KR102617481B1 - a Magnetic field fiber sensor - Google Patents
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Abstract
사냑 간섭계 기반의 자기 및 전류 센싱을 위한 광섬유 센서가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서는 상기 광원부로부터 출사되어 사냑 간섭계를 거쳐 출사되는 광신호를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 광학 스펙트럼 분석기; 및 상기 광원부와 광학 스펙트럼 분석기를 연결하여 광신호를 전달하는 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유는 편광유지 광자결정 광섬유로서, 코어의 조성은 외부 자기장에 의해 큰 굴절률 변화를 갖는 재료이며, 복수의 광섬유 코어를 포함한다.An optical fiber sensor for magnetic and current sensing based on Sagnac interferometry is disclosed. An optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention includes an optical spectrum analyzer that converts an optical signal emitted from the light source unit through a Sagnac interferometer into an electrical signal and outputs it; and an optical fiber that connects the light source unit and an optical spectrum analyzer to transmit an optical signal, wherein the optical fiber is a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber, and the composition of the core is a material that has a large refractive index change due to an external magnetic field, and a plurality of optical fiber cores. Includes.
Description
본 발명은 자기장 광섬유 센서에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 편광 유지 광자결정 광섬유(Polarization-maintaining Photonic Crystal Fiber) 구조를 기반으로 한 자기 및 전류 센서에 관한 것이다.The present invention relates to magnetic field fiber optic sensors. Specifically, the present invention relates to magnetic and current sensors based on a polarization-maintaining photonic crystal fiber structure.
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. 그리고, 전자계 방식의 전류 센서는 외부 자기 및 고 전류에서의 환경 의존도가 커 실용성이 낮은 문제가 있으며, 고주파 생성으로 인한 발열 특성으로 열적 안정 확보의 필요성이 크다. 또한, 고 전류 전자계 센서는 규모가 매우 크며 무거운 단점이 있다.A current sensor is a device that generates a signal by measuring, detecting, and determining current. Current sensors consist of an iron core and winding, and it is common to use an electromagnetic current transformer that uses the Hall effect as a sensor. However, electromagnetic current sensors have a small measurement range and have limitations in their use in terms of current capacity. In addition, the electromagnetic field-type current sensor has a problem of low practicality due to its high environmental dependence on external magnetism and high currents, and there is a great need to ensure thermal stability due to the heat generation characteristic due to the generation of high frequencies. Additionally, high-current electromagnetic field sensors have the disadvantage of being very large and heavy.
상술한 전자계 방식 전류 센서의 단점을 보완하기 위해 광섬유형 전류 센서 기술이 대두되고 있다. 광섬유 방식의 전류 센서는 광섬유를 측정 대상에 감아 Faraday 효과를 사용하여 전류를 검출하는 방식을 사용한다. 광섬유형 전류 센서는 측정 대상의 규모 및 장거리 전송의 한계를 극복할 수 있으며, 우수한 정밀도를 나타낸다. 또한, 광섬유형 전류 센서는 기존의 전자계 전류 센서의 헌팅현상, 측정 범위 및 전류용량의 한계를 극복할 수 있다. 또한, 광섬유형 전류 센서는 빠른 응답 특성을 가지며 전력 소비량이 적은 장점이 있다.In order to compensate for the shortcomings of the electromagnetic field-type current sensor described above, optical fiber-type current sensor technology is emerging. The optical fiber-type current sensor uses a method of detecting current using the Faraday effect by winding an optical fiber around a measurement target. Fiber-optic current sensors can overcome limitations in the scale of the measurement object and long-distance transmission, and exhibit excellent precision. In addition, the optical fiber current sensor can overcome the hunting phenomenon, measurement range, and current capacity limitations of existing electromagnetic current sensors. In addition, optical fiber-type current sensors have the advantage of fast response characteristics and low power consumption.
