KR102221911B1 - 에너지 시스템 모니터링 - Google Patents

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Abstract

광 커플러는 적어도 하나의 입력 도파로 및 다수의 출력 도파로들을 포함한다. 광 커플러는 입력 도파로에 전송되는 광 신호들을 파장에 따라 출력 도파로들로 공간적으로 분산시킨다. 입력 도포로들 및 출력 도파로들은 출력 도파로들에 전송되는 광 신호들 사이에 누화를 제공하도록 배열된다.

Description

에너지 시스템 모니터링{ENERGY SYSTEM MONITORING}
본원은 포괄적으로 에너지 저장 및/또는 발전 시스템을 포함한 시스템 감시 및/또는 관리 기술에 관한 것이다. 또한 본원은 이러한 기술 관련 요소들, 장치들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다.
충전-상태 (SOC) 및/또는 건강-상태 (SOH) 결정을 위하여 외부 셀 성능 파라미터들에 의존하는 배터리 관리 시스템은 수명에 따른 배터리 충전-상태 및 배터리 열화에 대한 불확실성을 관리하기 위하여 보수적 오버디자인을 초래한다.
배터리의 보수적 오버디자인에 대한 의존도는 널리 채용되고 있는 녹색 기술들 예컨대 전기 차량 및 전원 그리드 저장에 영향을 미친다. 배터리의 보수적 오버디자인은 부분적으로 배터리 상태가 외부 파라미터들만으로는 완전히 이해될 수 없기 때문에 연유한다.
본원에 기재된 다양한 실시태양들은 시스템들, 예컨대 에너지 저장 장치들, 발전 시스템들 및 기타 이러한 장치들 및 시스템들을 감시 및/또는 관리하는 시스템들 및 방법들을 포함한다. 일부 실시태양들은 에너지 시스템 감사에 사용될 수 있는 광학적 감시 시스템을 포함한다. 감시 시스템은 N > 1 광센서들을 포함한다. 각각의 광센서는 입력광에 대한 응답으로 출력광을 방출하고, 출력광은 감지 파라미터에 대한 응답으로 변경되는 중심 파장을 가진다. 광센서들의 출력광은 입력 도파로에 광학적으로 연결되고 광 커플러는 입력 도파로에서 광을 파장에 따라 공간적으로 분산시킨다. 각각의 광센서에서 발출되는 출력광은 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 광검출기에 광학적으로 연결된다. 센서 출력광에 대한 응답으로 광검출기에 의해 발생되는 전기신호는 감지 파라미터에 대한 정보를 제공한다.
도 1은 본원에 기재된 실시태양들에 의한 광 역다중화를 포함한 포괄적 감시 및 관리 시스템 블록도이다;
도 2는 감지용으로 설계된 배열 도파로 격자 (AWG)를 포함한 다중 센서들에 대한 파장 영역 다중화를 도시한 것이다;
도 3은 광섬유 브래그 격자 (FBG) 센서들에 대한 반사 스펙트럼을 도시한 것이다;
도 4는 단일 모드 광섬유 케이블에 배치되는 FBG 센서에 대한 파장 스펙트럼에서 이상적 이동을 도시한 것이다;
도 5는 다중-모드 광섬유 케이블에 배치되는 FBG 센서에 대한 파장 스펙트럼 이동을 보인다;
도 6A, 6B 및 7은 일부 실시태양들에 의한 파장 영역 광 역다중화기로서 사용되는 AWG 및 디지타이저의 출력 도파로들을 더욱 상세히 도시한 것이다;
도 8은 일부 실시태양들에 따른 다중 FBG 센서들을 포함하는 감시 시스템 일부를 도시한 것이다;
도 9A 및 9B는 AWG 일부를 도시한 것이고 일부 실시태양들에 의해 출력 도파로 신호들에 크로스토크를 의도적으로 도입하는 기술을 보인다;
도 10은 소스들 개수가 감소하면 간섭 소스들 (coherent sources) 어레이로부터 방출되는 광의 각 분포가 확대되는 것을 보이는 그래프이다;
도 11은 일부 실시태양들에 의한 시간 및 파장 분할 다중화를 포함하는 감시 시스템 블록도이다;
도 12는 일부 실시태양들에 의해 시간 분할 다중화를 위한 일렬의M 광 스위치들 및 파장 분할 다중화를 위한 AWG를 구현한 감시 시스템 블록도를 도시한 것이다;
도 13은 모듈 레벨에서 센서 출력광 다중화를 위한 구성을 도시한 것이다;
도 14는 일부 실시태양들에 의한 시간 분할 다중화 및 파장 분할 다중화를 이용한 감시 시스템을 도시한 것이다;
도 15A는 시간 분할 다중화에 사용될 수 있는 계층적 스위치 배열을 보이는 블록도이다;
도 15B는 시간 분할 다중화에 사용될 수 있는 통합 스위치 제어를 가지는 계층적 스위치 배열을 보이는 블록도이다;
도 16은 일부 실시태양들에 의한1 x M 다중화 스위치를 보인다.
도면은 반드시 척도를 고려하지 않는다. 도면들에서 동일 도면부호들은 동일한 구성요소들을 언급한다. 그러나 하나의 도면에서 구성요소를 언급하기 위하여 도면부호를 사용하는 것은 동일 도면부호를 가지는 다른 도면에 있는 구성요소를 제한하기 위한 의도는 아니라는 것을 이해하여야 한다.
본 발명에 기재된 실시태양들은 광학적-기반 감시 및 관리 시스템들을 포함한다. 이러한 시스템들은 에너지 생성, 저장 및/또는 분배하는 에너지 장치들 및/또는 시스템들 감시 및/또는 관리에 특히 유용하다. 본원에 개시된 방법들로 이러한 시스템들에 대한 종합적인 실-시간 성능 감시 및 관리가 가능하고, 에너지 시스템들에 대한 오버디자인 필요성이 경감시킨다. 본 발명의 감시 시스템들은 광섬유 센서들을 조합하여 에너지 시스템의 내부 및/또는 외부 파라미터들을 감지한다. 감지 정보는 스마트 알고리즘에 의해 사용되어 에너지 시스템 상태를 추론 및/또는 예측하고 에너지 시스템 관리에 대한 피드백을 제공한다. 본원에 개시된 방법은 다양한 시스템들을 감시 및/또는 관리하기 위하여 사용될 수 있지만, 특히 모듈화 시스템들 예컨대 배터리 및 배터리 팩, 연료 셀 스택, 터빈-기반 동력 시스템들, 태양전지판, 및 기타 유형의 에너지 저장 및 발전 장치들 및 시스템들에 적용될 수 있다. 일부 감시 및/또는 관리 시스템들이 본원에 배터리 시스템 모니터링에 대하여 기재되지만, 개시된 방법은 임의 유형의 시스템에 대한 감시 및/또는 관리에 적용될 수 있다.
일부 실시태양들 파장 영역 역다중화로 광 감지를 포함하는 감시 시스템들에 관한 것이다. 도 1은 감시 및 관리 시스템 (MMS, 100) 블록도이다. 다중 내부 광센서들, S1, S2, . . . SN은, 배터리 (101)의 다중 내부 특성들을 감지하도록 배열된다. 예를들면, 적어도 일부 광센서들 S1, S2, . . . SN은 배터리 (101) 내부에 배치되고 하나 이상의 내부 배터리 파라미터들 예컨대 내부 온도, 응력, 변형, 음향방출, 이온농도, 화학물질, 기체 존재 및/또는 농도, 및/또는 기타 배터리 (101) 내부 파라미터들을 측정한다. 일부 실시태양들에서, 센서들 S1, S2, . . . SN은 각각 동일한 파라미터를 감지한다. 다른 실시태양들에서, 하나 이상의 센서들 S1, S2, . . . SN은 다른 센서에 의해 감지되는 파라미터와는 다른 파라미터를 감지한다. 일부 실시태양들에서, 동일한 파라미터를 감지하는 다중 센서들의 출력이 조합되어 감지 파라미터에 대한 평균 또는 종합 값을 제공한다. 일부 실시태양들에서, 배터리 (101) 내부 및/또는 외부에서 파라미터의 공간 분포에 대한 맵 개발을 위하여 동일 파라미터를 감지하는 다중 센서들이 이용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광센서들 S1, S2, . . . SN은 하나 이상의 센서 도파로들 (도 1에는 단일 광섬유 (FO) 케이블 (130)로 도시)에 배치되고 배터리 (101) 내부에 매몰된다. 각각의 센서들 S1, S2, . . . SN은 FO 케이블 (130)에 있는 다른 센서들과는 상이한 파장 밴드에서 작동된다. 예를들면, 센서 S1은 파장 λ1이 중심인 제1 파장 밴드에서 작동되고, 센서 S2는 λ2가 중심인 제2 파장 밴드에서 작동되고, 센서 SN은 λN이 중심인 제N 파장 밴드에서 작동된다. 각각의 파장 밴드 λ1, λ2, . . λN 은 다른 센서들의 파장 밴드들과 실질적으로 중첩되지 않도록 선택된다. 광센서들 S1, S2, . . . SN은, 광센서들 S1, S2, . . . SN의 작동 파장 밴드들을 포함하여 넓은 파장 밴드에 걸쳐 여기 광을 제공하는 광대역 광원인 광원 (110)과 광학적으로 연결된다. 광센서들 S1, S2, . . . SN의 출력광은 센서 도파로 광섬유 케이블 (130)을 통해 광 커플러 (140) 입력 도파로 (141)로 전파된다. 광 커플러 (140)는 파장 영역 광 역다중화기이며 입력 도파로 (141)의 광을 다중 출력 도파로들 (142)로 광 파장에 따라 공간적으로 분산한다. 다양한 구현예들에서, 광 커플러는 예를들면 선형 가변 전송 구조체 및/또는 배열 도파로 격자로 구성된다.
출력 도파로들 (142)은 다중 광검출기들을 포함하는 디지털화기 (150)에 광학적으로 연결된다. 각각의 광검출기는 광검출기 감광면에 닿는 광에 응답하여 전기신호를 발생하도록 구성된다. 디지털화기 (150)의 광검출기들에 의해 발생되는 전기신호들은 센서들 S1, S2, . . . SN로부터 감지 파라미터들에 대한 정보를 포함한다. 정보는 감시/관리 처리기 (160)에 의해 사용되어 배터리 (101) 상태를 결정하고 및/또는 제어 배터리 동작들에 피드백을 제공한다.
일부 구현예들에서, 시스템은 적어도 N 광검출기들을 포함한다. 일부 구현예들에서, 시스템은 적어도 N 쌍의 광검출기들을 포함한다. 이들 구현예는 더욱 상세하게 하기된다. 추가 광검출기가 사용되어 입력광 강도를, 예를들면, 입력 도파로 (141)에서 분기하여 감시할 수 있다.
관리 처리기 (160)는 센서들에 의해 제공되는 정보에 기초하여 배터리 상태에 영향을 미치는 다양한 프로세스들을 구현하도록 구성된다. 다양한 구현예들에 의하면, 배터리 작동의 일부 양태들, 예를들면, 충전속도 및/또는 충전주기는, 관리 처리기 (160)의 피드백 출력 (161)을 통해 자동 제어될 수 있다. 관리 처리기 (160)는 센서 정보를 이용하여 배터리 상태, 예를들면, 건강 상태 (SOH) 및/또는 충전 상태 (SOC)를 예측 및/또는 추정한다. 예측 및 추정은 이론적 및/ 또는 실험적 모델을 이용하여 이루어지거나 배터리 작동 조건들, 내부 및/또는 외부 파라미터들 측정 및/또는 작동 조건들 및 측정 파라미터들 간의 상관성에 기초하여 적용될 수 있다. 일부 구현예들은 에너지 시스템 감시만을 제공하고 따라서 관리 시스템 요소들을 포함하지 않고, 및/또는 일부 구현예들에서 관리 시스템은 에너지 시스템에 대한 피드백을 제공하지 않는다.
