KR102231195B1 - 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기 기반 광섬유 전류 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기 기반 광섬유 전류 센서는, 전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원; 상기 기준 광을 편광시키는 편광기; 상기 편광된 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기; 상기 위상 변조된 광을 1/4 위상 지연시키는 위상 지연기; 센싱 대상 부근으로 상기 위상 지연된 광의 광 경로가 위치하는 센싱 광섬유; 상기 센싱 광섬유의 말단에서 상기 광 경로를 도파한 광을 반사시키는 패러데이 회전 반사자; 상기 위상 지연기의 광 축상의 물리적 길이를 조정하는 위상 지연 길이 조정기; 및 상기 위상 지연 길이 조정기의 동작을 제어하는 지연기 튜닝 모듈을 포함할 수 있다.

Description

전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기 기반 광섬유 전류 센서{Optical Current Sensor based on All-optical Variable Quarter Wave Plate}

본 발명은 가변형 위상 지연기 기반 광섬유 전류 센서에 관한 것으로, 구체적으로는, 전류가 흐르는 도체 주위에 발생하는 자장에 의한 입사된 빛의 편광 변화를 통해 도체에 흐르는 전류의 세기를 측정하되, 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기(variable quarter wave plate)를 기반으로 한 전류 센서에 관한 것이다.

전류 센서는 전류를 측정, 감지, 판별하여 신호를 생성하는 장치이다. 전류 센서는 철심 및 권선으로 구성되어 Hall 효과를 이용하는 전자계식 방식의 변류기를 센서로 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 전자계 방식의 전류 센서는 측정 범위가 작고, 전류 용량에 대한 사용의 한계가 있다. 전자계 방식의 전류 센서는 외부 자기 및 고전류에서의 환경 의존도가 커, 적용 전류 범위가 좁아 실용성이 낮추고 있으며, 고주파 생성으로 인한 발열 특성으로 열적 안정 확보의 필요성이 크다. 또한, 고전류 전자계 센서는 그 규모가 매우 크고 무거운 단점이 있다.

상술한 전자계 방식 전류 센서의 단점을 보완하기 위해 광섬유형 전류 센서 기술이 제안되고 있다. 광섬유 기반의 전류 센서는 광섬유를 측정 대상에 감아 페러데이(Faraday) 효과를 사용하여 전류를 검출하는 방식을 사용한다. 광섬유형 전류 센서는 측정 대상의 규모 및 장거리 전송의 한계를 극복할 수 있으며, 우수한 정밀도를 나타낸다. 광섬유형 전류 센서는 기존의 전자계 전류 센서의 헌팅현상과 측정 범위 및 전류용량의 한계를 극복할 수 있다. 특히, 광섬유형 전류 센서는 빠른 응답 특성을 가지며 전력 소비량이 적은 장점이 있다.

최근 부각되고 있는 광섬유형 전류 센서는 크게 Polarimetric 방식과 In-line Sagnac 방식으로 나뉘며, 두 방식은 크게 센서 프로브 단에서 각각 선형 편광 상태의 변화와 원형 편광 상태의 변화를 유도하는 것으로 구분된다.

도 1은 Polarimetric 방식의 광섬유 전류 센서의 구성을 도시한다.

제품 가격면에서는 Polarimetric 방식이 In-line Sagnac 방식에 비해 우수하지만 외부 환경에 변화에 따른 의존 특성이 높은 단점이 있다. 이에 비교적 고가격에도 불구하고 온도 및 진동 등과 같은 외부 환경 변화에 따른 영향을 최소화하며 관련 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있으며, 매우 정밀한 측정 및 대전류 측정에 용이한 In-line Sagnac 방식이 주로 활용되고 있는 것이 현실이다.

그런데, In-line Sagnac 방식의 경우도 높은 정확성을 얻기 위해서는, 매우 정밀한 설치 작업이 필요하고, 또한, 각 센서의 제작 과정의 개별적인 제작 오차도 정확도에 영향을 크게 준다. 이는 In-line Sagnac 방식의 전류 센서 자체의 가격 뿐만 아니라, 제조 공정 관리 및 설치 상에도 높은 비용을 부담하게 하여 실용화에 큰 장벽이 되고 있다.

대한민국 공개특허 10-2019-0139071호

본 발명은 제조 공정 관리 및 설치 상의 비용 부담을 절감할 수 있는 광섬유형 전류 센서를 제공하고자 한다.

본 발명은 전류 및 자기장을 측정할 때의 외부 환경 변화인 온도 및 진동 등의 간섭 및 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 광섬유형 전류 센서를 제공하고자 한다.

본 발명은 In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서 프로브의 제작 환경에 따른 성능의 재현성을 확보할 수 있는 광섬유형 전류 센서를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기 기반 광섬유 전류 센서는, 전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원; 상기 기준 광을 편광시키는 편광기; 상기 편광된 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기; 상기 위상 변조된 광을 1/4 위상 지연시키는 위상 지연기; 센싱 대상 부근으로 상기 위상 지연된 광의 광 경로가 위치하는 센싱 광섬유; 상기 센싱 광섬유의 말단에서 상기 광 경로를 도파한 광을 반사시키는 패러데이 회전 반사자; 상기 위상 지연기의 광 축상의 물리적 길이를 조정하는 위상 지연 길이 조정기; 및 상기 위상 지연 길이 조정기의 동작을 제어하는 지연기 튜닝 모듈을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 지연기 튜닝 모듈은, 상기 위상 지연기의 길이를 변화시키면서, 상기 위상 지연기 또는 상기 패러데이 회전 반사자에서 출력되는 광으로부터 편광 성분을 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 설정 길이를 설정할 수 있다.

여기서, 상기 지연기 튜닝 모듈은, 상기 위상 지연기의 길이를 변화시키면서, 전류 또는 자기 센싱을 위한 광 검출 신호의 크기를 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 설정 길이를 설정할 수 있다.

여기서, 상기 지연기 튜닝 모듈은, 상기 위상 지연기의 길이를 변화시키면서, 상기 위상 지연기 또는 상기 패러데이 회전 반사자에서 출력되는 광으로부터 편광 성분을 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 1차 길이를 설정하고, 상기 위상 지연기 또는 상기 패러데이 회전 반사자에서 출력되는 광을 검출하기 위한 수단을 제거하고, 상기 1차 길이 부근에서 상기 위상 지연기의 길이를 변화시키면서, 전류 또는 자기 센싱을 위한 광 검출 신호의 크기를 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 2차 길이를 설정할 수 있다.

여기서, 상기 위상 지연 길이 조정기는, 전기적 모터 또는 역압전소자 또는 열팽창 현상을 이용하여 상기 위상 지연기의 광 축상의 물리적 길이를 조정할 수 있다.