본 발명은 외부 진동 및 온도 변화에 강인한 편광유지 광섬유 기반의 복굴절 간섭계 기반의 광섬유 센서에 있어서, 자기장/전류 변화에 보다 민감한 광섬유 코어를 포함하는 광섬유 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide an optical fiber sensor based on a birefringent interferometer based on a polarization-maintaining optical fiber that is robust to external vibration and temperature changes, and includes an optical fiber core that is more sensitive to magnetic field/current changes.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서는 상기 광원부로부터 출사되어 사냑 간섭계를 거쳐 출사되는 광신호를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 광학 스펙트럼 분석기; 및 상기 광원부와 광학 스펙트럼 분석기를 연결하여 광신호를 전달하는 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유는 편광유지 광자결정 광섬유로서, 복수의 광섬유 코어를 포함한다.An optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention includes an optical spectrum analyzer that converts an optical signal emitted from the light source unit through a Sagnac interferometer into an electrical signal and outputs it; and an optical fiber that connects the light source unit and an optical spectrum analyzer to transmit optical signals, wherein the optical fiber is a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber and includes a plurality of optical fiber cores.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서는 외부 진동 및 온도 변화에 강인한 편광유지 광섬유 기반의 복굴절 간섭계 기반의 광섬유 센서로서, 고굴절률을 갖는 광섬유 코어를 사용하여 자기장 및 전류 센싱이 가능하다.The optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention is a birefringent interferometer-based optical fiber sensor based on a polarization-maintaining optical fiber that is robust to external vibration and temperature changes, and is capable of sensing magnetic fields and currents using an optical fiber core with a high refractive index.
도 1은 Faraday rotating mirror(FMR)를 이용하는 전류 센서 시스템을 나타낸다.
도 2는 타원형의 석영유리 코어를 갖는 편광유지 광자결정 광섬유의 단면을 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서의 광섬유 코어 소재의 일 예를 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장/전류 광섬유 센서를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광유지 광자결정 광섬유의 외부 온도 변화에 따른 사냑 복굴절 간섭계의 투과 스펙트럼 변화를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광유지 광자결정 광섬유의 외부 진동 변화에 따른 사냑 복굴절 간섭계의 투과 스펙트럼 변화를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광유지 광자결정 광섬유의 외부 전류/자기장 변화에 따른 사냑 복굴절 간섭계의 투과 스펙트럼 변화를 나타낸다.Figure 1 shows a current sensor system using a Faraday rotating mirror (FMR).
Figure 2 shows a cross-section of a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber with an oval-shaped quartz glass core.
Figure 3 shows an example of an optical fiber core material of an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows a magnetic field/current optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a change in the transmission spectrum of a Sagnac birefringence interferometer according to a change in external temperature of a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a change in the transmission spectrum of a Sagnac birefringence interferometer according to a change in external vibration of a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows a change in the transmission spectrum of a Sagnac birefringence interferometer according to an external current/magnetic field change of a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상이 이하에 제시되는 실시예로 제한되지는 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented below, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention can add, change, delete, and add components to other embodiments included within the scope of the same spirit. It can be easily proposed by, etc., but it will also be said to be included within the scope of the idea of the present invention.
일반적인 전광식 광섬유 전류 센서 시스템의 경우, 광섬유 기반의 센싱 프로브의 외부 온도 및 진동에 따른 측정 신호의 왜곡 및 신뢰성의 문제가 존재하며 이를 해결하기 위해 다양한 방법이 적용되고 있다. In the case of a general all-optical optical fiber current sensor system, there are problems with distortion and reliability of the measurement signal due to external temperature and vibration of the optical fiber-based sensing probe, and various methods are being applied to solve this problem.
특히, 이러한 광섬유 전류 센서에서 발생하는 문제의 핵심 원인은 센싱 광섬유 선형복굴절 때문이며, 이러한 선형복굴절을 최소화하기 위해 충분한 크기의 원형복굴절을 유도하여 상대적인 선형복굴절에 의한 두 편광 모드간의 위상변화를 억제하는 방식들이 소개 되었다. In particular, the core cause of problems occurring in these optical fiber current sensors is the linear birefringence of the sensing optical fiber. In order to minimize this linear birefringence, a sufficiently large circular birefringence is induced and the phase change between the two polarization modes due to relative linear birefringence is suppressed. were introduced.
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 선형복굴적은 이상적인 Faraday 소자가 가져야 하는 원형 편광이 아닌, 선형+원형으로 존재하게 된다. 또한, 일 원인인 외부 환경의 변화의 경우 Faraday소자의 선형복굴절 값이 Stress-optic 효과에 의해 변화하는 것이 주 원인이다.The cause of this linear birefringence is due to changes in the external environment such as asymmetry of the optical fiber core, external bending, vibration, strain, stress, and temperature. In the case of asymmetry of the optical fiber core, which is a cause, the refractive index is linear along the optical fiber axis. It arises because differences exist. Additionally, in the case of external banding, which is one cause, when an optical fiber is wound around a conductor in the same direction as the magnetic field for a magneto-optical effect, linear birefringence occurs due to bending. The linear birefringence that occurs at this time exists in a linear + circular form, rather than the circular polarization that an ideal Faraday element should have. In addition, in the case of changes in the external environment, the main cause is that the linear birefringence value of the Faraday element changes due to the stress-optic effect.