일부 경우들에서, 관리 처리기 (160)에서 획득되거나 처리된 정보는 조작자에게 전자적 또는 인쇄 보고서를 통하여 제공된다. 예를들면, 관리 처리기 (160)는 감지 파라미터들을 편집, 분석, 경향 분석 및/또는 요약하고, 및/또는 감지 파라미터들을 입력으로 사용하여 기타 처리, 예컨대 에너지 시스템 (101)의 상태 예측 및/또는 추정을 수행한다. 이러한 처리 결과들 및/또는 에너지 시스템 (101) 감시에서 유래하는 기타 정보는 보고서로 제공되고 조작자에게 그래프 또는 문자 또는 임의의 편리한 형태로 표시되고 및/또는 다른 컴퓨터 시스템에 제공되어 데이터베이스에 저장 및/또는 추가 분석된다.
FO 케이블 (130)에 배치되는 센서들 S1, S2, . . . SN은 광섬유 브래그 격자 (FBG) 센서들 및/또는 에탈론 또는 파브리-페로 (FP) 센서들을 포함한 임의 유형 (또는 다중 유형)의 광센서로 구성된다. FBG 및 에탈론/FP 센서들 모두는 본원에서 집합적으로 광센서들로 칭한다. 하기 제공되는 일부 실시예들은 FBG 센서들에 기초하지만, 이들 및 다른 실시태양들에서 다른 유형의 광센서들이 대안으로 또는 추가로 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 1을 다시 참조하면, 광원 (110)에서 빛은 FO 케이블 (130)을 통해 센서들 S1, S2, . . . SN으로 이동한다. 입력광은 FO 케이블 (130)을 따라 이격 배치되는 FBG 센서들 S1, S2, . . . SN과 상호 작용한다. 각각의 FBG 센서는 일부 입력광을 반사하고, 반사광을 광센서에서 방출되는 출력광으로 칭한다. 모든 센서들로부터 출력광은 FO (130)를 통해 광 역다중화기 (140)의 입력 도파로 (141)로 이동한다.
FBG 센서들은 FO 케이블 코어의 한정된 길이 (전형적으로 수 mm)를 따라 주기적 굴절률 조정 (modulation)으로 형성된다. 이러한 패턴은 FBG 센서의 굴절률 프로파일 주기성으로 결정되는 브래그 파장으로 칭하는 파장을 반사한다. 실제로, 센서는 전형적으로 브래그 파장에 중심을 둔 좁은 파장 밴드를 반사한다. 외부 자극의 특유 (characteristic) 또는 기본 (base) 값에서 브래그 파장은 λ로 표기되고, 피크, 중앙, 또는 중심 파장 λ (및 λ 주위 좁은 파장 밴드)를 가지는 빛은 예정 기본 조건에 있을 때 센서에서 반사된다. 예를들면, 기본 조건은 섭씨 25도 및/또는 무 변형에 해당될 수 있다. 센서가 외부 자극, 예컨대 온도, 변형, 또는 기타 이러한 자극에 노출되면, 자극은 격자 주기성 및 FBG 굴절률을 변경시키고, 반사광이 기본 파장, λ과 상이한 피크, 중앙, 또는 중심 파장, λs를 가지도록 반사광을 변경시킨다. 형성되는 파장 이동, Δλ/λ = (λ - λs)/λ 이 자극의 대용 측정이다.
FBG 센서들은 예를들면 굴절률 n, 변형율 ε 1 변화, 및 주변 온도 변화 ΔT를 감지할 수 있다. 센서 요소 영역에 걸쳐 FO 피복재를 벗기거나 및/또는 이러한 감지 구역에 적당한 코팅재를 추가함으로써 센서의 화학적 환경에 대하여 굴절률 n이감지된다. 달리, 환경의 화학 조성 변형 신호로 전환시키는 특수 코팅재를 적용하여 FBG 센서들은 화학적 환경을 감지한다 (예를들면 팔라듐 코팅재에 기반하는 수소 센서들). 본원에 기재된 실시태양들에 의하면, 광센서들 예컨대 FBG 센서들은 성능에 영향을 미치는 배터리 셀들에서 화학 조성 변화를 검출한다. 이러한 예시로는 수분 침투로 인한 Li-이온 셀에서의 부식제 플루오르화 수소 (HF) 형성이다.
FBG의 온도 변화 감지로 배터리 셀 내부의 국부 온도가 감시된다. 이는 일반적으로 배터리 시스템 관리에 유용하지만, 특히 열 폭주의 조기 발견에 유용하다. 열 폭주는 배터리 화학물질에 영향을 미치고 높은 에너지 밀도로 인하여 리튬-이온 셀에서 파괴적이다. 열 폭주 과정에서, 고장 셀의 고열은 다른 셀로 전파되고, 열적으로 불안정하게 된다. 일부 경우들에서, 각각의 셀이 자체 시간에 따라 분해되는 연쇄 반응이 일어난다. 배터리 셀 팩은 수 초 내에 파손되거나 각각의 셀이 하나씩 소모되므로 수 시간 동안 지연될 수 있다.
FBG 센서들의 변형에 대한 감지로 FBG 센서들은 배터리 전극들 내부로 매몰되어 전극들의 팽창/수축 주기들을 감시할 수 있다 (예를들면 리튬-이온 셀에서 충전 수준을 추정하는데 유용하다). 추가로, 전극 변형 측정으로 전극들 열화, 따라서 배터리의 전체 열화를 검사할 수 있다. 변형에 대한 FBG 감지로 또한 셀 벽 변형을 포착함으로써 내부 셀 압력 측정이 가능하다.
FBG 센서들을 이용하여 에너지 시스템 파라미터들을 측정하면, 관심 있는 다중 파라미터들의 개별 기여도를 구분하고 정량할 수 있다는 것이 유리하다. 일부 경우들에서, 관심 파라미터가 다른 파라미터들의 기여도에 대하여 보상되도록 다중-센서 구성을 이용할 수 있다. 예를들면, 온도-보상 화학물질 감지에2 센서들을 근접하게 배열하는 2-센서 방법을 적용한다. 일부 구현예들에서, 두 센서들 중 제1 센서는 온도에 노출되고 또한 피복재를 벗겨서 화학적 환경에 노출된다. 두 센서들 중 보상에 적용되는 제2 센서는 피복재를 유지하고 단지 온도만을 감지한다. 유사 구성들을 온도-보상 변형 측정 및 변형-보상 온도 측정에 대하여 적용할 수 있다.
온도-보상 변형 측정에 있어서, 두 FBG 센서들을 근접하게 배치하고 제1 센서는 변형 및 온도에 노출하고 보상에 사용되는 제2 센서는 온도에 노출되지만 변형에 대하여는 그렇지 않다. 제2 센서의 온도 측정은 제1 센서의 반사 파장에서 온도-유발 변화 보상에 사용된다. 예를들면, 제1 센서는 배터리 전극 또는 셀 벽 내부에 놓이고 제2 센서는 근처에 및/또는 제1 센서 위치와 거의 같은 온도를 가지는 지점에 놓이지만 공지 및/또는 불변 변형에 노출된다. 예를들면, 제2 센서는 전극 또는 셀 벽 내부가 아닌 근처에 배치되고, 또는 변형에서 단절되지만 얇은-벽, 전기적-절연 관을 통해 온도에 대하여는 그렇지 않다.
광섬유 센서들, 예컨대 FBG 센서들 및 에탈론 (파브리-페로) 센서들이 시스템들 감시에 사용된다. 광섬유 센서들은 여러 가혹 환경들에서 견디고 수행된다는 것이 입증되었다. 가장 일반적인 사용 재료는 실리카이고, 이는 부식 저항성이고, 높은 인장 변형에 견디고, -200℃ 내지 800℃에서 활성이다. 실리카-기반의 FBG 센서들은 시험에서 300℃까지 이력 현상 없이 피크 파장의 반복적인 온도 의존성을 제공한다. FBG 센서들은 납산 배터리에서 장기간 활성이고 (13-25 년) 적어도 HF에서 1년 (Li-이온 배터리 부산물; 1년은 HF 형성 개시 후 Li-이온 배터리 수명보다 긴 것으로 예상)으로 예상된다. 또한 다양한 유형의 플라스틱이 FO 케이블들 및 광센서 용도로 유용하다. 광섬유 센서들 예컨대 FBG 센서들은 충격 및 진동에 대하여 기계적으로 견고하다. 따라서, 에너지 저장/전력 시스템들 예컨대 배터리에서 매몰된 광섬유 센서들은 다양한 아키텍처 및 화학물질에 걸쳐 관련 파라미터들을 신뢰성 있게 측정하고 감시하기 위한 매력적인 해결책을 제공한다.
도 1에 도시된 바와 같이FBG-기반의 감지로 인하여 다중 감지 요소들, 예를들면, 약 64 센서들이 단일 FO 케이블에 조합될 수 있다. 일부 방법들에서, 각각의 센서들 S1, S2, . . . SN은 개별적으로 파장 영역 다중화 및 역다중화를 통해 질의된다 (interrogated). 일부 방법들에서, 도 11을 참조하여 하기되는 바와 같이, 다중 센서 모듈들에 배치되는 센서들은 시간 영역 다중화 및 파장 영역 다중화 및 역다중화 조합을 통해 개별적으로 질의된다.
일부 구현예들에서, 배터리 셀 내부에 배치되는 센서 도파로 (130) 양단들은 광 스위치들 (도 1에는 미도시)을 통해 광원 (110) 및 광 커플러 (140)와 광학적으로 연결된다. 센서 도파로 양단들의 연결은 센서 도파로 절단의 사고에 유용할 수 있다. 예를들면, FO 케이블 (130)이 센서들 S1 및 S2 사이에서 두 부분으로 절단되고 FO 케이블 (130) 양단들은 광원 (110) 및 광 커플러 (140)로 광 스위치들을 통해 연결되는 경우를 고려한다. 본 예시에서, 단일 FO 케이블은 초기에 모든 센서들 S1 내지 SN을 포함하지만, 절단 후, 센서들 S1 내지 SN은 두 FO 케이블들에 배치된다고 고려될 수 있다. 절단 FO 케이블의 경우에도, FO 케이블 양단들이 선택적으로 광원 (110) 및 광 커플러 (140)에 광 스위치를 통해 광학적으로 연결된다면 모든 센서들 S1 내지 SN은 여전히 FO 케이블 (130)의 두 부분들을 통해 접근될 수 있다. 절단 FO 케이블 일부들 각각에 있는 센서들은 FO 케이블 일부들에서 나오는 신호를 시간 다중화하여 접근할 수 있다. 상기 경우들에서, 광 스위치들이 제1 상태에 있을 때 센서 S1의 신호는 절단 FO 케이블 (130)의 제1 일부를 통해 접근될 수 있고 광 스위치들이 제2 상태에 있을 때 센서들 S2 내지 SN의 신호들은 절단 FO 케이블 (130)의 제2 일부를 통해 접근될 수 있다.
일부 실시태양들에서 처리기 (160)는 예를들면, 접근 불가 센서들의 파장들에서 신호 부재로 센서 도파로 절단을 검출할 수 있다. 처리기가 절단 케이블을 검출할 수 있다면, 절단 FO 케이블의 양쪽들을 통하여 FO 케이블의 모든 센서들에 대한 감시를 개시하도록 구성될 수 있다. FO 케이블 양단들의 결합은 단 하나의 센서가 FO 케이블에 배치되는 구현예에서 유용할 수 있다. 예를들면, FO 케이블이 S1만을 포함하는 경우를 고려하자. FO 케이블이 광원 및 광 커플러 및 S1 사이에서 절단된다면, 상기와 같이 FO 케이블 양단들이 광원 및 광 커플러에 광학적으로 연결되지 않는 경우 S1은 접근될 수 없을 것이다.
