KR19980084083A - 순환자를 이용한 광분파기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광파이버의 후방산란광을 이용한 분포형온도측정시스템에 있어서, 후방산란광으로 부터 라만신호(Raman signal)를 효율적으로 분리, 추출하기 위한 저손실의 광분파기에 관한 것으로, 여기광원의 입사광을 피측정광파이버의 입사단에 전달하고 상기 피측정광파이버의 후방산란광을 광분기기에 전달하기 위하여 광의 진행방향을 변경시키는 광순환자(optical circulator)와, 상기 광순환자로 부터 전달된 후방산란광을 50:50으로 분기하기 위한 광분기기(optical splitter)와, 상기 광분기기에 의해 분할된 후방산란광의 일방으로 부터 스톡광만을 분리하여 추출해 내는 제1여과수단, 및 상기 광분기기에 의해 분할된 후방산란광의 나머지 타방으로 부터 반스톡광만을 분리하여 추출해내는 제2여과수단을 포함함으로써 구조설계가 간단하여 제작이 용이할 뿐만아니라 손실이 획기적으로 감소되는 광분파기에 관한 것이다.

Description

순환자를 이용한 광분파기.
본 발명은 광파이버의 후방산란광을 이용한 분포형온도측정시스템에 있어서, 후방산란광으로 부터 라만신호(Raman signal)를 효율적으로 분리.추출하기 위한 광분파기에 관한 것으로 특히, 광분파기내에 저손실의 광학부품인 광순환자(optical circulator) 및 광분기기(optical splitter)를 구비함으로써 구조설계가 간단하고 손실이 감소되는 광분파기에 관한 것이다.
일반적으로 광파이버의 후방산란광을 이용하여 피측정광파이버의 분포형 온도를 측정하는 원리는 다음과 같다.
여기광원의 광펄스를 피측정광파이버에 입사시키면 광파이버내에서 산란광이 발생하게 되고 이 산란광중 일부는 피측정 광파이버의 입사단으로 귀환하여 후방산란광을 형성하게 된다. 이러한 후방산란광의 대부분은 입사광과 동일한 파장을 갖는 라일리산란광(Rayleigh scattering light)이며 미소하게는 라만산란에 의해 파장이 시프트된 라만산란광(Raman scattering light)도 포함되어 있다. 이 라만산란광은 그 강도가 입사광의 1-10억분의 1, 라일리산란광의 1만분의 1정도의 매우 미약한 빛으로서 입사광에 대하여 파장이 장파장쪽으로 시프트한 스톡광(stokes light)과 단파장쪽으로 시프트한 반스톡광(anti-stokes light)이 포함되어 있다. 이러한 라만산란광은 광파이버 속의 포논(phonon)과의 상호작용에 의해 발생하므로 광파이버의 온도에 따라 그 빛의 강도가 변화하는 특징을 갖는다. 즉 스톡광 및 반스톡광의 강도는 절대온도에 의존한다. 따라서, 스톡광과 반스톡광의 강도의 비를 구하게 되면 피측정광파이버의 길이방향의 온도분포를 구할수 있게된다.
상기와 같은 원리에 의해 광파이버의 분포형 온도를 측정하기 위해서는 피측정광파이버의 후방산란광으로 부터 라만산란광을 분리, 추출하기 위한 분광광학기구가 필수적인데 종래에는 이러한 분광광학기구로서 유전체다층막필터(광학간섭필터)나 각도 분산형의 프리즘을 이용한 광분파기가 사용되었다.
종래의 광학간섭필터를 이용한 광분파기의 한예가 일본공개특허 소63-208731호(1988.8.3)에 개시되어 있는바, 이를 첨부도면 제1도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
반도체레이저와 같은 여기광원(1)으로부터 여기된 중심파장 λο를 가진광이 제1간섭필터(3)로 입사되면 상기 제1간섭필터(3)는 중심파장λο의 입사광을 피측정광파이버(2)의 입사말단을 향해 투과시킨다. 상기 입사광에 의해 광파이버(2)내에서 생성된 후방산란광은 상기 입사광과 반대방향에서 상기 제1간섭필터(3)로 입사되고 이렇게 입사된 후방산란광중 라만산란광만이 상기 제1간섭필터(3)에 의해 광축상에 설치된 제2간섭필터(4)로 반사된다. 상기 제2간섭필터(4)에 입사되는 라만산란광중 반스톡광만이 제2간섭필터(4)를 통과하게 되고 이렇게 통과된 반스톡광은 광검출기(7)로 입사된다. 상기 광검출기(7)에서 검출된 광은 전기신호로 변환되어 반스톡광의 강도가 측정된다. 상기와 마찬가지로 제3간섭필터(5)를 통해서 스톡광만이 통과하여 광검출기(6)로 입사되고 입사된 광은 전기신호로 변환되어 스톡광의 강도가 측정된다. 이렇게 스톡광과 반스톡광의 강도를 측정하여 그비를 구함으로써 피측정광파이버(2)의 분포형 온도를 알수있게 된다.