이를 해결하기 위해 일반적으로 Faraday 회전각 증대, 시스템 제어를 통한 Birefringence bias 제어, 보정 기술 적용, 광섬유 열처리를 통한 광섬유 내부 잔류 응력 제거, Flint 광섬유와 같이 Pb를 광섬유 코어 영역내에 고용하여 Low stress-optic coefficient 광섬유 적용, Twisted 또는 Spun high-birefringence 광섬유 적용, 선형복굴절에 의한 광파워 및 센싱 감도의 변화보다 더 큰 수치의 원형복굴절을 유도할 수 있는 보상 회로 시스템 구현 기술이 사용된다. To solve this problem, general methods include increasing the Faraday rotation angle, controlling birefringence bias through system control, applying compensation technology, removing residual stress inside the optical fiber through heat treatment of the optical fiber, and employing Pb in the core area of the optical fiber like Flint optical fiber to achieve a low stress-optic coefficient. Optical fiber application, twisted or spun high-birefringence optical fiber application, and compensation circuit system implementation technology that can induce circular birefringence of a larger value than the change in optical power and sensing sensitivity caused by linear birefringence are used.
도 1은 Faraday rotating mirror(FMR)를 이용하는 전류 센서 시스템을 나타낸다.Figure 1 shows a current sensor system using a Faraday rotating mirror (FMR).
일반적으로 반사 거울을 이용하는 전류 센서 시스템은 반사형 센서 코일 기반의 광회로 구성법으로 광섬유 끝단에 반사 거울을 장착하여 반사된 빛이 역방향으로 진행하면서 순방향에서 얻은 원형복구절의 영향과 정반대의 영향을 받게 된다. 결국 반사 거울에 의해 반사되어 역방향으로 진행하는 빛에 의해 원형복굴절에 의한 영향이 상쇄되고 Faraday 효과에 의한 회전은 그 방향이 동일하므로 회전의 정도가 배가되는 효과가 있다.In general, a current sensor system using a reflective mirror is an optical circuit configuration based on a reflective sensor coil, and a reflective mirror is mounted at the end of the optical fiber. As the reflected light travels in the reverse direction, it is affected by the circular recovery effect obtained in the forward direction. . Ultimately, the effect of circular birefringence is canceled out by the light reflected by the reflecting mirror and traveling in the reverse direction, and the rotation due to the Faraday effect has the effect of doubling the degree of rotation because its direction is the same.
하지만, 단순 반사 거울을 이용하면 선형복굴절이 역방향으로 진행하는 경우에도 상쇄되지 않고 축적되어 선형복굴절의 영향이 존재하는 문제가 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, Faraday rotating mirror (FRM)을 사용하여 역방향으로 진행하는 빛의 x, y축 성분이 뒤바뀌게 하여 결국 출력단의 두 성분은 동일한 양의 선형복굴절을 겪게 되므로 선형복굴절의 영향을 최소화 할 수 있다.However, when using a simple reflective mirror, there is a problem in that even when linear birefringence progresses in the reverse direction, the effect of linear birefringence is present because it is accumulated rather than canceled out. Therefore, as shown in Figure 1, the x- and y-axis components of light traveling in the reverse direction are reversed using a Faraday rotating mirror (FRM), so that the two components at the output end experience the same amount of linear birefringence, resulting in linear birefringence. The impact can be minimized.
도 2는 타원형의 석영유리 코어를 갖는 편광유지 광자결정 광섬유의 단면을 보여준다.Figure 2 shows a cross-section of a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber with an oval-shaped quartz glass core.
