KR102127897B1 - 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템 및 그의 센싱 방법 - Google Patents
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Abstract
멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템 및 그의 센싱 방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 코어를 포함하고, 상기 복수 개의 코어 중 적어도 한 개의 코어는 나머지 코어와 다른 성분으로 구성되며, 상기 적어도 한 개의 코어는 상기 나머지 코어와 다른 베르데(Verdet) 상수로 구성되는 멀티코어 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 광섬유를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 코어를 포함하고, 상기 복수 개의 코어 중 적어도 한 개의 코어는 나머지 코어와 다른 성분으로 구성되며, 상기 적어도 한 개의 코어는 상기 나머지 코어와 다른 베르데(Verdet) 상수로 구성되는 멀티코어 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 광섬유를 제공한다.
Description
본 발명은 넓은 범위의 전류를 측정할 수 있는 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템 및 이를 이용한 전류 센싱 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
전세계적으로, 산업의 고도 성장에 따른 전력수요가 증가되고 있는 추세이다. 이러한 전력수요에 대응하고자, 전력 설비의 초고압화 및 대용량화 작업이 진행중에 있으며, 동시에, 안정적인 전력 공급과 효율적인 전력 사용을 위한 기술이 개발되고 있다.
전력 설비에는 계측, 제어 및 보호 기술의 고도화 작업을 위한 센서 기술이 적용된다. 통상적으로, 전류 센서는 전자식 센서 및 광센서로 분류할 수 있는데, 전자식 센서 기술은 다음과 같은 문제가 있다. 전력 설비에 전자식 센서를 적용할 경우, 고전압이나 대전력 환경에서의 각종 임펄스성 전압이 발생할 수 있으며, 전류 및 기상 현상에 기인한 뇌 서지(Lightning Surge) 등은 정전 유도나 전자 유도를 발생시켜 각종 계측 및 제어장치에 영향을 미친다.
한편, 광센서 기술은 광이 지니는 광대역, 저손실, 방폭성, 고절연성, 무유도성, 소형, 경량성, 보수의 용이성 및 광 응용 기술과의 정합성 등의 장점을 고루 갖추고 있으며, 무엇보다, 전력 설비에 적용하기에 적합한 기술로 평가된다.
보다 구체적으로 설명하면, 광센서는 광섬유를 이용한 전류 센서로서, 광섬유를 전선에 감은 후, 광섬유로 광원을 발진시켜, 코어를 통과하는 광의 광자기(光磁氣, Magneto-optic) 특성을 이용하여 전선에 흐르는 전류 세기를 측정하는 광소자이다. 광섬유 코어 내에서는 흐르는 전류로부터 유도된 자기장으로 인한 미세한 굴절률의 변화가 발생하는데, 이러한 현상을 패러데이 효과(Faraday Effect)라 한다. 패러데이 효과는 다음과 같은 식으로 설명할 수 있다.
β=υ·B·l
β: 편광 회전각[radian]
υ: 물질의 베르데(Verdet) 상수[radian/(m·T)]
B: 진행 방향의 자기장 세기(Magnetic Flux Density)[T]
l: 경로 길이[m]
여기서, 물질의 베르데 상수(υ)는 광섬유 코어의 소재 구성에 따라 달라질 수 있으며, 경로 길이(l)는 측정 대상물체인 전선을 둘러싸고 있는 광섬유의 길이를 의미한다. 편광 회전각(β)은 전선 주위에 생성된 진행 방향의 자기장 세기(B)에 비례하며, 광센서는 광섬유 코어를 통과하는 광의 편광 회전각(β)을 전기적 신호로 검출하여, 이에 대응하는 전류의 세기(I)를 산출한다.
일반적으로, 물질의 베르데 상수(υ) 및 경로 길이(l)는 상수로 작용하며, 광센서의 편광 회전각(β)은 0~90°의 범위로 한정된다. 이에 따라, 진행 방향의 자기장 세기(B)도 편광 회전각(β)의 범위 내에서만 측정된다. 결과적으로, 이는, 광센서가 센싱할 수 있는 전류의 세기(I)의 범위가 한정적임을 의미한다. 따라서, 보다 넓은 범위의 전류의 세기(I)를 측정하기 위해서는, 패러데이 효과에 따라, 편광 회전각(β)의 범위를 증가시킬 수 있는 다른 변수의 값을 가변시킬 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예는, 서로 다른 소재로 구성된 복수 개의 코어를 포함하는 멀티코어 광섬유를 이용하여, 더 넓은 범위의 전류를 측정할 수 있는 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템 및 그의 센싱 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 복수 개의 파장을 갖는 광을 멀티코어 광섬유로 입사시켜, 각 코어로 입사된 광의 자기광 특성을 모니터링할 수 있는 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템 및 그의 센싱 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 복수 개의 코어를 포함하고, 상기 복수 개의 코어 중 적어도 한 개의 코어는 나머지 코어와 다른 성분으로 구성되며, 상기 적어도 한 개의 코어는 상기 나머지 코어와 다른 베르데(Verdet) 상수로 구성되는 멀티코어 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 광섬유를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 센싱 광섬유는, 복수 개의 싱글코어 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 센싱 광섬유는, 상기 멀티코어 광섬유 및 상기 복수 개의 싱글코어 광섬유를 연결하는 접속체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 발진시켜, 반사되어 되돌아오는 입사광의 선형 편광 회전 각도로 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 멀티코어 광섬유 전류 센서에 있어서, 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 발진시키는 광원, 상기 입사광을 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔으로 변환시키고, 상기 반사되어 되돌아오는 입사광의 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔을 서로 직교하는 제1 및 제2 선형 편광빔으로 변환시키는 편광빔 처리부, 상기 편광빔 처리부로부터 입사된 상기 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 다중분할하는 제1 다중분할기, 상기 제1 다중분할기에 의해 분할된 상기 복수 개의 파장을 입사시키고, 복수 개의 코어를 포함하며, 상기 복수 개의 싱글코어 광섬유로부터 입사된 상기 복수 개의 파장을 상기 복수 개의 코어로 각각 입사시키고, 상기 전선에 흐르는 전류에 의한 패러데이 효과에 따라 상기 입사광의 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 위상 지연시키는 센싱 광섬유, 상기 입사광을 반사시키는 반사체, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 다중분할하는 제2 다중분할기, 복수 개로 구성되며, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 각각 입사시켜, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 회전 각도를 전기적 신호로 검출하는 광 검출기 및 상기 전기적 신호를 기 설정된 처리에 따라 전류의 세기로 출력하는 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광원은, 상기 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 동시에 발진시키거나, 스위핑(Sweeping)하여 