KR102332244B1 - 소광비를 개선한 광 서큘레이터 및 이 광 서큘레이터를 이용한 광파이버 센서 시스템 - Google Patents

소광비를 개선한 광 서큘레이터 및 이 광 서큘레이터를 이용한 광파이버 센서 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 서큘레이터에 관한 것으로, 대상물에 전송하기 위한 송신 광(Tx)이 입사하는 제 1 포트(P1), 송신 광(Tx)을 대상물로 출력하는 제 2 포트(P2)와, 제 1 포트와 제 2 포트를 연결하는 광축과 수직방향으로 배치되며, 편광 빔 스플리터(13)에서 반사된 복귀 광(Rx)을 출력하는 제 3 포트(P3)와, 제 1 포트로 입사하는 송신 광을 제 2 포트 측으로 투과시키고, 대상물에서 반사하여 되돌아오는 복귀 광을 제 3 포트로 반사하는 편광 빔 스플리터(13)와, 편광 빔 스플리터(13)를 통과한 송신 광 또는 대상물에서 반사하여 되돌아오는 복귀 광의 편광 면을 회전시키는 1/4 편광판(15)과, 상기 각 구성요소를 수용하는 하우징(17)과, 편광 빔 스플리터(13)와 제 3 포트(P3)의 반대쪽의 하우징(17) 사이에 설치되며, 편광 빔 스플리터(13)의 제 3 포트(P3) 쪽 표면에서 반사하여 하우징(17) 쪽으로 진행하는 송신 광(Tx)의 반사 광이 하우징(17)의 안쪽 표면에서 다시 반사하여 제 3 포트(P3)를 향하지 않도록 확산시키는 확산렌즈(29)를 포함한다.

Description

소광비를 개선한 광 서큘레이터 및 이 광 서큘레이터를 이용한 광파이버 센서 시스템{OPTICAL CIRCULATOR WITH IMPROVED EXTINCTION RATIO AND FIBER OPTIC SENSOR SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 소광비를 개선한 광 서큘레이터 및 이 광 서큘레이터를 이용한 광파이버 센서 시스템에 관한 것이다.
광 서큘레이터는 어느 한 포트로 입사하는 입사광을 특정 방향의 다른 포트로만 출력하는 기능을 하며, 라이다(LiDAR) 또는 DAS(Distributed Acoustic Sensing)와 같은 광 계측분야나 광통신 등에서 널리 사용되고 있다.
이와 같은 광 서큘레이터에 관한 기술로 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 것이 있다.
특허문헌 1에 기재된 것과 같은 3 포트 타입의 광 서큘레이터에서는 제 1 포트로 입사하는 광(빛)은 제 2 포트로만 출력되어야 하고, 제 2 포트로 입사하는 광은 제 3 포트로만 출력되어야 한다. 그러나 당해 광 서큘레이터 내부에서의 반사 등에 의해 제 1 포트로 입사한 광이 모두 제 2 포트만으로 출력되지 않고 그 일부가 하우징 쪽으로 반사한 후 다시 제 3 포트 쪽으로 반사되어 출력되는 경우가 있으며, 이것이 잡음으로 작용하여 광 서큘레이터의 민감도를 하락시키는 문제가 발생하게 되고, 이 문제는 광 서큘레이터의 소광비(extinction ratio) 저하의 문제로 이어지게 된다.
일본 특개 평5-323234호 공보(1993. 12. 7. 공개)
본 발명은 종래기술의 상기 문제를 개선하여, 광 서큘레이터의 소광비를 개선한 광 서큘레이터 및 이 광 서큘레이터를 이용한 광파이버 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광 서큘레이터는, 대상물에 전송하기 위한 송신 광이 입사하는 제 1 포트와, 상기 송신 광을 상기 대상물로 출력하는 제 2 포트와, 상기 제 1 포트와 상기 제 2 포트를 연결하는 광축과 수직방향으로 배치되며, 상기 편광수단에서 반사된 복귀 광을 출력하는 제 3 포트와, 상기 제 1 포트로 입사하는 송신 광을 상기 제 2 포트 측으로 투과시키고, 상기 대상물에서 반사하여 되돌아오는 복귀 광을 상기 제 3 포트로 반사하는 편광수단과, 상기 편광수단을 통과한 송신 광 또는 상기 대상물에서 반사하여 되돌아오는 상기 복귀 광의 편광 면을 회전시키는 편광 면 회전수단과, 상기 각 수단을 수용하는 하우징과, 상기 편광수단과 상기 하우징 사이에 설치되며, 상기 편광수단과 상기 제 3 포트의 반대쪽의 상기 하우징 사이에 설치되며, 상기 편광수단의 상기 제 3 포트 쪽 표면에서 반사하여 상기 하우징 쪽으로 진행하는 상기 송신 광의 반사 광이 상기 하우징의 안쪽 표면에서 다시 반사하여 상기 제 3 포트로 입사하지 않도록 확산시키는 확산렌즈를 포함한다.