편광유지 광섬유 기반의 복굴절 간섭계를 이용한 광섬유 센서는 간단한 구조로 제작이 용이하여 진동, 온도, 그리고 스트레인 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 특히 외부 온도 및 진동에 대한 민감도가 적은 편광유지 광자결정 광섬유를 활용한 Sagnac 복굴적 간섭계 기반의 광섬유 센서는 특정 물리적 환경의 변화를 측정할 수 있어 그 활용 가치가 높다.Optical fiber sensors using birefringent interferometers based on polarization-maintaining optical fibers have a simple structure and are easy to manufacture, so they are used in various fields such as vibration, temperature, and strain. In particular, the Sagnac birefringent interferometer-based optical fiber sensor, which utilizes polarization-maintaining photonic crystal optical fiber with low sensitivity to external temperature and vibration, has high utility value as it can measure changes in a specific physical environment.
이하에서 설명할 광섬유 센서는 편광 유지 광자결정 광섬유 구조를 기반으로 한 자기 및 전류 센서로서, 광섬유 코어는 도 2에 도시된 바와 같이, 편광 유지를 위한 타원형(또는 직사각형) 구조를 갖는다. 다시 말해서, 광섬유 코어는 x축과 y축이 비대칭으로 구성될 수 있다. 그리고 코어는 외부 자기장에 의해 큰 굴절률 변화를 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 일 실시 예에서, 코어는 도 2에 도시된 바와 같이 석영유리로 이루어질 수 있다.The optical fiber sensor to be described below is a magnetic and current sensor based on a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber structure, and the optical fiber core has an oval (or rectangular) structure for polarization maintenance, as shown in FIG. 2. In other words, the optical fiber core may be configured to have the x-axis and y-axis asymmetrically. And the core can be made of a material that has a large refractive index change due to an external magnetic field. In one embodiment, the core may be made of quartz glass, as shown in FIG. 2.
일반적으로 광회로는 편광유지 광섬유 기반의 복굴절 간섭계를 이용하는 광섬유 센서로 구성되며, 광섬유의 편광 특성에 의해 복굴절 간섭계로 구현된 간섭 무늬의 이동을 측정함으로써 외부 환경(구체적으로 자기장)의 변화를 센싱한다. 간섭 무늬의 이동은 파장 이동과 함께 특정 파장에서의 광파워 변화를 측정할 수 있으며, 이러한 원리를 이용하여 광섬유가 센서로 활용될 수 있다.In general, an optical circuit consists of an optical fiber sensor that uses a birefringent interferometer based on a polarization-maintaining optical fiber, and senses changes in the external environment (specifically, the magnetic field) by measuring the movement of the interference pattern implemented by the birefringent interferometer due to the polarization characteristics of the optical fiber. . The movement of the interference pattern can measure the change in optical power at a specific wavelength along with the movement of the wavelength, and using this principle, optical fibers can be used as sensors.
특히, 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광 유지 광자결정 광섬유는 외부 온도 및 진동에 민감도가 낮아 자기장 변화를 제외한 외부 환경의 변화를 제거할 수 있어 자기장 및 잔류 센서로의 활용 시 높은 신뢰성을 담보할 수 있으며, 특정 물리적 환경 변화를 측정할 수 있다.In particular, the polarization-maintaining photonic crystal optical fiber according to an embodiment of the present invention has low sensitivity to external temperature and vibration, and can eliminate changes in the external environment except magnetic field changes, ensuring high reliability when used as a magnetic field and residual sensor. and can measure changes in specific physical environments.
앞서 설명한 일반적인 광섬유를 이용한 자기장 및 전류 센서의 경우에는 센싱 프로브와는 별도로 reference를 주어 외부 온도 및 진동을 보상하는 방식을 사용하였으며, Faraday 효과를 통한 센서 구현시에는 보상 기술을 필수적으로 적용해야 하는 단점이 있었다.In the case of the magnetic field and current sensor using a general optical fiber described above, a method of compensating for external temperature and vibration was used by providing a reference separately from the sensing probe. The disadvantage is that compensation technology must be applied when implementing a sensor using the Faraday effect. There was this.
구체적으로, 일반적인 전광식 광섬유 전류 센서에 적용되는 기술로 Magneto-optic(Faraday effect)을 기반으로 하는 전류 센서에서의 센싱 정확성 및 외부 온도 및 진동에 따른 신호의 왜곡 및 신뢰성 문제를 해결하기 위해 다양한 방법을 적용하였다. 특히, 이러한 문제들의 핵심 원인은 광섬유의 선형복굴절 때문이며, 이러한 선형복굴절을 최소화하기 위해 충분한 크기의 원형복굴절을 유도하여 상대적인 선형복굴절에 의해 두 편광 모드간의 위상변화를 억제하는 방식을 사용하였다.Specifically, various methods are used to solve problems of signal distortion and reliability due to sensing accuracy, external temperature, and vibration in current sensors based on Magneto-optic (Faraday effect), which are technologies applied to general all-electric optical fiber current sensors. applied. In particular, the core cause of these problems is the linear birefringence of the optical fiber, and to minimize this linear birefringence, a method was used to induce circular birefringence of a sufficient size and suppress the phase change between the two polarization modes by relative linear birefringence.