여기서, 상기 위상 지연기는, 일단으로 상기 위상 변조된 광이 입사되는 위상 유지 광섬유; 상기 위상 유지 광섬유와 동일한 재질이되, 일단이 상기 위상 유지 광섬유의 타단과 소정 각도로 회전하여 접합된 위상 지연 영역; 및 일단이 상기 위상 지연 영역의 타단에 연결되고, 타단이 상기 센싱 광섬유에 연결된 저 복굴절 광섬유를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 가변형 위상 지연 모듈은, 일단으로 검출을 위해 위상 변조된 광이 입사되는 위상 유지 광섬유; 상기 위상 유지 광섬유와 동일한 재질이되, 일단이 상기 위상 유지 광섬유의 타단과 소정 각도로 회전하여 접합된 위상 지연 영역; 일단이 상기 위상 지연 영역의 타단에 연결되고, 타단으로 상기 위상 변조된 광을 출력하는 저 복굴절 광섬유; 및 상기 위상 지연 영역의 물리적 길이를 조정하는 위상 지연 길이 조정기를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 위상 지연 길이 조정기는, 상기 위상 지연 영역을 파지하기 위한 제1 파지부 및 제2 파지부; 상기 제1 파지부와 제2 파지부의 간격을 기계적으로 조정하는 전기적 모터를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 위상 지연 길이 조정기는, 가열에 의해 상기 위상 지연 영역의 열팽창을 유도하는 히터; 및 상기 위상 지연 영역의 단축시키는 힘을 가하는 용수철을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 위상 지연 길이 조정기는, 상기 위상 지연 영역과 일체화되어 형성된 압전 소자 영역; 및 상기 압전 소자 영역에 전위를 인가하는 전압 전원을 포함할 수 있다.

상술한 구성의 본 발명의 광섬유형 전류 센서를 실시하면, 제조 공정 관리 및 설치 상의 비용 부담을 절감할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 광섬유형 전류 센서는 외부 진동 및 온도 변화에 강인한 In line Sagnac 방식을 기반으로 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 포함하는 복굴절 간섭계 기반의 광섬유 센서로서, 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 사용하여 가장 이상적인 편광 상태로의 변경을 통해 In-line Sagnac 방식의 광섬유 센서 프로브의 제작 공정에 따른 성능의 재현성을 확보할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 광섬유형 전류 센서는 보다 효과적으로 광섬유 센서 프로브를 구성함과 동시에 안정하고 정확한 자기장 및 전류 센싱이 가능한 시스템을 구축할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 Polarimetric 방식의 광섬유 전류 센서의 구성을 도시한 구성도.
도 2는 In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서의 일 예를 도시한 구성도.
도 3은 In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서의 다른 예를 도시한 구성도.
도 4는 In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서의 또 다른 예를 도시한 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 1/4 파장 위상 지연기의 제조 방법을 나타낸 단면도.
도 6a는 1/4 파장 위상 지연기 통과 전의 LP를 통한 선평광 상태를 도시한 3차원 도식.
도 6b는 1/4 파장 위상 지연기 통과 후의 원평광 상태를 도시한 3차원 도식.
도 7은 광섬유의 선형 복굴절 크기에 따른 Degree of polarization의 의존성을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서를 도시한 구성도.
도 9a는 본 발명의 사상에 따른 전류 센서에 구비될 수 있는 튜닝 가능한 위상 지연기의 일 실시예를 도시한 구성도.
도 9b는 본 발명의 사상에 따른 전류 센서에 구비될 수 있는 가변형 위상 지연기의 다른 실시예를 도시한 구성도.
도 9c는 본 발명의 사상에 따른 전류 센서에 구비될 수 있는 튜닝 가능한 위상 지연기의 또 다른 실시예를 도시한 구성도.
도 10은 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기의 위상 지연부 길이 변화에 따른 위상 차이의 변화 결과를 나타낸 그래프.
도 11은 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 통해 변형된 편광면의 타원률에 따른 외부 자기장 변화에 따른 패러데이 회전각 변화를 나타낸 그래프.
도 12는 특정 자기장하에서 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 통한 편광면의 타원률 변화에 따른 패러데이 회전각 변화를 나타낸 그래프.

본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

먼저, In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서의 구성 및 센싱 특성에 대하여 알아보겠다.

도 2는 In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서의 일 예를 도시한다.

도 3은 In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서의 다른 예를 도시한다.

도 4는 In-line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서의 또 다른 예를 도시한다.

In-line Sagnac 방식의 광섬유형 전류 센서는 선형 편광된 빛을 원형 편광으로 바꾸어 전류가 흐르는 도체 주위를 감싸고 있는 광섬유 프로브 내에서 센싱 효과를 갖게 하며, 이를 위해 제어 및 가공이 원활한 소자로 1/4 파장 위상 지연기는 필수적이다.

위상 지연기는 빛의 편광상태를 바꿔주는 광학 소자로 전기장과 자기장으로 이루어진 전자기파인 빛이 위상 지연기를 통과하면 광축에 평행하거나 수직한 두 성분의 합으로 이루어진 편광은 위상 지연기의 복굴절과 두께에 따라 두 성분의 벡터합의 변화로 편광의 방향이 바뀌게 된다. 이때 빛의 편광 방향을 90도나 180도 변화시키는 것을 각각 반파장 위상 지연기 그리고 한파장 위상 지연기라고 한다. 이에 1/4 파장 위상 지연기는 직교하는 특정 성분의 위상을 90도 지연시켜 선편광은 원편광으로 원편광은 선편광으로 바꾸는 기능을 한다.

구체적으로 패러데이 효과(Faraday effect)에 의한 선형 편광의 회전을 발생시키는 구성에서 1/4 파장 위상 지연기는 광섬유에 원형복굴절을 발생시켜 두 원편광 사이에 위상차를 유도하기 위해 선편광을 원편광으로 변환시키고, 패러데이 효과에 의한 회전을 거친 후 반사되어 돌아온 두 원편광을 다시 선편광으로 변환시키는 역할을 수행한다. 편광유지 광섬유의 광축을 기준으로 광축에 평행한 편광과 광축에 수직한 편광이 편광유지 광섬유(PM fiber)를 진행하면서 겪게 되는 상대적인 위상차는 편광유지 광섬유의 비트 길이(Beat length)에 의해 결정된다. 상기 상대적인 위상차가 π/2가 되도록 편광유지 광섬유의 길이를 조절하면 선편광 상태의 빛이 입사했을 때, 입사된 빛을 원편광 상태의 빛으로 변환할 수 있다. 1/4 파장 위상 지연기는 선형 복굴절을 유도 하는 편광유지 광섬유를 이용하여 제작이 가능하다.

먼저, 1/4 파장 위상 지연기의 구현 방안에 대하여 살펴보겠다.

도 5는 본 발명의 일 실시예 따른 1/4 파장 위상 지연기의 제조 방법을 나타낸다. 본 발명의 사상에 따른 광전류형 전류 센서를 구현함에 있어서 다양한 구조의 1/4 파장 위상 지연기를 적용할 수 있지만, 도 5는 본 발명의 사상에 따라 가변형 구현이 용이한 구조로 구체화한 것이다.

도시한 구현에서는 편광유지(PM : polarization-maintaining) 광섬유를 수직으로 자른 다음 융착기에 2 개의 광섬유를 광축을 평행하게 정렬한 후 한쪽의 광섬유를 45도 돌려서 융착시켜 제작하는 방식의 광섬유 기반의 1/4 파장 위상 지연기를 활용한다. 이때 편광유지 광섬유의 특성에 맞추어 길이를 변화시켜 제작한다.

이때, 상기 편광 유지 광섬유의 두 개의 축이 가지는 굴절률의 차이 Δn과 그로 인해 발생하는 편광의 위상 차이 ΔΦ의 관계는 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서 λ와 L은 각각 빛의 파장과 편광유지 광섬유의 길이를 의미한다.

도 6a는 Poincar

sphere 상에서의 1/4 파장 위상 지연기 통과 전의 LP를 통한 선평광 상태를 도시하고, 도 6b는 1/4 파장 위상 지연기 통과 후의 원평광 상태를 도시한다. 도 6b에서처럼 선형 편광기를 통과하여 선편광으로 변환된 상태의 광신호가 1/4 파장 위상 지연기를 통과한 후 원편광으로 효과적으로 변조된 것을 확인할 수 있다.

