설명되었다. 본 개시내용은 그에 국한되지 않는다. 예를 들어, 레이저, 커플러들, 및 검출기들이 소형 기판상에 집적되는 집적 광 해결수단이 제공될 수 있다.

따라서, 본 개시내용의 대표적인 실시예들은 파장을 관리하여 수 mm 영역의 분해능을 가지고 한 번의 측정으로 긴(수 km, 예컨대 5 km에 이르는) 광섬유 길이에 걸쳐 반사계 측정들을 수행하는데 사용될 수 있는 코히어런스가 정의된 광 주파수 소인을 용이하게 하도록 표준 DFB 레이저 소스와 전기-광학 제어기를 결합하는 것이다. 본 개시내용의 레이저 제어 구성은 도 3의 유망한 결과들을 가지는 다른 광학 시스템들에서 검증된 정확성을 보여주었던 모델링 시스템을 사용하여 모델링된 것이다.

DFB와 같은 레이저 소스와 전기-광학 제어기를 결합하는 본 개시내용의 반사계 기법은 출력 파장을 관리함으로써 수 mm의 분해능을 가지고 긴(예컨대, 1 킬로미터 이상의) 광섬유에 거쳐 반사계 측정들을 수행하는데 사용될 수 있는 코히어런스가 정의된 광 주파수 소인을 용이하게 하는 것이다. 따라서, 본 개시내용은 DFB 선폭 안정화를 평가 및 설계하는 광학 모델링 기법들을 사용하여 코히어런스 시간이 매우 긴 파장 동조 설계들 및 일반 원격통신 등급 레이저 소스로부터의 파장 동조 범위를 허용하는 것이다. 따라서, 본 개시내용의 한 대표적인 실시예에는 코히어런스 길이가 적어도 약 수백 미터인 레이저 광을 출력시키도록 구성된 레이저 소스가 제공된다.

이러한 새로운 반사계 기술은 지역/사무실/정부 FO 네트워크들(예컨대, WAN들, LAN들 등등) 뿐만 아니라 항공기, 선박, 지상파 및 다른 차량들, 및 FO 감지를 포함하는 일체 완비된 모바일 FO 플랫폼들을 위한 휴대용/집적 측정/복조 도구로서 효율적으로 사용될 수 있을 것이다. 이러한 FO 플랫폼들 중 대부분은 최대 수백 미터(<1 Km)에 이르기까지 확장하며 광 호출 시스템은 현재의 기법들에 이용할 수 없는 전반적인 FO 시스템 무결성을 유지하는데 필요한 수리를 하도록 정확하게 광 장애점(optical fault)들을 (1 센티미터 미만 내로) 두는 것이 바람직하다.

미국 정부 기관들은 예를 들면 폭넓고 다양한 공중, 바다, 지상, 및 공간 애플리케이션들을 위한 FO 기법을 사용한다. FO 애플리케이션들은 종종 그 분야에서의 신뢰성 및 성능을 보장하도록 엄격한 테스트 및 가혹한 환경 인증을 필요로 하는 매우 특정한 프로젝트 및 범위 요건들을 가지고 고도로 전문화될 수 있다. 예를 들면, 항공기들은 급속하게 성장하는 FO 애플리케이션이다. 지상 관제 및 UAV 제어용 안테나 사이에 통신 링크로서 이용되는 경우에, FO는 장거리에 걸쳐 방대한 양의 데이터를 전송하기 위한 매우 신속하고 효율적인 수단을 제공한다. 전형적으로는, 항공기 FO 링크들은 장거리에 걸친 신속한 전송 및 고대역폭을 정보/데이터 전송 및 차량의 위치지정/관리를 위한 것이다. 지상 차량들, 즉 자동차 애플리케이션들의 경우에, FO는 조명, 통신, 및 감지 요건들에 대해 당연히 이상적인 선택이다. 마지막으로, 선박 시스템들의 경우에, FO 시스템들은 정박된 선박들에 데이터, 전화, 및 다른 서비스들을 제공하도록 해안 링크들에 대해 임무 수행에 필수적인 온-보드 통신 시스템들 및 선박에 효율적으로 사용되어 왔다. 이러한 접속들은 갑판 무선 송신/수신 시스템을 사용하지 않고 선박으로 그리고 선박으로부터의 고속, 고대역폭 통신을 허용한다.