상기에서 기술된 종래의 광학간섭필터를 이용한 광분파기에 있어서는 대역폭의 선정이 자유롭다는 장점이 있으나 신속한 광의 투과가 곤란하고 구성이 복잡하여 제작이 어려울 뿐만 아니라 6-13dB 정도의 고손실을 갖게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 프리즘을 이용한 광분파기의 한예로서 일본공개특허 소63-208730호(1988.8.3)가 제안되고 있는바, 이를 첨부도면 제2도를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
반도체 레이저와 같은 여기광원(101)에 의해 여기된 입사광이 프리즘에서 굴절된후 상기 프리즘의 표면(103b)으로 부터 중심파장 λο의 빛을 피측정광파이버(102)에 투사한다. 상기 피측정광파이버(102)의 입사단에 입사된 빛은 산란되어 후방산란광을 발생시키고 상기 후방산란광은 프리즘(103)에 귀환하여 스펙트럼적으로 확산된후 상기 프리즘의 표면(103c)에서 스톡광이 라일리산란광으로 부터 분리되어지는 방향으로 굴절되어 광검출기(107)로 입사된다. 한편, 상기 후방산란광에 있는 반스톡광은 프리즘의 표면(103a)에 제공된 반사필름(104)에 충돌해서 프리즘의 내부로 부터 반사되고 다시 프리즘의 표면(103d)으로 부터 방사되어 광검출기(106)의 광검출 표면에 입사된다. 따라서, 상기 광검출기(106,107)로 부터 검출된 스톡광과 반스톡광의 강도비를 구함으로써 상기 피측정광파이버(102)의 분포형 온도를 측정할수 있다.
상기에서 기술된 종래의 프리즘을 이용한 광분파에 있어서는 구조가 간단하다는 장점이 있으나 굴절율이 적고 삽입손실이 클뿐만 아니라 굴절률이 다른 2개의 균질 매질사이의 평탄한 계면에서 입사광의 일부가 반사되는 프레넬반사(Fresnel reflection)의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광분파기내에 삽입손실이 작은 광학부품인 광순환자 및 광분기기를 포함함으로써 후방산란광으로 부터 라만산란광을 분리, 추출할 때 손실을 줄이고 제작이 용이하도록 구조설계를 간략화 시킨 새로운 광분파기를 제공하는 것이다.
도1은 종래의 광학간섭필터를 이용한 광분파기의 구성을 나타낸 도면.
도2는 종래의 프리즘을 이용한 광분파기의 구성을 나타낸 도면.
도3은 본 발명에 따른 광분파기의 일 실시예를 도시한 개략구성도.
도4는 본 발명에 따른 광분파기의 다른 일 실시예를 도시한 개략구성도.
도5는 도4에 나타낸 광분파기의 실장도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
203,303,309,312: 광순환자 204,304: 광분기기
208: 제1간섭필터 209: 제2간섭필터
308: 제1여과부 311: 제2여과부
310,313: 파이버브래그격자(F.B.G)
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 여기광원의 입사광을 피측정광파이버의 입사단에 전달하고 상기 피측정광파이버의 후방산란광을 광분기기에 전달하기 위하여 광의 진행방향을 변환시키는 광순환자(optical circulator)와, 상기 광순환자(optical circulator)로 부터 전달된 후방산란광을 50:50으로 분기하기 위한 광분기기(optical splitter)와, 상기 광분기기에 의해 분기된 후방산란광의 일방으로 부터 스톡광(stokes light)만을 분리하여 추출해 내는 제1여과수단 및 상기 광분기기에 의해 분기된 후방산란광의 나머지 타방으로 부터 반스톡광(anti-stokes light)만을 분리하여 추출해내는 제2여과수단을 포함하고 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명을 보다 잘 이해할수 있도록 본 발명에 따른 일 실시예를 첨부도면 제3도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 제3도는 본 발명의 광분파기에 따른 일 실시예를 도시한 개략구성도이다.