외부 온도 및 진동 등 외부 환경적 요인에 대한 보상, 정밀 측정 및 대전류 측정에 용이하게 하기 위한 In-line Sagnac 기술 적용을 위한 광회로 구성을 통한 시스템은, 안정성 확보를 위해 신호 변조기가 중요하며, 신호 변조기는 정보를 저장, 전송하기 위해 전기적 신호로 변환하는 장치이며, 정보에 따라 반송파 신호의 진폭, 주파수, 위상 정보를 변경하여 변조된 신호를 만들어 준다. 신호의 변조는 하나의 전송 매체를 여러 사용자가 공유(다중 접속) 하도록 신호의 특성을 전송 매체의 물리적인 특성에 맞추기 위해 하는 것이다. 일반적으로 전송하고자 하는 정보를 그 통신로의 특성에 맞게 효율적으로 변형할 필요성이 존재할 때 활용하는 것으로, 잡음과 간섭 제거, 주파수 할당, 시간의 다중화, 그리고 장비의 한계 등을 극복하기 위한 목적으로 사용된다.

광학매질을 통과하는 빛은 매질의 굴절률에 따라 그 방향이 바뀌며, 유리 같은 분자 구조상 등방성인 물질은 한 개의 굴절률을 가진다. 그러나 등방성 구조의 물질에도 응력을 가하면 광학적 비등방성을 띤다. 광탄성(Photoelasticity) 또는 응력 복굴절로 알려져 있는 이 현상은 매질에 압력 또는 장력이 가해질 때, 매질은 광축에 수직한 방향의 굴절률 n_o와 광축에 수평한 방향의 굴절률 n_e을 가지며 따라서 빛도 두 갈래로 갈라져 진행한다. 만약 매질에 가해지는 응력이 균일하지 않으면 복굴절이 생기고 이에 따라 빛은 위상 지연이 생긴다. 이러한 특성을 이용해 모르는 물질 표면에 광탄성 특성이 있는 물질을 입히면 빛을 통해 물체의 표면 변형과 관련된 정보를 얻을 수 있다.

일반적으로 에폭시나 폴리에스테르계 수지와 같이 응력에 광학적으로 민감한 재료를 코팅하여, 가해지는 응력이 선편광을 띄는 입사광의 전기장과 평행한 방향이면 빛은 파장에 관계없이 영향을 받지 않으나 그렇지 않는 경우에는 위상차 등이 생긴다.

광학적 변조는 모든 광 상호연결 솔루션에 요구되는 주 기능으로 광원은 직접 혹은 외부에서 변조될 수 있다. 외부 변조는 광원을 직접 변조시키는 방식에 비해 광원 자체의 단가가 저렴하며, 변조 속도가 빠른 장점이 있으며, 한 번의 변조를 통해 전 시스템에서 광 고립 및 파장의 안정화가 가능하다. 또한, 단일 광원은 각각의 변조기를 거쳐 다중 채널로 빛을 공급 할 수 있어 시스템 전체에서 소모되는 전력도 절약되는 장점이 있다. 다음에 변조하는 방식인 위상변화를 통한 변조기(Phase modulator)와 빛의 세기에 따른 변조기(Intensity modulator)에 대해 설명하였다.

구체적으로 위상 변조는 원하는 정보를 전송하기 위해 반송파의 위상을 변경하는 변조 방식으로 변조된 파형은 반송파 및 변조 파형으로 구성된다. 이는 주파수 변조와 거의 유사하지만 위상 변조의 경우 변조된 파형의 위상이 변조 파형의 순간 전압에 따라 변한다.

위상 변조기는 광량 조절을 위한 두 개의 편광자 사이에 유리나 다른 등방성을 띄는 투명한 물질을 위치시켜 작동한다. 물질에 가해진 응력으로 흡광 현상이 발생하지 않는 압전 광학(Piezooptical) 또는 광탄성(Photoelastic) 효과를 기반으로 한다.

만약 물질이 등방성과 균질성을 띠지 않는다면 응력이 가해지는 x 방향의 굴절률을 n_x라 하고 이에 수직한 방향인 y 방향의 굴절률을 n_y라 하면, 이 복굴절에 의해 x 방향과 y 방향의 광경로 차가 발생하고 결과적으로 위상지연이 유도된다.

그리고, 광섬유 내에서 전파되는 빛의 변조는 물리적으로 변하는 굴절률, 광섬유 길이나 직경과 같은 변수들에 의해 일어난다. 이러한 광섬유의 수동적 속성으로 간접적인 변조 기술이 필요한데, 보편적인 방법은 구동전압을 물리적 왜곡으로 바꿔주는 압전 변환기(Piezoelectric transducer)를 통해 광섬유를 물리적으로 변형시키는 것이다. 주로 광섬유를 실린더 모양의 압전체 주위에 감싸거나 압전 판에 결합시키는 형태로 만드는데, 이러한 구성은 압전 공진, 큰 편광변조, 압전 특성, 히스테리시스 및 저조파에 의해 결정되는 열 드리프트가 발생하는 주파수에서 상대적으로 낮은 변조 효율로 인한 어려움이 있다.

여기서, 1/4 위상 지연기(Quarter wave plate)는 중요하며, 이는 e-ray와 o-ray 사이의 상대 위상차 Δφ가 π/2가 되도록 만든 광학부품으로 90도 위상 이동은 선편광을 타원편광(또는 원편광)으로, 타원편광(또는 원편광)을 선편광으로 만든다.

그러나, 두 주축 중 하나에 평행하게 입사하는 선편광은 어떤 종류의 파장판에도 영향을 받지 않는다. 즉, 상대 위상차가 없으며 이때 복굴절 물질의 두께는 하기 수학식 2를 만족해야 한다.

광섬유를 전파하는 빛의 편광 상태는 외부 환경에 의하여 쉽게 변하는데, 이러한 변화는 광섬유가 사용된 시스템의 성능에 악영향을 미치므로 패러데이 회전 반사자(Faraday Rotator Mirror)를 이용하여 이러한 편광 상태 변화를 보상하기 위한 목적으로 활용된다.

In-line Sagnac 방식을 기반으로 한 광섬유 전류/자기장 센서에서 원형 복굴절은 센서 코일 내에서 선형편광을 유지할 수 있게 하지만 원형 복굴절은 온도의 변화에 매우 민감하여 이에 따른 출력의 변화를 일으키므로 센서용 광섬유 끝단에 패러데이 회전 반사자를 부착한다. 원형 복굴절의 영향은 광신호의 진행 방향과 관계가 있으므로 거울에서 반사된 후 진행 방향이 바뀌면, 그 값이 상쇄되어 온도 변화에 따른 출력 변화를 제거하지만 패러데이 효과는 자기장의 방향에 관계하므로 왕복 후 편광축의 회전각은 상쇄되지 않고 오히려 2배가 되어 출력의 신호대 잡음비를 개선한다.

또한 패러데이 회전 반사자를 활용하면 광신호의 두 선평 편광 모드는 90도 회전하고 이에 따라 센서 광섬유를 왕복한 후, 편광모드간 누적된 위상변화는 동일하므로 연결부위 광섬유에 존재하는 선형 복굴절 등에 따른 출력의 변화 또한 효율적으로 제거된다. 즉, 원형 복굴절은 빛의 진행 방향에 따라 부호가 바뀌는 가역적 현상이고 패러데이(Faraday) 회전각은 빛의 진행 방향에 무관한 비가역적 현상이므로 반사형 광섬유 센서는 원형 복굴절의 영향을 상쇄시키고 패러데이 회전각은 2배가 되는 것이다. 따라서, 패러데이 회전 반사자는 광섬유 내 잔존하는 선형 복굴절을 제거하는 목적을 활용되며, 입사광의 x, y축 성분을 뒤바꾸어 반사시켜 광섬유 내의 잔존 선형 복굴절 영향을 제거하는 것이다.