또, 본 발명의 광파이버 센서 시스템은 감시 대상에 광을 조사하는 광원과, 상기 감시 대상의 상태 변화에 의해 상기 광원에서 조사된 광의 변화를 감지하는 센싱부와, 상기 센싱부에서 변화한 광을 수신하는 수광부와, 상기 수광부에 의해 수신된 광으로부터 상기 감시 대상의 상태 변화를 판단하는 판단부와, 상기 광 서큘레이터를 포함하고, 상기 광 서큘레이터는 상기 광원에서 출사하는 광을 상기 센싱부로 전송하는 광 전송경로와 상기 센싱부에서 변화된 광을 상기 수광부가 수신하는 광 수신경로를 변경한다.
본 발명의 광 서큘레이터에 의하면 대상물로 편광 빔 스플리터와 같은 편광수단의 표면에서 반사하는 반사 광에 의한 잡음의 발생을 제거할 수 있고, 이에 의해 광 서큘레이터의 소광비를 개선할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 광 서큘레이터의 개략적인 구성을 나타내는 도면,
도 2는 도 1의 광 서큘레이터에서 잡음이 발생하는 원인을 설명하기 위한 도면,
도 3은 원인 1을 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시형태의 광 서큘레이터의 구성을 나타내는 도면,
도 4는 원인 2를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시형태의 광 서큘레이터의 구성을 나타내는 도면,
도 5는 종래의 광 서큘레이터에서 제 3 포트로 출력하는 출력신호의 파형을 나타내는 파형도,
도 6은 본 발명의 광 서큘레이터에서 제 3 포트로 출력하는 출력신호의 파형을 나타내는 파형도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
1. 잡음 발생 원인
먼저, 일반적인 광 서큘레이터의 기본 구성과 함께 이 구성의 광 서큘레이터에서 잡음이 발생하는 원인에 대해서 설명한다.
도 1은 종래의 일반적인 광 서큘레이터의 개략적인 구성을 나타내는 도면, 도 2는 도 1의 광 서큘레이터에서 잡음이 발생하는 원인을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 나타내는 광 서큘레이터(10)는 제 1 포트(P1), 제 2 포트(P2) 및 제 3 포트(P3)의 3개의 포트를 가지는 3 포트 타입의 광 서큘레이터이며, 제 1 포트(P1)와 제 2 포트(P2) 사이에는 편광 빔 스플리터(13)와 1/4 파장판(15)이 차례로 배치되어 있고, 이들은 하우징(17) 내에 수용되어 있다. 또, 제 3 포트(P3)는 제 1 포트(P1)와 제 2 포트(P2)를 연결하는 축과는 수직방향으로 배치되어 있고, 제 3 포트(P3)의 중심축은 후술하는 제 2 포트(P2)로부터 입사한 복귀 광(Rx)이 제 3 포트(P3) 쪽으로 반사하는 편광 빔 스플리터(13)의 반사 면인 표면(B)의 중심점을 연결하는 선상에 배치되어 있다.
예를 들어서 도 1의 광 서큘레이터(10)가 라이다와 같은 광 계측장치에 사용되는 경우에는, 제 1 포트(P1)는 예를 들어 레이저광과 같은 계측용 송신 광(Tx)이 입사하는 포트이고, 제 2 포트(P2)로 입사한 송신 광(Tx)이 계측 대상물(target)로 출력되는 동시에, 제 2 포트(P2)를 통해서 출력된 송신 광(Tx)이 대상물에서 반사한 후 되돌아오는 광인 복귀 광(Rx)이 입사하는 포트이며, 제 3 포트(P3)는 제 2 포트(P2)로 입사한 복귀 광(Rx)이 출력되는 포트이다.
