KR102141705B1 - 광 펄스 파워 변화에 무관한 광 위상 검출기 기반 센싱 시스템 - Google Patents

광 펄스 파워 변화에 무관한 광 위상 검출기 기반 센싱 시스템 Download PDF

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Abstract

센싱 시스템은 마이크로파를 출력하는 RF 신호원, 펄스 레이저에서 출력된 제1 광 펄스열을 제1 경로를 통해 입력받고, 상기 RF 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 제1 광 펄스열의 위상 오차에 해당하는 제1 전기 신호를 출력하는 제1 광 위상 검출기, 그리고 상기 펄스 레이저에서 출력된 제2 광 펄스열을 제2 경로를 통해 입력받고, 상기 RF 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 제2 광 펄스열의 위상 오차를 보상하는 제2 전기 신호를 생성하며, 상기 제2 전기 신호를 상기 RF 신호원으로 피드백하여 상기 RF 신호원을 상기 제2 광 펄스열에 동기화하는 제2 광 위상 검출기를 포함한다. 상기 제2 광 펄스열은 상기 제2 경로에서 센서를 통과하는 신호이다. 상기 센서의 측정 물리량은 상기 제1 전기 신호로부터 획득된다.

Description

광 펄스 파워 변화에 무관한 광 위상 검출기 기반 센싱 시스템{OPTICAL PHASE DETECTOR BASED SENSING SYSTEM INDEPENDENT ON OPTICAL PULSE POWER}
본 발명은 광 펄스의 비행 시간(time-of-flight, TOF)을 이용한 물리량 측정 기술에 관한 것이다.
광 펄스의 비행 시간(Time-of-flight, TOF)을 측정하여 측정 대상의 물리량(예를 들면, 거리)을 획득하고 측정 대상을 이미징할 수 있다. 이러한 센싱 및 이미징 기술은 제4차 산업혁명 시대의 중요한 기반 기술이다. 비행 시간 기반 센서는 거리 측정과 이미징에 활용되는 전통적인 센서로서, 대표적으로 레이더(Radar), 라이다(LIDAR), 초음파 검사(Ultrasonic Detection)에서 사용된다.
광 펄스의 비행 시간은 동기화된 마이크로파를 이용하여 검출된다. 도 1을 참고하면, 마이크로파는 레이저의 광 펄스열(reference pulses)에 동기화된다. 비행 시간이 반영된 광 펄스열(interrogating pulses)은 동기화된 마이크로파와 위상 오차(타이밍 오차)가 발생한다. 광 위상 검출기는 마이크로파와 광 펄스의 위상 오차와 광 펄스의 평균 파워에 비례하는 전기 신호를 출력한다. 하지만, 펄스 레이저에서 출력된 광 펄스는 센서를 통과하면서 광 파워가 변할 수 있다. 결국, 광 펄스 파워 변화로 인해, 위상 검출기에서 검출되는 전기 신호가 위상 오차를 제대로 반영하지 못하는 한계가 있다.
(특허문헌 1) KR10-1866691 B
(특허문헌 2) KR10-1856882 B
(특허문헌 3) KR10-1687118 B
(특허문헌 4) KR10-1331980 B
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 센서를 지나온 광 펄스열을 이용하여 마이크로파를 동기화하는 광 위상 검출기 기반 센싱 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광 펄스 파워 변화를 보상하는 광 위상 검출기 기반 센싱 시스템을 제공하는 것이다.
한 실시예에 따른 센싱 시스템으로서, 마이크로파를 출력하는 RF 신호원, 펄스 레이저에서 출력된 제1 광 펄스열을 제1 경로를 통해 입력받고, 상기 RF 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 제1 광 펄스열의 위상 오차에 해당하는 제1 전기 신호를 출력하는 제1 광 위상 검출기, 그리고 상기 펄스 레이저에서 출력된 제2 광 펄스열을 제2 경로를 통해 입력받고, 상기 RF 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 제2 광 펄스열의 위상 오차를 보상하는 제2 전기 신호를 생성하며, 상기 제2 전기 신호를 상기 RF 신호원으로 피드백하여 상기 RF 신호원을 상기 제2 광 펄스열에 동기화하는 제2 광 위상 검출기를 포함한다. 상기 제2 광 펄스열은 상기 제2 경로에서 센서를 통과하는 신호이고, 상기 센서의 측정 물리량은 상기 제1 전기 신호로부터 획득된다.