이론적으로 두 편광 축을 뒤바꾸어 반사시키므로 광신호가 센서 광섬유를 왕복한 후 두 편광 축간의 위상차가 누적되지 않아 잔존 선형 복굴절의 영향을 최소화하고 진동에 의한 선형 복굴절의 변화에도 둔감하게 되어 센싱 정밀도를 향상시킬 수 있다.

광섬유의 끝단에 위치한 패러데이 회전 반사자는, 예컨대, 입사되어 들어오는 빛을 평행화(collimation)하기 위한 렌즈와, 이 빛의 편광 상태를 45도 회전시키는 패러데이 회전자(Faraday rotato ), 및 이 빛을 다시 반사하는 반사 거울(Reflector)로 구성될 수 있다.

패러데이 회전 반사자에 입사한 빛은 비가역적 반응인 Faraday effect에 의해서 그 편광면이 45 도 회전하며, 그 결과 패러데이 회전 반사자에 입사한 빛은 패러데이 회전자를 지난 다음 다시 반사 거울에 의해 반사되어 한번 더 패러데이 회전자를 지나기 때문에, 패러데이 회전 반사자의 사용은 광섬유의 선형 복굴절의 효과를 상쇄시킨다.

다음, 센서의 제작 중 공정 오차나 설치 중에 과도/과소 벤딩 등으로 발생될 수 있는 이상 선형 복굴절의 영향을 살펴보겠다.

광섬유를 기반으로 한 전류 센서를 구현할 경우, 실제 광섬유 제조 과정에서 광섬유를 완전한 등방체의 구조로 만들 수 없으며 또한 광섬유 실장시 밴딩이나 스트레인 등에 의해 선형 복굴절이 존재한다. Faraday 효과는 광섬유에 원형 복굴절을 발생시켜 자기장 내에서 빛의 편광면을 회전시키는 현상이므로 선형 복굴절이 클 경우, Faraday 편광 회전 변화를 정확하게 측정하기 어려워진다. 즉, 광섬유 내에 존재하는 선형 복굴절의 최소화는 센서 출력 향상에 직접적인 관계가 있으므로 실용화를 위해서는 필수적이며, 이를 위해 기존에는 광섬유를 비틀어 원형 복굴절을 상대적으로 향상시키거나 광섬유의 고온 열처리 공정을 통해 선형 복굴절의 영향을 최소화 한다.

광회로 상에서의 광섬유의 비틀림 등에 의해 존재하는 원형 복굴절이 외부 진동 및 온도 등의 환경적 변화에 민감한 특성을 가져 출력 신호의 불안정화를 초래하게 되는데, 이를 효과적으로 제거하기 위한 목적으로 패러데이 회전 반사자를 사용한다. 원형 복굴절은 광신호의 진행방향에 따라 부호가 바뀌는 가역적 반응 특성을 가져 패러데이 회전 반사자를 통해 회전된 신호를 왕복시킬 경우, 외부 효과가 상쇄되기 때문이다. 반면, 패러데이 효과는 비가역적 반응을 보이므로 편광축의 회전각은 2배가 된다.

이는 단순한 반사 미러와는 차별되는 것으로 단순 미러의 경우, 광섬유에 잔존하는 선형 복굴절의 크기가 2배로 증가하므로, 오히려 출력 안정화를 저해하는 요소가 될 수 있다, 반면, 패러데이 회전 반사자에 의해 광섬유를 따라 진행하는 광신호의 두 선형 편광면은 90도 회전하고 이에 따라 왕복에 따른 동일 경로로 진행하게 되므로 편광의 두 축 성분 사이에 누적된 위상 변화는 소멸할 수 있어 잔존 선형 복굴절의 영향을 상쇄할 수 있다.

따라서, In line Sagnac 방식의 광섬유 전류 센서는 광원을 통해 입사된 무편광의 광신호가 선형편광기를 거쳐 선편광으로 변환되고, 선편광된 광신호는 45도로 돌려 융착시킨 편광유지 광섬유를 통과하면서 편광면은 45도로 회전한다.

다음, 45도로 회전한 선편광은 위상 변조기(Phase Modulator)에서 제어가 가능한 수직한 두 선편광 성분으로 나눠 진다. 이러한 위상 변조를 거쳐 나눠진 각각의 편광 성분은 1/4 위상 지연기를 지나면서 각각 방향이 반대인 원편광으로 변한다.

이렇게 1/4 위상 지연기를 통해 선평광을 원편광으로 변화시키는 이유는, 선편광을 활용할 경우 위상 변조기를 통해 나눠진 두 선평광 성분은 패러데이 효과에 의해 동일한 방향으로 회전하여 θ_f의 패러데이 회전의 의한 위상차를 갖는 반면에, 각각의 선평광 성분을 1/4 위상 지연기를 통해 원평광으로 변환하게 되면 두 개의 원편광은 자장 하에서 서로 다른 방향으로 회전하게 되어 서로의 차이인 2θ_f의 패러데이(Faraday) 회전에 의한 위상차를 가져와 자기장에 의한 센싱 민감도를 배가시키는 결과를 갖기 때문이다.

그리고, 2θ_f의 패러데이 회전이 된 편광은 광섬유 말단에 위치한 패러데이 회전 반사자에서 반사되어 되돌아 나오는데, 이때 온도, 진동에 의한 회전은 다 제거되고 패러데이 회전은 두 배가 되어 그 차이가 4θ_f로 커진다. 4θ_f의 패러데이 회전이 된 원편광은 다시 1/4 위상 지연기를 통과하면서 다시 선편광으로 변환되고, 원래 입사된 선편광의 크기보다 달라진 이 선편광의 크기가 광검출기에서 측정된다. 광검출기에서 측정된 빛의 크기는 도체를 통해 흐른 자장과 전류와 비례하므로 편광의 패러데이 회전을 측정하여 전류의 크기를 알게 되는 것이다.

즉, In line Sagnac 방식의 광섬유 센서는 기존의 Polarimetric 방식에 비해 외부 온도 및 진동의 요소를 제거할 수 있으며 보다 정밀한 센싱이 가능한 장점을 가진다. 좀 더 자세하게 설명하면, 전류가 흐르는 도체나 토로이드(Toroid) 형태의 전류 발생장치 주위에 광섬유를 감은 후 입력단에는 1/4 위상 지연기를 끝단에는 패러데이 회전 반사자를 부착한다. 선형편광기를 통해 선편광된 빛은 위상 변조기에서 서로 직교하며 동일한 위상을 가지는 두 선편광 성분으로 나눠지고, 두 선편광은 1/4 위상 지연기에 의해 RHCP(right handed circular polarization)와 LHCP(left handed circular polarization)의 원편광으로 변환된다. 다음 두 개의 원편광은 센서 광섬유를 통과하면서 각각 패러데이 효과를 거치며, 2θ_f의 위상차를 가지고 패러데이 회전 반사자에 의해 반사된다.