발진시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 및 제2 다중분할기는, 배열형 격자 도파로(Array Waveguide Grating)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 전류 센싱 시스템은, 상기 입사광을 상기 편광빔 처리부로 입사시키는 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 전류 센싱 시스템은, 상기 광원의 출력단에 광 아이솔레이터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 편광빔 처리부는 상기 입사광을 선형 편광빔으로 변환시키는 편광기, 상기 선형 편광빔을 제1 및 제2 선형 편광빔으로 분리시키는 제1 스플리터, 상기 입사광의 상기 제1 및 제2 선형 편광빔의 위상을 지연시키고, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 제1 및 제2 선형 편광빔의 위상을 지연시키는 복굴절 위상 모듈레이터, 상기 제1 선형 편광빔을 좌선회시켜 제1 원형 편광빔을 생성하고, 상기 제2 선형 편광빔을 우선회시켜, 제2 원형 편광빔을 생성하는 λ/4 파장 플레이트 및 상기 복굴절 위상 모듈레이터와 상기 λ/4 파장 플레이트를 연결하는 제2 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 λ/4 파장 플레이트는, 상기 반사체로부터 반사된 입사광의 제1 및 제2 원형 편광빔을 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 선형 편광빔으로 변환시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 전류 센싱 시스템은, 상기 상기 산출부로부터 출력된 상기 복수 개의 파장에 대한 상기 전류의 세기를 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 복수 개의 파장 성분을 갖는 입사광을 발진시키는 발진과정, 상기 입사광을 편광면이 직교하는 제1 및 제2 선형 편광빔으로 분리시키는 분리과정, 상기 편광면이 직교하는 제1 및 제2 선형 편광빔을 서로 반대 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔으로 변환시키는 변환과정, 상기 입사광의 복수 개의 파장을 다중분할하는 분할과정, 다중분할된 복수 개의 파장을 서로 다른 물질로 구성된 멀티코어 광섬유의 복수 개의 코어로 각각 입사시키는 입사과정, 패러데이 효과에 입각하여, 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔 사이에 위상 지연을 발생시키는 위상 지연 발생과정, 상기 입사광을 반사시키는 반사과정, 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔을 서로 직교하는 두 개의 제1 및 제2 선형 편광빔으로 변환시키는 재변환과정, 상기 반사과정에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 다중분할하여, 광 검출기로 입사시키는 입사과정, 상기 반사과정에 의해 반사된 입사광의 편광 회전각을 전기적 신호로 검출하는 검출과정 및 상기 전기적 신호를 처리하여 전류의 세기를 산출하는 산출과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 서로 다른 소재로 구성된 복수 개의 코어를 포함하는 멀티코어 광섬유를 이용하여 베르데 상수(υ)를 변화시킴으로써, 패러데이 효과에 따라 더 넒은 범위의 전류를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 파장을 갖는 광을 멀티코어 광섬유로 입사시켜, 각 코어로 입사된 광의 자기광 특성을 순차적으로 모니터링하거나, 동시에 모니터링함으로써, 전류 측정 대상 물체의 고장 원인을 파악할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 광섬유의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티코어 광섬유의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체에 싱글코어 광섬유를 결합하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글코어 광섬유를 식각하는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체의 굴절률 프로파일을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유를 분기하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템이 전류를 센싱하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 광섬유의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티코어 광섬유의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체에 싱글코어 광섬유를 결합하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글코어 광섬유를 식각하는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체의 굴절률 프로파일을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유를 분기하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템이 전류를 센싱하는 과정을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 광섬유의 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템(100)은 광원(115), 커플러(120), 편광빔 처리부(130), 제1 파장분할기(140), 센싱 광섬유(145), 반사체(150), 제2 파장분할기(160), 광 검출기(170), 산출부(180) 및 모니터링부(190)를 포함한다.
전선(110)은 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템(100)이 설치되는 대상으로서, 가전 제품의 전원 케이블이나 전력 계통(Power System)의 전력선(線)일 수 있다. 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템(100)이 전선(110)에 흐르는 전류의 세기를 측정하기 위해, 전선(110)은 센싱 광섬유(145)에 의해 둘러싸인 형태로 구성될 수 있다. 전선(110)에 전류가 흐르게 되면, 전선(110) 주위에는 자계(Magnetic Field)가 형성되는데, 이때, 센싱 광섬유(145)는 자계에 의해 유발되는 페레더이 효과(Faraday Effect)를 이용하여, 전선(110)에 흐르는 전류를 광학적 방식으로 검출한다.
광원(115)은 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 갖는 광을 스위핑(Sweeping)하거나, 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 갖는 광을 결합하여 입사광(λs)을 생성하고, 이를 발진시킨다. 광원(115)은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도면에는 도시되지 않았지만, 광원(115)의 출력단에는 광 아이솔레이터(미도시)가 구비될 수 있다. 광 아이솔레이터(미도시)는 입사광(λs)이 반사체(150)에 의해 반사되어 되돌아올 때, 광원(115)으로 입사되는 것을 차단한다.
커플러(Coupler, 120)는 광의 경로를 분기시킴으로써, 광원(115)으로부터 발진된 입사광(λs)이 편광기(131)로 입사될 수 있도록 한다. 이와 더불어, 커플러(120)는 반사체(150)에 의해 반사되어 되돌아오는 입사광(λs)이 제2 파장분할기(160)로 입사되도록 한다.
보다 구체적으로 설명하면, 커플러(120)는 광원(115)으로부터 발진된 입사광(λs)이 편광기(131)로 입사되도록 함과 동시에, 입사광(λs)이 제2 파장분할기(160)로 입사되지 않도록 광의 경로를 분기시킨다.