본원에 개시된 실시태양들은 도 2에 도시된 바와 같이 감지용으로 설계되는 배열 도파로 격자 (AWG)를 이용한 다중 센서들에 대한 파장 영역 다중화 및 역다중화를 포함한다. 도 2는 다수의 배터리 셀, 배터리 셀 1, 배터리 셀 2, . . . 배터리 셀 N을 도시하고, 각각의 배터리 셀은 각자 배터리 셀 내부, 상부 또는 근처에 FBG 센서, FBG1, FBG2, . . . FBGN을 가진다. FBG1은 피크, 중앙, 또는 중심 파장 λ1의 파장 밴드에서 작동하고, FBG2는 피크, 중앙, 또는 중심 파장 λ2의 파장 밴드에서 작동하고, FBGN은 중앙 파장 λN의 파장 밴드에서 작동한다. 각각의 FBG는 상이한 파라미터에 최선으로 감지되어, FBG1은 파라미터 1에, FBG2는 파라미터 2에, FBGN은 파라미터 N에 최선으로 감지된다. 파라미터 1 변화는 FBG1에서 반사되는 광 파장을 λ1 에서 (λ1 +/- Δ1)로 이동시키고, 파라미터 2 변화는 FBG2에서 반사되는 광 파장을 λ2 에서 (λ2 +/- Δ2)로 이동시킨다. 감지 파라미터들 변화로 인한 파장 이동은 개별 FBG의 특유 기본 파장들 사이 간격과 비교하여 너무 작다. 따라서, 광 파장 영역 역다중화 방식에서 분산 요소들 예컨대 배열 도파로 격자들, 선형 가변 필터들 및/또는 기타 분산 요소들을 이용하여 상이한 FBG의 정보를 분리하는 것이 가능하다. 더욱 상세하게 하기되는 바와 같이, 광 시간 영역 다중화 방식은 임의선택적으로 구현될 수 있고 파장 영역 역다중화와 함께 사용될 수 있다.
광원 (210)은 서큘레이터 (215)를 통해FBG에 입력광을 제공하도록 구성된다. 광원 (210)은 각각의 FBG 센서들에 대한 입력광을 제공하고 및 예상되는 반사 파장 범위들에 걸쳐 충분히 넓은 대역폭을 가진다. AWG는 N 쌍의 출력 도파로들 (245)을 포함하고, 각 쌍의 출력 도파로들 (245)은 특정 FBG의 반사 출력 주위 파장에 중심을 가진다. 광원에서 나온 빛은 서큘레이터를 통하여 이동되고 FBG에서 출력광으로 반사된다. FBG에서 방출되는 출력광은 센서 광 도파로 (230)에서 서큘레이터 (215)를 거쳐 광 파장 영역 역다중화기로 사용되는 AWG (240)로 전송된다. 광 역다중화기로서 사용될 때, AWG 입력 도파로 (241)에서 나온 빛은 회절을 통해 광 파장에 따라 출력 도파로들 (245)로 분산된다. 예를들면, AWG는 중앙 파장 1550 nm, 채널 간격이 100 GHz (파장으로0.8 nm)인16 출력 채널들을 가질 수 있다. 이러한 경우, 1549.6 nm 입력광은 채널 8로 들어가고, 1550.4 nm 입력광은 채널 9로 들어간다.
AWG는 입력 도파로 (241), 제1 슬래브 도파로 (242), 배열 도파로들 (243), 제2 슬래브 도파로 (244), 및 출력 도파로들 (245)을 포함한다. 배열 도파로들 (243) 각각은 점차 다른 것보다 길어진다. 입력광은 배열 도파로들 (243)로 둘러싸인 제1 슬래브 도파로 (242)에서 분할된다. 각각의 배열 도파로 (243) 출력에서, 빛은 파장-의존성 위상 이동이 누적되고, 이것 또한 하나의 도파로에서 다른 것으로 점차 커진다. 배열 도파로들 (243) 출력은 간섭 소스들 어레이와 유사하다. 따라서, 배열 도파로들 (243)에서 제2 슬래브 도파로 (244)로 방출되는 빛의 전파 방향은 회절 격자에서와 같이 소스들 사이 증분 위상 이동 및 따라서 파장에 의존한다.
일부 실시태양들에서, 광 커플러, 예를들면, AWG, 포토다이오드 어레이 및/또는 디지털화기는 평면 광파 회로, 즉, 집적형 광소자로서 배열된다. 예를들면, 이러한 시스템 요소들은 광 및/또는 전자 빔 리소그래피 기술을 이용하여 실리콘-온-절연체 (SOI) 웨이퍼로 제조된다.평면 광파 회로는 광섬유에 결합되고, 실리콘에 이방성 식각된 V-홈들을 이용하여 정렬된다. 실리곤 밴드 갭 이하의 에너지들에서 광 검출을 제공하기 위하여 다른 반도체, 예를들면 게르마늄과의 혼성 집적화가 가능하다.
AWG (240)에서, 배열 도파로들 (243) 출력 (및 따라서 슬래브 도파로 (244) 입력 측)은 주어진 곡률반경의 원호를 따라 배열되어 방출 광은 제2 슬래브 도파로 (244)로 들어가고 제한된 거리에서 초점을 맞춘다. 이하 설명되는 바와 같이 출력 도파로들 사이에서 의도적으로 “크로스토크”를 도입하기 위하여 초점들 전 또는 후에 설정될 수 있지만 명목상 출력 도파로들 (245) 입력들은 특정 파장들에 해당되는 초점들에서 배치된다. 따라서, AWG (240) 입력 (241)에 있는 빛은 광 파장에 따라 출력 도파로들 (245) 중 주어진 하나로 수동적으로 이동된다. 따라서, 센서들 FBG1, FBG2, FBGN에서 나온 출력광은 출력광 파장에 따라 출력 도파로들 (245)로 이동된다.
출력 도파로들 (245)은 광검출기들, 예를들면, 2N 광검출기들을 포함하는 디지털화기 (250)에 광학적으로 연결된다. AWG에서 파장-기반의 공간 분산으로 인하여, 센서들 FBG1, FBG2, . . . FBGN에서 나온 출력광은 디지털화기 표면을 따라 공간적으로 분포된다. 광검출기들은 출력 도파로들에서 나온 빛을 감지하고 감지 파라미터들에 대한 정보를 포함한 전기신호들을 발생시킨다.
도 3은 광학적으로 다중화되는 센서 출력으로 에너지 저장/전원 시스템의 작동을 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광대역 광은 예를들면 발광다이오드 (LED) 또는 초발광 레이저 다이오드 (SLD)를 포함하거나 이들일 수 있는 광원 (310)에 의해 전송된다. 광대역 광의 신호 특성 (강도 vs. 파장)은 삽입 그래프 (391)에 의해 보여진다. 광은 FO 케이블 (311)을 통하여 제1 FBG 센서 (321)로 전송된다. 제1 FBG 센서 (321)는 피크, 중앙 또는 중심 파장, λ1인 제1 파장 밴드의 빛 일부를 반사한다. 제1 파장 밴드 외의 파장을 가지는 빛은 제1 FBG 센서 (321)을 통과하여 제2 FBG 센서 (322)로 전송된다. 제2 FBG 센서 (322)로 전송되는 광의 신호 특성은 삽입 그래프 (392)로 보여지고 λ1 중심의 제1 파장 밴드에서 노치를 보이고 이는 본 파장 밴드의 빛이 제1 센서 (321)에 의해 반사된 것을 나타낸다.
제2 FBG 센서 (322)는 중심 또는 피크 파장, λ2인 제2 파장 밴드의 빛 일부를 반사한다. 제2 FBG 센서 (322)에 의해 반사되지 않은 빛은 제2 FBG 센서 (322)를 통과하여 제3 FBG 센서 (323)로 전송된다. 제3 FBG 센서 (323)로 전송되는 광의 신호 특성은 삽입 그래프 (393)으로 보여지고 λ1 및 λ2 중심으로 노치들을 포함한다.
제3 FBG 센서 (323)는 중심 또는 피크 파장, λ3인 제3 파장 밴드의 빛 일부를 반사한다. 제3 FBG 센서 (323)에 의해 반사되지 않은 빛은 제3 FBG 센서 (323)를 통과한다. 제3 FBG 센서 (323)를 통과하는 광신호 특성은 삽입 그래프 (394)로 보여지고 λ1, λ2 및 λ3 중심의 노치들을 포함한다.
중심 파장 λ1, λ2 및 λ3 인 파장 밴드 (381, 382, 383)(삽입 그래프 (395)에 도시)의 빛은 각각 제1, 제2, 또는 제3 FBG 센서 (321, 322, 323)에 의해, FO 케이블들 (311, 311’)을 따라 광 파장 역다중화기로 반사된다. 파장 역다중화기로부터, 센서 광은 디지털화기/분석기로 이동된다. 디지털화기/분석기는 각각의 중심 파장 λ1, λ2 및 λ3 에서의 이동 및/또는 센서들 (321 - 323)에 의해 반사되는 파장 밴드를 특유 베이스 파장 (공지 파장)과 비교하여 센서들 (321 - 323)에 의해 감지된 파라미터들에서 변화 여부를 판단한다. 디지털화기/분석기는 하나 이상의 감지된 파라미터들이 파장 분석에 기반하여 변화 여부를 판단하고 상대적 또는 절대적 변화 측정값을 계산한다.
일부 경우들에서, 광대역 광을 발광하는 대신, 광원은 파장 범위를 스캔하고, FO 케이블에 배치되는 다양한 센서들이 감지할 수 있는 협소한 파장 밴드의 광을 발광한다. 반사광은 협폭의 빛 발광에 대하여 다수의 긴 감지 구간에서 감지된다. 예를들면, 센서들 1, 2, 및 3이 FO 케이블에 배치된 경우를 고려하자. 센서 1은 파장 밴드 (WB1)를 감지하고, 센서 2는 파장 밴드 WB2를 감지하고, 센서 3은 WB3에 감지된다. 광원은 시간 구간 1에서 WB1을 가지는 빛을 방출하고 시간 구간 1과 중첩되는 시간 구간 1a에서 반사광을 감지하도록 제어된다. 시간 구간 1a에 이어, 광원은 시간 구간 2에서 WB2를 가지는 빛을 방출하고 시간 구간 2와 중첩되는 시간 구간 2a에서 반사광을 감지하도록 제어된다. 시간 구간 2a에 이어, 광원은 시간 구간 3에서 WB3를 가지는 빛을 방출하고 시간 구간 3와 중첩되는 시간 구간 3a에서 반사광을 감지하도록 제어된다. 이러한 시간 영역 다중화 기법을 이용하여, 각각의 센서들은 불연속 시간 구간들에서 질의될 수 있다.
에너지 저장/전원 시스템 모니터링에 사용되는 FO 케이블은 (도 3에 도시된 바와 같은) 단일 모드 (SM) FO 케이블 또는 다중-모드 (MM) FO 케이블로 구성될 수 있다. 단일 모드 광섬유 케이블은 해석하기 더욱 용이한 신호를 주지만, 더욱 광범위한 적용성 및 더욱 낮은 제조 비용을 달성하기 위하여, 다중-모드 섬유가 사용될 수 있다.