다음 반사된 두 개의 원편광은 역으로 RHCP는 LHCP로, LHCP는 RHCP로 변환되고, 다시 센서 광섬유를 통과하면서 패러데이 효과를 거쳐 두 편광의 위상차는 원래보다 두 배인 4θ_f가 된다 . 4θ_f 만큼 위상차를 가지는 두 원편광은 1/4 위상 지연기 를 지나면서 서로 수직한 두 개의 선편광으로 변환되고 두 편광의 위상차는 4θ_f가 된다.

θ_f는 전선이나 전류 발생장치에 인가되는 전류량에 비례하므로 두 선편광의 패러데이 효과 위상차, 즉 패러데이(Faraday) 회전각을 측정하게 되면 전류량을 알 수 있게 된다 .

그러나, 1/4 위상 지연기로 입사된 두 선편광이 다시 반사되면서 나올 때는 4θ_f 만큼 위상차만 가지는 것이 아니라 두 선편광의 축도 서로 바뀐다. 따라서, y축에 평행한 편광을 입사하게 되면 2θ_f 만큼 위상차를 가지고 x축에 평행한 편광이 출력되며, x, y축에 평행한 두 편광을 입사시키게 되면 서로 축은 변환되고 4θ_f 만큼의 위상차를 가지게 된다.

패러데이 효과는 오로지 자기장에 의해 광섬유에서 발생하는 원형복굴절의 변화로 일어나는 현상인데, 만약 도체에 감긴 센서 광섬유 자체에 선형 복굴절이 없다면 광섬유를 이용한 광전류센서는 이상적으로 패러데이 효과를 측정할 수 있다. 그러나 광섬유에는 광섬유 코어와 클래딩의 유리 조성 차이와 완벽하지 않은 비동심원 구조, 광섬유 인출 조건 등과 관련한 광섬유 자체가 가지고 있는 선형 복굴절과 이 광섬유를 감아서 코일 형태로 제작하였을 때 발생하는 밴딩에 의해 선형 복굴절이 존재하며, 이 두 가지는 광섬유 전류 센서의 제작 및 설치에 있어 피할 수 없다. 이 선형 복굴절은 패러데이 효과 측정시 민감도를 떨어뜨리는 역할을 하게 되며, 이러한 현상은 Poincare sphere 상에서 복굴절의 quenching 현상으로 나타낼 수 있다. 패러데이 효과에 의해 발생하는 이상적인 원형 복굴절만 측정되는 것이 아니라 광섬유 자체가 가지고 있는 선형 복굴절의 영향으로 인해 모든 복굴절이 발생한다.

다시말해, 광원 및 선형 편광기를 통해 출력된 선편광된 빛은 1/4 위상 지연기에 의해 TE 편광은 LHCP(left handed circular polarization)으로 변환되고 LHCP는 광섬유를 지나 reflector에 반사되어 RHCP(right handed circular polarization)로 변환되어 다시 광섬유를 지나게 되며, 광섬유를 지난 RHCP는 1/4 위상 지연기에 의해 TM 편광으로 변환되어 최종적으로 광검출기에 입력된다. 편광빔 분리기(Polarization beam splitter)를 거쳐 TE, TM 편광으로 분리된 신호는 두개의 광검출기에 입력되어 광파워로 출력되며, 만약 광섬유에 선형 복굴절이 존재하지 않는다면 TE 편광이 입력되었을 때 TM 편광이 출력되나, 선형 복굴절이 존재하게 된다면 입력된 TE 편광이 TM 편광으로 완전히 변환되지 않는다.

도 7은 광섬유의 선형 복굴절 크기에 따른 Degree of polarization의 의존성을 나타낸 그래프이다.

도시한 그래프에서, Wave plate의 지연(Retardation) 값이 0일 때는 TM 편광으로 변환되는 것을 볼 수 있지만, 지연(Retardation) 값이 커질수록 TM 편광으로 완전히 변환되지 않고 TE 편광 성분이 조금씩 비례하여 커지는 것을 알 수 있다. 지연(Retardation) 값이 π/2일 경우 TM 편광 성분이 없는 것을 확인할 수 있다.

실제 광전류 센서의 광섬유에는 패러데이 효과에 의해 발생하는 원형 복굴절과 광섬유 자체의 선형 복굴절은 함께 존재한다. 선형 복굴절이 생기게 되면 광섬유에 서로 다른 두 개의 LHCP와 RHCP가 입력되고 두 개의 원편광이 패러데이 효과에 의해 위상차가 발생하게 되므로 최종 출력에는 편광 성분도 나타나게 된다. 선형 복굴절로 인해 출력되는 TM 편광이 패러데이 효과의 크기에 따라 위상차와 TE 성분 크기가 함께 변화한다. 패러데이 효과 크기가 고정일 때 선형 복굴절 크기가 변하면 출력되는 TE 성분도 크기가 변하지만, 광섬유의 선형 복굴절은 온도에 따라 크기가 변화하므로 광전류 센서의 온도 의존성에 큰 영향을 미친다. 따라서, 광섬유에서 발생하는 선형 복굴절의 최소화가 요구된다.

상술한 선형복굴절을 최소화하기 위해 충분한 크기의 원형복굴절을 유도하여 상대적인 선형복굴절에 의한 두 편광 모드간의 위상변화를 억제하는 방식들이 소개되었다.

이러한 선형 복굴절의 발생 원인은 광섬유 코어의 비대칭성, 외부 밴딩, 진동, 스트레인, 스트레스, 온도 등 외부 환경의 변화에 의해 기인한다. 일 원인인 광섬유 코어의 비대칭성의 경우, 광섬유 축에 따라 선형적인 굴절률 차이가 존재하여 발생한다. 또한, 일 원인인 외부 밴딩의 경우 자기 광학 효과를 위해 도선의 주위에 자기장과 같은 방향으로 광섬유를 감을 시, 구부림에 의해 선형복굴절이 발생한다. 이때 발생하는 선형 복굴절은 이상적인 Faraday 소자가 가져야 하는 원형 편광이 아닌, 선형과 원형 편광의 합으로 존재하게 된다. 또한, 일 원인인 외부 환경의 변화의 경우 패러데이 소자의 선형 복굴절 값이 Stress-optic 효과에 의해 변화하는 것이 주 원인이다.

이를 해결하기 위해 일반적으로 Faraday 회전각 증대, 시스템 제어를 통한 Birefringence bias 제어, 보정 기술 적용, 광섬유 열처리를 통한 광섬유 내부 잔류 응력 제거, 납(Pb)을 광섬유 코어 영역내에 첨가하여 Low stress-optic coefficient 광섬유 적용, Twisted 또는 Spun high-birefringence 광섬유 적용, 선형 복굴절에 의한 광파워 및 센싱 감도의 변화보다 더 큰 수치의 원형 복굴절을 유도할 수 있는 보상 회로 시스템 구현 기술이 사용된다.

상술한 선형 복굴절 해소 방안들은 후술하는 본 발명의 사상에 따른 선형 복굴절 억제 방안과 함께 적용될 수는 있지만, 그 자체로는 비용 대비 효과적인 선형 복굴절 해소 방안이 되지 않는다.

도 8은 본 발명의 사상에 따라 상술한 선형 복굴절을 최소화하는 광섬유 전류 센서의 일 실시예를 도시한다.

도시한 광섬유 전류 센서는, 전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원(110); 상기 기준 광을 편광시키는 편광기(120); 상기 편광된 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기(140); 상기 위상 변조된 광을 1/4 위상 지연시키는 가변형 위상 지연기(150); 센싱 대상 부근으로 상기 위상 지연된 광의 광 경로가 위치하는 센싱 광섬유(170); 상기 센싱 광섬유의 말단에서 상기 광 경로를 도파한 광을 반사시키는 패러데이 회전 반사자(190); 상기 위상 지연기(150)의 광 축상의 물리적 길이를 조정하는 위상 지연 길이 조정기(160); 및 상기 위상 지연 길이 조정기(160)의 동작을 제어하는 지연기 튜닝 모듈(180)을 포함할 수 있다.