반도체레이져 혹은 고체레이져와 같은 고출력의 여기광원(201)이 중심파장λο의 빛을 방사하면 이빛은 광순환자(optical circulator)의 입사포트(203a)로 입사된다. 상기 광순환자의 입사포트(203a)로 입사된 빛은 광순환자(203)에 의해 그 진행방향이 변경되어 상기 광순환자의 센싱포트(203b)로 투사된다. 상기 센싱포트(203b)에 투사된 빛은 그 광축상에 입사단의 말단면이 놓여 있는 피측정광파이버(202)로 입사되고 이렇게 입사된 빛은 상기 피측광파이버(202)의 길이방향으로 전파된다. 상기 광파이버의 길이방향으로 전파되는 빛에 의해 산란광이 발생되고 상기 산란광중에서 후방산란광이 광파이버의 입사단으로 귀환하게 된다. 여기서, 상기 피측정광파이버(202)는 한정되지 않는 일예로서 GI 50/125㎛의 FC/PC형이 통상 사용된다. 광파이버의 입사단으로 귀환한 후방산란광은 상기 센싱포트(203b)를 거쳐 상기 광순환자(203)로 입사되고 다시 광의 진행방향이 변경되어 광순환자의 출력포트(203c)를 거쳐 광분기기(204)로 입사된다. 이때, 상기 광순환자(203)는 상기 여기광원(201)으로 부터의 입사광을 오로지 상기 입사포트(203a)를 통해 센싱포트(203b)로만 전달하고 상기 후방산란광을 센싱포트(203b)를 통해 출력포트(203c)로만 전달하도록 설계되어져 있다. 상기 출력포트(203c)를 통해 광분기기(204)에 입사된 후방산란광은 50:50의 비율로 분할되고 이렇게 분할된 후방산란광의 일방은 제1간섭필터(208)로 입사되고 나머지 타방은 제2간섭필터(209)로 입사된다. 상기 제1간섭필터(208)는 일방의 후방산란광으로 부터 스톡광을 분리, 추출할수 있도록 광파장대역이 설계된 광학간섭필터이다. 또한, 상기 제2간섭필터(209)는 타방의 후방산란광으로 부터 반스톡광을 분리, 추출할수 있도록 광파장대역이 설계된 광학간섭필터이다. 따라서, 상기 제1 및 제2간섭필터(208,209)를 통해 분리, 추출된 스톡광과 반스톡광은 상기 간섭필터와 접속된 수광소자(207,206)로 입사되어 전기신호로 변환된다. 여기서, 상기 수광소자(207,206)는 광신호를 전기신호로 변환하는 트랜스듀서(transducer)로서 일반적으로 애벌란시 포트다이오드(A.P.D)가 많이 사용된다. 여기서, 스톡광과 반스톡광의 신호처리의 S/N비를 향상시키기 위하여 상기 제1 및 제2간섭필터(208,209)와 상기 수광소자(207,206)사이에 광파장대역통과필터를 추가 설치할수 있다.
이렇게, 상기 수광소자(207,206)를 통해 전기신호로 변환된 스톡광과 반스톡광은 수광소자와 접속된 전자회로부(205)에 입력되어 그 강도가 측정된다. 측정된 스톡광과 반스톡광의 강도의 비로 부터 구하고자 하는 피측정광파이버의 길이방향의 분포형 온도를 구할수 있다.
이어서, 본 발명에 따른 광분파기의 다른 일 실시예를 첨부도면 제4도 및 제5도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 제4도는 본 발명에 따른 광분파기의 다른 일 실시예를 도시한 개략구성도이고 제5도는 제4도에 나타낸 광분파기의 실장도이다.
반도체레이져 혹은 고체레이져와 같은 고출력의 여기광원(301)이 중심파장λο의 빛을 방사하면 이빛은 광순환자(optical circulator)(303)의 입사포트(303a)로 입사된다. 상기 광순환자의 입사포트(303a)로 입사된 빛은 광순환자(303)에 의해 그 진행방향이 변경되어 상기 광순환자의 센싱포트(303b)로 투사된다. 상기 센싱포트(303b)에 투사된 빛은 그 광축상에 입사단의 말단면이 놓여 있는 피측정광파이버(302)로 입사되고 이렇게 입사된 빛은 상기 피측광파이버(302)의 길이방향으로 전파된다. 상기 광파이버의 길이방향으로 전파되는 빛에 의해 산란광이 발생되고 상기 산란광중에서 후방산란광이 광파이버의 입사단으로 귀환하게 된다. 여기서, 상기 피측정광파이버(302)로는 한정되지 않는 일예로서 GI 50/125㎛의 FC/PC형이 통상 사용된다. 광파이버의 입사단으로 귀환한 후방산란광은 상기 센싱포트(303b)를 거쳐 상기 광순환자(303)로 입사되고 다시 광의 진행방향이 변경되어 광순환자의 출력포트(303c)를 거쳐 광분기기(304)로 입사된다. 이때, 상기 광순환자(303)는 상기 여기광원으로 부터의 입사광을 오로지 상기 입사포트(303a)를 통해 센싱포트(303b)로만 전달하고 상기 후방산란광을 센싱포트(303b)를 통해 출력포트(303c)로만 전달하도록 설계되어져 있다. 