광원(115)으로부터 발진된 입사광(λs)은 전선(110)을 둘러싸고 있는 센싱 광섬유(145)의 종단에 연결된 반사체(150)에 의해 반사되어 되돌아오는데, 이때, 커플러(120)는 반사체(150)에 의해 반사된 입사광(λs)을 제2 파장분할기(160)로 전송하고, 입사광(λs)이 광원(115)으로 입사되지 않도록 광의 경로를 분기시킨다.
편광빔 처리부(130)는 광원(115)으로부터 발진된 입사광(λs)을 편광시켜 서로 직교하는 두 개의 선형 편광빔(Linear Polarization Beam)을 출력시키고, 이를 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔(Circular Polarization Beam)으로 변환시킨다.
상술한 바와 같이, 입사광(λs)은 반사체(150)에 의해 반사되어 되돌아오며, 반사된 입사광(λs)(이하, '반사광(λr)'이라 통칭함)은 센싱 광섬유(145)를 지나 편광빔 처리부(130)를 거쳐, 광 검출기(170)로 이동한다. 이때, 편광빔 처리부(130)는 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 다시, 서로 직교하는 두 개의 선형 편광빔으로 변환시키고, 이를 광 검출기(170)로 전달함으로써, 광 검출기(170)가 반사광(λr)의 편광 회전각(β)을 전기적 신호로 검출할 수 있도록 한다.
편광빔 처리부(130)는 편광기(131), 제1 스플리터(132), 복굴절 위상 모듈레이터(133), 제2 스플리터(134) 및 λ/4 파장 플레이트(135)를 포함한다.
편광기(Polarizer, 131)는 광원(115)으로부터 발진된 무편광 상태의 입사광(λs)을 단일 편광 상태 즉, 선형 편광빔으로 변환시켜 출력한다.
제1 스플리터(Splitter, 132)는 편광기(131)로부터 출력된 선형 편광빔을 두 개의 선형 편광빔으로 분리한다. 제1 스플리터(132)에 의해 분리된 두 개의 선형 편광빔은 복굴절 위상 모듈레이터(133)로 입사된다.
복굴절 위상 모듈레이터(Birefringent Phase Modulator, 133)는 편광유지 광섬유(Polarization maintaining fiber, PMF, 미도시)로 구성될 수 있으며, 제1 스플리터(132)에 의해 분리된 두 개의 선형 편광빔 사이에 일정한 위상 지연을 발생시킨다. 이때, 위상 지연은 복굴절 특성을 갖는 편광유지 광섬유의 길이에 비례한다. 특히, 복굴절 위상 모듈레이터(133)는 작은 전류 변화에도 센싱 광섬유(145)가 쉽게 편광의 회전 변화를 감지할 수 있도록 편광빔의 위상을 조정하는 역할을 한다.
편광의 회전이 변화한 정도는 광 검출기(170)의 검광자(Analyzer)에 의한 투과광의 세기(P)로 확인할 수 있는데, 투과광의 세기(P)는 일반적으로 편광 회전각(β)에 따른 사인(Sine) 곡선(P=P0×sin(β), P0: 투과광 최대값, β: 편광 회전각)으로 표현할 수 있다. 이때, 편광 회전각(β)에 따른 투과광의 세기(P) 변화는 편광 회전각(β)이 45°일 때 가장 크게 나타난다. 따라서, 복굴절 위상 모듈레이터(133)는 전선(110)에 전류가 흐르지 않을 때, 편광 회전각(β)이 45°에 위치하도록 조절하는 기능을 한다.
한편, 상술한 바와 같이, 입사광(λs)이 반사체(150)에 의해 반사되어 센싱 광섬유(145)로 다시 입사되었을 때, 반사광(λr)은 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 포함하고 있다. λ/4 파장 플레이트(135)에 의해 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔은 두 개의 선형 편광빔으로 변환되며, 이때, 복굴절 위상 모듈레이터(133)는 두 개의 선형 편광빔 사이를 편광유지 광섬유의 길이만큼 위상 지연시켜, 이를 편광기(131)로 전달한다.
제2 스플리터(134)는 복굴절 위상 모듈레이터(133)에 의해 상호 직교하는 편광면을 갖는 두 개의 직선 편광빔을 동시에 λ/4 파장 플레이트(135)로 전달한다.
λ/4 파장 플레이트(135)는 상호 직교하는 편광면을 갖는 두 개의 선형 편광빔을 서로 반대 방향으로 회전하는 원형 편광빔으로 변형시킨다. 여기서, 두 개의 원형 편광빔은 회전하는 궤적의 방향에 따라 각각 좌선회(Left-Handed) 및 우선회(Right-Handed)하는 원형 편광빔으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 입사광(λs)은 회전하는 방향이 서로 다른 두 개의 원형 편광빔을 포함한다.
한편, 전술한 대로, 반사광(λr)은 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 포함하고 있으며, λ/4 파장 플레이트(135)는 이를 두 개의 선형 편광빔으로 변환시켜, 복굴절 위상 모듈레이터(133)로 전달한다.
제1 파장분할기(140)는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 다중화함과 동시에, 반사광(λr)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 역다중화한다.
보다 상세히 설명하면, 제1 파장분할기(140)는 회전하는 방향이 서로 다른 두개의 원형 편광빔을 포함하는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 다중분할하여 센싱 광섬유(145)로 전송한다. 제1 파장분할기(140)의 종단에는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)가 연결되어 있으며, 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분은 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)로 각각 입사된다. 제1 파장분할기(140)는 배열형 격자 도파로(Arrayed Waveguide Grating, AWG)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
그리고 제1 파장분할기(140)는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)로부터 출력되는 반사광(λr)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 역다중화하여, 이를 λ/4 파장 플레이트(135)로 전송한다.
센싱 광섬유(145)는 전선(110)에 흐르는 전류에 의해 발생한 진행 방향의 자기장 세기(B) 및 멀티코어 광섬유(260)의 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)에 따라, 서로 다른 방향으로 회전하는 입사광(λs)의 두 개의 원형 편광빔에 위상 지연을 발생시킨다. 센싱 광섬유(145)의 종단에는 반사체(150)가 연결되어 있는데, 반사체(150)가 입사광(λs)을 반사시킴으로써, 반사광(λr)은 다시 센싱 광섬유(145)를 통과한다. 이때, 마찬가지로, 센싱 광섬유(145)는 전선(110)에 흐르는 전류에 의해 발생한 진행 방향의 자기장 세기(B) 및 멀티코어 광섬유(260)의 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)에 따라, 서로 다른 방향으로 회전하는 반사광(λr)의 두 개의 원형 편광빔에 위상 지연을 발생시킨다.