상기 RF 신호원은 상기 제2 광 위상 검출기로부터 전송된 상기 제2 전기 신호를 기초로 마이크로파의 영점 교차점을 상기 제2 광 펄스열의 위상에 동기화하고, 상기 마이크로파의 주파수는 상기 펄스 레이저의 반복률의 정수 배일 수 있다.
상기 제1 광 위상 검출기는 광 파워가 유지된 상기 제1 광 펄스열로, 상기 제2 광 펄스열의 위상에 동기화된 마이크로파의 전압을 검출하여, 상기 제2 광 펄스열의 위상 정보에 해당하는 상기 제1 전기 신호를 출력할 수 있다.
상기 제2 광 위상 검출기는 상기 제2 경로를 지나면서 광 파워가 변한 상기 제2 광 펄스열을 입력받을 수 있다.
상기 제1 광 위상 검출기와 상기 제2 광 위상 검출기 각각은 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현될 수 있다.
다른 실시예에 따른 센싱 시스템으로서, 광 펄스열을 출력하는 펄스 레이저, 센서를 통과한 측정용 광 펄스열과 상기 펄스 레이저에 동기화된 기준 신호를 입력받고, 상기 기준 신호와 상기 측정용 광 펄스열의 위상 오차 및 상기 측정용 광 펄스열의 파워에 비례하는 제1 전기 신호를 출력하는 광 위상 검출기, 그리고 상기 센서로 입력되는 광 펄스열의 기준 파워를 기초로, 상기 센서를 통과한 상기 측정용 광 펄스열의 파워 변화를 모니터링하고, 상기 파워 변화를 이용하여 상기 제1 전기 신호를 보정한 제2 전기 신호를 출력하는 광 파워 보정기를 포함한다. 상기 광 파워 보정기는 상기 파워 변화를 이용하여, 상기 기준 파워와 상기 측정용 광 펄스열의 위상 오차에 비례하는 상기 제2 전기 신호를 출력한다.
상기 광 파워 보정기는 상기 광 위상 검출기로 입력되는 일부 측정용 광 펄스열을 추출하여 상기 파워 변화를 모니터링할 수 있다.
상기 광 파워 보정기는 추출한 일부 측정용 광 펄스열의 파워를 측정하는 광 검출기, 그리고 상기 광 검출기에서 측정된 결과를 기초로 상기 기준 파워에 대한 상기 센서를 통과한 상기 측정용 광 펄스열의 파워 변화를 모니터링하고, 상기 파워 변화를 반영하여 상기 광 위상 검출기에서 출력한 상기 제1 전기 신호를 상기 제2 전기 신호로 보정하는 출력 신호 보정부를 포함할 수 있다.
상기 센서는 단차 측정 센서일 수 있다.
상기 광 위상 검출기는 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현될 수 있다.
실시예에 따르면 센서를 지나면서 광 펄스 파워가 변하더라도, 위상 오차(비행 시간)에 해당하는 전기 신호를 정확하게 획득할 수 있다.
도 1은 광 펄스의 비행 시간 검출 방법을 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 광 펄스의 파워 변화가 위상 검출기의 성능에 미치는 영향을 설명하는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따라 센서를 지나온 광 펄스열을 이용하여 마이크로파를 동기화하는 센싱 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 4는 다른 실시예에 따라 광 펄스 파워 변화를 보상하는 센싱 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 5는 다른 실시예에 따라 광 펄스 파워 변화를 보상하는 센싱 시스템의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 한 실시예에 따른 광 위상 검출기의 예시이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 위상 오차, 타이밍 오차, 그리고 비행 시간을 혼용하여 설명할 수 있다.
도 2는 광 펄스의 파워 변화가 위상 검출기의 성능에 미치는 영향을 설명하는 도면이다.
도 2의 (a)를 참고하면, 센싱 시스템(10)은 펄스 레이저(11), 동기화용 위상 검출기(13), 측정용 위상 검출기(15), 그리고 RF 신호원(17)을 포함한다. 센서(19)는 펄스 레이저(11)와 측정용 위상 검출기(15) 사이의 광 경로에 연결된다. RF 신호원(17)은 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)일 수 있다. RF 신호원(17)은 펄스 레이저(11)의 반복률(frep)의 정수 배의 주파수를 가지는 정현파를 출력한다. 광 파워 변화를 설명하기 위해, 센싱 시스템(10)은 편광자(polarizer)(20)를 더 포함한다고 가정한다. 위상 검출기는 기준신호와 광 펄스의 위상(타이밍) 오차를 검출하는 다양한 기술로 구현될 수 있는데, 예를 들면, 샤냑(Sagnac) 루프 간섭계 및 균형 광 검출기(balanced photodetector)를 이용한 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD)일 수 있다.