상기 출력포트(303c)를 통해 광분기기(304)에 입사된 후방산란광은 50:50의 비율로 분할되고 이렇게 분할된 후방산란광의 일방은 광순환자와 파이버브래그격자(Fiber Bragg Grating)로 구성된 제1여과부(308)로 입사되고 나머지 타방역시 광순환자와 파이버브래그격자(Fiber Bragg Grating)로 구성된 제2여과부(311)로 입사된다. 상기 제1여과부의 입사포트(309a)로 입사된 후방산란광의 일방은 광순환자(309)에서 그 진행방향이 변경되어 광순환자의 센싱포트(309b)로 투사되고 센싱포트(309b)로 투사된 후방산란광은 상기 센싱포트(309b)와 접속된 파이버브래그격자(F.B.G)(310)로 입사된다. 상기 파이버브래그격자(310)로 입사된 후방산란광중 스톡광만이 반사되어 센싱포트(309b)로 귀환되고 센싱포트(309b)로 귀환한 스톡광은 상기 광순환자(309)내에서 광의 진행방향이 변경되어 광순환자의 출력포트(309c)로 입사된다. 여기서, 상기 파이버브래그격자(310)는 스톡광의 중심파장에서 3dB의 차단파장을 갖는 일종의 광파장대역통과필터이다. 상기 출력포트(309c)를 통과한 스톡광은 상기 출력포트(309c)와 접속되어 있는 수광소자(307)로 입사되어 전기신호로 변환된다. 여기서, 상기 수광소자(307)는 광신호를 전기신호로 변환하는 트랜스듀서(transducer)로서 일반적으로 애벌란시 포트다이오드(A.P.D)가 많이 사용된다. 상기와 마찬가지로 상기 제2여과부(311)의 입사포트(312a)로 입사된 후방산란광의 타방역시 제2여과부(311)의 광순환자(312)와 파이버브래그격자(313)를 통해서 반스톡광이 분리, 추출되어 수광소자(306)를 거침으로써 전기신호로 변환된다.
이렇게 상기 수광소자(306,307)를 통해 전기신호로 변환된 스톡광과 반스톡광은 수광소자(306,307)와 접속된 전자회로부(305)에 입력되어 그 강도가 측정된다. 측정된 스톡광과 반스톡광의 강도의 비로 부터 구하고자 하는 피측정광파이버(302)의 길이방향의 분포형 온도를 구할수 있다.
이제 상술한 기재로 부터, 본 발명에 따른 광분파기가 적어도 앞에서 설명한 목적 및 유익한 특징과 부합되도록 제공되었다는 것이 명백해졌다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된자에게는 본 발명의 기술적사상 또는 다음의 특허청구범위의 한정된 영역에서 벗어나지 않고도 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
상기와 같이, 본 발명은 복수개의 광학간섭필터를 이용한 후방산란광의 분리를 저손실의 광학부품인 광순환자(약 1dB이하의 손실)와 광분기기(약 3dB정도의 손실)를 통해 달성함으로써 후방산란광으로 부터 라만신호를 분리, 추출함에 있어 종래의 광분파기가 갖는 6-13dB 정도의 손실을 약 5dB 정도로 낮출 뿐만아니라 광학간섭필터의 수를 줄임으로써 구조설계를 단순화하여 제작을 용이하게 하는 효과를 가진다.

Claims (3)

  1. 여기광원의 입사광을 피측정광파이버의 입사단에 전달하고 상기 피측정광파이버의 후방산란광을 광분기기에 전달하기 위하여 광의 진행방향을 변환시키는 광순환자(optical circulator)와;
    상기 광순환자로 부터 전달된 후방산란광을 50:50으로 분기하기 위한 광분기기(optical splitter)와;
    상기 광분기기에 의해 분할된 일방의 후방산란광으로 부터 스톡광만을 분리하여 추출해 내는 제1여과수단; 및
    상기 광분기기에 의해 분할된 타방의 후방산란광으로 부터 반스톡광만을 분리하여 추출해내는 제2여과수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환자를 이용한 광분파기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1여과수단과 제2여과수단이 후방산란광으로 부터 스톡광과 반스토광을 분리, 추출하기에 적합한 광파장 대역을 갖는 광학간섭필터인 것을 특징으로 하는 순환자를 이용한 광분파기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1여과수단과 제2여과수단이 광순환자와 파이버브래그격자(Fiber Bragg Grating)로 구성된 조합인 것을 특징으로 하는 순환자를 이용한 광분파기.
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CN108692830A (zh) * 2018-07-27 2018-10-23 上海光维电力科技有限公司 一种分布式光纤测温系统

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