MM 섬유는 전형적으로 SM 섬유에 사용되는 실리카 대신 플라스틱으로 제조된다. 플라스틱 섬유는 실리카 섬유 회전 반경과 비교할 때 더욱 작은 회전반경을 가진다. 플라스틱 섬유가 예를들면 배터리 셀들 및 연료 셀 스택의 개별 셀들 내부로 매몰될 때 이는 만곡 또는 유연 구조 가능성을 제공한다.. 또한, MM 섬유는 초발광 다이오드 (SLDs)로 더욱 정밀한 정렬이 요구되는 SM 섬유와는 달리 더욱 저렴한 광원 (예를들면, LED)으로 작동될 수 있다. 따라서, MM 섬유에서 광학 센서들에 기반한 감지 시스템은 더욱 낮은 비용 시스템을 구성할 수 있다.
도 4는 SM FO 케이블에 배치되는 FBG 센서에서 반사되는 이상적인 광을 나타낸 것이다. 특유 (characteristic) 베이스 또는 공지 상태에서, FBG 센서는 중심 파장, λ인 상대적으로 협소한 파장 밴드 (410) 광을 반사한다. FBG 센서가 감지 조건에서 변화, 예를들면, 온도, 변형, 화학적 환경에서 변화를 감지한 후, 센서에 의해 반사되는 광은 중심 파장 λs인 상이한 파장 밴드 (420)로 이동된다. 파장 밴드 (420)는 파장 밴드 (410)과 비교할 때 폭, 진폭 및 다른 형태 특성들에 있어서 유사하지만, 파장 밴드 (420) 중심 파장, λs은 파장 밴드 (410) 중심 파장, λ로부터 감지 조건에서의 변화와 관련된 정도만큼 이동된다. 유사한 폭의 파장 밴드는 예를들면 유사한 반치전폭 (FWHM) 값들을 가지는 파장 밴드로 확인될 수 있다.
도 5는 MM FO 케이블에 배치되는 FBG 센서들의 실제 데이터를 도시한 것이다. MM FO 케이블들에 배치되는 FBG 센서들은 단지 하나의 파장 밴드만이 격자에 의해 반사되는 SM FO 케이블 상의 FBG 센서들과는 달리 다중 파장 밴드의 빛을 반사한다. 특유 베이스 조건에서, 센서는 그래프 (510)으로 보이는 더욱 협소한 다중 파장 밴드 (또한 모드라고도 칭함)를 포함하는 특유 신호를 반사한다. 감지 파라미터에서 변화가 발생되면, 반사된 파장 신호 (520)는 실질적으로 형상을 유지하지만, 감지된 조건에 응답하여 파장이 이동된다. 본원의 방식들은 MM FBG 센서들을 질의하기 위하여 연장될 수 있다.
도 6A는 일부 실시태양들에 따라 파장 영역 광 역다중화기 (예를들면 도 1의 요소 (140))로서 사용되는 AWG 출력 도파로들 및 디지털화기 (예를들면, 도 1의 요소 (150))를 더욱 상세하게 도시한 것이다. 본 구성에서 2N 광검출기들이 각자 연결되어 N 센서들로부터 빛을 수신한다. AWG는 중심 파장들 λ1, λ2, . . . λN 인 센서 출력광을 출력 도파로 쌍들 (645a,b, 646a,b, . . . 647a,b)로 공간적으로 분산한다. 중심 파장 λ1을 가지는 센서 출력광은 도파로 쌍 (645a, 645b)으로; 중심 파장 λ2를 가지는 센서 출력광은 도파로 쌍 (646a, 646b)으로; 중심 파장 λN을 가지는 센서 출력광은 도파로 쌍 (647a, 647b)으로 분산된다. 출력 도파로 (645a)에서 나온 빛은 검출 광에 응답하여 신호 I11 을 발생하는 광검출기 (655a)에 광학적으로 연결되고; 출력 도파로 (645b)에서 나온 빛은 검출 광에 응답하여 신호 I12 를 발생하는 광검출기 (655b)에 광학적으로 연결되고; 출력 도파로 (646a)에서 나온 빛은 검출 광에 응답하여 신호 I21 을 발생하는 광검출기 (656a)에 광학적으로 연결되고; 출력 도파로 (646b)에서 나온 빛은 검출 광에 응답하여 신호 I22 를 발생하는 광검출기 (656b)에 광학적으로 연결되고; 출력 도파로 (647a)에서 나온 빛은 검출 광에 응답하여 신호 IN1 을 발생하는 광검출기 (657a)에 광학적으로 연결되고; 출력 도파로 (647b)에서 나온 빛은 검출 광에 응답하여 신호 IN2 를 발생하는 광검출기 (657b)에 광학적으로 연결된다.
센서의 출력광 중심은 감지 파라미터에 응답하여 이동되므로, AWG는 센서의 출력광 공간 위치를 또한 이동시킨다. 예를들면 도 6A에 도시된 바와 같이 초기에 중심 λ1을 가지는 센서 출력광은 중심 λ1 + Δ1로 이동되고, 출력 도파로 (645a)에 의해 전달되는 광량이 감소되고 출력 도파로 (645b)에 의해 전달되는 광량은 증가한다. 따라서, 광검출기 (655a)에 의해 검출되는 광량은 감소되고 광검출기 (655b)에 의해 검출되는 광량은 증가하여 광전류들 I1 및 I2가 이에 상응하여 변한다. 따라서, 감지 파라미터에서 이동으로 센서 출력광 중심은 λ1 에서 λ1 + Δ1 로 이동되고 이는 다시 I12에 대한 I11의 비율 변화로 나타난다.
각각의 포토다이오드의 광전류는 저항 또는 트랜스임피던스 증폭기로 전압으로 전환되고, 감지되고 디지털화된다. ith FBG에 대한 파장 이동은 다음 식으로 계산된다:
Figure 112015063764703-pat00001
식 중, λi 는 ith FBG의 추정 파장, λi0 은 출력 도파로 쌍의 중앙 파장, Δλ는 출력 도파로 쌍의 피크 전송 파장들 간의 파장 간격, 및 I2i 및 I2i-1은 각각의 도파로 쌍 출력에서 광검출기들에 의해 기록된 빛의 강도이다. 주어진 FBG의 감지된 파장 이동으로부터, 감지 파라미터들의 값들을 계산할 수 있고, 다시, 이러한 특성들이 관찰된 파장 이동을 변화시킨다고 알려져 있다면 FBG에 의해 감지된 파라미터들에 상응하는 배터리 또는 기타 에너지 시스템들의 특성들을 계산할 수 있다. 일부 실시태양들에서, FBG는 대략 Δλ/2와 같은 FWHM을 가지므로, FBG의 반사 피크가 쌍의 하나의 광검출기에서 다른 것으로 이동되면, 쌍의 차동 신호에서 (상기 식에서 분자) 연속 및 단조적 변화가 존재한다.
도 6B는 일부 실시태양들에 따라 파장 영역 광 역다중화기 (예를들면 도 1의 요소 (140))로서 사용되는 AWG의 출력 도파로들 및 디지털화기 (예를들면, 도 1의 요소 (150))의 다른 구성을 더욱 상세하게 도시한 것이다. 본 구성에서 N 광검출기들은 N 센서들에서 빛을 각자 수신하도록 연결된다. AWG는 중심 파장들 λ1, λ2, . . . λN 을 가지는 센서 출력광을 출력 도파로들 (645, 646, . . . 647)로 공간 분산한다. 중심 파장 λ1을 가지는 센서 출력광은 도파로 (645)로 분산되고; 중심 파장 λ2를 가지는 센서 출력광은 도파로 (646)로 분산되고; 중심 파장 λN 을 가지는 센서 출력광은 도파로 (647)로 분산된다. 출력 도파로 (645)에서 나온 빛은 검출 빛에 대한 응답으로 신호 I1을 발생하는 광검출기 (655)에 광학적으로 연결되고; 출력 도파로 (646)에서 나온 빛은 검출 빛에 대한 응답으로 신호 I2를 발생하는 광검출기 (656)에 광학적으로 연결되고; 출력 도파로 (647)에서 나온 빛은 검출 빛에 대한 응답으로 신호 IN을 발생하는 광검출기 (657)에 광학적으로 연결된다.
센서의 출력광 중심이 감지 파라미터에 대한 응답으로 이동되므로, AWG는 센서의 출력광 공간 위치 또한 이동시킨다. 예를들면, 도 6B에 도시된 바와 같이 초기에 중심 λ1을 가지는 센서 출력광은 중심 λ1 + Δ1로 이동된다면, 출력 도파로 (645)에 의해 전송되는 광량은 증가한다. 따라서, 광검출기 (655)가 검출하는 광량이 증가되고 광전류 I1는 이에 상응하여 변한다. 따라서, 감지 파라미터에서의 이동으로 센서 출력광 중심은 λ1에서 λ1 + Δ1로 이동되고, 이는 다시 전류 I1 변화를 초래한다.
광원 (예를들면, 도 1에서 110) 강도 변동으로 인한 광검출기 전류 변화는 전류 IN+1을 발생시키는 추가 광검출기 (699)로 광원 강도를 측정함으로써 센서 출력광에서 파장 이동으로 인한 광검출기 전류 변화와 구분된다. 이후, 센서 1에 대한 비율 I1/IN+1, 센서 2에 대한 I2/IN+1로부터 파장 이동이 계산된다.
주어진 FBG의 감지된 파장 이동으로부터, 감지 파라미터들의 값들을 계산할 수 있고, 다시, 이러한 특성들이 관찰된 파장 이동을 변화시킨다고 알려져 있다면 FBG에 의해 감지된 파라미터들에 상응하는 배터리 또는 기타 에너지 시스템들의 특성들을 계산할 수 있다.
도 7은 일부 실시태양들에 따라 파장 영역 광 역다중화기로서 사용되는 AWG의 출력 도파로들, 추가 분산 요소, 및 디지털화기를 더욱 상세히 도시한 것이다. 본 실시예에서, 초기 중심 파장들 λ1, λ2, . . . λN 을 가지는 센서들 1, 2 . . . N 출력광은 AWG의 출력 도파로들 (745, 746, . . . 747)에 각자 공간적으로 분산된다. 출력 도파로들 (745, 746, . . . 747)에서 나오는 빛은 선형 가변 전송 구조체 (LVTS, 765, 766, . . . 767) 또는 기타 공간적으로 분산 광 요소에 입사된다.
임의선택적으로, LVTS는 출력 도파로 (745, 746 . . . 747)에서 나온 빛을 LVTS (765, 766, . . . 767) 입력 표면에 걸쳐 시준 및/또는 분산하는 확산 요소들 (755, 756 . . . 757)을 포함한다. 출력 도파로들 (745, 746, . . . 747)에서 나온 빛이 충분히 확산되는 구조에서는, 확산 요소들은 사용되지 않는다. LVTS (765, 766, . . . 767)는 분산 요소, 예컨대 프리즘 또는 선형 가변 필터를 포함한다. LVTS (765, 766, . . . 767)는 도파로 (745, 746, . . . 747) 및 (임의선택적으로) 확산 요소 (755, 756, . . . 757)로부터 입력 표면 (765a, 766a, . . . 767a)에 광을 수신하여 출력 표면 (765b, 766b, . . . 767b)으로부터 광검출기 쌍 (775, 776, . . . 777)에 광을 전달한다. LVTS (765, 766, . . . 767)의 출력 표면 (765b, 766b,. . . 767b)에서, 광 파장은 출력 표면 거리에 따라 달라진다. 따라서, LVTS (765, 766, . . . 767)는 LVTS (765, 766, . . . 767) 입력 표면 (765a, 766a, . . . . 767a)에 입사되는 광 신호를 광 파장에 따라 더욱 역다중화 한다.
도 7은 LVTS (765)에서 방출되는 두 개의 파장 밴드들을 보이고, 초기 방출 밴드는 출력 표면 (765b)을 따라 기준 위치 (REF)로부터 거리 d1에서 방출되는 중심 파장 λ1을 가진다. 감지 파라미터에 응답하여, 초기 파장 밴드는 중심 파장 λ 1 +Δ1을 가지는 파장 밴드로 이동된다. 이동된 파장 밴드는 기준 위치로부터 거리 dΔ1에서 방출된다.