앞서 설명한 선형복굴절의 발생 원인은 광섬유 코어의 비대칭성, 외부 밴딩, 진동, 스트레인, 스트레스, 온도를 포함하는 외부 환경의 변화일 수 있다. 이를 해결하기 위해 기존에 여러 해결 방법이 있었다. 구체적으로 해결 방법의 예를 들면, Faraday 회전각 증대, 전체 센서 시스템 제어를 통한 Birefringence bias 제어, 보정 기술 적용, 광섬유 열처리를 통한 광섬유 내부 잔류 응력 제거, Pb를 광섬유 코어 영역 내에 첨가하여 Stress-optic coefficient 저감, Twisted 또는 Spun high-birefringence 광섬유의 적용, 선형복굴절에 의한 광파워 및 센싱 감도의 변화보다 더 큰 수치의 원형복굴절을 유도할 수 있는 보상 회로 시스템 구현 기술 적용이 있을 수 있다.The cause of the linear birefringence described above may be changes in the external environment, including asymmetry of the optical fiber core, external bending, vibration, strain, stress, and temperature. There were several existing solutions to solve this problem. Specifically, examples of solution methods include increasing the Faraday rotation angle, controlling birefringence bias through controlling the entire sensor system, applying compensation technology, removing residual stress inside the optical fiber through heat treatment of the optical fiber, and adding Pb into the core area of the optical fiber to increase the Stress-optic coefficient. There may be reduction, application of twisted or spun high-birefringence optical fiber, and application of technology to implement a compensation circuit system that can induce circular birefringence of a larger value than the change in optical power and sensing sensitivity caused by linear birefringence.
또한, 광회로 구성에 있어 Faraday rotator mirror를 구성하여 광섬유 내 잔존하는 선형복굴절을 제거하여 외부 온도 및 진봉에 대한 변수를 제거할 수 있다. 이는 입사편광의 x축과 y축 성분을 뒤바꾸어 반사시켜 광섬유 내의 잔존 선형복굴절 영향을 제거하는 역할을 하는 것으로, 이론적으로 두 편광 축을 뒤바꾸어 반사시켜주므로 광신호가 코일을 왕복한 후 두 편광 축간 위상차가 누적되지 않아 잔존 선형복굴절의 영향을 최소화하고 진동에 의한 선형복굴절 변화에도 둔감하게 되는 원리를 이용하는 것이다.In addition, in the optical circuit configuration, a Faraday rotator mirror can be used to remove linear birefringence remaining in the optical fiber, thereby eliminating variables related to external temperature and true peak. This serves to remove the residual linear birefringence effect in the optical fiber by inverting and reflecting the It uses the principle that does not accumulate, minimizing the influence of residual linear birefringence and making it insensitive to changes in linear birefringence due to vibration.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서의 광섬유 코어 소재의 일 예를 보여준다.Figure 3 shows an example of an optical fiber core material of an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서는 편광유지 광섬유 기반의 복굴절 간섭계, 구체적으로 Sagnac 복굴절 간섭계 기반의 광섬유 센서로, 편광 유지 특성 구현을 위해 비대칭 구조의 광섬유 코어를 가진다. 바람직한 일 실시 예에서, 광섬유 코어 조성은 타원형의 석영 유리 코어일 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 광섬유 코어 조성은 외부 자기장 및 전류에 따라 상대적으로 큰 굴절률 변화를 갖는 재료일 수 있다. In the present invention, a birefringent interferometer based on a polarization maintaining optical fiber, specifically a Sagnac birefringent interferometer based optical fiber sensor, has an optical fiber core with an asymmetric structure to implement polarization maintaining characteristics. In a preferred embodiment, the optical fiber core composition may be an oval-shaped quartz glass core. In another embodiment, the optical fiber core composition may be a material that has a relatively large change in refractive index in response to external magnetic fields and currents.