펄스 레이저(11)는 광 펄스를 주기적으로 출력한다. 펄스 레이저(11)는 모드 잠금 레이저(mode-locked laser)일 수 있다. 펄스 레이저(11)에서 출력되는 광 펄스열은 커플러에 의해 동기화용 광 펄스열(Pulse 1)과 측정용 광 펄스열(Pulse 2)로 나누어지고, 동기화용 광 펄스열과 측정용 광 펄스열 각각은 동기화용 위상 검출기(13)와 측정용 위상 검출기(15)로 전달된다.
동기화용 위상 검출기(13)는 동기화용 광 펄스열(Pulse 1)과 RF 신호원(17)의 마이크로파를 입력받는다. 동기화용 위상 검출기(13)는 RF 신호원(17)의 마이크로파와 동기화용 광 펄스열(Pulse 1)의 위상(타이밍) 오차를 계산한다. 동기화용 위상 검출기(13)는 위상 오차를 보상하는 신호를 RF 신호원(17)으로 피드백한다. 이를 통해 RF 신호원(17)은 펄스 레이저(11)의 광 펄스열에 동기화된 기준 신호를 출력한다. 즉, RF 신호원(17)은 동기화용 광 펄스열(Pulse 1)에 의해 위상 잠금(phase locked)된다.
측정용 위상 검출기(15)는 센서(19)를 통과한 측정용 광 펄스열(Pulse 2)과 RF 신호원(17)의 마이크로파를 입력받는다. 측정용 위상 검출기(15)는 RF 신호원(17)의 마이크로파와 측정용 광 펄스열의 위상 오차(
Figure 112019016417878-pat00001
)를 계산한다. 이때, 측정용 위상 검출기(15)는 전광 샘플링(Electro-Optic sampling)을 이용하여 위상 오차(
Figure 112019016417878-pat00002
)에 해당하는 전기 신호(Ve)를 출력한다.
전기 신호(Ve)는 수학식 1과 같이, 광 펄스의 평균 파워(Pavg)와 위상 오차(
Figure 112019016417878-pat00003
)에 비례하는데, 구체적으로는 전압 신호로 검출될 수 있다.
Figure 112019016417878-pat00004
도 2의 (b)를 참고하면, RF 신호원(17)에서 출력되는 마이크로파는 동기화용 광 펄스열(Pulse 1)에 의해 위상 잠금(phase locked)되고, 측정용 광 펄스열(Pulse 2)의 위상 오차를 검출하는 기준 신호가 된다.
측정용 광 펄스들의 파워가 변하지 않는다면, 측정용 위상 검출기(15)에서 출력되는 전기 신호는 위상 오차에 비례한다. 하지만, 측정용 광 펄스열은 센서(19)를 통과하면서 파워가 변할 수 있다. 이 경우, 측정용 위상 검출기(15)에서 출력되는 전기 신호는 파워가 변한 광 펄스로 검출된 결과이므로, 전기 신호가 위상 오차를 제대로 반영하지 못한다.
예를 들어, 센서를 통과한 측정용 광 펄스가 측정용 위상 검출기(15)로 입력되는데, 측정용 위상 검출기(15)로 입력된 측정용 광 펄스의 평균 파워가 센서 동작 조건에 따라 변하면, 실제 위상 오차보다 적은 위상 오차에 해당하는 전기 신호가 검출된다.
광 파워 변화와 비행 시간의 관계를 실험하기 위해, 시간에 따라 변형률 센서의 변형률을 선형으로 증가시킬 수 있다. 그러면, 위상 오차에 비례하는 전기 신호 역시 시간에 따라 선형으로 증가해야 한다. 하지만, 변형률 센서의 변형률 변화에 의해 측정용 위상 검출기(15)로 입력되는 광 펄스의 파워 변화(파워 손실)가 있다면, 실제 측정되는 전기 신호(측정된 비행 시간)는 시간에 따라 비선형으로 증가할 수 있다. 결국, 광 펄스 파워 변화가 센싱 시스템의 정확성을 떨어뜨리는 문제가 있다.