보다 구체적으로 설명하면, 위상 지연은 전선(110)에 흐르는 전류에 의해 발생한 자기장의 진행 방향에 영향을 받으며, 자기장의 진행 방향에 의해 좌선회하는 원형 편광빔과 우선회하는 원형 편광빔 중 하나의 원형 편광빔에만 위상 지연이 발생하게 된다. 이에 따라, 좌선회 원형 편광빔과 우선회 원형 편광빔 사이에 위상차가 발생하며, 결과적으로, 두 개의 원형 편광빔의 벡터 합인 선형 편광빔이 회전하게 된다.
여기서, 센싱 광섬유(145)의 멀티코어 광섬유(260)의 복수 개의 코어(262, 264, 266, 268)가 서로 다른 성분으로 구성됨에 따라 베르데 상수(υ1, υ2, υ3,υ4)가 각각 달라지므로, 패러데이 효과에 의해 선형 편광빔의 회전 각도는 각각의 코어(262, 264, 266, 268)마다 달라지게 된다. 이에 따라, 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템(100)이 측정할 수 있는 전류의 세기(I)의 범위가 증가된다. 이에 대해서는 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 센싱 광섬유(145)는 접속 구조체(210), 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250) 및 멀티코어 광섬유(260)를 포함한다.
제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)는 회전하는 방향이 서로 다른 두 개의 원형 편광빔을 포함하는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 각각 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)로 입사시킨다. 예를 들어, 파장(λ1)은 제1 싱글코어 광섬유(220)로 입사되며, 파장(λ2, λ3, λ4)는 각각 제2 내지 제4 싱글코어 광섬유(230, 240, 250)로 입사된다.
접속 구조체(210)는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)와 멀티코어 광섬유(260)를 결합시키는 일종의 연결체(Connector)로서, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)와 멀티코어 광섬유(260)를 안정적으로 결합시킨다. 접속 구조체(210)가 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)와 멀티코어 광섬유(260)를 결합시킴으로써, 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분은 각각 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)를 거쳐, 멀티코어 광섬유(260)의 코어(262, 264, 266, 268)로 입사된다.
접속 구조체(210)는 복수 개의 관통공(212, 214, 216, 218)을 포함하며, 복수 개의 관통공(212, 214, 216, 218) 내부에는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)가 삽입된다. 접속 구조체(210)에 대한 상세한 설명은 도 5 내지 도 6을 참조하여 후술하도록 한다.
상술한 바와 같이, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)는 접속 구조체(210)와 연결되며, 이때, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부는 식각 공정에 의해 클래딩(224, 234, 244, 254)이 거의 제거된 채로 복수 개의 관통공(212, 214, 216, 218)에 삽입된다. 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)가 접속 구조체(210)에 연결됨에 따라, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)와 멀티코어 광섬유(260)는 보다 안정적으로 결합될 수 있다. 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부를 식각하는 과정에 대해서는 도 7를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)가 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218)에 각각 삽입되어 고정되면, 멀티코어 광섬유(260)는 접속 구조체(210)와 결합된다. 멀티코어 광섬유(260)와 접속 구조체(210)의 결합은 융착 접속기(미도시)를 이용할 수 있으며, 융착 접속기(미도시)는 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218)의 위치와 멀티코어 광섬유(260)의 코어(262, 264, 266, 268)의 위치를 정렬(Align)시킨다. 그리고 융착 접속기(미도시)는 접속 구조체(210)와 멀티코어 광섬유(260)를 융착 접속시킨다. 여기서, 융착 접속기(미도시)는 전극을 방전시킴으로써 접속 구조체(210)와 멀티코어 광섬유(260)를 용융시켜 융착 접속시킨다.
종래에는 멀티코어 광섬유의 복수 개의 코어와 복수 개의 싱글코어 광섬유의 코어가 직접적으로 접합된 채로 전기적으로 융착됨에 따라, 멀티코어 광섬유의 코어의 개수만큼 복수 개의 싱글코어 광섬유가 융착 접속되었다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유(260)는 접속 구조체(210)에 의해 복수 개의 싱글코어 광섬유(220, 230, 240. 250)와 연결되므로, 접속 구조체(210)와 멀티코어 광섬유(260) 사이의 접합부가 한번 융착 접속되는 것만으로, 복수 개의 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)와 멀티코어 광섬유(260)가 결합된다. 즉, 멀티코어 광섬유(260)의 코어(262, 264, 266, 268)의 개수가 더 많아져도 한번의 융착 접속만으로 복수 개의 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)와 결합되기 때문에, 공정의 효율성이 향상된다.
이와 같이, 멀티코어 광섬유(260)가 접속 구조체(210)에 의해 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)와 결합됨에 따라, 멀티코어 광섬유(260)의 복수 개의 코어(262, 264, 266, 268)가 분기된다. 즉, 멀티코어 광섬유(260)의 복수 개의 코어(262, 264, 266, 268)로 입사된 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분은 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218) 내부에 삽입된 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)를 따라 각각 개별적으로 출력되며, 결과적으로, 멀티코어 광섬유(260)의 코어(262, 264, 266, 268)를 통과하는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분은 다중 전송(다중화)된다. 멀티코어 광섬유(260)의 구조에 대해서는 도 3 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유의 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티코어 광섬유의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 멀티코어 광섬유(260)는 제1 내지 제4 코어(262, 264, 266, 268) 및 클래딩(269)을 포함하고 있으며, 서로 다른 물질로 구성된 각각의 코어(262, 264, 266, 268)는 서로 다른 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)를 갖는다. 이와 동시에, 제1 내지 제4 코어(262, 264, 266, 268)는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 다중화하여, 각 코어(262, 264, 266, 268)로 각 하나의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 입사시킨다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1 코어(262)는 5wt%의 이산화게르마늄(GeO2)을 포함하는 규조토 유리(Germanosilicate Glass, 5wt% GeO2) 재질로 구성될 수 있으며, 제2 코어(264)는 25wt%의 산화테르븀(Ⅲ)(Tb2O3)을 포함하는 테르븀 도핑 유리(Terbium Doped Silicate Glass) 재질로 구현될 수 있다. 그리고 제3 코어(266)는 56wt%의 산화테르븀(Ⅲ)(Tb2O3)을 포함하는 테르븀 도핑 유리(Terbium Doped Silicate Glass) 재질로 구성될 수 있으며, 제4 코어(268)는 65wt%의 산화테르븀(Ⅲ)(Tb2O3)을 포함하는 테르븀 도핑 유리(Terbium Doped Silicate Glass) 재질로 구성될 수 있다. 이와 같이, 제1 내지 제4 코어(262, 264, 266, 268)가 각각 서로 다른 물질로 구성됨에 따라, 물질에 대한 패러데이 효과의 강도를 나타내는 값인 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)도 달라진다. 제1 내지 제4 코어(262, 264, 266, 268)가 서로 다른 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4) 특성을 가짐으로써, 패러데이 효과에 의해, 제1 내지 제4 코어(262, 264, 266, 268)로 입사된 입사광(λs)의 편광 회전각(β)의 범위가 달라진다.