제 1 포트(P1)와 제 2 포트(P2) 및 제 3 포트(P3)에는 각각 페룰을 갖는 광파이버(1b, 2b, 3b)와 렌즈(1a, 2a, 3a)를 금속제 슬리브(1c, 2c, 3c) 내에 수용한 파이버 콜리메이터(1, 2, 3)가 배치되어 있다.
편광 빔 스플리터(13)는 입사하는 광을 편광 특성에 따라서 투과 또는 반사하며, 제 1 포트(P1)로부터 입사하는 광은 모두 제 2 포트(P2)로 출력하도록 편광이 설계되어 있다. 또, 도 1에 나타내는 광 서큘레이터(10)에서는 편광 빔 스플리터(13)는 판형(plate type) 편광 빔 스플리터를 사용하고 있고, 광축에 대해 45도 기울어져서 배치되어 있다.
1/4 파장판(15)은 입사하는 광의 편광방향을 45도 회전시킨다. 도 1의 광 서큘레이터(10)에서는 제 1 포트(P1)로부터 입사하는 광은 1/4 파장판(15)에서 45도 편광 면이 회전하여 송신 광(Tx)으로서 제 2 포트(P2)로 출력된다. 또, 제 2 포트(P2)를 통해서 출력된 송신 광(Tx)은 예를 들어 본 발명의 광 서큘레이터가 라이다에 사용된 경우, 대상물 등에서 반사한 후 복귀 광(Rx)으로서 제 2 포트(P2)로 되돌아온다. 이때 복귀 광(Rx)은 1/4 파장판(15)에서 한 번 더 45도 편광이 회전되며, 따라서 제 1 포트(P1)를 통해서 입사한 광은 총 90도의 편광각도로 회전하게 된다. 이어서 복귀 광(Rx)은 편광 빔 스플리터(13)에서 제 3 포트(P3) 쪽으로 반사하여 제 3 포트(P3)로 출력된다. 또, 도 1에 나타내는 것과 같이, 1/4 파장판(15)은 당해 1/4 파장판(15)에서의 광의 반사를 최소화하기 위해 광축에 대해 8도 이상 기울어져서 배치되어 있다.
하우징(17)은 광 서큘레이터(10)를 구성하는 구성요소를 그 내부에 수용하며, 각 포트(P1, P2, P3) 중 어느 하나로 입사한 광이 정해진 경로 이외의 다른 경로로 진행하여 외부로 누설되는 것을 방지한다. 도면 도시의 편리를 위해, 도 1에서는 하우징(17)의 전체를 나타내지 않고 그 일부만을 상징적으로 나타내고 있다.
이상의 구성을 구비하는 광 서큘레이터(10)에서는, 제 1 포트(P1)로 입사한 광은 제 1 파이버 콜리메이터(1)의 렌즈(1a)에 의해 평행 광이 되고, 편광 빔 스플리터(13)에서 편광분리 되어서 1/4 파장판(15)에 도달한다. 그리고 편광 빔 스플리터(13)에 의해 편광 분리된 광은 1/4 파장판(15)을 통과하면서 그 편광 면이 45도 회전한 상태로 제 2 파이버 콜리메이터(2)의 렌즈(2a)에 의해 집속되어서 제 2 포트(P2)로 출력된다.
또, 제 2 포트(P2)를 통해서 출력된 송신 광(Tx)이 대상물 등에서 반사된 후 제 2 포트(P2) 측으로 되돌아오는 복귀 광(Rx)은 제 2 파이버 콜리메이터(2)의 렌즈(2a)에 의해 평행 광이 되고, 1/4 파장판(15)에서 편광 방향이 다시 45도 회전하여 1/4 파장판(15)에서 반사되어서 제 3 포트(P3)로 출력된다.
이와 같은 광의 입출력 과정에서 각각 편광 빔 스플리터(13)로 입사하는 광은 당해 편광 빔 스플리터(13)의 양쪽 면에서 그 일부가 하우징(17) 쪽으로 반사하는 반사 광이 발생하고, 이 반사 광이 하우징(17)의 안쪽 면에서 다시 제 3 포트(P3) 쪽으로 반사하여 제 3 포트(P3)로 출력되는 복귀 광(Rx)에 혼입되게 되며(섞이며), 이 혼입 반사 광이 잡음으로 작용하게 된다.