본 개시내용은 또한 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating; FBG)들, 외인성 패브리-패롯(Fabry-Perot) 간섭계(extrinsic Fabry-Perot interferometer; EFPI), 또는 다른 트랜스듀서들을 사용하는 분산형 센서 시스템과 같은 코히어런트 또는 간섭계 측정들을 위한 호출 시스템으로서의 역할을 하게 하는 것이다. 전형적인 분산형 광섬유 센서 시스템에서는, 첫 번째로, 광섬유에서의 온도, 압력, 스트레스/변형율 및 진동을 측정하는 수단을 제공하는 것이 필요하고, 두 번째로, 한 광섬유 상에 여러 측정을 다중화하는 수단을 제공하는 것이 또한 필요하다. 예를 들면, FBG 센서와 함께 사용되는 파장 관리 DFB 레이저는 양자 모두의 요건들을 충족시킬 수 있다.

우선, 상기 FBG는 반사 파장이 FBG 격자 기간에 의해 결정되는 경우에 레이저의 소인 범위 내의 파장에서 광을 반사하도록 설계될 수 있다. 변형율 또는 온도의 변화들에 기인하여, 광섬유의 치수들은 변할 수 있으며, 그리고/또는 코어 굴절율이 변할 수 있는데, 이는 3 가지의 서로 다른 온도에서의 파장에 대한 광섬유 브래그 격자(FBG) 반사 강도를 예시하는 도 4에 도시된 바와 같이 반사된 파장을 수정한다. 광섬유로부터 반사된 피크 파장을 측정함으로써, FBG에서의 변형율 또는 온도가 결정될 수 있다. 이러한 공정은 동조가능한 레이저 소스를 필요로 하지만, 반드시 소스 코히어런스가 높을 필요는 없다.

소스 파장이 신속하게 소인되는 경우에, 현재 시점에서의 레이저 및 광대역 반사기로부터의 기준 신호 및 3 가지의 FBG로부터의 반사 신호들을 예시하는 도 5에 도시된 바와 같은 FBG에 대한 라운드 트립 지연 시간 전에 레이저 소스에 나타나게 되는 파장을 지니게 되는 임의의 FBG 반사 신호 간의 파장 차이를 결정하는 것이 가능할 수도 있다. 이러한 파장 차이는 레이저 파장의 아주 작은 부분일 수 있지만, 여전히 주파수 측면에서 킬로헤르츠 또는 메가헤르츠에 이를 수 있으며, 이러한 주파수 범위는 용이하게 캡쳐되며 전자 방식으로 처리된다. 상기 주파수 차이는 비트 주파수(beat frequency)를 생성하도록 코히어런트 광 검출을 사용하여 (예컨대, 광 검출기 상에서 2 개의 광신호를 믹싱함으로써) 검출될 수 있다. 광섬유의 서로 다른 지점들에 위치해 있는 FBG들 각각은 고유한 라운드 트립 거리, 결과적으로는 레이저 광 주파수가 시간에 대해 소인(掃引; sweep)됨을 예시하는 도 6에 도시된 고유한 비트 주파수를 지니게 된다. 원격 FBG들로부터 지연된 반사들은 근접한 기준 반사기의 광 주파수로부터 오프셋되는 초기의 광 주파수를 나타낸다. 이러한 시스템은 코히어런트 검출을 용이하게 하도록 코히어런트 광 소스를 필요로 하는데, 이 경우에 코히어런스는 (반드시 필요한 것이 아니지만) 적어도 가장 멀리 있는 FBG에 이르기까지의 광섬유에서의 라운드 트립 거리만큼 길 수 있다.

FBG들이 위에서 광섬유 내 트랜스듀서의 일례로서 사용되고 있지만, EFPI들 및 심지어는 광섬유 자체의 고유 후방산란 시그니처를 포함하는 다른 가능한 트랜스듀서들이 존재한다. 본 개시내용은 기대된 레이저 동조 범위 및 속도, 특정한 트랜스듀서 감도 계수들, 원하는 시스템 측정 범위들 및 감도들, 및 원하는 측정 공간 분해능 및 전체 길이를 고려하여 최고 성능을 획득하기 위해 다수의 최적화가 이루어지게 되도록 도움을 주는 것이다.