일 예를 들면, 광섬유 코어는 란탄나이드(Ln) 원소와 알칼리 토금속(A)으로 구성된 화합물(예를 들어, (Ln)1-x(A)xMnO3)이 함유된 유리로 조성될 수 있다. 여기에서 란탄나이드 원소와 알칼리 토금속으로 구성된 화합물은 La1-xSrxMnO3, La1-xCaxMnO3, Nd1-xSrxMnO3, Pr1-xCaxNbO3, La1-xCaxNbO3, (La1-yPry)1-xCaxMnO3 또는 La1-xAgxMnO3 중 어느 하나가 함유된 광학 유리 코어일 수 있다. For example, the optical fiber core may be composed of glass containing a compound composed of a lanthanide (Ln) element and an alkaline earth metal (A) (e.g., (Ln) 1-x (A) x MnO 3 ). . Here, the compounds composed of lanthanide elements and alkaline earth metals are La 1-x Sr x MnO 3 , La 1-x Ca x MnO 3 , Nd 1-x Sr x MnO 3 , Pr 1-x Ca x NbO 3 , La 1 It may be an optical glass core containing any one of -x Ca x NbO 3 , (La 1-y Pr y ) 1-x Ca x MnO 3 or La 1-x Ag
또 다른 일 예를 들면, 광섬유 코어는 Co-Ag, Co-Cu 또는 Fe-Cr nanoparticles 중 어느 하나가 첨가된 유리 코어일 수 있다. 또 다른 일 예를 들면 광섬유 코어는 유전체 코어-입자 금속 셀로 구성된 코어셀 (Core-shell)로서, 구체적으로, M-Al-O, M-Ti-O, M-MgF, 또는 M-Si-O으로 유전소재를 중심으로 금속 (M)이 구형의 입자로 코팅되어 있는 입자들이 함유된 유리 코어일 수 있다.As another example, the optical fiber core may be a glass core to which any one of Co-Ag, Co-Cu, or Fe-Cr nanoparticles is added. For another example, the optical fiber core is a core-shell composed of a dielectric core-particle metal shell, specifically, M-Al-O, M-Ti-O, M-MgF, or M-Si-O It may be a glass core containing particles coated with spherical particles of metal (M) centered around a dielectric material.
상술한 재료로 광섬유 코어가 조성됨으로써, 본 발명의 일 실시 예에 다른 광섬유 센서는 외부 자기장 및 전류 변화에 따른 간섭무늬의 이동을 구현함과 동시에 이러한 간섭 무늬 파장 이동 및 특정 파장에서의 광파워 특성 변화를 측정하여 외부 자기장 및 전류 변화를 측정할 수 있다.By forming an optical fiber core with the above-described material, an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention implements the movement of an interference pattern according to external magnetic field and current changes, and at the same time, this interference pattern wavelength movement and optical power characteristics at a specific wavelength By measuring changes, you can measure changes in external magnetic fields and currents.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장/전류 광섬유 센서를 나타낸다.Figure 4 shows a magnetic field/current optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서를 이용하여 자기장 변화(A)를 센싱하는 것이며, (b)는 광섬유 센서를 이용하여 전류 변화(B)를 센싱하는 것을 나타낸다.Figure 4 (a) shows sensing a magnetic field change (A) using an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention, and (b) shows sensing a current change (B) using an optical fiber sensor.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서는 사냑 간섭계를 기반으로 하며, 광대역 광원(1), 광섬유 커플러(2), 광섬유(3), 편광 조절기(4) 및 광학 스펙트럼 분석기(5)를 포함할 수 있다.As shown in Figure 4, the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention is based on the Sagnac interferometer and includes a broadband light source (1), an optical fiber coupler (2), an optical fiber (3), a polarization adjuster (4), and an optical It may include a spectrum analyzer (5).
도 4를 참조하면, 사냑(Sagnac) 간섭계의 입력원과 출력원으로 각각 광대역 광원(1)과 OSA(Optical Spectrum Analyzer)(5)가 형성되어 있다. 상기 광대역 광원(1)은 자외선, 가시광선, 적외선의 파장 대역 중에서 선택되는 어느 하나의 전자파를 포함하는 광을 출력하는 광원일 수 있다.Referring to FIG. 4, a
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.The broadband light source may include any one selected from a light emitting diode, an organic light emitting diode, a solar source, a fluorescent lamp, an incandescent lamp, and a laser.