광 펄스 파워는 다양한 요인에 의해 변할 수 있다. 예를 들면, 도 2와 같이, 편광자(20)와 편광 제어기(polarization controller)는, 센서가 주로 연결되는 일반 광섬유에서 편광 유지 광섬유[Polarization Maintaining(PM) fiber]로 광 펄스를 전송하기 위해 사용된다. 편광자(20)의 편광 상태는 편광 유지 광섬유의 광축(slow axis)에 맞춰진다. 편광 제어기(polarization controller)가 광 펄스의 편광 상태를 편광자(20)와 나란하게 맞춘다. 이때, 편광 유지 광섬유가 아닌 광섬유에 연결된 센서에서 비행 시간 변화(예를 들면, 변형률 센서의 변형률)가 생기면 편광이 회전하고 광 파워가 변하게 된다. 따라서, 본 발명은 편광 회전에 의한 파워 변화가 발생하는 구조에 적용될 수 있으나, 파워 변화 원인이 편광 회전으로 한정될 필요는 없다.
다음에서, 광 펄스 파워 변화에 무관한 광 위상 검출기 기반 센싱 시스템에 대해서 설명한다. 광 위상 검출기는 간단히 위상 검출기로 부를 수 있다.
도 3은 한 실시예에 따라 센서를 지나온 광 펄스열을 이용하여 마이크로파를 동기화하는 센싱 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 3의 (a)를 참고하면, 센싱 시스템(100)은, 센서를 지나면서 파워가 변하는(변할 수 있는) 광 펄스열(Pulse 2)을 통해 RF 신호원(170)을 빠르게 동기화한다. 그리고, 센싱 시스템(100)은 동기화된 RF 신호원(170)의 기준 신호와, 파워 변화가 없는 광 펄스열(Pulse 1)의 위상 오차를 검출한다. 즉, 센싱 시스템(100)은 도 2의 센싱 시스템(10)과 달리, 파워 변화 가능성이 있는 광 펄스열을 이용하여 RF 신호원(170)을 동기화/위상 잠금(phase locked)한다. 그리고 센싱 시스템(100)은 위치(위상) 및 파워 변화가 없는 광 펄스열을 이용하여, 측정하고자 하는 위상 오차가 반영된 기준 신호에서 위상 오차를 검출한다.
센싱 시스템(100)은 펄스 레이저(110), 제1 광 위상 검출기(130), 제2 광 위상 검출기(150), 그리고 RF 신호원(170)을 포함한다. 펄스 레이저(110)의 광 펄스열(Pulse 2)이 센서(190)로 전달되고, 센서(190)를 통과한 광 펄스열이 제2 광 위상 검출기(150)로 전달되는 광 경로가 구성된다. 센서(190)와 제2 광 위상 검출기(150) 사이의 광 경로에 다양한 장치(예를 들면, 편광자)가 추가될 수 있으나, 도면에서는 생략한다.
제1 광 위상 검출기(130)와 제2 광 위상 검출기(150)는 RF 신호원(170)에서 출력되는 마이크로파와 입력되는 광 펄스의 위상 오차를 검출하는 다양한 기술로 구현될 수 있다. RF 신호원(170)은 다양한 종류의 신호원이 사용될 수 있고, 예를 들면, VCO일 수 있다. 센싱 시스템(100)은 제1 광 위상 검출기(130)의 출력 신호를 기초로 센서(190)의 측정 물리량을 환산하는 컴퓨팅 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
펄스 레이저(110)는 광 펄스를 주기적으로 출력한다. 펄스 레이저(110)는 모드 잠금 레이저일 수 있다. 펄스 레이저(110)에서 출력되는 광 펄스열은 커플러에 의해 제1 광 펄스열(Pulse 1)과 제2 광 펄스열(Pulse 2)로 나누어지고, 제1 광 펄스열은 제1 광 위상 검출기(130)에 연결된 광 경로로 전달되고, 제2 광 펄스열은 제2 광 위상 검출기(150)에 연결된 광 경로로 전달된다.
제1 광 위상 검출기(130)는 제1 광 펄스열과 RF 신호원(170)에서 출력되는 마이크로파를 입력받는다. 제1 광 위상 검출기(130)는 마이크로파와 제1 광 펄스열의 위상 오차(
Figure 112019016417878-pat00005
)에 해당하는 전기 신호(Ve)를 출력한다. 이때, RF 신호원(170)은 제2 광 위상 검출기(150)의 위상 오차를 보상하는 피드백 신호를 기초로 제2 광 펄스열에 빠르게 동기화된 기준 신호를 출력한다.
제1 광 위상 검출기(130)는 광 펄스의 평균 광 파워와 위상 오차에 비례하는 전기 신호를 출력한다. 이때, 제1 광 위상 검출기(130)에 입력되는 제1 광 펄스열은 파워 변화가 없으므로, 제1 광 위상 검출기(130)는 위상 오차에 비례하는 전기 신호를 출력한다.