LVTS (765)를 통해 전송되는 빛이 광검출기 쌍 (775)에 도달되도록광검출기 쌍 (775)은 LVTS (765)에 상대적으로 위치한다. 예를들면, 파장 λ1을 가지는 빛은 주로 광검출기 (775a)에 도달하고 파장 λ1+Δ1을 가지는 빛은 주로 광검출기 (775b)에 도달한다. 광검출기 (775a)는 감광면에 도달되는 빛에 응답하여 신호 I11을 발생하고 광검출기 (775b)는 감광면에 도달하는 빛에 응답하여 신호 I12를 발생한다. 신호들 I11, I12는 감지 파라미터에 대한 정보를 포함하므로 I11 및 I12 비율 변화는 감지 파라미터에서의 변화를 나타내고, 이는 상기 식으로 계산될 수 있다.
도 8은 배터리 셀 배터리 셀 1, 배터리 셀 2, 배터리 셀 3, 배터리 셀 4, 배터리 셀 5에 삽입되는 다중 센서 도파로들 (801, 802, 803, 804, 805)에 각자 배치되는 다중 FBG 센서들, FBG1, FBG2, FBG3, FBG4, FBG5를 포함하는 감시 시스템 일부를 도시한 것이다. 다중 센서 도파로들 각각은 AWG (810)의 입력 도파로 (811)에 각자 광학적으로 연결된다. FBG 센서들 각각에서 나오는 출력광은 AWG (810)에 의해 도파로 (812)로 다중화 되고, 이는 서큘레이터 및 광원 (도 2의230에서와 같이)에 광학적으로 연결되며, 이는 이후 파장 영역 역다중화기 입력 도파로, 예컨대 도 2에 도시된 AWG (240)에 연결된다.
전통적으로, AWG는 고속 통신 시스템들에 사용되었고 인접 채널들 사이에 크로스토크를 최소화하도록 설계된다. 이는 디지털 통신에서 비트 오류율이 아주 낮아야 하므로 (10-12 정도) 중요하고 따라서 하나의 채널로부터 빛이 다음 채널로 누설되는 것은 차선이다. 본원에 기재된 실시태양들은 감지용으로 특히 설계되는 AWG를 포함한다. 이들 AWG는 의도적 인접 채널들 사이에 크로스토크를 도입한다.
일부 실시태양들에서, 크로스토크를 가지는AWG는 출력 도파로들 쌍에서 인접 출력 도파로들 사이 중앙-대-중앙 간격이 출력 도파로들에서 광 스폿 사이즈보다 작도록 구성되고, 여기에서 광 스폿 사이즈는 스폿 강도의 반치전폭 (FWHM)이다. 도 9A에서, AWG의 출력 커플러는 출력 도파로들 간격이 “정상” 전기통신 동작으로부터 감소되어 인접 채널들 사이에 크로스토크를 도입하도록 도시된다. 여기에서, 인접 배열 도파로들 사이 증분 길이 ΔL가 있다. 이러한 증분은 AWG 중앙 파장의 다중 m으로 (m 은 AWG의 회절 차수를 나타낸다) 명목상 선택되어, 빛은 AWG 중앙 파장에서 중앙 출력 도파로로부터 방출된다. 배열 도파로들의 간격은 d이고, 파장 변경 Δλ을 위한 출력 도파로들 입력에서 광 스폿 위치 변경은 다음과 같이 주어진다:
Figure 112015063764703-pat00002
,
식 중 f는 배열 도파로들에서 출력 도파로들까지 거리이다 (슬래브 도파로의 입력 및 출력 측 모두의 곡률반경 또한 f이므로, 광 스폿은 출력 도파로들에서 초점을 이룬다는 것을 이해하여야 한다).
출력 도파로들 쌍의 간격은 FBG의 반사 파장이 범위를 병진 이동하므로 주로 하나의 도파로에서 주로 다른 도파로까지의 스폿 병진을 나타낸다. 즉, 반사 중앙 파장 변화 Δλ를 위하여, 쌍의 간격은 상기 식에 따라 선택되어야 한다. 그러나, 출력 도파로들의 상이한 쌍의 중앙 파장은 상이한 쌍 사이 간섭을 유발하지 않도록 맞추어야 한다 (예를들면, 8 채널들은 AWG에서 균등하게 이격되고, 채널들 1 및 2는 제1 센서에 대하여, 4 및 5는 제2 센서에 대하여, 7 및 8은 제3 센서에 대하여 사용하면 일부 환경들에서 센서 판독 (readout) 사이 적당한 분리가 제공될 것이다).
일부 실시태양들에서, 출력 도파로들 쌍에서 광 스폿 사이즈는 센서 작동 범위에 걸쳐 예상되는 스폿의 측방 병진 이동의 차수 (order)이고, 이는 다시 쌍 간격 차수이다. 스폿이 간격에 비하여 너무 넓으면, 쌍 내부의 두 출력 도파로들 사이 차동 신호는 작아질 것이고, 너무 좁으면, 센서의 동적 범위는 제한될 것이다. 스폿 사이즈는 회절을 고려하여 약
Figure 112015063764703-pat00003
되고, 여기에서 K 는 배열 도파로들 개수이고 λ는 동작 파장이다.
예를들면, 출력 도파로 간격을 줄이거나, 출력 도파로들 입력에서 스폿 사이즈를 증가하거나; 및/또는 출력 도파로들을 배열 도파로들 초점에서 멀도록 하는 등의 채널 간격에 대하여 스폿 사이즈를 조정하는 다수의 방법들이 존재한다.
도 9A에서, 스폿 사이즈를 고정시키지만 (예를들면, 최적 동작을 제공하기 위하여 이미 작동에 적합한 사이즈라고 가정), 출력 도파로 간격을 감소시키는 것에 의하여 채널 간격/스폿 사이즈 비율이 조정된다. 도 9B에서, 상기 고려에 따라 채널 간격은 충분 예를들면, 최적이라고 가정하지만, 스폿 사이즈는 배열 도파로들 개수 K를 감소시킴으로써 최적 범위에 있도록 증가된다. 상기 식들을 조합하여
Figure 112015063764703-pat00004
로 설정하여 양호한 K 값을 찾을 수 있고 즉
Figure 112015063764703-pat00005
이다. 또한, 채널 간격에 대하여 스폿 사이즈를 조정하는 것은 배열 도파로들 초점 길이 f 0 로부터 새로운 거리 f로 출력 도파로들을 멀어지도록 하여 구현하여, 스폿 사이즈는 거의
Figure 112015063764703-pat00006
이 된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 소스 개수를 감소시키면 간섭 소스들 어레이에서 방출되는 광의 각 분포는 확대된다. 이러한 현상은 더 큰 렌즈에 비하여 더 작은 렌즈가 더욱 불량한 회절-제한 성능을 가지는 것과 유사하게 이해될 수 있다. 따라서, 상대적으로 좁은 스펙트럼 피크라도 두 채널들에 걸쳐 분포될 수 있고 따라서 강도-독립적 파장 이동이 검출될 수 있다.
때로 가용 포토다이오드들/ AWG 출력 채널들보다 더 많은 피-감지FBG가 필요하다. 따라서, 일부 실시태양들에서, 광 시간 영역 다중화가 전기된 광 파장 분할 다중화 및 역다중화와 함께 사용된다. 다중-입력 AWG의 각각의 입력에 있어서, 출력 도파로들에 대한 공지된 파장-의존성 매핑이 존재한다. 따라서, 시간 분할 다중화 및 파장 분할 역다중화를 조합하여 어느 하나의 방법으로만 처리되는 것보다 더 많은 개수의 센서들을 처리할 수 있다. 또한, 광 스위치들이 AWG와 동일 기판 (substrate)에 통합될 수 있어 동일 구조체를 가지는 모듈 제작이 가능하다.
도 11은 일부 측면에서 도 1의 감시 시스템 (100)과 유사하고 동일 도면부호는 유사한 구성요소를 나타내는 감시 시스템 (1100)의 블록도를 도시한 것이다. 시스템 (1100)은 각각의 N 센서들을 가지는 M 모듈들 (1121, 1122, . . . 1123)을 감시할 수 있다. 각각의 모듈 (1121, 1122, . . . 1123)의 N 센서들의 출력들은 단일 광섬유 (1131, 1132, 1133)에서 전달되고 센서들의 광 출력들은 광 역다중화기의 출력 채널들에 따라 파장으로 분포된다. 모듈들 및 광섬유들/센서들은 동일하게 구성된다.
입력광은 광원 (110)에서 모듈들 (1121, 1122, . . . 1123)로 광 시간 영역 다중화기 (1170) 및 도파로들 (1131, 1132, . . . 1133)을 통하여 전달되고, 센서들 (S11 . . . SNM)과 상호작용한다. 모듈들 (1121, 1122, . . . 1123)에서 나온 출력광은 광 시간 영역 다중화기 (1170)를 통해 광 파장 영역 역다중화기 (140)로 전달된다. 모듈들 (1121, 1122, . . . 1123)은 광 시간 영역 다중화기 (1170)에 의해 차례로 선택된다. 본원에 개시된 바와 같이 센서 출력광의 시간 영역 다중화 및 파장 영역 다중화 및 역다중화를 조합하는 구현예들은 시간 영역 다중화 또는 파장 영역 다중화/역다중화 단독으로 처리할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 개수의 배터리 셀 (또는 기타 에너지 시스템 요소들)을 처리할 수 있다.
도 12는 다중 FBG 센서들을 가지는 다중 모듈들을 처리하기 위하여 시간 영역 다중화 및 파장 영역 다중화 모두를 이용하는 시스템 (1200) 구성을 도시한 것이다. 본 특정 실시예에서, 시스템 (1200)은 M 센서 모듈들을 이용하여 배터리 팩을 감시하고, 각각의 모듈은 단일 광섬유에 배터리 셀에 배치되는 N FBG 센서들 S1, S2, . . . SN을 가진다. N FBG들은 광 파장 영역 역다중화기로서 사용되는 AWG (1240)의 출력 채널들에 따라 파장 분포된다. 모듈들 및 광섬유들/FBG들은 모두 동일하게 제작된다. 빛은 광원 (110)에서 1 x M 광 전력 분배기 (1201) 및 M 서큘레이터들 (1270)을 통해 배터리 모듈들로 전달된다. 모듈들 1, 2, . . . M에서 나온 센서 출력광은 시간 영역 광 다중화기 (1250)를 통해 2N-출력 AWG (1240)의 M-입력의M 입력들로 전달된다. 시간 영역 다중화기 (1250)는 스위치 제어 회로 (1280)에 의해 제어되는 일렬의 M 광 스위치들을 포함한다. 모듈들 1 내지 M의 출력 도파로들 (1231, 1232, . . . 1233)은 차례로 선택되고 AWG (1240)의 각자의 입력 도파로에 광학적으로 연결된다. AWG (1240)는 센서 모듈들에서 나온 빛을 AWG 출력 도파로들 (1241)로 공간적으로 분산한 후 출력광은 전기된 바와 같이 디지털화기 (1260)로 이동된다.
도 12는 센서들 S1, S2, . . . SN을 도시하고 이들은 각각의 센서 출력광이 모듈에 대한 단일 출력 도파로 (1231, 1232, . . . 1233)로 다중화 되도록 배열된다. 도 13은 모듈 수준에서 상이한 파장 밴드들을 가지는 센서 출력광 다중화를 위한 대안 구성을 보인다. 본 구성에서, 각각의 배터리 셀 (1301)은 센서 광 도파로 (1303)에 배치되는 하나 이상의 FBG들 (1302)에 의해 감시된다. 입력광은 1 x N 전력 분배기 (1371)를 통해 서큘레이터들 (1370)에 광학적으로 연결된다. 서큘레이터들 (1370)은 센서 출력 도파로들 (1303)을 평행하게 N x 1 전력 분배기 (1372)를 통해 모듈 (1305)에 대한 출력 도파로 (1320)로 연결한다. 출력 도파로는 모듈 (1305)에 있는 모든 FBG들 (1302)에서 나온 조합된 (파장 다중화) 출력광을 전달한다. 도 13에 도시된 모듈 배열은, 예를들면 도 8 또는 12에 도시된 각각의 모듈들을 대체하기 위하여 사용된다.