도시한 광섬유 전류 센서는, 상술한 구성에서 상기 위상 변조기에 의해 위상 변조된 광이 출사하여 상기 위상 지연기(150), 센싱 광섬유(170) 및 패러데이 회전 반사자(190)를 경유하여 되돌아온 광을 검출하는 광 검출기(Photo diode)를 더 포함할 수 있다. 상기 광 검출기에 의해 검출된 광은 상기 센싱 대상의 전류값으로 계산될 수 있다.

도시한 지연기 튜닝 모듈(180)은 상기 위상 변조기(140)의 위상 변조 동작을 제어하는 역할도 겸하고 있으나, 다른 구현에서는 상기 위상 변조 동작 제어기와는 별개로 구성될 수도 있다.

예컨대, 도시한 지연기 튜닝 모듈(180)은, 상기 위상 지연기(150)의 길이를 변화시키면서, 상기 위상 지연기(150) 또는 상기 패러데이 회전 반사자(190)에서 출력되는 광으로부터 편광 성분을 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 최적 길이를 설정할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 사상에 따른 광섬유 전류 센서의 설치 과정에서 상기 위상 지연기(150) 또는 상기 패러데이 회전 반사자(190)에서 광을 출력하기 위한 구조가 일시적으로 형성되었다가, 상기 위상 지연기(150)의 길이 조정후 제거될 수 있다.

예컨대, 도시한 지연기 튜닝 모듈(180)은, 상기 위상 지연기(150)의 길이를 변화시키면서, 광 검출기에서 검출된 전류 또는 자기 센싱을 위한 광 검출 신호의 크기를 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 최적 길이를 설정할 수 있다. 이 경우, 검출된 신호의 절대값이 큰 길이를 선택할 수 있다.

예컨대, 도시한 지연기 튜닝 모듈(180)은, 상기 위상 지연기(150)의 길이를 변화시키면서, 상기 위상 지연기(150) 또는 상기 패러데이 회전 반사자(190)에서 출력되는 광으로부터 편광 성분을 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기(150)의 1차 최적 길이를 설정하고, 상기 위상 지연기(150) 또는 상기 패러데이 회전 반사자(190)에서 출력되는 광을 검출하기 위한 수단을 제거하고, 상기 1차 최적 길이 부근에서 상기 위상 지연기(150)의 길이를 변화시키면서, 전류 또는 자기 센싱을 위한 광 검출 신호의 크기를 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기(150)의 2차 최적 길이를 설정할 수 있다.

도 8에 도시한 광섬유 전류 센서는 도 4의 광섬유 전류 센서에 포함된 위상 지연기를 가변형 위상 지연기로 대체하여 구현한 것이다. 도 2 및 도 3에 도시된 광섬유 전류 센서의 구조에 있어서도 해당 위상 지연기를 가변형 위상 지연기로 대체하여 본 발명의 사상을 적용할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 사상에 따른 광섬유 전류 센서를 구현함에 있어서의 광섬유 재질에 대하여 살펴보겠다.

일 예를 들면, 광섬유 코어 및 클래딩 영역 내에는 금속 입자가 함유된 유리로 조성될 수 있다. 여기에서 세슘(Cs), 칼륨(K), 나트륨(Na), 수은(Hg), 플루토늄(Pu), 리튬(Li), 유로퓸(Eu), 인듐(In), 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 탈륨(Tl), 이터븀(Yb), 납(Pb), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 황동(Cu+Zn), 은(Ag) 및 금(Au) 중 적어도 어느 하나가 함유된 광학 유리 코어/클래딩 일 수 있다. 다만, 광섬유 코어 영역 내에 존재하는 금속 입자가 편광에 영향을 미치는 것을 최소화해야 한다.

상술한 기술들로 광섬유 연신이 가능하게 함으로써, 전류 및 자기장 센서로 활용되는 광섬유로 입사되는 편광 상태를 최적의 원편광으로 구성할 수 있도록 하여 센서의 민감도, 안정성, 그리고 정밀도를 향상 시킬 수 있다.

도 8에 도시한 광섬유 전류 센서에 사용되는 광섬유 센서는 인라인 사냑(In-line Sagnac) 간섭계를 기반으로 하며, 광대역 광원, 광섬유 써큘레이터(circulator), 광섬유 선형 편광자, 광섬유 위상 변조기, 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기, 전류 자기장 센서 프로브 패러데이 회전 반사자 편광 빔 분리기, 광검출소자 및 광신호 분석분석기을 포함할 수 있다.

상기 광대역 광원은 자외선, 가시광선, 적외선의 파장 대역 중에서 선택되는 어느 하나의 전자파를 포함하는 광을 출력하는 광원일 수 있다.

상기 광대역 광원은 발광 다이오드(light emitting diode), 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode), 태양광(solar source), 형광등, 백열등 및 레이저 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.

광섬유 센서에 사용되는 광대역 광원은 광(전자파)을 발생하는 모든 형태의 광원이 원칙적으로 사용될 수 있다. 일반적으로 광이 발생되는 원리는 발광성 소재에 전계를 가해서 전계발광(electroluminescence), 형광체에 자외선, 청색, 녹색 등의 빛을 가하여 보다 긴 파장의 빛을 발생시키는 형광 (photoluminescence), 고에너지 전자를 충돌시켜 빛을 내는 냉광 (cathodeluminescence), 전자와 정공이 재결합하면서 빛을 내는 것(electron-hole recombination) 등이 있다, 상기 광대역 광원에서 출력되는 광은 특정한 범위의 파장을 가지는 빛을 출력하는 것일 수 있다.

광대역 광원으로부터 출사되는 광은 광섬유를 따라 진행하여 편광 조절기를 통과하고 광학 검출기에 입사된다. 광섬유를 따라 진행하는 광이 자기장 또는 전류에 의해 패러데이 효과로 편광의 회전을 유도하여 광파워가 변화할 수 있으며, 본 발명의 광섬유 센서는 광파워 변화를 분석하여 자기장 또는 전류를 센싱할 수 있다.

도 8에 도시한 광섬유 전류 센서에 있어, 상술한 선형 복굴절을 최소화하는 기능은 가변형 위상 지연 모듈에 의해 수행된다.

도 9a 내지 9c는 도 8의 광섬유 전류 센서에 구비될 수 있는 튜닝 가능한 가변형 위상 지연기로서 가변형 위상 지연 모듈(150, 160)의 실시예들을 도시한다.

도시한 가변형 위상 지연 모듈은, 일단으로 검출을 위해 위상 변조된 광이 입사되는 위상 유지 광섬유(149); 상기 위상 유지 광섬유와 동일한 재질이되, 일단이 상기 위상 유지 광섬유의 타단과 소정 각도로 회전하여 접합된 위상 지연 영역(150); 일단이 상기 위상 지연 영역의 타단에 연결되고, 타단으로 상기 위상 변조된 광을 출력하는 저 복굴절 광섬유(159); 및 상기 위상 지연 영역(150)의 물리적 길이를 조정하는 위상 지연 길이 조정기(160)를 포함할 수 있다.

상기 위상 유지 광섬유(149)는 도 8의 위상 변조기(140)와 가변형 위상 지연기(150) 사이의 광 전달 경로를 형성한다.