멀티코어 광섬유(260)는 직경이 약 125㎛ 내외로 구성될 수 있으며, 제1 내지 제4 코어(262, 264, 266, 268)의 직경은 약 8㎛ 내외로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제1 코어(262) 및 제2 코어(264), 제2 코어(264) 및 제3 코어(266), 제3 코어(266) 및 제4코어, 그리고 제1 코어(262) 및 제4 코어(268) 간의 최소 거리는 약 42.4㎛ 내외로 구성될 수 있다. 또한, 멀티코어 광섬유(260)의 외경으로부터 각 코어(262, 264, 266, 268)의 중심까지의 직선 거리는 약 31.5㎛ 내외로 구성될 수 있으며, 제1 코어(262)의 중심으로부터 제3 코어(266)의 중심까지의 거리 및 제2 코어(264)의 중심으로부터 제4 코어(268)의 중심까지의 거리는 약 60㎛ 내외로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 4를 참조하면, 멀티코어 광섬유(400)는 두 개의 코어(410, 412)를 포함하는 형태로 구성될 수도 있다. 멀티코어 광섬유(400)가 두 개의 코어(410, 412)를 포함하는 형태로 구현될 경우, 복수 개의 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 갯수는 두 개로 구성되며, 마찬가지로, 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218)의 갯수도 두 개로 구현된다. 멀티코어 광섬유(400)를 분기시키기 위한 방법은, 네 개의 코어(262, 264, 266, 268)를 포함하는 멀티코어 광섬유(260)의 분기 방법과 동일한데, 예를 들어, 제1 내지 제2 싱글코어 광섬유(220, 230)의 코어(222, 232)는 기 설정된 길이만큼 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214)에 삽입되며, 제1 내지 제2 싱글코어 광섬유(220, 230)의 코어(222, 232)가 삽입된 접속 구조체(210)는 전기 융착에 의해 멀티코어 광섬유(400)의 코어(410, 412)와 결합된다.
멀티코어 광섬유(400)는 제1 및 제2 코어(410, 412) 및 클래딩(414)을 포함하고 있으며, 서로 다른 물질로 구성된 각각의 코어(410, 412)는 서로 다른 베르데 상수(υ1, υ2)를 갖는다. 제1 및 제2 코어(410, 412)는 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2) 성분을 다중화하고, 각 코어(912, 912)로 각 하나의 파장(λ1, λ2) 성분을 입사시킨다.
제1 코어(410)는 5wt%의 이산화게르마늄(GeO2)을 포함하는 규조토 유리(Germanosilicate Glass, 5wt% GeO2) 재질로 구성될 수 있으며, 제2 코어(412)는 65wt%의 산화테르븀(Ⅲ)(Tb2O3)을 포함하는 테르븀 도핑 유리(Terbium Doped Silicate Glass) 재질로 구현될 수 있다. 제1 및 제2 코어(410, 412)가 각각 서로 다른 물질로 구성됨에 따라, 서로 다른 베르데 상수(υ1, υ2) 특성을 가짐으로써, 패러데이 효과에 의해, 제1 및 제2 코어(410, 412)로 입사된 입사광(λs)의 편광 회전각(β)의 범위가 달라진다.
멀티코어 광섬유(400)의 직경은 약 125㎛ 내외로 구성될 수 있으며, 제1 및 제2 코어(410, 412)의 직경은 약 8㎛ 내외로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 각 코어(410, 412) 간의 거리는 약 40㎛ 내외로 구성될 수 있으며, 멀티코어 광섬유(400)의 외경으로부터 각 코어(410, 412)의 중심까지의 거리는 약 42.5㎛ 내외로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 3 및 도 4에서는 멀티코어 광섬유(260, 400)의 코어의 갯수를 네 개 또는 두 개로 구현하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 멀티코어 광섬유(260, 400) 구조는 다양하게 변경될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 멀티코어 광섬유(260)의 종단에는 반사체(150)가 연결된다. 반사체(150)는 멀티코어 광섬유(260)의 제1 내지 제4 코어(262, 264, 266, 268)로부터 출사된 입사광(λs)을 반사시킴으로써, 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분이 센싱 광섬유(145) 및 제1 파장분할기(140)에 의해 편광빔 처리부(130)로 입사될 수 있도록 한다.
반세체(150)에 의해 반사된 입사광(λs) 즉, 반사광(λr)은 전선(110)에 흐르는 자기장(B)에 의해 위상이 지연된 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 포함하고 있으며, 이때, 멀티코어 광섬유(260)의 복수 개의 코어(262, 264, 266, 268)가 서로 다른 성분으로 구성됨에 따라, 패러데이 효과에 의해 두 개의 원형 편광빔의 위상 지연은 각각의 코어(262, 264, 266, 268)마다 달라지게 된다.
제2 파장분할기(160)는 반사체(150)에 의해 반사되어 커플러(120)로부터 전송된 반사광(λr)을 수신하여 반사광(λr)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 다중분할하고, 이를 복수 개의 광 검출기(170)로 전송한다. 제2 파장분할기(160)는 배열형 격자 도파로(Arrayed Waveguide Grating, AWG)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
복수 개의 광 검출기(170)는 각 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 별로 반사광(λr)의 편광 회전각(β)을 전기적 신호로 변환시켜 검출한다.