제2 광 위상 검출기(150)는 센서(190)를 통과한 제2 광 펄스열과 RF 신호원(170)에서 출력되는 마이크로파를 입력받는다. 제2 광 위상 검출기(150)는 마이크로파와 제2 광 펄스열의 위상 오차를 보상하는 신호를 RF 신호원(170)으로 피드백한다. 이를 통해 RF 신호원(170)은 센서(190)를 통과한 제2 광 펄스열에 동기화된 기준 신호를 출력한다.
도 3의 (b)를 참고하면, 제2 광 펄스열(Pulse 2)은 센서(190)를 통과하면서 제1 광 펄스열(Pulse 1)과 위상이 달라진다. RF 신호원(170)은 제2 광 위상 검출기(150)에서 출력된 위상 오차를 보상하는 피드백 신호를 기초로 제2 광 펄스열에 빠르게 동기화된 기준 신호를 출력한다. 제2 광 위상 검출기(150)와 RF 신호원(170)은 매우 빠르고 안정한 수준으로 위상 동기화하고, 동기화된 상태에 제2 광 펄스열의 파워와 위치가 빠르게 바뀌더라도 이에 맞춰 RF 신호원(170)을 동기화할 수 있다.
제2 광 펄스열(Pulse 2)의 위상 정보는 제2 광 펄스열에 동기화된 RF 신호원(170)에 반영된다. 따라서, 제1 광 위상 검출기(130)는 위상(위치) 및 파워 변화 없는 제1 광 펄스열(Pulse 1)을 이용하여, 제2 광 펄스열의 위상에 동기화된 기준 신호의 전기 신호를 검출한다.
이처럼, 제2 광 펄스열에서 발생한 위상 오차(비행 시간)를 파워 변화 없는 광 펄스를 이용하여 획득하므로, 제2 광 펄스열의 파워 변화에 거의 무관한 센싱 시스템을 제공할 수 있다.
구체적으로, 도 3을 참고로 설명한 본 발명의 동기화 방식에 따르면, 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD)의 경우, 세기 잡음에 대한 위상 커플링(AM-PM conversion) 억제 정도가 약 60 dB이상이다. 반면, 도 2를 참고로 설명한 종래의 동기화 방식에 따르면, 센서를 통과한 광 펄스의 파워 변화가 1:1로(거의 그대로) 위상에 커플링되므로, 세기 잡음에 대한 위상 커플링 억제 정도가 0 dB이다. 따라서, 본 발명의 동기화 방식은 종래 기술보다 60 dB(약 1000배) 이상의 세기 잡음에 대한 위상 커플링 성능을 기대할 수 있으므로, 본 발명의 동기화 방식을 통해 파워 변화에 약 1000배 이상 덜 민감한 센싱 시스템을 제공할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따라 광 펄스 파워 변화를 보상하는 센싱 시스템의 개략적인 구조도이고, 도 5는 다른 실시예에 따라 광 펄스 파워 변화를 보상하는 센싱 시스템의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참고하면, 센싱 시스템(200)은 광 파워 변화를 측정하고, 광 파워 변화를 이용하여 위상 검출기의 출력 신호를 보정할 수 있다.
센싱 시스템(200)은 펄스 레이저(210), 동기화용 광 위상 검출기(230), 측정용 광 위상 검출기(250), 광 파워 보정기(260), 그리고 RF 신호원(270)를 포함할 수 있다. 펄스 레이저(210)의 광 펄스열이 센서(290)로 전달되고, 센서(290)를 통과한 광 펄스열이 측정용 광 위상 검출기(250)로 전달되는 광 경로가 구성된다. 센서(290)와 측정용 광 위상 검출기(250) 사이의 광 경로에 다양한 장치가 추가될 수 있으나, 도면에서는 생략한다. 센서(290)는 예를 들면, 단차를 측정하는 센서 헤드일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 설명에서는 광 위상 검출기(250)와 광 파워 보정기(260)가 분리된 것으로
동기화용 광 위상 검출기(230)와 측정용 광 위상 검출기(250)는 RF 신호원(270)에서 출력되는 마이크로파와 입력된 광 펄스의 위상 오차를 검출하는 다양한 기술로 구현될 수 있다. RF 신호원(270)은 다양한 종류의 신호원이 사용될 수 있고, 예를 들면, VCO일 수 있다. 센싱 시스템(200)은 측정용 광 위상 검출기(250)의 출력 신호를 기초로 센서(290)의 측정 물리량을 환산하는 컴퓨팅 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 2에서 설명한 바와 같이, 펄스 레이저(210)에서 출력되는 광 펄스열은 커플러에 의해 동기화용 광 펄스열과 측정용 광 펄스열로 나누어지고, 동기화용 광 펄스열과 측정용 광 펄스열 각각은 동기화용 광 위상 검출기(230)와 측정용 광 위상 검출기(250)로 전달된다.