이와 같은 잡음 발생원인에 대해서 도 2도 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 2는 도 1의 광 서큘레이터에서 잡음이 발생하는 원인을 설명하기 위한 도면으로, (a)는 송신 광(Tx)과 복귀 광(Rx)이 각각 편광 빔 스플리터(13)의 양쪽 표면에서 반사하여 잡음이 발생하게 되는 메커니즘을 나타내는 도면, (b)는 편광 빔 스플리터(13)의 두께와 잡음 발생과의 관계를 나타내는 도면, (c)는 입사하는 광의 광 빔의 지름(크기)에 따른 잡음 발생과의 관계를 각각 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2 (a)에서 화살표 R2로 나타내는 것과 같이, 제 1 포트(P1)를 통해 입사하는 송신 광(Tx)은 모두 제 2 포트(P2)를 통해서 출사하지 않고 그 일부가 편광 빔 스플리터(13)의 표면(B)에서 반사하여 제 3 포트(P3) 쪽으로 진행한다. 그리고 이 반사 광(R2)은 하우징(17)의 안쪽 면에서 다시 반사한 반사 광(R2')은 제 3 포트(P3) 쪽으로 출력되어서 잡음으로 작용한다.
한편, 제 2 포트(P2)를 통해 출사하여 대상물 등에서 반사한 후 제 2 포트(P2)를 통해서 다시 광 서큘레이터(10)로 입사하는 광(복귀 광(Rx))은 1/4 파장판(15)에 의해 그 편광 면이 45도 회전한 후 편광 빔 스플리터(13)의 표면(B)에서 제 3 포트(P3) 쪽으로 진행한다.
이하에서는 이와 같은 잡음발생 원인을 간단하게 「원인 1」이라 하며, 원인 1에 의한 잡음 제거방법에 대해서는 후술한다.
다음에, 도 2 (a)에서 점선 화살표 R1으로 나타내는 것과 같이, 제 1 포트(P1)로부터 광 서큘레이터(10)로 입사하는 입사 광(송신 광(Tx))은 편광 빔 스플리터(13)를 통과하여 1/4 파장판(15) 쪽으로 진행하게 되나, 그 중 일부는 편광 빔 스플리터(13)를 통과하지 않고 편광 빔 스플리터(13)의 광 입사 면(도 2 (a)의 편광 빔 스플리터(13)의 도면상 좌측 표면(A))에서 하우징(17) 쪽으로 반사하는 반사 광(R1)이 되고, 이 반사 광(R1)은 하우징(17)의 안쪽 면에서 다시 편광 빔 스플리터(13) 쪽으로 반사하여 제 3 포트(P3) 쪽으로 향하는 반사 광(도 1의 점선 화살표 R1')이 된다. 이 반사 광(R1')이 제 2 포트(P2)로 입사하여 제 3 포트(P3)로 출력되는 복귀 광(Rx)에 혼입되면 잡음으로 작용하게 되며, 이하에서는 이와 같은 잡음발생 원인을 간단하게 「원인 2」라 한다.
원인 2에 대해서 더 설명한다.
도 2 (b)에 나타내는 것과 같이, 편광 빔 스플리터(13)로 입사하는 송신 광(Tx)의 광 빔의 지름을 S1이라고 하면, 그 일부가 편광 빔 스플리터(13)의 표면(A)에서 하우징(17) 쪽으로 반사하는 반사 광(R1)과 이 반사 광(R1)이 하우징(17)의 안쪽 면에서 다시 반사하여 제 3 포트(P3) 쪽으로 되돌아오는 반사 광(R1')의 광 빔의 폭은 모두 반사 전의 송신 광(Tx)의 광 빔의 지름 S1과 동일하다.
또, 제 1 포트(P1)로 입사하여 제 2 포트(P2)로 출력되어서 대상물 등에서 반사한 후 제 2 포트(P2)를 통해서 되돌아오는 복귀 광(Rx)의 광 빔의 지름도 S1이 되며, 편광 빔 스플리터(13)의 표면 B에서 하우징(17) 쪽으로 반사하는 반사 광(R2) 및 하우징(17)의 안쪽 면에서 다시 반사하여 제 3 포트(P3) 쪽으로 되돌아오는 반사 광(R2')의 광 빔의 지름도 마찬가지로 S1이 된다.