산출부(180)는 광 검출기(170)로부터 전송된 전기적 신호를 기 설정된 신호처리에 따라 처리함으로써, 각 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 별로 반사광(λr)의 편광 회전각(β)에 대응하는 전류의 세기(I)를 출력한다.
예를 들어, 서로 다른 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)를 갖는 멀티코어 광섬유(260)로 기 설정된 값을 갖는 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 포함하는 입사광(λs)이 입사될 경우, 입사광(λs)은 반사체(150)에 의해 반사되어 멀티코어 광섬유(260)로 되돌아간다. 이때, 패러데이 효과에 입각하여, 반사광(λr)의 편광 회전각(β)은 전류에 의해 전선(110)에 흐르는 자기장의 세기(B), 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4) 및 센싱 광섬유(145)의 길이(l)에 의해 변화된다. 여기서, 산출부(180)는 기 설정된 신호처리에 따라 변화된 편광 회전각(β)의 전기적 신호를 전류의 세기(I)로 산출하며, 이에 따라, 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템(100)은 최소 60A부터 최대 100,000A에 이르는 전류의 세기(I)를 센싱할 수 있다.
나아가, 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템(100)은 모니터링부(190)를 더 포함할 수 있다. 모니터링부(190)는 산출부(180)로부터 출력된 각 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 별 반사광(λr)의 편광 회전각(β)에 대응하는 전류의 세기(I)를 분석함으로써, 전선(110) 내 사고 원인을 파악할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체에 싱글코어 광섬유를 결합하는 과정을 도시한 도면이다. 그리고 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글코어 광섬유를 식각하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5(a) 및 (b)를 참조하면, 접속 구조체(210)는 멀티코어 광섬유(260)와 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)를 결합시키기 위한 일종의 연결체(Connector)로서, 멀티코어 광섬유(260)와 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)를 보다 안정적으로 결합시킨다.
접속 구조체(210)는 기 설정된 높이를 갖는 실린더(Cylinder) 형태로 구현될 수 있으며, 접속 구조체(210)의 직경(D)은 멀티코어 광섬유(260)의 직경의 길이와 동일하게 구성될 수 있다.
접속 구조체(210)는 멀티코어 광섬유(260)의 클래딩(미도시)의 재질과 유사한 재질로 구성될 수 있는데, 주로, 멀티코어 광섬유(260)의 클래딩(미도시)의 재질로 사용되는 Si를 포함하는 산화물계 유리로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 접속 구조체(210)는 불화 이온이 첨가된 실리케이트 유리, 폴리머 계열의 소재, 불화계 유리 및 칼코지나이드계 유리 등의 재질로 구성될 수도 있다. 접속 구조체(210)가 멀티코어 광섬유(260)의 클래딩(미도시)의 재질과 유사한 재질로 구성됨에 따라, 접속 구조체(210)의 굴절률은 멀티코어 광섬유(260)의 클래딩(미도시)의 굴절률과 동일한 수준을 갖는다. 또한, 접속 구조체(210)가 멀티코어 광섬유(260)의 클래딩(미도시)의 재질과 유사한 재질로 구성됨으로써, 전기융착에 의해 멀티코어 광섬유(260)와 접속 구조체(210)의 접촉면에 전극이 방전되어도, 물성(物性)이 분리되지 않고 온전히 용융될 수 있다.
접속 구조체(210)는 복수 개의 관통공(212, 214, 216, 218)을 포함한다.
복수 개의 관통공(212, 214, 216, 218)은 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)가 삽입되는 통로로서, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)는 복수 개의 관통공(212, 214, 216, 218)의 길이(L)만큼 삽입될 수 있다.
복수 개의 관통공(212, 214, 216, 218)의 배치 및 개수는 멀티코어 광섬유(260)의 코어(미도시)의 배치 및 개수에 따라 변경될 수 있다. 단, 관통공(212, 214, 216, 218)의 직경(d)은 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)가 충분히 삽입될 수 있도록, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)의 직경보다 크게 구현될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218)으로 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)가 삽입된다. 이때, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부는 코어(222, 232, 242, 252)를 둘러싸고 있는 클레딩(224, 234, 244, 254)이 기 설정된 형태를 갖도록 식각된 채로 관통공(212, 214, 216, 218)에 삽입된다. 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 클래딩(224, 234, 244, 254)은 식각 공정에 의해 제거될 수 있으며, 이에 대해서는 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 접속 구조체(210)에 삽입되는 부분인 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부는 식각 공정에 의해 클래딩(224, 234, 244, 254)이 기 설정된 형태로 제거된다. 이때, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부는 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218)의 길이(L)만큼 코어(222, 232, 242, 252)의 직경보다 1.5~3배 정도가 되는 직경을 갖는 형태로 구성되다가, 관통공(212, 214, 216, 218)의 길이(L)만큼 삽입되는 지점을 벗어나는 부분부터는 만곡되어 다시 원래의 직경을 갖는 구조를 나타낸다. 즉, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부의 클래딩(224, 234, 244, 254)이 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218)의 길이(L)까지는 기 설정된 형태로 식각 제거됨에 따라, 만곡부(510)에 의해 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부는 관통공(212, 214, 216, 218)의 길이(L)만큼만 삽입될 수 있다.
제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부가 식각되는 과정은 다음과 같이 수행될 수 있다. 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 표면에 존재하는 코팅이 제거되면, 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218)에 삽입되는 길이만큼 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 종단부는 식각 용액이 담겨진 용기(미도시)에 일정 시간 동안 침지된다. 여기서, 식각 용액은 유리 재질로 구성된 클래딩(224, 234, 244, 254)을 녹일 수 있는 불산(HF) 용액으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
그리고 클래딩(224, 234, 244, 254)의 직경이 코어(222, 232, 242, 252) 직경의 약 1.5~3배 정도가 되면, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)는 용기로부터 건져 올려진다. 이에 따라, 만곡부(510)가 형성된다.