동기화용 광 위상 검출기(230)는 동기화용 광 펄스열과 RF 신호원(270)의 마이크로파를 입력받고, 두 신호의 위상 오차를 보상하는 신호를 RF 신호원(270)으로 피드백한다. 이를 통해 RF 신호원(270)은 펄스 레이저(210)의 광 펄스열에 동기화된/위상 잠금된 기준 신호를 출력한다.
측정용 광 위상 검출기(250)는 센서(290)를 통과한 측정용 광 펄스열과 동기화된 RF 신호원(270)의 마이크로파를 입력받는다. 측정용 광 위상 검출기(250)는 RF 신호원(270)의 마이크로파와 측정용 광 펄스열의 위상 오차(
Figure 112019016417878-pat00006
)에 해당하는 전기 신호(Ve1)를 출력한다. 도 2에서 설명한 바와 같이, 측정용 광 펄스열은 센서(290)를 통과하면서 파워가 변할 수 있기 때문에, 측정용 광 펄스열로 검출한 전기 신호(Ve1)는 위상 오차(
Figure 112019016417878-pat00007
)에 비례하지 않을 수 있다. 따라서, 센싱 시스템(200)은 광 파워 보정기(260)를 통해 광 펄스 파워 변화를 보상한다.
광 파워 보정기(260)는 센서(290)를 지나온 측정용 광 펄스열의 파워 변화를 모니터링하고, 파워 변화를 이용하여 측정용 광 위상 검출기(250)에서 출력된 전기 신호(Ve1)를 보정한 전기 신호(Ve2)를 출력한다. 광 파워 보정기(260)는 센서(290) 입력 전과 센서(290) 출력 후의 파워 변화를 계산할 수 있다.
커플러(미도시)가 센서(290)를 통과한 광 펄스의 일부를 광 파워 보정기(260)로 전달할 수 있다. 예를 들면, 5:95 광 커플러가 5%의 광 신호를 추출하여 광 파워 보정기(260)로 전달할 수 있다. 한편, 별도의 커플러를 추가하지 않고, 측정용 위상 검출기의 샤냑 루프에서 사용되지 않는 포트를 이용할 수 있다.
광 파워 보정기(260)는 측정용 광 펄스의 파워 변화를 측정할 수 있는 다양한 구조가 채택될 수 있고, 예를 들면, 광 검출기(261), 그리고 출력 신호 보정부(263)를 포함할 수 있다.
광 검출기(261)는 입력된 광 펄스의 파워를 측정하고, 적어도 하나의 광다이오드를 포함할 수 있다.
출력 신호 보정부(263)는 특정 시점(t)에 광 검출기(261)를 통해 측정한 정보를 기초로, 측정용 광 위상 검출기(250)로 입력된 광 펄스 파워 P(t)를 계산한다. 출력 신호 보정부(263)는 측정 광 펄스 파워 P(t)와 기준 광 파워 Pref의 파워 변화를 기초로, 측정용 광 위상 검출기(250)에서 출력된 전기 신호(Ve1)를 보정한 전기 신호(Ve2)를 출력할 수 있다. 수학식 2를 참고하면, 광 펄스 파워가 위상에 대한 전기 신호의 기울기에 해당하므로, 파워 변화를 기초로 위상-전기 신호 관계 그래프의 기울기를 조정한다고 볼 수 있다. 간단하게는 전기 신호(Ve1)를 파워 변화 값(
Figure 112019016417878-pat00008
)으로 나누어 전기 신호(Ve2)를 출력할 수 있으나, 출력 신호를 더 정교하게 보정할 수 있다.
Figure 112019016417878-pat00009
Figure 112019016417878-pat00010
특정 시점(t)에 기준 광 파워에 비해 평균 광 파워가 적은 광 펄스로 위상 오차가 검출된다면, 광 파워 변화가 없는 경우에 비해 전기 신호가 작게 출력된다. 따라서, 특정 시점(t)에 광 파워 손실이 있다면, 측정 물리량이 실제보다 작게 검출될 수 있다. 따라서, 출력 신호 보정부(263)는 광 펄스의 파워 변화를 모니터링하고, 파워 변화를 반영하여 위상 오차에 해당하는 전기 신호를 보정함으로써, 광 파워 변화에 무관한 센싱 시스템(200)을 제공한다.
센싱 시스템(200)의 센서(290)가 단차를 측정하는 센서 헤드인 경우, 센싱 시스템(200)은 단차로 이루어진 표면의 삼차원 형상을 측정할 수 있다. 단차 측정 시, 샘플의 위치에 따른 반사율(Reflectance) 차이, 샘플의 깊이에 따른 대물 렌즈(Objective lens)의 집광 효율의 변화(포커싱 효율 변화) 등으로 광 펄스 파워가 변할 수 있다. 이때, 샘플의 단차 사이에서 반사가 안되기 때문에 측정용 광 위상 검출기(250)로 들어가는 광 펄스가 없다. 따라서, 도 2와 같이 측정용 광 위상 검출기(250)로 기준 신호를 동기화하기 어렵다. 따라서, 센서(290)가 단차를 측정하는 센서 헤드인 경우, 측정용 광 펄스의 파워 변화를 직접 측정하고, 파워 변화를 이용하여 측정용 광 위상 검출기(250)의 출력 신호를 보정하는 센싱 시스템(200)이 적용 가능하다.
도 5는 센싱 시스템(200)의 성능을 확인하기 위해, 평면 거울을 측정한 결과이다. 모터 스테이지가 샘플을 한 방향으로 스캔하고 다음 칸으로 넘어가기 전에 광 섬유 증폭기의 증폭 정도를 줄여서 의도적으로 세기 잡음을 만들고, 센싱 시스템(200)이 세기 잡음을 얼마나 억제하는지 확인한 실험 결과이다.
실험 결과, 도 5의 (a)와 같이, 측정 시작 시점의 파워를 기준으로 이미징이 끝날 때 총 84%의 광 파워의 손실이 있었다. 이러한 파워 손실에도 불구하고, 도 5의 (b)와 같이, 파워 변화가 있는 방향으로의 깊이 변화가 측정되지 않았다.
이러한 선형적인 파워 변화 외에도, 도 5의 (a)의 중간처럼 먼지 등에 의해 한 지점의 광 파워가 일시적으로 크게 감소하더라도, 광 파워에 무관하게 일정 깊이가 측정된다.
이처럼, 센싱 시스템(200)은 센서에서 반사되어 돌아온 광 펄스의 파워가 최대 84%까지 변하더라도, 광 펄스에서 깊이 정보를 정확히 추출할 수 있다.
도 6은 한 실시예에 따른 광 위상 검출기의 예시이다.
도 6을 참고하면, 도 3의 광 위상 검출기(130, 150)와 도 4의 광 위상 검출기(230, 250)는 기준 신호와 광 펄스의 위상 오차에 해당하는 전기 신호를 출력하는 다양한 기술로 구현될 수 있다. 예를 들면, 위상 검출기는 샤냑(Sagnac) 루프 간섭계를 이용한 광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD) 등 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 도 3의 광 위상 검출기(150)가 FLOM-PD로 구현된다면, 광 위상 검출기(150)은 서큘레이터(circulator)(151), 루프에 구현된 커플러(153), 위상 변조기(phase modulator)(155), 그리고 사분파장(
Figure 112019016417878-pat00011
) 바이어스(quadrature bias)(157)를 포함할 수 있다. 광 위상 검출기(150)는 광 신호 세기의 차이를 전기 신호로 출력하는 균형 광 검출기(159)를 포함한다.
센서(190)를 지나온 광 펄스는 서큘레이터(151)를 지나 커플러(153)에 도달한다. 커플러(153)는 광 펄스의 파워를 반으로 나누어 두 개의 광 펄스를 생성한 뒤, 루프의 서로 다른 방향으로 전달한다.
위상 변조기(155)는 RF 신호원(170)에서 출력되는 마이크로파를 입력받고, 마이크로파를 이용하여 제1 방향 펄스의 위상을 변조한다. 제1 방향 펄스와 제2 방향 펄스는 사분파장 바이어스(157)를 지나면서 위상 차이가
Figure 112019016417878-pat00012
이 된다.
루프를 서로 다른 방향으로 순환하면서 위상 차이가 발생한 제1 방향 펄스와 제2 방향 펄스는 커플러(153)에서 합쳐지는데, 이때 간섭이 일어난다. 커플러(153)는 합쳐진 광 신호를 분리하고, 분리된 두 광 신호는 균형 광 검출기(159)로 입력된다. 간섭 현상으로 광 펄스와 기준 신호의 위상 오차가 두 광 신호의 세기 차이로 변환된다.