도 14는 일부 구현예들에 따른 시간 영역 다중화 및 파장 영역 다중화를 활용하는 다른 감시 시스템 (1400)을 도시한 것이다. 도 14의 감시 시스템 (1400)은 감시 시스템 (1200)과 유사하며 동일 도면부호는 유사한 구성요소들을 나타낸다. 시스템 (1400)은 M 광 스위치들 (1250)과 M 광 서큘레이터들 (1270)을 1 X M 광 스위치 (1450)와 스위치 (1450) 및 광원 (110) 사이에 배치되는 광 서큘레이터 (1470)로 대체한 것이다.
도 15A는 광 시간 영역 다중화를 구현하기 위하여 계층적 스위치 구성을 포함하는 감시 시스템 (1500)을 도시한 것이다. 도시된 감시 시스템 (1500)에서 스위치 구성 (1550)은 8 센서 모듈들과 연결되는 제1 레벨의 4개의 1 x 2 광 스위치들 (1551) (도 15A에서 가장 바닥 레벨의 스위치들), 제1 레벨 스위치들 (1551) 및3번째 단일 1 x 2 레벨 광 스위치 (1553) 사이에 광학적으로 연결되는 제2 레벨의 2개의 1 x 2 광 스위치들 (1552) (도 15A에서 가장 바닥 다음 레벨의 스위치들)을 포함한다. 스위치 구성 (1550)은 광 서큘레이터 (1570)를 통하여 광원 (110) 및 파장 분할 역다중화기 (AWG, 1540)와 연결된다. 스위치들 (1551, 1552, 1553)은 스위치 제어 회로 (1580)에 의해 제어되어 각각의 센서 모듈에서 나오는 출력광은 AWG의 입력 도파로 (1541)로 시간 다중화 된다. AWG (1540)는 시간 다중화 센서 출력광을 역다중화 하여, 출력광을 파장에 따라 출력 도파로들 및 디지털화기 (1560)로 공간적으로 분산한다.
도 15B는 광 시간 분할 다중화를 구현하기 위하여 통합 스위치 제어를 가지는 계층적 스위치 구성을 포함하는 감시 시스템 (1501)을 도시한 것이다. 감시 시스템 (1501)에 도시된 스위치 구성 (1590)은 8 센서 모듈들과 연결되는 제1 (가장 바닥) 레벨의 4개의 1 x 2 광 스위치들 (1591), 제1 레벨 스위치들 (1591) 및 제3 레벨의 단일 1 x 2 광 스위치 (1593) 사이에서 광학적으로 연결되는 제2 (다음으로 가장 높은) 레벨의 2개의 1 x 2 광 스위치들 (1592)을 포함한다. 스위치 구성 (1590)은 광 서큘레이터 (1570)를 통하여 광원 (110) 및 파장 분할 역다중화기 (AWG, 1540)에 연결된다. 스위치들 (1591, 1592, 1593)은 통합 스위치 제어 회로 (1582) 및 임의선택적으로 추가로 중앙 스위치 제어 회로 (1581)에 의해 제어되어 각각의 센서 모듈에서 나오는 출력광은 AWG의 입력 도파로 (1541)로 시간 다중화 된다. AWG (1540)는 시간 다중화 센서 출력광을 역다중화 하여, 출력광을 파장에 따라 출력 도파로들 및 디지털화기 (1560)로 공간적으로 분산한다.
스위치 제어 회로 (1581, 1582)는 센서 모듈들에서 나오는 출력광을 AWG (1540)로 시간 다중화하기 위하여 작동된다. 일부 구현예들에서, 적어도 하나의 스위치들 (1591, 1592, 1593) 또는 스위치 군들은 통합 스위치 제어 요소 (1582)와 연결된다. 일부 구현예들에서, 스위치 상태를 변경시키기 위한 제어 신호는 다른 통합 스위치 제어 요소들 또는 중앙 스위치 제어 (1581)로부터 광학적으로 스위치들 (1591, 1592, 1593)을 연결하는 광 도파로들 (1583)에 의해 통합 스위치 제어 요소 (1582)로 전송된다. 통합 스위치 제어는 광 제어 신호, 예를들면, 도파로를 통해 스위치 상태를 변경하는 명령을 포함한 디지털 신호를 수신하고; 명령을 해석하고; 스위치 상태를 변경시키도록 스위치를 제어하도룩 구성되는 전자-광 요소들 또는 회로를 포함한다.
일부 실시태양들에서, 시간 분할 다중화 구현을 위한 스위치 제어는 서로 통신되는 통합 스위치 제어 요소들에 의해 수행될 수 있다. 이러한 실시태양들에서, 통합 스위치 제어 요소들은 스위치 상태를 변화시키는 명령을 수신 및 해석뿐 아니라 기타 통합 스위치 제어 요소들로 명령을 전송할 수 있는 능력을 가진다. 일부 실시태양들에서, 스위치 제어는 중앙 스위치 제어와 함께 작동되는 통합 스위치 제어 요소들에 의해 구현된다.
본원에 기재된 시간 분할 다중화기를 위하여 다양한 유형의 광 스위치들이 사용될 수 있다. 적합한 광 스위치 기술들은 예를들면 초소형 미세공정 시스템들 (MEMS) 광 스위치들, 액정 스위치들, 버블 스위치들, 열광학 스위치들, 위상화-배열 스위치들, 및 전자-홀로그래픽 스위치들을 포함한다.
일부 구현예들에서, 광 시간 분할 다중화기는 도 16에 도시된 바와 같이 1 x M 위상화 배열 광 스위치에 의해 구현될 수 있다. 이러한 구현예들에서, 입력 도파로들 (1601)에서 전송되는 입력 광 신호들은 출력 도파로 (1602)로 입력 도파로들 (1601)를 따라 가변 길이의 위상 지연 물질 (1605), 예컨대 LiNbO3을 가지는 전압-제어 위상 변조기 구역 (1603)에 의해 시간 다중화 된다. 전압 제어 위상 변조기 (1603)는 시간 가변 전기신호 (1610), 예컨대 도시된 톱니파에 대한 응답으로 입력 도파로들 (1601)를 따라 위상 변조를 유도하도록 구성된다. 예를들면, 위상 변조기 물질 (1605)은 선형 가변 위상 변조를 제공하기 위하여 입력 도파로들 (1601)를 따라 선형 가변 길이를 가지므로 시간 다중화는 선형 가변 주기적 전기신호 (1610)에 의해 구현될 수 있다. 위상 지연 스위치를 위한 다른 구성들이 가능하고, 상이한 파형들, 위상 변조기 구역 내에서 각각의 도파로에 대한 별도 전극들, 동일한 길이 위상 이동 구역들, 기타 위상 이동 파형들, 자유-캐리어 주입에 기반한 실리콘 위상 변조기 등을 포함한다.
본원에서 제안된 감시 시스템들은 동일 기판에 통합되는 하나 이상의 요소들을 포함한다. 예를들면, 이산 요소들을 이용하여, 예를들면, AWG 출력들을 광섬유-결합, 이후 AWG 출력을 개별 광섬유-결합 광검출기들로 전송하여 감시 시스템을 구현할 수 있다.
대안으로, 광검출기들, 예를들면, 포토다이오드들이, AWG의 출력 도파로들에 직접 통합될 수 있다. 통합 하나 이상의 감시 시스템 요소들을 동일 기판으로 통합하면 실질적 비용, 크기 및 복잡성 경감을 얻을 수 있다. 전자/광 회로 혼성 통합 방법을 적용하여 광원, 서큘레이터, 광 스위치들, AWG, 포토다이오드들, 및 디지털화기를 포함한 모든 요소들을 동일 기판에 통합하는 것이 가능하다는 것을 이해하여야 한다.
본원에 기재된 방법들은 단일 검출기를 가지는 고도의 센서 다중화뿐 아니라 높은 수준의 통합 가능성을 제공한다. 감시 시스템 검출기 일부 또는 모든 요소들 - 광원, 서큘레이터(들), 시간 분할 다중화기, 파장 분할 역다중화기, 및 디지털화기는 -동일 기판에 통합될 수 있고, 유일한 외부 연결들은 전원과의 전기적 연결, 감시 및/또는 관리 처리기와의 전기 및/또는 광 통신, 및 센서들과의 광섬유 연결이다. 이러한 통합 장치는 대량 (예를들면, 자동차) 제조될 때 비-통합 방법들 대비 상당한 비용/사이즈/성능 개선 가능성을 보인다. 모듈 배터리 팩에 대하여 제안된 시간 및 파장-영역 다중화 조합으로 소형, 집중적 판독에 의한 팩 감시가 가능하다. 이는 배터리 팩의 모듈화 구조체를 유지하면서도, 모듈들 대체 또는 확장이 가능하다. 또한 동일하게 제조될 수 있으므로 모듈들 제작을 단순화시킨다. 각각의 모듈에 대하여 단일 광섬유 케이블이 사용되어, 비용 및 케이블을 절감시킨다. 인접 채널들 사이 의도적으로 도입/설계된 크로스토크에 의해 감지 용도로 다양한 출력 채널들과의 파장 커플링은 선택될 수 있다. 자동차/전기차량에 있어서, 단일 집중화 판독은 또한 량에 걸쳐 분포된 기타 광섬유 센서들을, 특히 시간-영역 다중화기의 계층적 네트워크와 조합하여 판독하기 위하여 적용될 수 있다.
광센서들 파장들에 따라 AWG용으로 상이한 도파로 재료를 사용할 수 있다. 예를들면, 전기통신 파장들 (1550 nm 주위)에서 실리콘이 사용될 수 있지만 화학적 감지 방법들에서 더욱 관심 있는 가시적 파장 범위에서 적합하지 않다. 가시적 파장 범위에서, 이산화규소는 도파로 재료로서 적합하고; 또한, 이산화규소는 전기통신 파장들에서 또한 투명하다.
일부 실시태양들에서, 중심 파장 이동을 결정하기 위하여 두 광검출기들에 기초한 차동 판독을 이용하는 것보다, AWG의 모든 2N 출력들을 측정할 수 있다. 이러한 정보를 이용한 추정화 루틴을 이용하여 공지 형상을 가지는 N 스펙트럼 피크들까지 중심 및 피크 강도들을 동시에 결정할 수 있다. 예를들면, 모든 스펙트럼 피크들을 동시에 모든 기록 정보에 맞춘다. 배터리 셀 (또는 다른 에너지 시스템 요소) 당 다중 FBG들 또는 광섬유 센서들, 또는 1개만이 존재할 수 있고; 센서들은 배터리 셀 내부 및/또는 외부에 위치할 수 있다. 피-감지 정보가 파장 이동에 부호화 되다면 임의 유형의 센서를 사용할 수 있고, 바람직하게는, 센서들은 파장 분할 다중화의 일부 형태로 적용될 수 있다 (예를들면, 이들은 실질적으로 비-중첩 스펙트럼 밴드들에서 작동한다).
시간 영역 다중화 및 파장 영역 다중화/역다중화의 다양한 조합이 사용되어, 일부 구현예들에서 목적인 전체적인 비용 및/또는 사이즈 및/또는 전체 시스템의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 순차적 시간에 발사되는 다중 광원들을 이용한 다른 시간 다중화 방식 또한 잠재적으로 이용될 수 있다. 예를들면, 스펙트럼 범위 A를 포괄하는 광원 A 및 실질적으로 상이한 스펙트럼 범위 B를 포괄하는 광원 B를 동일한 광섬유에 결합할 수 있다. 광섬유를 따라 센서들을 배치할 수 있다 일부 센서들은 스펙트럼 범위 A에서 여기될 때 응답을 주고 다른 일부 센서들은 스펙트럼 범위 B에서 여기될 때 응답을 생성한다. (AWG는 광 주파수에 대하여 주기적 응답을 가지므로 스펙트럼 범위 A 및 B는 상이한 AWG 회절 차수들에 놓이도록 선택하는 것이 유리하다). 따라서, 두 (또는 이상의) 광원들을 순차적으로 발사함으로써, 상이한 센서 군들에서 나오는 신호들은 동일 광섬유 및/또는 검출기에서 시간-다중화 될 수 있다.
일부 실시태양들에서, AWG 채널 파장들은 현장에서 온도 제어기와 조정되거나, 또는 열적 AWG (채널 중앙 파장들의 온도 의존성이 감소 또는 최소화)가 사용될 수 있다. 일부 기능을 통합하여 AWG의 온도를 측정하고 포토다이오드 전류들로부터 파장 이동을 계산하는 임의의 알고리즘에 이러한 정보를 포함하는 것이 유용할 수 있다. 인접 AWG 도파로들 쌍의 출력에서 광속 차이에 의한 파장 이동을 측정하는 구현예들에서, 단일 스펙트럼 피크의 파장 이동이 측정되는 동적 범위 및 단일 AWG로 측정될 수 있는 피크들 개수 사이에 절충점이 존재한다. 예를들면, 100 채널 AWG로, AWG의 전 대역폭의 최대 범위를 100으로 나누어 50 스펙트럼 피크들까지 (채널들이 쌍으로 관찰될 때) 파장 이동들을 측정할 수 있을 것이다. 측정된 스펙트럼 피크들 개수를 5로 제한함으로써, 각각의 피크는 전과 동일 해상도로 측정될 수 있지만, 또한 10x 범위로 측정될 수 있다.
일부 실시태양들에서, AWG는 상이한 스펙트럼 피크들의 예비 분류 (presorting)에 사용되고, 이후 각각의 스펙트럼 피크 파장 이동은 상기된 선형 가변 전송 구조체 및 광검출기 배열로 결정된다. 이러한 경우, 센서의 스펙트럼 이동을 수용하기 위하여, 예를들면, AWG 분산이 예상 스펙트럼 이동의 전 범위를 수용하도록 각각의 AWG 채널의 통과-대역을 증가시키는 것이 유용하다.
본원에 개시되는 시스템, 장치, 또는 방법은 본원에 기재된 하나 이상의 특징들, 구조체들, 방법들, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를들면, 장치 또는 방법은 본원에 기재된 하나 이상의 특징들 및/또는 과정들을 포함한다. 이러한 장치 또는 방법은 반드시 본원에 기재된 모든 특징들 및/또는 과정들을 포함할 필요는 없지만, 유용한 구조체들 및/또는 기능성을 제공하는 선택적 특징들 및/또는 과정들을 포함하도록 구현될 수 있다.

Claims (37)

  1. 에너지 시스템에 대한 감시 시스템에 있어서,
    N > 1 광센서들로서, 각각의 광센서는 상이한 파장 범위에서 작동되고 입력광에 응답하여 출력광을 방출하며, 상기 출력광은 상기 에너지 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 N > 1 광센서들;
    다수의 광검출기들로서, 각각의 광검출기는 상기 광검출기 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전기신호를 발생시키도록 구성된, 상기 다수의 광검출기들; 및
    상기 광센서들로부터 광을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로 및 다수의 출력 도파로들을 포함하는 광 커플러로서, 상기 광 커플러는 각각의 광센서에서 방출되는 센서 출력광이 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 적어도 하나의 광검출기에 광학적으로 결합되도록 상기 입력 도파로에서 나온 광을 광 파장에 따라 출력 도파로들로 분산시키도록 구성되고, 상기 센서 출력광에 응답하여 상기 광검출기에 의해 발생된 전기신호는 상기 에너지 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 제공하는, 상기 광 커플러를 포함하고,
    상기 다수의 출력 도파로들은 N 쌍의 출력 도파로들을 포함하고;
    상기 다수의 광검출기들은 N 쌍의 광검출기들을 포함하고;
    상기 광 커플러는 상기 입력 도파로에서 나온 광을 파장에 따라 공간적으로 분산시키도록 구성되어 각각의 광센서에서 방출되는 출력광이 한 쌍의 인접 출력 도파로들을 통하여 한 쌍의 광검출기들에 광학적으로 결합되고 상기 한 쌍의 출력 도파로들이 상기 한 쌍의 출력 도파로들 사이에 누화(crosstalk)를 허용하도록 배열되고 구성되는, 감시 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 커플러는 배열 도파로 격자를 포함하는, 감시 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 커플러는 선형 가변 필터를 포함하는, 감시 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 N 쌍의 출력 도파로들은 상기 출력 도파로 쌍의 출력 도파로들 사이의 누화가 상기 쌍의 출력 도파로들 중 하나와 인접 쌍의 도파로 사이의 누화보다 크도록 구성되는, 감시 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광 커플러와 상기 광검출기들 사이에 적어도 하나의 추가의 광학적 분산 요소를 더 포함하는, 감시 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광 커플러는 적어도 N 개의 출력 도파로들을 가지며, 각각의 출력 도파로는 연관된 광센서의 출력광의 예상 스펙트럼 이동의 범위와 적어도 동일한 파장 통과 대역을 갖는, 감시 시스템.
  7. 제1항에 있어서, N 개의 센서들에서 방출하는 출력광의 중심을 위치시키도록 상기 전기신호들을 사용하여 추정화 루틴을 수행하도록 구성된 처리기 회로를 더 포함하는, 감시 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 N 개의 광센서들은 단일 센서 도파로를 따라 배열되는, 감시 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 에너지 시스템은 배터리인, 감시 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광검출기 및 상기 광 커플러는 통합 전자-광 서브시스템으로서 웨이퍼에 배열되는, 감시 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 N 개의 광센서들은 다중 센서 도파로들에 배치되고, 상기 다중 센서 도파로들과 상기 입력 도파로 사이에 광학적으로 결합된 광 다중화기를 더 포함하는, 감시 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 출력 도파로들은 인접하여 있고, 상기 출력 도파로들의 쌍에서 인접 출력 도파로들 사이의 중앙-대-중앙 간격은 출력 도파로들의 입력에서 반치전폭 강도(FWHM)의 광 스폿 사이즈 정도인, 감시 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 광 다중화기는 파장 분할 다중화기를 포함하는, 감시 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 간격은 상기 출력 도파로들의 입력에서 FWHM 광 스폿 사이즈의 1/5배와 5배 사이에 있는, 감시 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 간격은 상기 출력 도파로들의 입력에서 FWHM 광 스폿 사이즈의 1/2배와 2배 사이에 있는, 감시 시스템.
  16. 에너지 시스템에 대한 감시 시스템에 있어서,
    N > 1 광센서들로서, 각각의 광센서는 상이한 파장 범위에서 작동되고 입력광에 응답하여 출력광을 방출하며, 상기 출력광은 상기 에너지 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 N > 1 광센서들;
    다수의 광검출기들로서, 각각의 광검출기는 상기 광검출기 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전기신호를 발생시키도록 구성된, 상기 다수의 광검출기들; 및
    상기 광센서들로부터 광을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로 및 다수의 출력 도파로들을 포함하는 광 커플러로서, 상기 광 커플러는 각각의 광센서에서 방출되는 센서 출력광이 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 적어도 하나의 광검출기에 광학적으로 결합되도록 상기 입력 도파로에서 나온 광을 광 파장에 따라 출력 도파로들로 분산시키도록 구성되고, 상기 센서 출력광에 응답하여 상기 광검출기에 의해 발생된 전기신호는 상기 에너지 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 제공하는, 상기 광 커플러를 포함하고,
    상기 광 커플러는 상기 입력 도파로에 광학적으로 결합된 K 개의 배열 도파로들을 포함하는 배열 도파로 격자를 포함하고, K는 식
    Figure 112020068387963-pat00026
    에 따라 선택되고,
    Figure 112020068387963-pat00027
    는 중심 파장 λ를 갖는 센서의 예상 작동 범위이고, m은 AWG의 회절 차수인, 감시 시스템.
  17. 에너지 시스템에 대한 감시 시스템에 있어서,
    N > 1 광센서들로서, 각각의 광센서는 상이한 파장 범위에서 작동되고 입력광에 응답하여 출력광을 방출하며, 상기 출력광은 상기 에너지 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 N > 1 광센서들;
    다수의 광검출기들로서, 각각의 광검출기는 상기 광검출기 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전기신호를 발생시키도록 구성된, 상기 다수의 광검출기들; 및
    상기 광센서들로부터 광을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로 및 다수의 출력 도파로들을 포함하는 광 커플러로서, 상기 광 커플러는 각각의 광센서에서 방출되는 센서 출력광이 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 적어도 하나의 광검출기에 광학적으로 결합되도록 상기 입력 도파로에서 나온 광을 광 파장에 따라 출력 도파로들로 분산시키도록 구성되고, 상기 센서 출력광에 응답하여 상기 광검출기에 의해 발생된 전기신호는 상기 에너지 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 제공하는, 상기 광 커플러를 포함하고,
    상기 광 커플러는 상기 입력 도파로에 광학적으로 결합된 K 개의 배열 도파로들을 포함하는 배열 도파로 격자를 포함하고, K 개의 배열 도파로들은 거리 d로 이격 배치되고, 각각의 배열 도파로는 출력 도파로의 입력으로부터 거리 f로 배열되고, 한 쌍의 인접 출력 도파로들 사이의 간격은
    Figure 112020068387963-pat00028
    미만인, 감시 시스템.
  18. 에너지 시스템에 대한 감시 시스템에 있어서,
    N > 1 광센서들로서, 각각의 광센서는 상이한 파장 범위에서 작동되고 입력광에 응답하여 출력광을 방출하며, 상기 출력광은 상기 에너지 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 N > 1 광센서들;
    다수의 광검출기들로서, 각각의 광검출기는 상기 광검출기 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전기신호를 발생시키도록 구성된, 상기 다수의 광검출기들; 및
    상기 광센서들로부터 광을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로 및 다수의 출력 도파로들을 포함하는 광 커플러로서, 상기 광 커플러는 각각의 광센서에서 방출되는 센서 출력광이 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 적어도 하나의 광검출기에 광학적으로 결합되도록 상기 입력 도파로에서 나온 광을 광 파장에 따라 출력 도파로들로 분산시키도록 구성되고, 상기 센서 출력광에 응답하여 상기 광검출기에 의해 발생된 전기신호는 상기 에너지 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 제공하는, 상기 광 커플러를 포함하고,
    상기 광 커플러는 상기 입력 도파로에 광학적으로 결합된 K 개의 배열 도파로들을 포함하는 배열 도파로 격자를 포함하고, 상기 출력 도파로들의 입력들은 상기 배열 도파로들의 초점들로부터 떨어져 위치되는, 감시 시스템.