이때, 반사 광(R1, R1')의 광 빔의 중심과 반사 광(R2, R2')의 광 빔의 중심 사이의 거리는 편광 빔 스플리터(13)의 두께에 따라서 변하며, 이들 광 빔 사이의 거리가 가까워지면 두 광 빔을 서로 겹치게(중첩되게) 되고, 멀어지면 두 광 빔은 서로 중첩되지 않는다. 다시 말해 편광 빔 스플리터(13)의 두께가 반사 광(R1, R1') 및 반사 광(R2, R2')의 광 빔의 지름보다 크면 반사 광(R1, R1') 및 반사 광(R2, R2')은 서로 겹치지 않으나, 편광 빔 스플리터(13)의 두께가 반사 광(R1, R1') 및 반사 광(R2, R2')의 광 빔의 지름보다 작으면 반사 광(R1, R1') 및 반사 광(R2, R2')은 반사 광(R1, R1') 및 반사 광(R2, R2')은 도 2 (b)에 나타내는 것과 같이 서로 중첩되게 된다.
이 경우에는 도 3을 이용하여 후술하는 방법에 의해 원인 1에 의한 문제를 제거해도 반사 광(R1')의 일부는 제 3 포트(P3)로 출력하는 복귀 광(Rx)에 혼입되게 되며, 결과적으로는 소광비의 저하로 이어진다. 따라서 편광 빔 스플리터(13)의 두께는 적어도 반사 광(R1, R1')의 중심과 반사 광(R2, R2')의 광 빔이 서로 겹치지 않을 정도로 하는 바람직하다.
또, 도 2 (c)에 나타내는 것과 같이, 편광 빔 스플리터(13)의 두께(t2)를 두껍게 해도(도 2 (b)의 편광 빔 스플리터(13)의 두께(t1)와 도 2 (c)의 편광 빔 스플리터(13)의 두께(t2)는 t2>t1의 관계를 갖는다) 제 1 포트(P1)를 통해서 광 서큘레이터(10)로 입사하는 송신 광(Tx)의 광 빔의 지름이 편광 빔 스플리터(13)의 두께의 증가분에 비해 더 커지게 되면(도 2 (b)의 광 빔의 지름(S1)과 도 2 (c)의 광 빔의 지름(S2)은 S2>S1의 관계를 갖는다) 마찬가지로 반사광(R1')과 반사 광(R2')은 서로 중첩되게 된다. 따라서 원인 1에 의한 문제를 제거해도 반사 광(R1')이 복귀 광(Rx)에 혼입되게 된다. 따라서 제 1 포트(P1)를 통해서 광 서큘레이터(10)로 입사하는 송신 광(Tx)의 광 빔의 지름도 작게 하는 것이 바람직하다.
2. 원인 1에 의한 잡음의 제거방법
다음에, 원인 1에 의한 잡음을 제거하는 방법에 대해서 도 3을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 3은 원인 1을 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시형태의 광 서큘레이터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3에 나타내는 광 서큘레이터(20)는 기본적인 구성은 도 1에 나타내는 광 서큘레이터(10)와 동일하다.
다만, 도 3의 광 서큘레이터(20)가 도 1의 광 서큘레이터(10)와 다른 점은, 제 3 포트(P3)의 중심축에서 하우징(17)의 안쪽 면으로 연장되는 선상의 하우징(17) 부근의 위치로서, 제 1 포트(P1)를 통해서 입사하는 송신 광(Tx)이 편광 빔 스플리터(13)에서 반사하여 하우징(17) 쪽으로 향하는 반사 광(R2)의 진행경로 상에 설치되어서, 이 반사 광(R2)이 하우징(17)의 안쪽 면에서 다시 반사하여 제 3 포트(P3) 쪽 방향으로 입사하는 반사 광(R2')이 되지 않도록 확산시키는 확산용 렌즈(29)를 설치한 점에 있다.
따라서 이하에서는 도 3의 광 서큘레이터(20)의 구성 중 도 1의 종래의 일반적인 광 서큘레이터(10)와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 부분을 중심으로 설명한다.
확산용 렌즈(29)로는 당해 렌즈에 평행하게 입사하는 광을 발산시키는 기능을 하는 오목렌즈가 바람직하다. 그러나 확산용 렌즈(29)와 하우징(17) 사이의 공간을 조정하여 확산용 렌즈(29)의 초점 면이 하우징(17)의 안쪽 면이 아닌 허공이 되도록 하는 경우에는 볼록렌즈를 사용할 수도 있다.