에너지 시장에 대한 감지 애플리케이션의 경우에, 에너지 생성 및 분배 산업들에 고분해능 변형율, 온도, 진동 및 압력을 제공할 필요가 있다. 광섬유 감지 시스템들은 가혹한 환경에서, 심지어는 고온 및 고압에서 동작하도록 광섬유 감지 시스템들의 높은 수준의 정확성 및 능력 때문에 이러한 시장들에 대한 문제를 해결하도록 개발되어 왔다. 그 외에도, 변성기들, 즉 전력 회사들의 가장 큰 자본 투자인 변성기들은 종래 방식대로 수동으로, 소급적으로 그리고 비효율적으로 관리되어 왔다. 변전소에서 효율적으로 사용되는 차세대 센서들은 예기치 못한 고장들을 회피하고, 유지보수 비용들을 절감하며 유용한 변성기 수명을 연장하도록 공급 처리 시설(utility)들에 도움을 주게 된다. 동작 모니터링, 즉 풍력 생성 시스템의 조건을 추적하는 것을 허용하는 풍력 에너지 감지 제품들이 개발되고 있다. 이러한 새로운 감지 애플리케이션들은 터빈 제조업자를 위한 비용 절감 혜택들을 제공하면서, 발전기 출력 및 블레이드들, 구동 트레인 및 타워에 대한 부하 감소를 최대화하도록 피치를 모니터링하는 FO 감지 시스템들에 의해 해결되고 있다. 모바일 플랫폼들의 경우에, 비행기들, 선박들, 우주선 등등의 헬스 모니터링(health monitoring)과 아울러 변형율, 온도 및 다른 물리적 매개변수들이 장래의 보다 안전하고 보다 효율적인 운수 시스템(transportation system)들에 제공하도록 측정 및 모니터링되게 된다.

본 개시내용에 의하면, 집적 광 반사계는 수 mm 영역의 분해능을 가지고, 한 번의 측정으로 레이저 소스의 출력 파장을 관리함으로써, 긴, 다시 말하면 약 5 킬로미터에 이르는 광섬유 길이에 걸쳐 반사계 측정들을 수행하는데 사용될 수 있는 코히어런스가 정의된 광 주파수 소인을 용이하게 할 수 있게 한다. 레이저 제어 구성은 다른 광학 시스템들에서 검증된 정확성을 보여주었던 고도로 전문화된 광학 모델링 시스템을 사용하여 모델링되었다. 이러한 고유 도구들을 사용하여, 본 개시내용은 매우 긴 코히어런스 시간 및 일반 원격통신 등급 레이저 소스로부터의 작은(하지만 충분한) 파장 동조 범위를 달성하도록 기존의 DFB 선폭 안정화 및 파장 동조 설계들을 개선하는 것이다.

도 7에는 (위에서 아래에 이르기까지) 캐비티 전자 번호(cavity electron number), 캐비티 강도, 캐비티 광 위상, 제어 간섭계 출력 필드 및 측정 간섭계 출력 필드를 포함하는 여러 주요 매개변수를 보여주는 도 3의 FO 테스트 네트워크 장치의 시뮬레이션 선도들이 도시되어 있다. 도 7에는 도시되어 있지 않지만, 전기 회로 파형들(예컨대, 레이저 검출기 전류 및 전압)이 또한 모니터링되게 된다.

집적 광 반사계의 경우에, 통신 등급 DFB 레이저로부터 최고 성능을 달성하는 효율적인 광 소스가 이용된다. 그러므로, 광 소스들을 비교해야 하는 성능 지수들은 상기 장치를 미세 조정하도록 수행되게 된다. 그러한 정량적인 성능 지수들 중 하나는 레이저 선폭이다. 이러한 것은 광 위상이 직접 판독될 수 있어서 이러한 정보로부터 고속 푸리어 변환(fast Fourier transform; FFT)이 도출될 수 있는 모델로부터 취해진 데이터를 사후 처리함으로써 용이하게 측정될 수 있다.

도 8에는 장치 성능을 수치상으로 정량화하여 비교하기 위해 앞서 언급한 테스트 장치로부터의 데이터를 사후 처리하는 일례가 도시되어 있다. 이러한 경우에, 레이저 캐비티 위상의 FFT는 허용치로 감소하게 되는 레이저 선폭의 측정치를 제공한다. 데이터 조작은 효율적인 개발의 열쇠가 실용적이고 측정가능한 경우들에 대해 검증된 정확한 모델인 Simulink 및 MATLAB 환경에서 잘 수용된다.

위에서 주지한 바와 같이, 물리적 광 소스의 경우에, 광 위상을 직접 측정하는 것이 그다지 용이하지 않기 때문에, 레이저 선폭은 직접 측정될 수 없다. 그 대신에, 지연된 자신의 복사본을 지니는 레이저 광의 헤테로다인, 예컨대, 자려-헤테로다인(self-heterodyne)은 위상 잡음을 측정하는데 사용된다. 이러한 것이 광 소스의 코히어런스 길이를 훨씬 넘어선 매우 긴 지연을 통해 수행되는 경우에, 2개의 서로 다른 소스의 곱을 취함으로써 동일한 선폭이 취해지고 서로 다른 소스들 중 하나의 선폭이 용이하게 추정되는 것처럼 선폭이 측정된다. 그러나, 이것은 코히어런스가 상당히 높은 경우에, 그리고 더욱이 전형적인 로렌츠 곡선의 코히어런스 분포가 매우 긴 미부(tail)를 지니기 때문에 매우 긴 광섬유 지연을 필요로 할 수 있다. 그 대신에, 약간 지연된 자신의 버전을 가지고 광을 간섭시켜 위상 잡음의 측정치를 획득하도록 짧은 간섭계가 사용될 수 있다. 다행히도, 이러한 것은 정확하게 모델링될 수 있으며 또한 실제로 실현될 수 있는 원리이다.

도 9에는, 불균형 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 사용한 자려-헤테로다인(self-heterodyne) 구성이 다소 간략화된 형태로 도시되어 있는데, 그 이유는 실제로 광섬유들에서 편광 회전에 대한 가능성이 있는 경우에 제2 광 커플러에서 편광 매칭(polarization matching)을 보장할 필요가 있기 때문이다. 상기 모델에서는 설계에 의해 이러한 편광 매칭을 보장하는 것이 충분히 용이하다.

본 개시내용의 집적 광 반사계는 FO 설비를 위한 반사계 코어 모듈을 포함하는 저가의 기기 플랫폼을 제공한다. 상기 플랫폼은 설치 및 유지보수 요원들을 위한 패키징 및 디스플레이들을 지니는 휴대용 장치 내에 합체될 수 있다. 상기 플랫폼은 또한 FO 네트워크 연속 모니터링 시스템들의 합체 부분으로서 사용될 수 있다. 본 개시내용은 문제들의 보고를 용이하게 하며 문제들을 처리하는데 필요한 특정 정보를 유지보수 요원들에게 제공하는 세부적인 보고들을 제공하도록 요약 형식으로 필요한 데이터를 네트워크 운영자들에게 제공하는 것이다. 본 개시내용의 고분해능을 통해, 상기 네트워크 운영자들은 개별 커넥터 또는 광 구성요소 내에서의 문제들을 정확하게 찾아낼 수 있다. 매우 낮은 비용 때문에, 집적 광 반사계는 네트워크 모니터링 및 신뢰성을 보장하기 위해 연구 및 교육 네트워크(Research and Education Network; REN), 소규모 사무실/홈 오피스(small office/home office; SOHO), LAN들, 건물들 및 여러 위치에 있는 다른 시장들에 합체될 수 있다. 처음으로 본 개시내용은 비용의 관점에서 필요한 기기들을 제공하는 것인데, 이 경우에 상기 필요한 기기들은 새롭게 설계될 수 있으며 기존의 네트워크들의 개조로 이루어질 수 있다.

이러한 새로운 FO 네트워크 플랫폼들 중 대부분은 한정된 자원들 및 능력들을 지니는 중소 기술 회사들에 의해 개발되고 서비스를 제공받고 있다. 더 큰 고객들 외에도, FO 네트워크 테스트에 대하여, 중소기업(small and medium enterprise; SME)들이 독특한 도전들에 직면하고 있다. 광 통신 시장에서의 기존의 테스트 장비는 서비스를 제공하는 대기업들에 초점이 맞춰져 있지만, 이러한 중소기업(SME)들은 충분한 서비스를 받지 못한다. 본 개시내용은 이와 같이 충분한 서비스를 받지 못하는 고객뿐만 아니라 많은 고객들에게 저렴한 가격대이면서도 이용가능한 FO 테스트 솔루션 옵션을 제공하게 하는 것이다.

본 개시내용은 여러 시장의 요구들을 충족시키는 것이다. 예를 들면, 본 개시내용은 고분해능(km 범위에서 <1 cm인 분해능)을 지니고 기기 제조 단가가 낮은 값싼 기기의 개발을 제공하는 것이다. 본 개시내용은 또한 압도적인 많은 테스트 장비 옵션들을 제거하고 현재 이용가능한 FO 감지 요소들(EFPI, FBG, LPG, 에탈론(etalon), 분산(dispersion) 등등)과 양립가능한 매우 유연하며 구성가능한 광 네트워크 호출 플랫폼을 제공하는 것이다. 그 외에도, 본 개시내용은 감지 시스템들과 아울러 고장들 및 성능을 모니터링하기 위한 네트워크 내에 합체될 수 있는 휴대용 구성 또는 간단한 광전자 카드를 제공하는 것이다. 인터넷 다운로드가능한 소프트웨어 업그레이드들은 최신 성능으로 상기 장비를 유지하는데 이용될 수 있다.

본 개시내용은 또한 광섬유 특성들을 측정하기 위한 OFDR 기기의 집적 광 반사계의 사용과 아울러, 본 개시내용에서 설명한 바와 같은 집적 광 반사계의 동작 기능들을 수행하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

당업자라면 본 발명이 본 발명의 정신 또는 주요한 특징들로부터 벗어나지 않고 다른 특정 형태들로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 현재 개시된 실시예들은 모든 면에서 한정되는 것이 아니고 예시적인 것으로 고려된 것이다. 본 발명의 범위는 위에 언급한 설명이라기보다는 오히려 첨부된 청구항들에 나타나 있으며 본 발명의 의미 및 범위 및 등가범위에 속하는 모든 변경들은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된 것이다.

Claims (23)