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 광원(1)에서 출력되는 광은 특정한 범위의 파장을 가지는 빛을 출력하는 것일 수 있다.In principle, any type of light source that generates light (electromagnetic waves) can be used as a broadband light source used in an optical fiber sensor. In general, the principle of light generation is electroluminescence by applying an electric field to a luminescent material, photoluminescence by applying ultraviolet, blue, green, etc. light to a phosphor to generate light of a longer wavelength, and collision with high-energy electrons. There is cold light (cathodeluminescence), which emits light by recombining electrons and holes (electron-hole recombination), etc. The light output from the
광대역 광원(1)으로부터 출사되는 광은 광섬유(3)를 따라 진행하여 편광 조절기(4)를 통과하고 광학 스펙트럼 분석기(5)에 입사된다. 광섬유를 따라 진행하는 광이 자기장 또는 전류에 의해 간섭 무늬의 투과 스펙트럼과 파장이 이동할 수 있으며, 본 발명의 광섬유 센서는 이동한 정도를 분석하여 자기장 또는 전류를 센싱할 수 있다.Light emitted from the
본 발명의 일 실시 예에서 광섬유(3)는 편광유지 광자결정 광섬유로서, 상기 광섬유는 광대역 광원(1), 편광 조절기(4) 및 광학 스펙트럼 분석기(5)를 서로 연결시켜주는 역할을 할 수 있다. 여기에서 광섬유는 타원형의 유리 코어를 포함할 수 있다. 유리 코어는 복수개 형성될 수 있으며, 복수개의 유리 코어는 두 가지 이상의 직경으로 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
여기에서 광섬유 유리 코어는 외부 자기장 및 전류 환경에서 굴절률 변화가 큰 재료로 조성되며 구체적인 실시 예는 상술한 바와 같다.Here, the optical fiber glass core is made of a material that has a large change in refractive index in an external magnetic field and current environment, and specific examples are as described above.
편광 조절기(4)는 1/2 파장판 및 1/4 파장판을 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에서 편광 조절기(4)는 벌크형(bulk type) 또는 광섬유형(optical fiber type)으로 마련되어, 1/2 파장판 또는 1/4 파장판 또는 1/2 파장판 및 1/4 파장판의 결합으로 구성될 수 있다The
편광 조절기(4)는 벌크형(bulk-type) 복굴절 요소를 사용하는 벌크형 편광 조절기와 광섬유의 스트레스 유도(stress-induced) 복굴절을 이용하는 광섬유형 편광 조절기를 포함할 수 있다. The
광학 스펙트럼 분석기(5)는 상술한 사냑 간섭계로부터 출력되는 광 신호를 전기적 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 광학 스펙트럼 분석기(5)로부터 출력되는 신호로부터 사냑 간섭계기반 광섬유 센서를 통과한 광 신호들의 강도와 파장 등을 분석할 수 있으며, 이를 이용하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서는 자기장 및 전류를 센싱할 수 있다.The
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광유지 광자결정 광섬유의 외부 온도 변화에 따른 사냑 복굴절 간섭계의 투과 스펙트럼 변화를 나타낸다. Figure 5 shows a change in the transmission spectrum of a Sagnac birefringence interferometer according to a change in external temperature of a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광유지 광자결정 광섬유의 외부 진동 변화에 따른 사냑 복굴절 간섭계의 투과 스펙트럼 변화를 나타낸다. Figure 6 shows a change in the transmission spectrum of a Sagnac birefringence interferometer according to a change in external vibration of a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber according to an embodiment of the present invention.
도 5 및 도 6에 나타난바와 같이, 편광유지 광자결정 광섬유는 구조적 특징으로 외부 온도 및 진동에 대한 민감도가 매우 낮아 기존의 광섬유 전류 센서 및 자기장 센서와 같이 외부 온도 및 진동에 대한 보상 구조 없이 간단하게 광-회로를 구성할 수 있다. As shown in Figures 5 and 6, the polarization-maintaining photonic crystal optical fiber has a very low sensitivity to external temperature and vibration as a structural feature, so it can be easily used without a compensation structure for external temperature and vibration like existing optical fiber current sensors and magnetic field sensors. An optical circuit can be constructed.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 편광유지 광자결정 광섬유의 외부 전류/자기장 변화에 따른 사냑 복굴절 간섭계의 투과 스펙트럼 변화를 나타낸다.Figure 7 shows a change in the transmission spectrum of a Sagnac birefringence interferometer according to an external current/magnetic field change of a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber according to an embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 센서는 인가된 전류, 즉 자기장의 변화에 따라 편광유지 광자결정 광섬유 기반의 사냑 복굴절 간섭 무늬의 투과 스펙트럼과 파장 이동을 나타내었으며, 이는 인가된 자기장에 의해 타원형의 광섬유 코어를 갖는 편광유지 광자결정 광섬유에서의 코어 두 축간 굴절률의 변화 차이에 따른 복굴절 변화에 의한 것이다.As shown in Figure 7, the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention shows the transmission spectrum and wavelength shift of the Sagnac birefringent interference pattern based on the polarization-maintaining photonic crystal optical fiber according to the change in the applied current, that is, the magnetic field, This is due to a change in birefringence due to the difference in refractive index between the two core axes in a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber with an oval-shaped optical fiber core due to an applied magnetic field.