도 3에 나타내는 광 서큘레이터(20)에 의하면 제 1 포트(P1)로 입사하는 송신 광(Tx) 중 편광 빔 스플리터(13)의 표면 B에서 반사하여 하우징(17) 쪽으로 진행한 반사 광(R2)은 확산용 렌즈(29)에 의해 확산하게 되므로, 반사 광(R2)이 하우징(17)의 안쪽 면에서 다시 반사한 반사 광(R2')은 제 3 포트(P3)로는 입사하지 않게 되며, 따라서 반사 광(R2')에 의한 잡음의 문제는 발생하지 않는다.
3. 원인 2에 의한 잡음의 제거방법
다음에, 원인 2에 의한 잡음 제거방법에 대해서 도 4를 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 4는 원인 2를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시형태의 광 서큘레이터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4에 나타내는 광 서큘레이터(30)는 기본적인 구성은 도 3에 나타내는 광 서큘레이터(20)와 동일하다. 다만, 도 4의 광 서큘레이터(30)는 편광 빔 스플리터(33)의 두께가 도 3의 광 서큘레이터(20)보다 두껍다는 점에서만 차이가 있다. 상세하게는 도 4의 편광 빔 스플리터(33)의 두께(t3)는 도 3의 편광 빔 스플리터(13)의 두께(t1)보다 두껍다((t3) > (t1)).
따라서 이하에서는 도 4의 광 서큘레이터(30)의 구성 중 도 3의 광 서큘레이터(20)와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하고, 다른 부분을 중심으로 설명한다.
이때의 편광 빔 스플리터(33)의 두께(t3)는 제 1 포트(P1)를 통해 광 서큘레이터(30)로 입사하는 송신 광(Tx) 중 편광 빔 스플리터(33)의 표면 A에서 반사하는 반사 광(R1)의 광 빔과 제 1 포트(P1)를 통해서 광 서큘레이터(30)로 입사하는 송신 광(Tx) 중 편광 빔 스플리터(33)의 표면 B에서 반사하는 반사 광(R2)의 광 빔이 서로 중첩하지 않는 두께로 하여야 한다.
이와 함께, 원인 2의 해결을 위한 도 4의 광 서큘레이터(30)에서는 (t2) > (t1)의 관계를 갖는 도 4의 편광 빔 스플리터(33)에 의해서도 반사 광(R1)과 반사 광(R2)이 서로 겹치지 않을 정도로 제 1 포트(P1)로 입사하는 송신 광(Tx)의 광 빔의 지름(크기)도 함께 조정하여야 한다.
도 4의 광 서큘레이터(30)는 도 3을 이용하여 설명한 확산용 렌즈(29)를 구비하고 있으므로 반사 광(R2')이 제 3 포트(P3)로 입력하는 복귀 광(Rx)에 혼입되는 문제는 발생하지 않는다.
또, 편광 빔 스플리터(13)의 두께를 반사 광(R1)과 반사 광(R2)의 광 빔의 지름보다 크게 하고 있으므로 반사 광(R1)의 광 빔과 반사 광(R2)의 광 빔이 서로 중첩되는 문제도 발생하지 않는다. 따라서 하우징(17)에서 반사하여 제 3 포트(P3) 쪽으로 되돌아오는 반사 광(R1')이 제 3 포트(P3)에서 복귀 광(Rx)에 혼입되어서 잡음으로 작용하는 문제도 발생하지 않게 된다.
다음에 본 발명의 광 서큘레이터의 효과에 대해서 도 5 및 도 6을 참조하면서 설명한다. 도 5는 도 1을 이용하여 설명한 종래의 일반적인 광 서큘레이터(10)에서 제 3 포트(P3)로 출력하는 신호의 파형을, 도 6은 도 4를 이용하여 설명한 본 발명의 광 서큘레이터(30)에서 제 3 포트(P3)로 출력하는 신호의 파형을 각각 나타내는 파형도이다.
도 5에서 도면부호 a는 제 3 포트(P3)로 출력하는 신호의 시간 영역에서의 파형을, 도면부호 b는 주파수 영역에서의 파형을 각각 나타내고, 도 6에서는 도면 부호 A는 제 3 포트(P3)로 출력하는 신호의 시간 영역에서의 파형을, 도면부호 B는 주파수 영역에서의 파형을 각각 나타낸다.