1. 장치에 있어서,
   상기 장치는,
   타깃 주파수에서 레이저 광을 출력하도록 구성된 레이저 소스;
   현재의 시간대에서 상기 레이저 소스에 의해 출력된 실제 주파수 및 상기 레이저 소스의 타깃 주파수 간의 편차를 측정하도록 구성된 측정 유닛 - 상기 측정 유닛은 광 간섭 패턴을 사용하여 상기 편차를 위상 잡음으로 측정함 -; 및
   상기 실제 주파수 및 타깃 주파수 간의 측정 편차에 기반하여, 상기 레이저 소스를 제어하여 상기 레이저 소스로부터 출력되는 레이저 주파수를 일정하게 유지함으로써 상기 레이저 소스로부터 전송되는 레이저 광 주파수가 위상 잡음의 감소를 위해 상기 타깃 주파수로 조정되게 하도록 구성된 피드백 제어 유닛;
   을 포함하는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 피드백 제어 유닛은 상기 레이저 소스를 제어하여 상기 레이저 소스의 타깃 주파수가 제어되지 않게 한 것보다는 상기 레이저 소스로부터 출력된 레이저 광의 주파수에서의 선형 변화율을 더 크게 유지하도록 구성되는, 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 피드백 제어 유닛은 주파수 측정용으로 이용된 상기 측정 유닛의 특성들을 보상하도록 구성된 무한 임펄스 응답(infinite impulse response; IIR) 필터를 포함하는, 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 피드백 제어 유닛은 상기 측정 유닛의 적어도 2 개의 구적((求積; quadrature) 출력 신호의 매핑을 상기 측정 유닛의 위상에 추가함으로써 상기 피드백 제어 유닛에 의한 상기 레이저 소스의 피드백 제어가 상기 측정 유닛에서 어떠한 광 위상 관계라도 동기되게 하도록 구성되는, 장치.
5. 광 주파수 영역 반사계(optical frequency domain reflectometery; OFDR) 장치에 있어서,
   상기 OFDR 장치는,
   청구항 제2항의 장치
   를 포함하며, 상기 OFDR 장치는 ;
   상기 레이저 소스에서부터 상기 레이저 소스로부터 원격으로 이격된 테스트를 받아야 하는 광 구성요소의 지점에 이르기까지 레이저 광을 출력하고, 상기 출력된 레이저 광 및 상기 지점으로부터 반사된 레이저 광의 순간 주파수 간의 주파수 차이를 측정하도록 구성되며,
   상기 피드백 제어 유닛은, 상기 레이저 소스로부터 출력된 레이저 광의 주파수 및 상기 지점으로부터 반사된 순간 주파수 간의 차이 주파수를 일정하게 유지함으로써 상기 광 구성요소의 반사 프로파일의 특징을 나타내기 위해 상기 차이 주파수가 레이저에서부터 상기 지점에 이르기까지의 거리에 정비례하고 반사된 레이저 광의 진폭이 상기 지점에서의 반사율에 비례하게 하도록 구성되는, OFDR 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 광 구성요소는 광섬유, 광 커플러, 광 커넥터, 광 스위치, 광 집적 광도파관, 액체, 대기 및 자유공간 중 적어도 하나인, OFDR 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 광섬유의 반사 프로파일은 상기 피드백 제어 유닛에 의해 제어되지 않는 상기 레이저 소스에 의해 측정가능한 반사 프로파일을 넘는 길이에서 측정가능한, OFDR 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 광섬유의 반사 프로파일은 1 m보다 긴 거리에서 단일의 측정에서 측정가능한, OFDR 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 피드백 제어 유닛은 실제 주파수들의 범위를 상기 레이저 소스의 타깃 주파수로 안정화시키도록 구성되는, 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 장치는,
    상기 레이저 소스에 부착된 자기 냉동(magnetic refrigeration) 재료를 포함하는 온도 조정 구성요소;
    를 포함하며, 상기 온도 조정 구성요소는 상기 피드백 제어 유닛에 의해 제어되는 레이저 소스의 온도를 조정하도록 구성되는, 장치.
11. 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    현재의 시간대에서 레이저 소스에 의해 출력된 실제 주파수 및 상기 레이저 소스의 타깃 주파수 간의 편차를 측정하는 단계 - 상기 편차는 광 간섭 패턴을 사용하여 위상 잡음으로 측정됨 -; 및
    상기 실제 주파수 및 타깃 주파수 간의 측정 편차에 기반하여, 상기 레이저 소스를 제어하여 상기 레이저 소스로부터 출력되는 레이저 주파수를 일정하게 유지함으로써 상기 레이저 소스로부터 전송되는 레이저 광 주파수가 위상 잡음의 감소를 위해 상기 타깃 주파수로 조정되게 하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 레이저 소스를 제어하여 상기 레이저 소스로부터 출력된 레이저 광의 주파수에서의 선형 변화율을 유지하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 레이저 소스의 주파수들을 측정하기 위해 이용된 측정들의 특성들을 보상하도록 무한 임펄스 응답(infinite impulse response; IIR) 필터를 통해 상기 레이저 소스의 제어를 보상하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 편차를 측정하기 위한 측정 유닛의 적어도 2 개의 구적 출력 신호의 매핑을 상기 측정 유닛의 위상에 추가함으로써 상기 레이저 소스의 피드백 제어가 상기 측정 유닛에서 어떠한 광 위상 관계라도 동기되게 하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
15. 제12항에 있어서,
    상기 방법은,
    OFDR 장치에서 상기 레이저 소스에서부터 상기 레이저 소스로부터 원격으로 이격된 테스트를 받아야 하는 광 구성요소의 지점에 이르기까지 레이저 광을 출력하는 단계;
    상기 출력된 레이저 광 및 상기 지점으로부터 반사된 레이저 광의 순간 주파수 간의 주파수 차이를 측정하는 단계; 및
    상기 레이저 소스로부터 출력된 레이저 광의 주파수 및 상기 지점으로부터 반사된 순간 주파수 간의 차이 주파수를 일정하게 유지함으로써 상기 광 구성요소의 반사 프로파일의 특징을 나타내기 위해 상기 차이 주파수가 레이저에서부터 상기 지점에 이르기까지의 거리에 정비례하고 반사된 레이저 광의 진폭이 상기 지점에서의 반사율에 비례하게 하도록 하는 단계;
    를 포함하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 광 구성요소는 광섬유, 광 커플러, 광 커넥터, 광 스위치, 광 집적 광도파관, 액체, 대기 및 자유공간 중 적어도 하나인, 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 광섬유의 반사 프로파일은 상기 레이저 소스의 타깃 주파수가 제어되지 않게 하는 상기 레이저 소스에 의해 측정가능한 반사 프로파일을 넘는 길이에서 측정가능한, 방법.
18. 제16항에 있어서, 상기 광섬유의 반사 프로파일은 1 m보다 긴 거리에서 단일의 측정에서 측정가능한, 방법.
19. 제11항에 있어서,
    상기 방법은,
    실제 주파수들의 범위를 상기 레이저 소스의 타깃 주파수로 안정화시키는 단계;
    를 포함하는, 방법.
20. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 소스의 제어는,
    자기 냉동(magnetic refrigeration) 재료에 의해 상기 레이저 소스의 온도를 조정하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
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