균형 광 검출기(159)는 두 개의 광다이오드와 차등 증폭기를 통해, 두 광 다이오드로 들어온 광 신호의 세기 차이를 전기 신호(Ve)로 출력한다. 전기 신호(Ve)는 전기 펄스와 광 펄스의 위상 오차에 비례하고, 측정 물리량으로 환산된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 마이크로파를 출력하는 RF 신호원,
    펄스 레이저에서 출력된 제1 광 펄스열을 제1 경로를 통해 입력받고, 상기 RF 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 제1 광 펄스열의 위상 오차에 해당하는 제1 전기 신호를 출력하는 제1 광 위상 검출기, 그리고
    상기 펄스 레이저에서 출력된 제2 광 펄스열을 제2 경로를 통해 입력받고, 상기 RF 신호원에서 출력되는 마이크로파와 상기 제2 광 펄스열의 위상 오차를 보상하는 제2 전기 신호를 생성하며, 상기 제2 전기 신호를 상기 RF 신호원으로 피드백하여 상기 RF 신호원을 상기 제2 광 펄스열에 동기화하는 제2 광 위상 검출기를 포함하며,
    상기 제2 광 펄스열은 상기 제2 경로에서 센서를 통과하는 신호로서, 상기 제2 경로를 지나면서 광 파워가 변해서 상기 제2 광 위상 검출기로 입력되고,
    상기 센서의 측정 물리량은 상기 제1 전기 신호로부터 획득되는, 센싱 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 RF 신호원은
    상기 제2 광 위상 검출기로부터 전송된 상기 제2 전기 신호를 기초로 마이크로파의 영점 교차점을 상기 제2 광 펄스열의 위상에 동기화하고,
    상기 마이크로파의 주파수는 상기 펄스 레이저의 반복률의 정수 배인, 센싱 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 광 위상 검출기는
    광 파워가 유지된 상기 제1 광 펄스열로, 상기 제2 광 펄스열의 위상에 동기화된 마이크로파의 전압을 검출하여, 상기 제2 광 펄스열의 위상 정보에 해당하는 상기 제1 전기 신호를 출력하는, 센싱 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 제1 광 위상 검출기와 상기 제2 광 위상 검출기 각각은
    광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현되는, 센싱 시스템.
  6. 광 펄스열을 출력하는 펄스 레이저,
    센서를 통과한 측정용 광 펄스열과 상기 펄스 레이저에 동기화된 기준 신호를 입력받고, 상기 기준 신호와 상기 측정용 광 펄스열의 위상 오차 및 상기 측정용 광 펄스열의 파워에 비례하는 제1 전기 신호를 출력하는 광 위상 검출기, 그리고
    상기 센서로 입력되는 광 펄스열의 기준 파워를 기초로, 상기 센서를 통과한 상기 측정용 광 펄스열의 파워 변화를 모니터링하고, 상기 파워 변화를 이용하여 상기 제1 전기 신호를 보정한 제2 전기 신호를 출력하는 광 파워 보정기를 포함하고,
    상기 광 파워 보정기는
    상기 파워 변화를 이용하여, 상기 기준 파워와 상기 측정용 광 펄스열의 위상 오차에 비례하는 상기 제2 전기 신호를 출력하는, 센싱 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 광 파워 보정기는
    상기 광 위상 검출기로 입력되는 일부 측정용 광 펄스열을 추출하여 상기 파워 변화를 모니터링하는, 센싱 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 광 파워 보정기는
    추출한 일부 측정용 광 펄스열의 파워를 측정하는 광 검출기, 그리고
    상기 광 검출기에서 측정된 결과를 기초로 상기 기준 파워에 대한 상기 센서를 통과한 상기 측정용 광 펄스열의 파워 변화를 모니터링하고, 상기 파워 변화를 반영하여 상기 광 위상 검출기에서 출력한 상기 제1 전기 신호를 상기 제2 전기 신호로 보정하는 출력 신호 보정부
    를 포함하는, 센싱 시스템.
  9. 제6항에서,
    상기 센서는 단차 측정 센서인, 센싱 시스템.
  10. 제6항에서,
    상기 광 위상 검출기는
    광 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(fiber loop-based optical-microwave phase detector, FLOM-PD), 3x3 커플러 기반 위상 검출기, 또는 균형 광-마이크로파 위상 검출기(Balanced optical-microwave phase detector, BOM-PD)로 구현되는, 센싱 시스템.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11902495B2 (en) 2020-06-02 2024-02-13 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Ultrafast camera system and measurement method thereof

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KR101866691B1 (ko) * 2017-04-20 2018-06-12 한국과학기술원 펄스 레이저의 광 펄스열에 대한 비행시간 검출을 이용하는 변형률 센싱 시스템

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