이때, 종래의 일반적인 광 서큘레이터(10)의 제 3 포트(P3)로 출력하는 출력신호의 파형을 나타내는 도 5에서는 도면 부호 b로 나타내는 주파수 영역에서의 출력신호에는 도면부호 c로 나타내는 것과 같이 2개 이상의 피크가 관찰되며, 이는 앞에서 설명한 반사 광(R1') 또는 반사 광(R2') 중 적어도 하나 이상에 의한 잡음이 복귀 광(Rx)에 혼입된 다중 신호(ghost signal)가 제 3 포트(P3)로 출력된 결과임을 알 수 있다.
반면에, 도 6과 같이, 원인 1 및 원인 2가 모두 개선된 본 발명의 광 서큘레이터(30)에서는 도 5와 같은 다중 신호(c)는 관찰되지 않으며, 제 3 포트(P3)로 출력되는 신호는 복귀 광(Rx)에 의한 단일 피크의 신호만을 얻을 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시형태에 의해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 청구범위에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변경이나 변경이 가능함은 당연하다.
4. 본 발명의 광 서큘레이터의 이용 예
다음에, 본 발명의 광 서큘레이터를 광파이버 센서 시스템의 이용 예에 대해서 설명한다.
광파이버 센서 시스템은 예를 들어 제조장치 내의 온도나 습도와 같은 환경관리, 건조물의 화재 감시와 같은 방재관리, 교량이나 철도의 구조물 감시나 장거리 부설 와이어로프의 변형 감시와 같은 인프라 감시 등 매우 다양한 용도에 사용되고 있다.
이와 같은 광파이버 센서 시스템은 감시 대상에 광을 조사하는 광 조사수단으로서의 광원과, 광원에서 출사하는 광을 감시 대상에 전송하는 광 전송부와, 예를 들어 온도나 변형 또는 진동 등과 같은 감시 대상의 상태 변화에 의해 발생하는 광의 변화를 감지하는 센싱부와, 센싱부에서 변화한 광을 수신하는 수광부 및 수광부에 의해 수신된 광으로부터 예를 들어 측정환경의 온도의 변화, 변형의 발생, 진동의 발생 여부를 판단하는 판단부를 포함한다. 이때, 광 서큘레이터에 의해 광원에서 출사하여 광 전송부를 통해서 센싱부로 전송하는 전송경로와 센싱부에서 변화된 광을 수광부가 수신하는 수신경로를 변경한다.
광파이버 센서 시스템이 DAS(Distributed Acoustic Sensing)인 경우에는 센싱부로 광파이버를 사용하며, 광원은 펄스 광을 광 서큘레이터를 통해서 광파이버로 출력하고, 광파이버의 레일리 산란에 의해 후방으로 되돌아오는 후방 산란광을 포토다이오드와 같은 광검출기를 통해서 수신한다.
5. 변형 예
또, 본 발명은 실시형태에 기재된 형태로 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 변형 또는 변경 실시할 수 있다.
상기 실시형태에서는 편광 빔 스플리터(13)로 판형(plate type) 편광 빔 스플리터를 사용하는 광 서큘레이터를 예로 들어서 설명하였으나, 큐브형(cube type) 편광 빔 스플리터를 사용하는 광 서큘레이터로 해도 좋고, 또는 복굴절 프리즘 등의 다른 편광수단을 사용하는 광 서큘레이터라도 좋다.
또, 상기 실시형태에서는 1/4 파장판(15)을 사용하는 광 서큘레이터를 예로 들어 설명하였으나, 1/2 파장판 또는 페러데이 회전자를 사용하거나, 또는 1/2 파장판과 페러데이 회전자를 함께 사용하는 광 서큘레이터로 해도 좋다.
또, 본 실시형태에서 설명한 구성요소 이외의, 예를 들어 광 서큘레이터 내에서의 광의 경로를 변경하는 수단인 미러 등을 더 포함하는 광 서큘레이터에도 본 발명은 적용할 수 있다.