  19. 에너지 시스템에 대한 감시 시스템에 있어서,
    N > 1 광센서들로서, 각각의 광센서는 상이한 파장 범위에서 작동되고 입력광에 응답하여 출력광을 방출하며, 상기 출력광은 상기 에너지 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 N > 1 광센서들;
    다수의 광검출기들로서, 각각의 광검출기는 상기 광검출기 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전기신호를 발생시키도록 구성된, 상기 다수의 광검출기들; 및
    상기 광센서들로부터 광을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로 및 다수의 출력 도파로들을 포함하는 광 커플러로서, 상기 광 커플러는 각각의 광센서에서 방출되는 센서 출력광이 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 적어도 하나의 광검출기에 광학적으로 결합되도록 상기 입력 도파로에서 나온 광을 광 파장에 따라 출력 도파로들로 분산시키도록 구성되고, 상기 센서 출력광에 응답하여 상기 광검출기에 의해 발생된 전기신호는 상기 에너지 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 제공하는, 상기 광 커플러를 포함하고,
    상기 광검출기들은 2N 쌍의 광검출기들을 포함하고, 각각의 광검출기 쌍은 제1 및 제2 광검출기를 포함하고, 제1 광검출기는 상기 제1 광검출기의 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전류 I1을 발생시키도록 구성되고, 제2 광검출기는 상기 제2 광검출기의 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전류 I2를 발생시키도록 구성되고, 감지된 파라미터에서의 변경이 I1과 I2 사이의 비율 변화를 일으키는, 감시 시스템.
  20. 에너지 시스템에 대한 감시 시스템에 있어서,
    N > 1 광센서들로서, 각각의 광센서는 상이한 파장 범위에서 작동되고 입력광에 응답하여 출력광을 방출하며, 상기 출력광은 상기 에너지 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 N > 1 광센서들;
    다수의 광검출기들로서, 각각의 광검출기는 상기 광검출기 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전기신호를 발생시키도록 구성된, 상기 다수의 광검출기들; 및
    상기 광센서들로부터 광을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로 및 다수의 출력 도파로들을 포함하는 광 커플러로서, 상기 광 커플러는 각각의 광센서에서 방출되는 센서 출력광이 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 적어도 하나의 광검출기에 광학적으로 결합되도록 상기 입력 도파로에서 나온 광을 광 파장에 따라 출력 도파로들로 분산시키도록 구성되고, 상기 센서 출력광에 응답하여 상기 광검출기에 의해 발생된 전기신호는 상기 에너지 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 제공하는, 상기 광 커플러를 포함하고,
    상기 N 개의 광센서들은 다중 센서 도파로들에 배치되고, 상기 다중 센서 도파로들과 상기 입력 도파로 사이에 광학적으로 결합된 광 다중화기를 더 포함하고,
    상기 광 다중화기는 시간 분할 다중화기를 포함하고,
    상기 시간 분할 다중화기는:
    M 개의 광 스위치들의 세트; 및
    단일의 1×M 광 스위치,
    중 적어도 하나를 포함하는, 감시 시스템.
  21. 에너지 시스템에 대한 감시 시스템에 있어서,
    N > 1 광센서들로서, 각각의 광센서는 상이한 파장 범위에서 작동되고 입력광에 응답하여 출력광을 방출하며, 상기 출력광은 상기 에너지 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 N > 1 광센서들;
    다수의 광검출기들로서, 각각의 광검출기는 상기 광검출기 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전기신호를 발생시키도록 구성된, 상기 다수의 광검출기들; 및
    상기 광센서들로부터 광을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 입력 도파로 및 다수의 출력 도파로들을 포함하는 광 커플러로서, 상기 광 커플러는 각각의 광센서에서 방출되는 센서 출력광이 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 적어도 하나의 광검출기에 광학적으로 결합되도록 상기 입력 도파로에서 나온 광을 광 파장에 따라 출력 도파로들로 분산시키도록 구성되고, 상기 센서 출력광에 응답하여 상기 광검출기에 의해 발생된 전기신호는 상기 에너지 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 제공하는, 상기 광 커플러를 포함하고,
    상기 N 개의 광센서들은 N 개의 센서 도파로들에 배치되고,
    N 개의 광 서큘레이터들을 더 포함하고,
    상기 N 개의 센서 도파로들 각각은 상기 N 개의 광 서큘레이터들 중 하나를 통해 입력 도파로에 각각 광학적으로 결합되는, 감시 시스템.
  22. 감시 시스템에 있어서,
    M 개의 광 감시 모듈들로서, 각각의 광 감시 모듈은 N >1 광센서들을 포함하고, 각각의 광센서는 감지된 파라미터에 대한 응답으로 변경되는 중심 파장을 가지는 센서 출력광을 방출하는, 상기 M 개의 광 감시 모듈들;
    다수의 광검출기들로서, 각각의 광검출기는 상기 광검출기 감광면에 입사하는 광에 응답하여 전기적 출력 신호를 발생시키도록 구성되는, 상기 다수의 광검출기들;
    시간 영역 광 다중화기; 및
    상기 시간 영역 광 다중화기를 통해 상기 다수의 광검출기들에 광학적으로 결합되는 파장 영역 광 역다중화기로서, 상기 시간 영역 광 다중화기는 각각의 상기 광 감시 모듈에서 나오는 모듈 출력광을 상기 파장 영역 광 역다중화기로 시간 다중화하도록 구성되고, 상기 파장 영역 광 역다중화기는 선택된 광 감시 모듈의 모듈 출력광을 파장에 따라 공간 분산시키도록 구성되어 상기 선택된 광 감시 모듈의 각각의 광센서에서 나오는 센서 출력광이 적어도 하나의 출력 도파로를 통하여 적어도 하나의 광검출기에 광학적으로 결합되고, 상기 센서 출력광에 응답하여 상기 광검출기들에 의해 발생되는 전기신호들은 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 제공하는, 상기 파장 영역 광 역다중화기를 포함하는, 감시 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 광센서들에 입력광을 제공하도록 구성된 광원; 및
    M 개의 광 서큘레이터들로서, 각각의 광 서큘레이터는 상기 광원을 상기 감시 모듈들 중 하나에 광학적으로 결합하도록 배열되는, 상기 M 개의 광 서큘레이터들을 더 포함하는, 감시 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 상기 시간 영역 광 다중화기는 M 개의 광 스위치들의 세트를 포함하는, 감시 시스템.
  25. 제22항에 있어서, 상기 시간 영역 광 다중화기는 단일의 1×M 광 스위치를 포함하는, 감시 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 상기 감시 모듈들 중 적어도 하나는 단일 센서 도파로에 배치된 N 개의 센서들을 포함하는, 감시 시스템.
  27. 제22항에 있어서, 상기 감시 모듈들 중 적어도 하나는 다중 센서 도파로들에 배치된 N 개의 광 센서들을 포함하고,
    상기 다중 센서 도파로들과 상기 시간 영역 광 다중화기 사이에 광학적으로 결합된 광 다중화기를 더 포함하는, 감시 시스템.
  28. 제22항에 있어서, 각각의 감시 모듈은 센서 도파로에 배치된 N 개의 광 센서들을 포함하고, 상기 M 개의 감시 모듈들의 센서 도파로들은 M 개의 광 서큘레이터들에 의해 상기 시간 영역 광 다중화기에 광학적으로 결합되는, 감시 시스템.
  29. 제22항에 있어서, 상기 시간 영역 광 다중화기는 광 스위치들의 계층적 네트워크를 포함하는, 감시 시스템.
  30. 제22항에 있어서, 상기 시간 영역 광 다중화기는:
    다중의 광 스위치들로서, 각각의 광 스위치는 둘 이상의 상태들로 스위치 가능하고 상기 상태들 사이의 스위칭을 제어하는 제어 라인을 갖는, 상기 다중의 광 스위치들; 및
    다중의 통합 스위치 제어 요소들로서, 각각의 통합 스위치 제어 요소는 광 스위치들 중 일부에는 결합되지만 모두에는 결합되지 않으며, 시간 영역 다중화를 구현하기 위해 상기 다중의 광 스위치들을 작동시키도록 구성되는, 상기 다중의 통합 스위치 제어 요소들을 포함하는, 감시 시스템.
  31. 제22항에 있어서, 상기 시간 영역 광 다중화기는:
    광전자 광 스위치들;
    초소형 미세공정 시스템 스위치들;
    액정 스위치들;
    버블 스위치들;
    위상화-배열 스위치들; 및
    열광학 스위치들,
    중 하나 이상을 포함하는, 감시 시스템.
  32. 제22항에 있어서, 상기 시간 영역 광 다중화기는:
    하나 이상의 광 스위치들로서, 각각의 광 스위치는 둘 이상의 상태들 사이에서 스위치 가능하고 상기 상태들 사이의 스위칭을 제어하는 제어 라인을 갖는, 상기 하나 이상의 광 스위치들; 및
    상기 감시 모듈들 각각으로부터의 모듈 출력광의 시간 다중화를 구현하기 위해 상기 광 스위치들을 제어하도록 구성되는 스위치 제어 회로를 포함하는, 감시 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 스위치 제어 회로는 상기 광 스위치들에 결합되고, 시간 다중화를 구현하기 위해 상기 광 스위치들의 상태들을 변경하도록 구성되는 중앙 스위치 제어 회로를 포함하는, 감시 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 스위치 제어 회로는 각각의 광 스위치와 연관되고, 명령들을 수신하고 상기 명령들에 기초하여 시간 다중화를 구현하기 위해 상기 광 스위치들의 상태를 변경하도록 상기 광 스위치를 작동시키도록 구성되는 통합 국부 스위치 제어 회로를 더 포함하는, 감시 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 상기 명령들은 광 신호들이 상기 광 스위치에 결합된 광 도파로를 통해 전파됨에 따라 상기 중앙 스위치 제어 회로로부터 상기 통합 국부 스위치 제어 회로로 전달되는, 감시 시스템.
  36. 방법에 있어서,
    N > 1 광센서들을 사용하여 에너지 시스템의 다중 파라미터들을 광학적으로 감지하고 다중 컴포넌트 광 신호들을 발생시키는 단계로서, 각각의 컴포넌트 신호는 상이한 파장 범위와 연관되고 상기 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 광 신호들을 발생시키는 단계;
    상기 컴포넌트 광 신호들을 조합된 광 신호로 조합시키는 단계;
    각각의 광센서에서 방출되는 출력광이 한 쌍의 인접 출력 도파로들을 통하여 한 쌍의 광검출기들에 결합되고 상기 한 쌍의 출력 도파로들이 상기 한 쌍의 출력 도파로들 사이에 누화를 허용하게 구성되도록, 상기 조합된 광 신호의 상기 컴포넌트 광 신호들을 파장에 따라 공간적으로 분산시키는 단계; 및
    각각의 공간적으로 분산된 컴포넌트 광 신호에 대합 응답으로 전기 신호를 발생시키는 단계로서, 상기 전기 신호는 상기 에너지 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 포함하는, 상기 전기신호를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  37. 방법에 있어서,
    M 개의 광 감시 모듈들 각각에 대해: 시스템의 다중 파라미터들을 광학적으로 감지하고 다중 컴포넌트 광 신호들을 발생시키는 단계로서, 각각의 컴포넌트 신호는 상이한 파장 범위와 연관되고 에너지 시스템의 감지된 파라미터에 응답하여 변경되는 중심 파장을 가지는, 상기 광 신호들을 발생시키는 단계; 및 상기 컴포넌트 광 신호들을 조합된 광 신호로 조합시키는 단계;
    상기 M 개의 광 감시 모듈들의 각각의 조합된 광 신호와 파장 역다중화기 사이의 광 결합을 시간 다중화하는 단계;
    상기 각각의 결합된 광 신호를 파장 역다중화하는 단계로서, 상기 파장 역다중화는 상기 조합된 광 신호의 컴포넌트 광 신호들을 파장에 따라 공간적으로 분산시키는 단계를 포함하는, 상기 파장 역다중화하는 단계; 및
    각각의 공간적으로 분산된 컴포넌트 광 신호에 대합 응답으로 전기 신호를 발생시키는 단계로서, 상기 전기 신호는 상기 시스템의 상기 감지된 파라미터에 대한 정보를 포함하는, 상기 전기신호를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
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