만곡부(510)는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 클래딩(224, 234, 244, 254)의 직경이 지수적으로 줄어드는 부분을 의미하는데, 만곡부(510)는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)를 식각 용액에 침지시키는 시간을 지수적으로 증가시킴으로써 형성된다. 전술한 대로, 클래딩(224, 234, 244, 254)의 직경이 코어(222, 232, 242, 252)의 직경의 약 1.5~3배 정도가 될 때까지 침지 시간을 지수적으로 증가시키는데, 여기서, 식각 용액에 침지되는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 침지 시간은 용액의 불산 농도 및 온도에 따라 변경될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 만곡부(510)는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)를 상부 수직 방향으로 들어 올리는 속도를 제어할 수 있는 별도의 장치(미도시)에 연결됨으로써 형성될 수 있다. 별도의 장치(미도시)가 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)를 식각 용액으로부터 들어 올리는 속도를 기 설정된 값으로 감소시킴에 따라, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)가 침지되는 시간은 증가한다. 따라서, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 클래딩(224, 234, 244, 254)에 식각 직경이 형성됨으로써, 만곡부(510)가 형성된다.
상술한 바와 같이, 만곡부(510)는 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부가 접속 구조체(210)의 관통공(212, 214, 216, 218)의 길이(L)보다 더 깊게 삽입되는 것을 방지한다. 그리고 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부가 관통공(212, 214, 216, 218)에 삽입됨에 따라, 만곡부(510)는 접속 구조체(210)의 일면과 맞닿게 되는데, 이때, 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)를 지지함으로써, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 선단부가 관통공(212, 214, 216, 218)에 삽입될 때, 외부로부터 충격을 받더라도 쉽게 파손되지 않도록 한다.
다시 도 6을 참조하면, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 종단부가 관통공(212, 214, 216, 218)에 삽입되면, 관통공(212, 214, 216, 218)으로 경화성 레진(Resin)이 주입된다. 경화성 레진은 자외선(UV)에 의해 경화될 수 있으며, 레진이 경화됨에 따라, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)가 관통공(212, 214, 216, 218)에 온전히 고정된다. 이때, 경화성 레진의 굴절률은 접속 구조체(210) 및 멀티코어 광섬유(260)의 클래드의 굴절률(미도시)보다 약간 낮게 구성될 수 있다. 이는, 도 8을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 접속 구조체의 굴절률 프로파일을 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 접속 구조체(210)의 굴절률과 경화성 레진의 굴절률 차이(Δn2)는 0 내지 0.002 범위로 구성될 수 있다. 경화성 레진의 굴절률이 접속 구조체(210)의 굴절률보다 클 경우, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 광손실이 증가될 수 있으며, 접속 구조체(210)의 굴절률과 경화성 레진의 굴절률 차이(Δn2)가 0.002 보다 크면, 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)의 코어(222, 232, 242, 252)의 광학적 특성(분산, 차단 파장 등)이 변경될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유를 분기하는 과정을 도시한 순서도이다.
복수 개의 관통공(212, 214, 216, 218)을 포함하는 접속 구조체(210)에 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)가 연결된다(S910).
멀티코어 광섬유(260)가 제1 내지 제4 싱글코어 광섬유(220, 230, 240, 250)가 연결된 접속 구조체(210)와 융착 접속된다(S920). 이때, 멀티코어 광섬유(260)와 접속 구조체(210)는 융착 접속기(미도시)에 의해 정렬된 후, 전기적으로 융착되어 용융된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템이 전류를 센싱하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 1 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하였기 때문에, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
광원(115)이 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 갖는 입사광(λs)을 발진시킨다(S1010).
편광빔 처리부(130)가 입사광(λs)을 편광면이 직교하는 두 개의 선형 편광빔으로 분리시킨다(S1015).
편광빔 처리부(130)가 편광면이 직교하는 두 개의 선형 편광빔을 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔으로 변환시킨다(S1020).
제1 파장분할기(140)가 입사광(λs)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4)을 다중분할한다(S1025).
센싱 광섬유(145)가 다중분할된 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4)을 서로 다른 물질로 구성된 멀티코어 광섬유(260)의 복수 개의 코어(262, 264, 266, 268)로 각각 입사시킨다(S1030).
센싱 광섬유(145)가 패러데이 효과에 입각하여, 전선(100)에 흐르는 전류에 의해 발생한 진행 방향의 자기장의 세기(B) 및 멀티코어 광섬유(260)의 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)에 따라, 서로 다른 방향으로 회전하는 입사광(λs)의 두 개의 원형 편광빔에 위상 지연을 발생시킨다(S1035).
반사체(150)가 입사광(λs)을 반사시킨다(S1040).
센싱 광섬유(145)는 패러데이 효과에 입각하여, 전선(100)에 흐르는 전류에 의해 발생한 진행 방향의 자기장의 세기(B) 및 멀티코어 광섬유(260)의 베르데 상수(υ1, υ2, υ3, υ4)에 따라, 서로 다른 방향으로 회전하는 반사광(λr)의 두 개의 원형 편광빔에 위상 지연을 발생시킨다(S1045).
편광빔 처리부(130)가 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 서로 직교하는 두 개의 선형 편광빔으로 변환시킨다(S1050).
제2 파장분할기(160)가 반사광(λr)의 복수 개의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4) 성분을 다중분할하여, 광 검출기(170)로 입시사킨다(S1055).
광 검출기(170)가 편광 회전각(β)을 전기적 신호로 검출한다(S1060).
산출부(180)가 전기적 신호를 처리하여 전선(110)에 흐르는 전류의 세기(I)를 산출한다(S1065).