중요한 점은 입력 포트로 입사하는 송신 광(Tx)이 모두 출력 포트로 출력하지 않고 그 일부가 하우징 등에서 반사한 반사 광이 대상물 등에서 반사하여 되돌아오는 복귀 광(Rx)에 혼입되어서 발생하는 잡음을 제거하기 위해, 도 3에서 설명한 확산용 렌즈 및/또는 도 4에서 설명한 입사 광 빔의 지름과 편광분리수단의 두께와의 관계를 만족하도록 광 서큘레이터를 구성하는 점에 있다.
또, 상기 실시형태에서 제 1 포트, 제 2 포트 및 제 3 포트라는 명칭은 설명의 편의상 부여한 명칭이며, 송신 광(Tx)이 입력하는 포트가 반드시 제 1 포트(P1)이고, 송신 광(Tx)을 출력하고 복귀 광(Rx)을 입력하는 포트가 반드시 제 2 포트(P2)이며, 복귀 광(Rx)을 출력하는 포트가 반드시 제 3 포트(P3)여야 하는 것은 아니다.
예를 들어, 송신 광(Tx)이 입력하는 포트를 제 2 포트, 송신 광(Tx)을 출력하고 복귀 광(Rx)을 입력하는 포트를 제 3 포트, 복귀 광(Rx)을 출력하는 포트를 제 3 포트라고 해도 좋고, 그 외의 다른 방법으로 포트 명을 부여해도 상관없다.
또, 실시형태와 변형 예의 입루 쪼는 전부를 조합하여 실시해도 좋다.
10, 20, 30 광 서큘레이터
13, 33 편광 빔 스플리터
15 1/4 파장판
17 하우징
29 확산용 렌즈
R1, R1', R2, R2' 반사 광

Claims (6)

  1. 광 서큘레이터로,
    대상물에 전송하기 위한 송신 광이 입사하는 제 1 포트와,
    상기 송신 광을 상기 대상물로 출력하는 제 2 포트와,
    상기 제 1 포트와 상기 제 2 포트를 연결하는 광축과 수직방향으로 배치되며, 편광수단에서 반사된 복귀 광을 출력하는 제 3 포트와,
    상기 제 1 포트로 입사하는 송신 광을 상기 제 2 포트 측으로 투과시키고, 상기 대상물에서 반사하여 되돌아오는 복귀 광을 상기 제 3 포트로 반사하는 상기 편광수단과,
    상기 송신 광 및 상기 복귀 광의 편광 면을 회전시키는 편광 면 회전수단과,
    상기 각 수단을 수용하는 하우징과,
    상기 편광수단과 상기 제 3 포트의 반대쪽의 상기 하우징 사이에 설치되며, 상기 편광수단의 상기 제 3 포트 쪽 표면에서 반사하여 상기 하우징 쪽으로 진행하는 상기 송신 광의 반사 광이 상기 하우징의 안쪽 표면에서 다시 반사하여 상기 제 3 포트로 입사하지 않도록 확산시키는 확산렌즈를 포함하고,
    상기 편광수단의 두께는 상기 송신 광의 광 빔의 지름보다 큰 광 서큘레이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산렌즈는 오목렌즈인 광 서큘레이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산렌즈는 볼록렌즈이며,
    상기 볼록렌즈의 초점 면은 상기 하우징의 안쪽 면이 아닌 광 서큘레이터.
  4. 삭제
  5. 감시 대상에 광을 조사하는 광원과,
    상기 감시 대상의 상태 변화에 의해 상기 광원에서 조사된 광의 변화를 감지하는 센싱부와,
    상기 센싱부에서 변화한 광을 수신하는 수광부와,
    상기 수광부에 의해 수신된 광으로부터 상기 감시 대상의 상태 변화를 판단하는 판단부와,
    청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 광 서큘레이터를 포함하고,
    상기 광 서큘레이터는 상기 광원에서 출사하는 광을 상기 센싱부로 전송하는 광 전송경로와 상기 센싱부에서 변화된 광을 상기 수광부가 수신하는 광 수신경로를 변경하는 광파이버 센서 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 광파이버 센서 시스템은 DAS(Distributed Acoustic Sensing)이며,
    상기 센싱부는 광파이버인 광파이버 센서 시스템.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05323234A (ja) 1992-05-21 1993-12-07 Fuji Elelctrochem Co Ltd ３ポート型光サーキュレータ
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JP2020536256A (ja) * 2017-07-26 2020-12-10 テッラ１５ プロプライエタリー リミテッド 分布光学センシングシステム及び方法

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