상기 저 복굴절 광섬유(159)의 타단은 도 8의 센싱 광섬유(170)에 연결된다.

도 9a는 선편광을 원편광 또는 원편광을 선평광으로 변화시키는 가변형 1/4 파장 위상 지연 모듈의 구성도로서, 위상 지연 영역(retardation section)(150)의 길이 변화를 유도할 수 있는 위상 지연 길이 조정기로서, 단순한 물리적인 광섬유 연신을 통한 기계장치에 기반한 구조를 제시한다.

즉, 상기 위상 지연 영역(150)을 파지하기 위한 제1 파지부(162) 및 제2 파지부(164)를 구비하며, 상기 제1 파지부(162)와 제2 파지부(164)의 간격을 기계적으로 조정하는 전기적 모터(166)를 구비한다. 예컨대, 상기 전기적 모터(166)는 제어가 용이한 스태핑 모터로 구현될 수 있다.

도시한 제1 파지부(162) 및 제2 파지부(164)는 정확하게 상기 위상 지연 영역(150)의 양단을 파지하고 있으나, 다른 구현에서는 상기 제1 파지부(162)는 상기 위상 지연 영역(150)에서 일 지점을 파지하고, 상기 제2 파지부(164)는 상기 저 복굴절 광섬유(159)의 일 지점을 파지할 수 있다. 즉, 상기 위상 지연 영역(150)을 포함하도록 파지하면 무방하다.

이러한 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 구성함에 있어 기계적(물리적) 연신을 위해 광섬유 외부에 금속 지지대를 구비할 수도 있다.

이러한 가변형 1/4 파장 위상 지연기는 가장 이상적인 편광 상태로의 변경을 통해 In-line Sagnac 방식의 광섬유 센서 프로브의 제작 공정에 따른 성능의 재현성을 확보할 수 있는 방식으로 보다 효과적으로 광섬유 센서 프로브를 구성함과 동시에 시스템 개발에 큰 영향을 미쳐 전류 및 자기장 광섬유 센서 개발에 유용성을 높일 수 있다.

도시한 가변형 위상 지연 모듈이 구비된 광섬유 센서는 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 기반으로 한 자기 및 전류 센서로서, 광섬유 코어는 도 1의 In-line Sagnac 방식의 광섬유 센서에 도시된 내용에서 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 갖는다.

일반적으로 원편광의 패러데이 회전 특성을 기반으로 하는 In-line Sagnac 방식의 광섬유 센서에서는 선편광 상태를 효과적으로 원편광 상태로 변경하는 것이 센서 정밀도 및 민감도에 큰 영향을 미치므로 선형 편광기를 통해 선편광 빛이 이상적이라는 전제하에 기존의 고정형 1/4 파장 위상 지연기를 통과하게 되면 이상적인 원편광의 신호가 검출된다. 하지만, 선형 편광기의 상태 및 광회로의 구성에서 선편광된 빛은 그 상태가 완벽할 수 없으므로, 이러한 편광 상태를 효과적으로 변환하며, 환경적 요인을 최소화 할 수 있도록 도시한 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 구비한다. 이러한 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 제작함에 있어 전광식 광섬유의 구성은 소자의 삽입 손실 및 편광 상태의 변화를 최소화 할 수 있으므로 매우 중요한 요소이다.

도 9b는 광섬유 클래딩 영역 내에 금속입자를 고용하여 외부 온도 변화에 따른 광섬유의 연신을 유도할 수 있는 연신 영역 및 상기 연신 영역을 가열할 수 있는 히터 구조를 제시한다. 광섬유 코어 영역 내에 열팽창 계수가 높은 금속입자가 고용될 경우, 편광에 영향을 미치므로 이에 대한 대책은 필요하다.

도시한 구조에서는 상기 위상 지연 영역(150)을 단순히 가이드하기 위한 제1 파지부(162-1) 및 제2 파지부(164-1)를 구비하지만, 다른 구현에서는 생략될 수도 있다.

도시한 구조에서 위상 지연 영역(retardation section)(150)의 길이 변화를 유도할 수 있는 위상 지연 길이 조정기로서, 가열에 의해 상기 위상 지연 영역(150)의 열팽창을 유도하는 히터(166-1) 및 상기 위상 지연 영역(150)의 단축시키는 힘을 가하는 용수철을 제시한다.

도 9c는 역압전소자를 통해 외부전원 공급에 의한 광섬유의 연신이 이루어 질 수 있는 구조를 제시한다.

도시한 구조에서 위상 지연 영역(retardation section)(150)의 길이 변화를 유도할 수 있는 위상 지연 길이 조정기로서, 상기 위상 지연 영역(150)와 일체화되어 형성된 압전 소자 영역(166-2) 및 상기 압전 소자 영역(166-2)에 전위를 인가하는 전압 전원(167-2)을 제시한다.

상기 압전 소자 영역(166-2)은 상기 위상 지연 영역(150)의 외면에 부착되거나, 복합 소재로 상기 위상 지연 영역(150)과 일체화되어 구현될 수 있다.

살펴본 바와 같이, 본 발명의 사상에 따른 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기는 입력단의 편광 유지 광섬유와 출력단의 선형 복굴절을 최소화한 스펀(Spun fiber) 광섬유 및 전류/자기장 센서용 광섬유를 기반으로 구성하며, 위상 지연 영역(retardation section)을 구성하여 입력 편광 상태를 선평광은 원편광으로 원편광은 선편광으로 변형할 수 있도록 하였다. 이에 위상 지연 영역을 연신할 수 있도록 하여 할 수 있는 기계적 연신 장치, 편광 유지 광섬유 클래딩 영역 내에 외부 열원에 의해 열팽창 계수가 높은 금속 입자가 고용된 특수 광섬유, 광섬유 외부에 금속바를 부착하는 등 외부 온도 제어에 의해 연신이 가능한 구조, 그리고 역압전 소자를 통해 외부 전원공급에 의한 역압전 소자의 팽창을 통한 광섬유 연신이 가능한 구조를 포함한 광섬유 또는 외부 자극에 의해 편광 유지 광섬유의 복굴절률을 변화시킬 수 있는 자극원을 포함할 수 있다.

도 10은 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기의 위상 지연부 길이 변화에 따른 위상 차이의 변화 결과를 나타낸 그래프이다.

도 10은 최적화 길이의 편광 유지 광섬유로 제작된 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 통해 위상 지연 영역(retardation section)의 길이 변화에 따른 도파광의 위상차 변화를 보여주는 결과이다.

도 10에서, 최적화 공정으로 제작된 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기의 변화가 없을 경우에는 도파광의 위상 차이가 π/2를 유지하며 위상 지연 영역(retardation section)의 길이의 증가 및 감소에 의해 도파광의 위상차이 효과적으로 변하는 것을 확인 할 수 있다.

이러한 위상 지연 영역(retardation section)의 길이 변화는 광섬유 클래딩 및 코어 영역 내에 열 팽창 계수가 큰 금속 입자가 포함된 편광 유지 특수 광섬유 및 외부 열원에 의해 광섬유의 길이 변화를 유도할 수 있는 금속바의 부착을 통한 편광 유지 광섬유 모듈, 그리고 기계적 변형에 의해 광섬유 길이 연신이 가능할 수 있도록 하는 구조를 갖는다.

도 11은 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 통해 변형된 편광면의 타원률에 따른 외부 자기장 변화에 따른 패러데이 회전각 변화를 나타낸 그래프이다.

도 11에서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서를 이용하여 자기장 변화를 센싱하는 경우, 광섬유 센서 프로브로 입사되는 편광 상태에 따라 패러데이 회전각의 변화가 다르다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기는 편광유지 광섬유와 원형 복굴절을 향상시킨 저 복굴절률(Low birefringence) 광섬유를 융착하거나 꼬이게 하여 입력되는 선편광을 원편광으로 변화시키는 것으로, 이때 이러한 위상 지연 영역(retardation section)의 길이 변화를 통해 출력되는 편광 성분을 최적화된 원편광으로 변조할 수 있다. 따라서, 이는 향후, 편광 변조기로 적용될 수 있다.

광검출 소자 및 광신호 분석기는 상술한 인라인 사냑 간섭계로부터 출력되는 광 신호를 전기적 신호로 변환하여 출력할 수 있으며, 사냑 간섭계기반 광섬유 센서를 통과한 광 신호들의 강도를 분석할 수 있다. 이를 이용하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서는 자기장 및 전류를 센싱할 수 있다.

도 12는 특정 자기장하에서 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 통한 편광면의 타원률 변화에 따른 패러데이 회전각 변화를 나타낸 그래프이다.

DC 솔레노이드를 통한 0에서 40A의 직류전류 인가시, 자기장은 0.126T 까지 증가하였으며, 전류 인가에 따라 패러데이 회전각이 증가하였으며, 평균 타원률이 45도인 원편광 상태에서의 패러데이 회전각이 가장 컸으며, 평균 타원률이 감소할수록 (원편광 -> 타원편광 -> 선편광)의 패러데이 회전각의 변화가 작아졌다.

그리고, 자기장이 0.126T 일 때, 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기를 통해 선형 및 원형 그리고 다양한 타원 편광으로 변조된 편광 신호가 광섬유 센서 프로브로 입사될 때, 선형에서 타원을 거쳐 원형으로 입사되는 편광 신호가 변화될수록 패러데이 회전각이 5.9도에서 8.3도로 크게 증가하였다. 하지만, 선 편광 및 타원편광 상태에서는 원편광 상태에 비해 패러데이 회전각이 크지 않았으며, 선평광과 타원편광 상태에서는 큰 차이를 보이지 않았다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

예컨대, 상기 설명에서는 가장 용도에 따른 시장이 큰 전류 센서로 구체화하여 설명하였지만, 광 섬유 전류 센싱 자체가 전류로 인해 야기되는 자기에 의해 영향받는 광섬유 특성을 이용한 것이므로, 자기 센서로 적용가능함은 당연하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.

예컨대, 상기 설명에서는 전류 센서의 감도를 높이기 위해 광 검출기로 되돌아오는 광의 원형 편광의 비율을 높이는 방안 및 그에 따른 효과를 중심으로 기술하였지만, 적용 필드에 따라서는 전류 센서(혹은 자기 센서)의 민감도가 너무 높아서 문제가 될 수도 있으며, 이러한 경우 의도적으로 원형 편광의 비율이 줄어들도록 상술한 위상 지연기의 길이를 변화시켜, 요망하는 민감도를 달성할 수도 있다. 이 또한, 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.

110 : 광원 120 : 편광기
140 : 위상 변조기 150 : 가변형 위상 지연기
160 : 지연기 길이 조정기 170 : 센싱 광섬유
180 : 지연기 튜닝 모듈 190 : 패러데이 회전 반사자

Claims (10)

1. 전광식 가변형 1/4 파장 위상 지연기 기반 광섬유 전류 센서로서,
   전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원;
   상기 기준 광을 편광시키는 편광기;
   상기 편광된 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기;
   상기 위상 변조된 광을 1/4 위상 지연시키는 위상 지연기;
   센싱 대상 부근으로 상기 위상 지연된 광의 광 경로가 위치하는 센싱 광섬유;
   상기 센싱 광섬유의 말단에서 상기 광 경로를 도파한 광을 반사시키는 패러데이 회전 반사자;
   상기 위상 지연기의 광 축상의 물리적 길이를 조정하는 위상 지연 길이 조정기; 및
   상기 위상 지연 길이 조정기의 동작을 제어하는 지연기 튜닝 모듈
   을 포함하는 광섬유 전류 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 지연기 튜닝 모듈은,
   상기 위상 지연기의 길이를 변화시키면서, 상기 위상 지연기 또는 상기 패러데이 회전 반사자에서 출력되는 광으로부터 편광 성분을 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 설정 길이를 설정하는 광섬유 전류 센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 지연기 튜닝 모듈은,
   상기 위상 지연기의 길이를 변화시키면서, 전류 또는 자기 센싱을 위한 광 검출 신호의 크기를 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 설정 길이를 설정하는 광섬유 전류 센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 지연기 튜닝 모듈은,
   상기 위상 지연기의 길이를 변화시키면서, 상기 위상 지연기 또는 상기 패러데이 회전 반사자에서 출력되는 광으로부터 편광 성분을 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 1차 길이를 설정하고,
   상기 위상 지연기 또는 상기 패러데이 회전 반사자에서 출력되는 광을 검출하기 위한 수단을 제거하고,
   상기 1차 길이 부근에서 상기 위상 지연기의 길이를 변화시키면서, 전류 또는 자기 센싱을 위한 광 검출 신호의 크기를 판단하는 방식으로, 상기 위상 지연기의 2차 길이를 설정하는 광섬유 전류 센서.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 위상 지연 길이 조정기는,
   전기적 모터 또는 역압전소자 또는 열팽창 현상을 이용하여 상기 위상 지연기의 광 축상의 물리적 길이를 조정하는 힘을 인가하는 광섬유 전류 센서.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 위상 지연기는,
   일단으로 상기 위상 변조된 광이 입사되는 위상 유지 광섬유;
   상기 위상 유지 광섬유와 동일한 재질이되, 일단이 상기 위상 유지 광섬유의 타단과 소정 각도로 회전하여 접합된 위상 지연 영역; 및
   일단이 상기 위상 지연 영역의 타단에 연결되고, 타단이 상기 센싱 광섬유에 연결된 저 복굴절 광섬유
   를 포함하는 광섬유 전류 센서.
   
7. 일단으로 검출을 위해 위상 변조된 광이 입사되는 위상 유지 광섬유;
   상기 위상 유지 광섬유와 동일한 재질이되, 일단이 상기 위상 유지 광섬유의 타단과 소정 각도로 회전하여 접합된 위상 지연 영역;
   일단이 상기 위상 지연 영역의 타단에 연결되고, 타단으로 상기 위상 변조된 광을 출력하는 저 복굴절 광섬유; 및
   상기 위상 지연 영역의 물리적 길이를 조정하는 위상 지연 길이 조정기
   를 포함하는 가변형 위상 지연 모듈.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 위상 지연 길이 조정기는,
   상기 위상 지연 영역을 파지하기 위한 제1 파지부 및 제2 파지부;
   상기 제1 파지부와 제2 파지부의 간격을 기계적으로 조정하는 전기적 모터
   를 포함하는 가변형 위상 지연 모듈.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 위상 지연 길이 조정기는,
   가열에 의해 상기 위상 지연 영역의 열팽창을 유도하는 히터; 및
   상기 위상 지연 영역의 단축시키는 힘을 가하는 용수철
   을 포함하는 가변형 위상 지연 모듈.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 위상 지연 길이 조정기는,
    상기 위상 지연 영역과 일체화되어 형성된 압전 소자 영역; 및
    상기 압전 소자 영역에 전위를 인가하는 전압 전원
    을 포함하는 가변형 위상 지연 모듈.
    
    
    
    
    
    
    
    

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