도 9 및 도 10에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각각의 도면에 기재된 과정의 순서를 변경하여 실행하거나 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 9 및 도 10은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 9 및 도 10에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 멀티코어 광섬유를 포함하는 전류 센싱 시스템
110: 전선
115: 광원
120: 커플러
130: 편광빔 처리부
131: 편광기
132: 제1 스플리터
133: 복굴절 위상 모듈레이터
134: 제2 스플리터
135: λ/4 파장 플레이트
140: 제1 파장분할기
145: 센싱 광섬유
150: 반사체
160: 제2 파장분할기
170: 광 검출기
180: 산출부
190: 모니터링부
210: 접속 구조체
212, 214, 216, 218: 관통공
220: 제1 싱글코어 광섬유
222: 제1 싱글코어 광섬유의 코어
224: 제1 싱글코어 광섬유의 클래딩
230: 제2 싱글코어 광섬유
232: 제2 싱글코어 광섬유의 코어
234: 제2 싱글코어 광섬유의 클래딩
240: 제3 싱글코어 광섬유
242: 제3 싱글코어 광섬유의 코어
244: 제3 싱글코어 광섬유의 클래딩
250: 제4 싱글코어 광섬유
252: 제4 싱글코어 광섬유의 코어
254: 제4 싱글코어 광섬유의 클래딩
260, 400: 멀티코어 광섬유
262, 264, 266, 268, 410, 412: 멀티코어 광섬유의 코어
269, 414: 멀티코어 광섬유의 클래딩
510: 만곡부
110: 전선
115: 광원
120: 커플러
130: 편광빔 처리부
131: 편광기
132: 제1 스플리터
133: 복굴절 위상 모듈레이터
134: 제2 스플리터
135: λ/4 파장 플레이트
140: 제1 파장분할기
145: 센싱 광섬유
150: 반사체
160: 제2 파장분할기
170: 광 검출기
180: 산출부
190: 모니터링부
210: 접속 구조체
212, 214, 216, 218: 관통공
220: 제1 싱글코어 광섬유
222: 제1 싱글코어 광섬유의 코어
224: 제1 싱글코어 광섬유의 클래딩
230: 제2 싱글코어 광섬유
232: 제2 싱글코어 광섬유의 코어
234: 제2 싱글코어 광섬유의 클래딩
240: 제3 싱글코어 광섬유
242: 제3 싱글코어 광섬유의 코어
244: 제3 싱글코어 광섬유의 클래딩
250: 제4 싱글코어 광섬유
252: 제4 싱글코어 광섬유의 코어
254: 제4 싱글코어 광섬유의 클래딩
260, 400: 멀티코어 광섬유
262, 264, 266, 268, 410, 412: 멀티코어 광섬유의 코어
269, 414: 멀티코어 광섬유의 클래딩
510: 만곡부
Claims (12)
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- 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 발진시켜, 반사되어 되돌아오는 입사광의 선형 편광 회전 각도로 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 전류 센싱 시스템에 있어서,
복수 개의 파장을 갖는 입사광을 발진시키는 광원;
상기 입사광을 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔으로 변환시키고, 상기 반사되어 되돌아오는 입사광의 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔을 서로 직교하는 제1 및 제2 선형 편광빔으로 변환시키는 편광빔 처리부;
상기 편광빔 처리부로부터 입사된 상기 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 다중분할하는 제1 다중분할기;
상기 제1 다중분할기에 의해 분할된 상기 복수 개의 파장을 입사시키고, 복수 개의 코어를 포함하며, 복수 개의 싱글코어 광섬유로부터 입사된 상기 복수 개의 파장을 상기 복수 개의 코어로 각각 입사시키고, 상기 전선에 흐르는 전류에 의한 패러데이 효과에 따라 상기 입사광의 서로 다른 방향으로 회전하는 두 개의 원형 편광빔을 위상 지연시키는 센싱 광섬유;
상기 입사광을 반사시키는 반사체;
상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 다중분할하는 제2 다중분할기;
복수 개로 구성되며, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 각각 입사시켜, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 회전 각도를 전기적 신호로 검출하는 광 검출기; 및
상기 전기적 신호를 기 설정된 처리에 따라 전류의 세기로 출력하는 산출부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 광원은,
상기 복수 개의 파장을 갖는 입사광을 동시에 발진시키거나, 스위핑(Sweeping)하여 발진시키는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제1 및 제2 다중분할기는,
배열형 격자 도파로(Array Waveguide Grating)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 전류 센싱 시스템은,
상기 입사광을 상기 편광빔 처리부로 입사시키는 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 전류 센싱 시스템은,
상기 광원의 출력단에 광 아이솔레이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 편광빔 처리부는,
상기 입사광을 선형 편광빔으로 변환시키는 편광기;
상기 선형 편광빔을 제1 및 제2 선형 편광빔으로 분리시키는 제1 스플리터;
상기 입사광의 상기 제1 및 제2 선형 편광빔의 위상을 지연시키고, 상기 반사체에 의해 반사된 입사광의 제1 및 제2 선형 편광빔의 위상을 지연시키는 복굴절 위상 모듈레이터;
상기 제1 선형 편광빔을 좌선회시켜 제1 원형 편광빔을 생성하고, 상기 제2 선형 편광빔을 우선회시켜, 제2 원형 편광빔을 생성하는 λ/4 파장 플레이트; 및
상기 복굴절 위상 모듈레이터와 상기 λ/4 파장 플레이트를 연결하는 제2 스플리터
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 λ/4 파장 플레이트는,
상기 반사체로부터 반사된 입사광의 제1 및 제2 원형 편광빔을 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 선형 편광빔으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 전류 센싱 시스템은,
상기 산출부로부터 출력된 상기 복수 개의 파장에 대한 상기 전류의 세기를 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 시스템. - 복수 개의 파장 성분을 갖는 입사광을 발진시키는 발진과정;
상기 입사광을 편광면이 직교하는 제1 및 제2 선형 편광빔으로 분리시키는 분리과정;
상기 편광면이 직교하는 제1 및 제2 선형 편광빔을 서로 반대 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔으로 변환시키는 변환과정;
상기 입사광의 복수 개의 파장을 다중분할하는 분할과정;
다중분할된 복수 개의 파장을 서로 다른 물질로 구성된 멀티코어 광섬유의 복수 개의 코어로 각각 입사시키는 입사과정;
패러데이 효과에 입각하여, 서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔 사이에 위상 지연을 발생시키는 위상 지연 발생과정;
상기 입사광을 반사시키는 반사과정;
서로 다른 방향으로 회전하는 제1 및 제2 원형 편광빔을 서로 직교하는 두 개의 제1 및 제2 선형 편광빔으로 변환시키는 재변환과정;
상기 반사과정에 의해 반사된 입사광의 복수 개의 파장 성분을 다중분할하여, 광 검출기로 입사시키는 입사과정;
상기 반사과정에 의해 반사된 입사광의 편광 회전각을 전기적 신호로 검출하는 검출과정; 및
상기 전기적 신호를 처리하여 전류의 세기를 산출하는 산출과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센싱 방법.
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