DC 솔레노이드를 통한 0에서 40 A의 직류전류 인가 시, 자기장은 0.142 T까지 증가하였으며, 전류 인가 전ㆍ후의 파장은 약 1589.21 nm에서 1585.97 nm까지 단파장 방향으로 이동하였으며, 외부 자기장에 따른 센싱 민감도는 약 ??32.64 nm/T/m로, 우수한 성능을 가짐을 알 수 있다.When applying a direct current from 0 to 40 A through a DC solenoid, the magnetic field increased to 0.142 T, and the wavelength before and after applying the current moved in the short wavelength direction from approximately 1589.21 nm to 1585.97 nm, and the sensing sensitivity according to the external magnetic field was approximately ??32.64 nm/T/m, it can be seen that it has excellent performance.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The above detailed description should not be construed as restrictive in any respect and should be considered illustrative. The scope of the present invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.
Claims (6)
상기 광섬유는 편광유지 광자결정 광섬유로서, 두 가지 이상의 직경으로 형성되는 복수의 광섬유 코어를 포함하고, 상기 광섬유 코어는, X축과 Y축이 비대칭으로 구성되고,
상기 광섬유 센서는, 상기 광섬유를 따라 진행하는 광이 자기장 또는 전류에 의해 광 신호의 강도 및 파장을 분석하여 전기장 또는 전류를 감지하고,
상기 광 신호의 강도 및 파장은 간섭 무늬의 투과 스텍트럼과 파장이 이동한 량을 분석하여 파악하는,
상기 광섬유 코어는 석영 유리 코어이거나,
상기 광섬유 코어는 란탄나이드 원소와 알칼리 토금속으로 구성된 화합물이 함유된 유리 코어이거나,
상기 광섬유 코어는 Co-Ag, Co-Cu 또는 Fe-Cr nanoparticles 중 어느 하나가 첨가된 유리 코어이거나,
상기 광섬유 코어는 유전체 코어-입자 금속 셀로 구성된 코어셀이고, 상기 코어셀은 유전소재를 중심으로 금속이 구형의 입자로 코팅되어 있는 입자들이 함유된 유리 코어인
사냑 간섭계 기반의 자기 및 전류 센싱을 위한 광섬유 센서.A light source unit that emits an optical signal to a Sagnac interferometer, an optical spectrum analyzer that converts the optical signal emitted from the light source unit and passes through the Sagnac interferometer into an electrical signal and outputs it, and connects the light source unit and the optical spectrum analyzer to transmit the optical signal. It is a Sagnac interferometer-based optical fiber sensor containing an optical fiber,
The optical fiber is a polarization-maintaining photonic crystal optical fiber, and includes a plurality of optical fiber cores formed with two or more diameters, wherein the optical fiber cores are asymmetrical in the X and Y axes,
The optical fiber sensor detects an electric field or current by analyzing the intensity and wavelength of the optical signal using a magnetic field or electric current of the light traveling along the optical fiber,
The intensity and wavelength of the optical signal are determined by analyzing the transmission spectrum of the interference pattern and the amount of movement of the wavelength.
The optical fiber core is a quartz glass core, or
The optical fiber core is a glass core containing a compound composed of a lanthanide element and an alkaline earth metal, or
The optical fiber core is a glass core to which any one of Co-Ag, Co-Cu or Fe-Cr nanoparticles is added,
The optical fiber core is a core cell composed of a dielectric core-particle metal cell, and the core cell is a glass core containing particles coated with spherical metal particles centered on a dielectric material.
Fiber-optic sensor for magnetic and current sensing based on Sagnac interferometry.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |