KR20010013998A - 광섬유 굴곡 센서 - Google Patents

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버네트제임스고든
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브랜차드폴마이클
로이드피터아더
맥브라이드로이
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스켈톤 에스. 알.
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Abstract

광섬유 굴곡 센서(optical fibre bend sensor)(10)는 섬유 어셈블리(fibre assembly)(26)의 센서 길이(30) 부분에 주어진 굴곡의 정도 및 방향을 측정한다. 다중코어(multicore) 섬유(30, 32, 34)내에서는 코어(62, 66)가 비동일 평면상의 쌍으로 그룹화된다. 광학 소자(28, 36, 38)의 배열은 각 코어쌍(62, 66)내에서 센서 길이(30)에 따라 다른 두 개의 광학 경로(122, 124)를 정의한다: 한 쌍(62, 66) 중 한 코어(62)는 제 1 경로(122)에 포함되고, 다른 코어(66)는 제 2 경로(124)에 포함된다. 센서 영역(30)의 일반적인 굴곡은 다른 것에 대해 한 코어(62, 66)를 길어지게 한다. 간섭계(interferometry)를 통한 이 미세 길이 차이의 문의는 코어쌍의 평면에서 굴곡의 정도가 추출되는 간섭량(interferogram) 형태를 발생한다. 굴곡 방향은 다수의 코어쌍으로부터 추출된 데이터에서 추론될 수 있다.

Description

광섬유 굴곡 센서{optical fibre bend sensor}
광섬유의 변형은 섬유내에 스트레인(strain)을 발생시키게 된다. 스트레인은 이를 발생시키는 왜곡의 특성에 의존해 분류될 수 있다. 길이에 따른 섬유의 1차원 확장 또는 압축은 스칼라 스트레인(scalar strain)으로 분류된다. 그 특성에 의한 스칼라 스트레인은 이를 특징화하는데 확장 또는 압축의 축에 따른 스트레인의 크기인 한 매개변수만을 요구한다. 스트레인 텐서(strain tensor)(ε)에 대해, 이 길이 스트레인은 장력 성분(εzz)이다.
그러나, 섬유가 섬유의 길이에 수직인 횡단면에서 변형에 영향을 받지 않으면, 일반적인 스트레인 텐서의 또 다른 성분이 영향을 주게 된다. 섬유가 그 위치에서 다시 당겨지면, 상술된 길이 스트레인에 수직인 방향으로 압축 또는 확장된 섬유내에서 장력 스트레인(εxx, εyy)이 생긴다. 이는 횡단 스트레인(transverse strain)으로 공지된다.
특히, 섬유가 단단하게 위치 고정되어 있지 않으면, 섬유의 한 끝부분이 다른 쪽에 대해 변위될 수 있다. 이러한 변위는 3차원으로 일어나므로, 섬유의 ";굴곡(bending)";이 생기게 된다. 이러한 굴곡과 3차원 장력 스트레인은 크기 및 방향 모두에 의해 특징 부여를 요구한다. 간단하게 무시할만한 섬유 연장으로 인한 굴곡의 경우에는 유도되는 스트레인이 편의상 굴곡 크기와 곡률면으로 기술된다. 이 곡률(κ)은 1/R의 크기를 갖고, 여기서 R은 곡률 반지름으로, 곡률의 중심쪽을 지시하는 수직 벡터로 정의되는 방향이다. 굴곡에 걸친 선형 스트레인 그레이디언트(linear strain gradient)를 가정하면, 수학식으로, 굴곡에서 전개된 변형은 횡단 스트레인 그레이디언트(transverse strain gradient)와 형식상 동일하다: ▽tεZZ, 여기서 ▽t는 횡단 그레이디언트 연산자이다.
스트레인 측정을 위한 광섬유 센서는 종래 기술에서 공지되어 있다. 광섬유는 관찰되는 광학적 특성 및 모니터되는 구조에 삽입되거나 표면 결합된다. 모니터되는 구조는 예를 들면, 항공기 구조, 건물벽과 같은 공학적 응용에 제한되지 않는다; 광학 스트레인 센서는 의학분야에서 유용하게 쓰인다. 많은 외부적인 요인이 구조내에서 스트레인을 전개시키는데 영향을 준다: 인가된 스트레스(stress)(탄성력) 및 전기장(압전기). 이와 같이 스트레인된 구조내의 광섬유는 실제로 이러한 스트레인의 영향을 받게 된다. 횡단 스트레인 성분은 굴절률에 영향을 주고, 길이 스트레인 성분은 또한 섬유를 확장(또는 압축)시킨다. 어느 경우에서든 섬유내를 전파하는 방사의 광학 경로 길이는 변하게 된다. 그래서, 모니터되는 구조내의 스트레인에 관한 정보는 섬유내에 전파되는 방상의 위상에서 명확히 나타나므로, 간섭계 기술을 사용해 추출가능하다. 광학 스트레인 감지는 특히 간섭계가 정확한 검출 도구를 제공하고 스트레인 및 온도와 같이 물리적인 영향에 대한 광학 특성의 감도가 높기 때문에 관심을 둔다.
온도는 광섬유에서 스트레인에 유사한 효과를 갖는다. 열적 팽창은 섬유의 굴절률 및 길이를 변화시키고, 섬유 및 주물질의 차동 확장에 의해 추가 스트레인이 또한 유도될 수 있다. 스트레인을 측정하는 광학적 기술은 온도와 스트레인 사이의 이러한 상호민감도를 허용하여야 한다.
특허 출원 GB9606785.5에서 설명된 바와 같은 종래 기술의 간섭계 스트레인 감지 기술의 문제점은 단일 프로브(probe) 섬유가 스트레인의 스칼라 성분 - 섬유 길이의 연장 - 만을 측정한다는 점이다. 횡단 스트레인 성분은 측정되지 않고, 섬유의 일반적인 3차원 뒤틀림이 섬유 길이의 변화로만 검출가능하다. 섬유는 위치의 범위에 걸쳐 스칼라 스트레인 측정을 제공하기 위해 직렬 및 병렬로 다중화된다. 단일 프로브의 어레이(array)로부터 모아진 데이터로부터, 스트레인 그레이디언트의 맵(map)이 설립될 수 있다. 그러나, 각 프로브의 침해는 모니터되는 구조를 불가피하게 약화시킨다. 인터페이스 영역에서는 스트레인이 증가되어, 이러한 인터페이스의 수를 제한하는데 명확한 이점이 있다.
스트레인 그레이디언트 측정은 수중 탐지기 어레이상의 깊이 센서로 산재된 다수의 자기 베어링 센서(magnetic bearing sensor)를 사용해 선박에서 실행되었다. 그러나, 이러한 어레이는 매우 부피가 커서, 실제 어레이의 길이를 제한하거나 사용되지 않을 때 상당한 저장 공간을 차지한다.
더욱이, 현재 사용되는 자기 베어링 센서는 국부 자기장의 섭동에 영향을 받는다. 그러므로, 측정치는 어레이가 위로 통과하는 금속 구조에 의해 영향을 받는다.
섬유 굴곡 정도에 민감한 광섬유 감지 디바이스는 미국 특허 4,443,698에서 설명된다. 멀티코어(multicore) 섬유의 다른 두 코어에서 전파되는 빛 사이에 전개되는 간섭 패턴은 섬유의 굴곡 변화를 모니터하는데 사용된다. 두 코어가 사용되면, 감지 영역에 걸쳐 서로에 대해 나선 90。-트위스트가 포함된다. 이는 섬유가 굴곡면에 관계없이 굴곡에 민감해지도록 허용하지만, 굴곡 방향을 측정하는 기능을 없앤다. 3개 이상의 비동일 평면 코어를 사용하면, 이러한 트위스트에 대한 필요성이 없어질 수 있다. 본 발명은 명확한 측정을 허용하기 위해 굴곡 매개변수의 변화에 이어지는 위상 트래킹(phase tracking) 기술을 사용한다. 그러나, 트래킹은 간섭계 광학 경로 중 하나에 억세스할 것을 요구하여, 능동적 감지 길이의 원격 어드레싱을 요구하는 응용에 있어서는 확실히 불편하다. 이 경우에는 굴곡 방향 정보가 손실된다. 트래킹은 또한 전력이 연속적으로 유지되지 않으면 손실된다.
굴곡 측정을 통해 방해되지 않는 형상의 감지가 필요하다. 이와 같은 센서는 다양한 분야에 많은 응용을 갖는다. 로봇 분야에 있어서, 이동 부분의 절대 위치 인지는 기본적인 것이다. 이는 집적된 섬유의 방향성 굴곡이 측정될 수 있는 경우 추론될 수 있다. 의학적 응용에서는 외부 프로브가 최소로 삽입되고 추가적으로 외부 전자기장의 발생이 무시할 만하면, 내부 모니터링이 가장 안전한다. 경량 위치 모니터링은 인공 팔다리의 이동성을 개선하는데 기본적이다. 종래 기술의 광학적 스트레인 센서는 스트레인 그레이디언트를 측정하지 않고, 종래 기술의 형상 센서는 전체적으로 부피가 커서 일반적으로 광학 측정에 의해 생기는 외부 섭동으로부터의 면역성 및 정확도를 갖지 않는 자기 효과에 의존한다.
본 발명은 광섬유 굴곡 센서에 관한 것이다.
도 1는 굴곡 센서(bend sensor)의 성분을 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 BMM 섬유 광학 케이블의 단면도.
도 3은 굴곡 센서에서 사용되는 직렬 결합기(tandem coupler)를 도시하는 도면.
도 4는 직렬 결합기의 피라미드 빔스플리터(beamsplitter) 성분을 도시하는 도면.
도 5는 굴곡 센서내에서 가능한 광학 경로를 도시하는 도면.
도 6은 굴곡 센서의 감지 길이에서 가정된 굴곡을 도시하는 도면.
본 발명의 목적은 굴곡 센서의 변형을 제공하는 것이다.
본 발명은 제 1 및 제 2 성분 코어를 갖는 다중코어 섬유 어셈블리(multicore fibre assembly)를 포함하고, 섬유 어셈블리의 굴곡 감지 영역을 포함하는 센서 길이에서 방사를 운반하고 이어서 섬유 어셈블리로부터 출력된 방사를 분석하도록 배열된 분석 수단에 운반하도록 배열된 굴곡 센서(bend sensor)를 제공하고, 여기서 섬유 어셈블리는 센서 길이로의 복귀를 위해 제 1 코어에서의 센서 길이로부터 전파된 방사를 제 2 코어에 연결시키는 연결 수단과, 두 코어에서 방사 중 적어도 부분 반사에 의해 센서 길이를 정의하도록 배열된 반사 수단을 포함하고, 반사 수단과 연결 수단은 각각이 코어 중 하나에서 센서 길이를 가로지르지만 다른 것에서는 가로지르지 않는 제 1 및 제 2 광학 경로를 정의하도록 배열되고, 분석 수단은 광학 경로를 가로지른 방사 분담량 사이에 형성된 간섭량(interferogram)을 분산시키도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 정확함과 비교적 방해되지 않는 굴곡 측정의 이점을 제공한다. 광섬유 어셈블리는 매우 작은 지름으로 제작될 수 있어, 한 구조내에 삽입될 때, 그 구조에 최소로 방해된다. 상기 장치는 센서 길이내의 두 섬유 코어의 평면에서 굴곡 성분을 모니터함으로서, 아마도 삽입된 구조내의 스트레인 결과로 센서 길이의 굴곡을 결정할 수 있다. 간섭량은 다른 두 광학 경로를 따라 전파되는 방사 사이에서 형성되고, 광학 경로는 섬유의 특정 영역내에서 서로 다르다. 센서 길이인 이 영역은 단지 총 섬유 길이의 일부분이다. 일반적으로, 이 감지 영역의 굴곡은 서로에 대해 한 코어를 불가피하게 연장시키게 된다. 간섭계에 의해 차동 길이를 묻는 것은 굴곡을 측정하는 정확한 도구를 제공하게 된다. 더욱이, 잠재적으로 긴 섬유 다운리드(downlead) 아래의 센서 길이를 정의하면, 섬유의 방사 입력 단말부로부터 멀리있는 국부 영역에서 스트레인이 검출될 수 있다. 그래서, 섬유 어셈블리는 예를 들면, 건물벽에 포함되어, 벽의 깊은 내부에 전개되고 있는 스트레인이 측정될 수 있다.
제 1 및 제 2 코어는 코어쌍을 구성하고, 멀티코어 섬유의 성분 코어는 바람직하게 이러한 코어쌍들의 배열을 구비하고; 또한 연결 수단은 그에 따라 제 1 코어에서 전파되는 방사 일부분을 각 코어쌍의 제 2 코어에 연결하여 반사시키도록 배열된다.
이는 탄력성의 이점을 제공한다. 코어쌍 사이에서 일어나는 광학 경로 차이는 문의될 수 있으므로, 본 실시예는 일반 굴곡 곡률의 성분이 측정되는 평면이 있는 평면들의 선택을 제공한다.
센서는 또한 분산된 간섭량으로부터 간섭량 위상 변화를 추출하고 위상 변화로부터 센서 길이의 굴곡 곡률(κ)을 계산하도록 배열된 신호 처리 수단을 포함한다. 이는 일반적으로 간섭계 데이터로부터 유용한 매개변수인 굴곡 곡률(κ)을 추출하는 신호 처리 전력으로부터 주어지는 속도 및 정확성의 이점을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 각 간섭량은 각 코어쌍내에서 전파되는 방사로부터 발생되고, 각 간섭량은 제 1 및 제 2 광학 경로 길이에서의 차이로부터 생긴다; 또한, 계산된 결과의 굴곡 곡률(κ)은 센서 길이 코어쌍을 포함하는 평면에서 굴곡 곡률 성분(κx, κy)이다. 더욱이, 다중코어 섬유는 바람직하게 비동시 평면에 포함된 적어도 2개의 코어쌍을 구비하고, 그에 의해 굴곡 곡률의 대응하는 평면내 성분으로부터 절대적인 굴곡 크기 및 방향의 계산을 가능하게 한다.
다수의 코어쌍을 이와 같이 사용하는 것은 굴곡면이 유리하게 결정될 수 있게 한다. 단일 코어쌍은 특정 평면에 투사된 일반적인 3차원 곡률의 측정만을 구하는데 사용될 수 있다: 코어쌍의 측정. 그러나, 2개의 비동일 평면상의 코어쌍을 통해 2개의 비동일 평면상의 투사를 측정하는 것은 곡선면의 곡률 및 방향 정도가 추론될 수 있게 한다. 바람직하게, 2개의 비동일 평면상의 코어쌍은 직교면(orthogonal plane)에 포함된다. 이는 일반적인 3차원 부피내에서 굴곡 방향을 정확하게 측정할 가능성을 최대화시킨다. 단일 곡률의 다수의 투사를 특정하는데 2개 이상의 코어쌍이 사용되면, 크기 및 방향의 결정은 증가된 정확도로 이루어질 수 있다.
각 쌍내의 코어는 동일하지 않은 실효 굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 이는 모호한 경우에 굴곡 ";좌우측 이용성(handedness)";이 결정될 수 있게 한다. 비록 동일한 굴절률의 단일 코어쌍을 사용해 굴곡 크기가 결정될 수 있지만, 이러한 배열은 우측 굴곡과 좌측 굴곡 사이를 구별할 수 없다. 즉, 한 쌍의 특정한 코어가 압축되었다는 표시가 없다. 그러나, 광학 경로 길이에 대해 코어가 구별될 수 있게 배열함으로서, 한 쌍 중 어느 것이 압축되었나를 결정하는 수단이 제공된다. 본 발명의 본 실시예에 의해 측정되는 광학 경로 차이는 이제 굴곡의 방향에 의존한다.
동일하지 않은 실효 굴절률을 제공하는 방법은 많이 있다. 예를 들면, 섬유를 제작하는 동안, 즉 코어 당 도핑(doping) 정도를 약간 다르게 함으로서, 또는 제작 이후 고강도 UV-방사를 단시간 동안 코어 중 하나에 주입함으로서 만들어질 수 있다. 후자의 기술은 브래그 격자 제조(Bragg grating manufacture)와 유사한 방법으로 코어의 굴절률을 약간 증가시키는 효과를 갖고, 또한 보다 큰 탄력성을 제공한다.
다중코어 섬유는 바람직하게 BMM(bunched multiple monomode) 섬유이다. 이러한 섬유는 공지되어 있고, 각각이 연관된 클래딩 영역(cladding region)을 갖는 다수의 섬유 코어를 구비한다. 각 클래딩 영역은 전형적인 원통 대칭의 클래딩에서 요구되는 것 보다 단면적이 더 작다. 이는 누화를 방지하기 위한 요구조건에서, 앞서 허용되었던 것 보다 코어가 더 가까운 간격을 가질 수 있게 한다. 이는 실제로 다중코어 케이블의 지름을 전체적으로 감소시킨다. 이는 프로브 방해를 고려하는 구조에 방해를 최소화하는 것이 바람직한 굴곡 감지의 많은 응용에서 유리하다.
성분 코어는 스트레스-유도 HiBi(highly birefringent) 코어이다. 이는 온도와 스트레인 효과 사이를 구별하는 기능을 센서에 제공한다.
다른 방법으로, 다중코어 섬유는 광자 결정 섬유(photonic crystal fibre)가 될 수 있다. 이는 또한 간결성의 이점을 제공한다. 광자 결정 섬유는 누화가 수용가능한 레벨로 유지될 수 있는 다중코어 섬유의 또 다른 예이지만, 전통적으로 구성되는 섬유류에 대해 전체적인 섬유 지름이 감소된다.
바람직한 실시예에서, 섬유 어셈블리는 입사하는 광대역 방사를 수신하도록 배열되고, 분석 수단은 파장의 함수로 제 1 및 제 2 광학 경로에서 전파되는 방사 사이에 형성된 간섭량을 분산시킴으로서 채널화된 스펙트럼을 형성하도록 배열된다. 적절한 광대역 방사는 초발성 다이오드(superluminescent diode), 에르븀 도핑 섬유 증폭기(Erbium Doped Fibre Amplifier), 또는 프라세오디뮬 광원(Praseodymium light source)에 의해 제공될 수 있다. 이들 광원은 모두 똑같은 파장 범위에 걸쳐 동작하지 않으므로, 각 경우에 적절한 검출기가 사용될 필요가 있다. 간섭계 기술은 이를 형성하는 방사 위상의 함수로 간섭 패턴에 걸친 변화를 측정하는 것에 의존한다. 그러므로, 위상 각도의 범위에 걸쳐 주사할 필요가 있다. 비록 동일한 위상 주사가 방사 파장을 주사함으로서 이루어질 수 있지만, 공통적으로 광학 경로 차이가 주사된다. 그래서, 마이클슨 간섭계(Michelson interferometer)가 일정한 파장으로 광학 경로 차이를 주사하는 반면, 본 발명의 실시예는 일정한 광학 경로 차이로 방사 파장을 주사한다. 이러한 실시의 주요 이점은 굴곡에 의해 제시되는 광학적 경로 차이를 보상하기 위해 많은 응용에서 실시불가능한 감지 길이의 이동이나 외부 기준 경로를 요구하지 않는다는 것이다. 이는 일단 구조에 삽입되면 감시 섬유에 질문하도록 요구되는 보조 장치를 줄인다.
다른 방법으로, 센서는 또한 그안에서 정의되는 광학 경로 길이의 주사를 실행하도록 배열된 주사 간섭계를 포함하고, 그에 의해 주사 간섭계 광학 경로 차이는 제 1 및 제 2 광학 경로 사이의 광학 경로 차이를 보상하고, 분석 수단은 간섭계 주사의 함수로 제 1 및 제 2 광학 경로(122, 124)에서 전파되는 방사 사이에 형성된 간섭량을 분산시키도록 배열된다. 간섭계는 공간상 또는 시간상 주사를 실행하도록 배열된다.
성분 코어는 멀티코어 섬유내에서 대칭적인 배열로 분포될 수 있다. 섬유는 바람직하게 지름이 130 μm 이하이다.
결합기 수단은 바람직하게 직렬 결합기(tandem coupler)이다. 직렬 결합기는 그에 입사된 방사 비율을 한 방향으로부터 반사하고, 또 다른 비율을 전송하면서 동시에 반사된 방사를 또 다른 섬유 코어에 결합시키는 광학 소자이다. 이러한 광학적 특징은 코어가 공통된 빔 경로를 정의하는 다운리드를 통해 감지 섬유 길이가 어드레싱되는 본 발명의 실시예에서 요구되는 바와 같이, 디바이스가 두 섬유 코어를 둘러싼 광학 경로를 정의하는데 적절해지게 만든다.
직렬 결합기는 바람직하게 빔스플리터(beamsplitter)를 포함하고, 빔스플리터는 밑면, 및 이것과 비동일 평면상에 있는 각 코어쌍에 대한 각 평면쌍을 포함하고, 여기서 각 평면은 밑면으로부터 정점으로 확장되고 각 쌍내의 면들은 대략 우측 각도로 상호간에 배치된다. 이러한 빔스플리터는 편의상 단일 성분내에 직렬 결합기의 기능을 위해 요구되는 반사 및 전송 특성을 제공한다.
다중코어 섬유는 대칭적으로 방향이 정해진 4개의 성분 코어를 갖고, 빔스플리터는 정사각형 밑면, 4개의 삼각형 표면, 및 정점을 구비하고, 여기서 각 삼각형 표면은 정사각형 밑면의 한 면으로부터 정점으로 확장되고 정점에서 밑면까지의 수직 거리는 밑면의 한 면의 거리의 반이 된다. 이와 같은 코어의 대칭 배열은 굴곡면 방향성과 관계없이 똑같은 측정 정확도가 주어질 수 있음을 의미한다.
직렬 결합기내에서, 빔스플리터는 제 1 및 제 2 평면 마이크로렌즈 어레이(microlens array)의 중간에 위치할 수 있고, 여기서 각 마이크로렌즈 어레이는 각 성분 코어로부터 초점 거리만큼 떨어져 위치하는 각각의 마이크로렌즈를 포함하고, 각 어레이의 마이크로렌즈는 공통된 평면에 배열되어 각 렌즈 어레이의 공통 평면이 빔스플리터의 밑면에 평행하고 상호간에 평행하다. 그래서, 이러한 어레이의 마이크로렌즈는 코어에서 빠져나온 방사로부터 조준된 빔을 만들거나 조준된 방사를 섬유 코어에 결합시킨다. 이는 직렬 결합기의 동작에 도움이 된다.
본 발명의 또 다른 특성은, 제 1 및 제 2 성분 코어(62, 66)를 갖는 다중코어 섬유 어셈블리(26)를 포함하고, 섬유 어셈블리(26)의 굴곡 감지 영역을 포함하는 센서 길이(34)에서 방사를 운반하고 이어서 섬유 어셈블리(26)로부터 출력된 방사를 분석하도록 배열된 분석 수단(27a, 27b)에 운반하도록 배열된 온도 센서(temperature sensor)를 제공하며, 상기 섬유 어셈블리(26)는 센서 길이(34)로의 복귀를 위해 제 1 코어(62b)에서의 센서 길이(34)로부터 전파된 방사를 제 2 코어(66b)에 연결시키는 연결 수단(28)과, 두 코어(62c, 66c)에서 방사 중 적어도 부분 반사에 의해 센서 길이(34)를 정의하도록 배열된 반사 수단(36, 38)을 포함하고, 반사 수단(36, 38)과 연결 수단(28)은 각각이 코어(62c 또는 66c) 중 하나에서 센서 길이(34)를 가로지르지만 다른 것(66c 또는 62c)에서는 가로지르지 않는 제 1 및 제 2 광학 경로(122, 124)를 정의하도록 배열되고, 분석 수단(27a, 27b)은 광학 경로(122, 124)를 가로지른 방사 분담량 사이에 형성된 간섭량을 분산시키도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 특성으로, 본 발명은 밑면, 및 이것과 비동일 평면상에 있는 각 평면쌍을 구비하는 빔스플리터를 제공하고, 여기서 각 평면은 밑면으로부터 정점으로 확장되고 각 쌍은 대략 우측 각도로 상호간에 배치된다. 이러한 빔스플리터는 편의상 다양한 광학적 응용에 적절한 반사 및 전송 특성을 제공한다.
빔스플리터는 다중코어 섬유 중 제 1 코어에서 전파되는 방사 성분을 섬유의 제 2 코어에 반사하기 위한 것이고, 제 1 및 제 2 코어는 정반대 코어쌍을 구비하고, 각각의 정반대 코어쌍은 광학 경로가 평면으로부터의 반사를 통해 제 1 코어로부터 제 2 코어로 존재하도록 빔스플리터 평면의 각 쌍과 정렬된다.
바람직하게, 다중코어 섬유는 대칭적으로 방향이 정해진 4개의 성분 코어를 갖고, 빔스플리터는 정사각형 밑면, 4개의 삼각형 표면, 및 정점을 갖고, 여기서 각 삼각형 표면은 정사각형 밑면의 한 면으로부터 정점으로 확장되고 정점에서 밑면까지의 수직 거리는 밑면의 한 면의 거리의 반이 된다.
직렬 결합기는 제 1 및 제 2 평면 마이크로렌즈 어레이의 중간에 위치하는 상기 설명에 따라 빔스플리터를 포함하고, 여기서 각 마이크로렌즈 어레이는 각 성분 코어로부터 초점 거리만큼 떨어져 위치하는 각각의 마이크로렌즈를 포함하고, 각 어레이의 마이크로렌즈는 공통된 평면에 배열되어 각 렌즈 어레이의 공통 평면이 빔스플리터의 밑면에 평행하고 상호간에 평행하다. 이러한 직렬 결합기는 2개의 섬유 코어를 둘러싼 광학 경로를 정의하는데 요구되는 디바이스에서 많은 응용을 갖는다.
도 1을 참고로, 벡터 스트레인(vector strain)을 측정하기 위한 본 발명의 광섬유 굴곡 센서(optical fibre bend sensor)는 일반적으로(10)으로 나타내진다. 센서(10)는 입력 모노모드(monomode) 광섬유(16, 18)의 각 쌍에 연결된 섬유가 가늘게 꼬인 모양의 초발광 다이오드(superluminescent diode) 쌍(12, 14)을 포함한다. 초발광 다이오드(SLD)는 특히 강력한 광대역 방사원이다. 본 발명에서 사용되기에 적절한 다이오드(12, 14)는 825 nm에 중심을 둔 파장 범위와 18 nm의 FWHM 대역폭을 갖는 SLD-361/A-TO-SM으로, Superlum Ltd.에 의해 공급된다. 입력 모노모드 섬유(16, 18)와 2개의 출력 모노모드 섬유(20, 22)는 팬아웃(fan-out) 커넥터(24)를 통해 4-코어(core) BMM(Bunched Multiple Monomode) 섬유 어셈블리(26)의 각 코어에 연결된다. 각 출력 모노모드 섬유(20, 22)는 또한 반대 끝부분에서 섬유 광학 링크 스펙트로미터(fibre optic linked spectrometer)(27a, 27b)에 연결된다. 팬아웃 커넥터와 BMM 섬유는 모드 Opto and Laser Europe, 발간 23, p29(1995년 9월)에서 공지되고 설명된다. BMM 섬유 어셈블리(26)는 직렬 결합기(tandem coupler)(28), 3개의 4-코어 BMM 섬유, 제 1 길이(30), 센서 다운리드(sensor downlead)(32)와 센서 길이(34), 섬유 어셈블리(26)를 통과하는 세미-반사 스플라이스(semi-reflective splice)(36), 및 섬유 어셈블리(26) 끝부분을 코팅하는 실버 미러(silver mirror)(38)를 구비한다. BMM 섬유에서 제 1 길이(30)의 코어는 어셈블리를 팬아웃 커넥터(24)에 연결시킨다. 반대 끝부분에서 제 1 길이(30)는 직렬 결합기(28)에 광학적으로 연결된다. 센서 다운리드(32)는 직렬 결합기(28)에서 세미-반사 스플라이스(36)로 확장된 어셈블리(36)의 섬유 부분이고, 센서 길이(34)는 이후에 섬유 끝부분을 코팅하는 실버 미러(38)까지 확장된다. 센서 길이(34)는 입력 연결에서부터 거리를 둔 섬유 어셈블리의 맨 끝부분에서 길이 Ls의 섬유에 대응한다. 확대부분(40, 42)은 세미-반사 스플라이스(36)와 미러 끝부분(38) 위치(44, 46)에서 4-코어 BMM 섬유 어셈블리(26)를 도시한 것이다. 스플라이스(36)와 미러 끝부분(38)은 무시할만한 흡수력을 나타내고, 각각 대략 1/3과 1의 반사률을 갖는다. BMM 섬유 어셈블리(26)는 다양한 변형에 영향을 받기 쉽다. 특히, 스플라이스(36)의 위치(44)에서 섬유의 중심에 위치하는 중심점에 대해 센서 길이(34)의 굴곡(bending)이 일어난다. 이 중심점(48)에 대한 센서 길이(34)의 굴곡은 서로 수직인 두 평면에서 곡률(50, 52) 성분으로 분해될 수 있고, 각 성분은 각각 곡률 반지름 Rx, Ry(도시되지 않은)를 갖는다. BMM 섬유 코어에 대한 이들 성분(50, 52)의 방향은 이후 설명된다.
도 1의 선 AA'에 따른 BMM 섬유의 단면은 도 1에 도시되고, 일반적으로(60)이라 표시된다. 이 구조는 BMM의 세 부분에 공통적이고, 여기서의 설명은 일반적인 것이지 특정한 부분을 참고하지 않는다. 섬유는 더 낮은 굴절률의 클래딩(cladding)(70)내에 삽입된 제 1 및 제 2 입력(62, 64)과 제 1 및 제 2 출력(66, 68) 모노모드 코어를 구비한다. BMM 섬유의 최대폭과 지름이 똑같은 점선원(72)은 섬유 단면의 공간적 범위를 나타낸다. 4개의 코어(62, 64, 66, 68)는 44.2 μm의 최근접 공간을 갖고 대칭적으로 방향이 정해진다. 정반대 입력/출력 코어쌍(62, 66) 및(64, 68)은 62.5 μm의 쌍간 분리 거리(76)를 갖는다. 클래딩 물질은 퓨즈 실리카(fused silica)이고, 코어 굴절률 프로파일은 게르마늄(Ge)으로 도핑되어 정의된다. 약간 다른 2개 레벨의 Ge 도펀트(dopant)는 코어를 형성하는데 사용된다. 그러므로, 입력 코어(62, 64)는 출력 코어(66, 68)와 비교해 약간 다른 굴절률 프로파일을 갖는다. 4개 코어(62, 64, 66, 68) 및 클래딩(70)은 125 μm의 최대 지름(78)을 갖는 대칭적인 네 잎 클로버 배열이다. 이 코어 배열은 섬유 어셈블리(26)의 3개 섬유 부분에도 적용된다. 그러나, 특정한 기준이 이루어질 때는 예를 들어 62c, 64c 등과 같이, 제 1 길이(30)내의 코어는 추가 심볼 ";a";로 칭하여지고, 센서 다운리드(32)내의 대응 코어는 추가 심볼 ";b";로 칭하여지고, 센서 길이(32)내의 대응 코어는 추가 심볼 ";c";로 칭하여진다.
도 3 및 도 5는 2개의 정반대 코어쌍(62, 66) 중 하나를 통과하는 BB'을 포함한 평면에서 섬유 어셈블리(26)의 다양한 면을 설명한다.
도 3은 직렬 결합기(28)의 구조를 설명하는 제 1 정반대 코어쌍(62, 66)의 평면을 도시한다. 코어쌍(62, 66)은 입력(62)과 출력(66) 코어를 구비한다. 직렬 결합기(28)는 제 2 코어쌍(64, 68)의 평면(도시되지 않은)에서 유사하게 구성되고, 이들 코어(64, 68)내에 전파되는 방사에 대해 똑같은 결합 기능을 실행한다. 앞서 칭하여진 성분들은 이 도면에서도 똑같이 칭하여진다. 특별히, 직렬 결합기는 제 1 길이 코어(62a, 64a, 66a, 68a)와 센서 다운리드 코어(62b, 64b, 66b, 68b) 중간에 위치한다. 각각의 제 1 길이 코어(62a, 66a)는 대응하는 센서 다운리드 코어(62b, 66b)와 광학축(80, 82)을 공유한다. 각 코어(62, 66)의 제 1(80) 및 제 2(82) 광학축은 직렬 결합기 구조에 관련되어 도시된다. 직렬 결합기(28)는 피라미드 빔스플리터(88)를 교환하는 제 1(84) 및 제 2(86) 분산률 - 평면 마이크로렌즈 어레이(Distributed Index - Planar MicroLens array, DI-PML)를 구비한다. 입력 코어 광학축(80)은 제 1(90) 및 제 2(92) 마이크로렌즈와 정렬되고, 여기서 제 1 마이크로렌즈(90)는 제 1 DI-PML(84)의 일부이고 제 2 마이크로렌즈(92)는 제 2 DI-PML(86)의 일부이다. 그에 대응하여, 출력 코어 광학축(82)은 제 3(94) 및 제 4(96) 마이크로렌즈와 정렬되고, 이들은 또한 제 1(84) 및 제 2(86) DI-PML의 각 성분이다. 각 마이크로렌즈(90, 92, 94, 96)는 코어(62a, 62b, 66a, 66b)의 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 끝면(98, 100, 102, 104)으로부터 한 초점 거리 만큼 떨어져있다. DI-PML 기판 물질의 굴절률은 명목상 BMM 섬유 코어(62, 66)에 정합된다. 피라미드 빔스플리터(88)는 각 광학축(80, 82)에 대해 45。로 정렬된 상호 수직인 제 1(106) 및 제 2(108) 세미-반사 표면을 갖는다. 빔 스플리터 표면(106, 108)의 방향은 센서 다운리드의 방향으로부터 피라미드 빔스플리터(88)에 입사되고 다운리드 코어쌍(62b, 66b)으로부터 빠져나오는 방사에 특별한 영향을 준다. 이러한 방사의 일부는 다운리드 코어쌍(62b, 66b)내에서 정반대 코어로 스위치되어 전파 방향이 역전된다.
도 4는 센서 다운리드(32) 쪽으로 직렬 결합기(28)를 통해 관찰되는 피라미드 빔스플리터(88)를 도시한다. 이 도면에서, 센서 다운리드 코어(62b, 64b, 66b, 68b)는 지름 40 μm의 각 마이크로렌즈(92, 110, 96, 112)에 의해 덮어씌워진다. 파라미드 빔스플리터(88)는 이들 마이크로렌즈(92, 110, 96, 112) 위치 위치한다. 빔스플리터(88)는 면 길이가 108 μm의 정사각형 밑면(114)을 갖고 수직 높이 54 μm 위에 정점(116)을 갖는 피라미드 구조이다. 이는 4개의 평면 삼각형면을 정의하고, 각각은 각 코어의 출구면에 대해 45。로 경사진다.
도 5는 중간 광학 성분(28, 36)을 통해 정반대 코어쌍(62, 66)내에서 가능한 광학 경로를 도시한다. 제 2 코어쌍(64, 68)내에서 전파되는 빛은 유사하게 배열된 경로를 따르지만, BMM 섬유 어셈블리(26)의 길이를 따라 평면내 축에 대해 90。 각도로 회전된다. 앞서 설명된 도면에서도 도시되었던 이 도면내의 성분은 이전과 같이 칭하여진다. 이러한 성분은 직렬 결합기(28), 센서 다운리드(32)와 길이(34), 세미-반사 스플라이스(36), 및 실버 미러 단말부(38)를 포함한다. BMM 섬유 어셈블리(26)의 길이에 평행하고 중심(48)을 통과하는 굴곡축(120)은 그에 대해 센서 길이(34)의 일반적인 굴곡이 정의되는 기준축을 제공한다. 굴곡은 2개의 곡률(50, 52) 성분으로 분해된다. 한 성분(50)은 곡률 Rx의 반지름을 갖고, 제 1 정반대 코어쌍(62c, 66c)의 평면내에 포함된다. 제 2 성분(52)(도시되지 않은)은 곡률 Ry의 반지름을 갖고, 제 2 정반대 코어쌍(64c, 68c)의 평면내에 포함된다. 시스템내의 두 광학 경로가 도시된다: 제 1 광학 경로(122)는 입력 코어(62b, 62c)내에서 전파되면서 스플라이스(36)에 의해 전송되고 출력 코어(66b, 66c)에서 전파되면서 스플라이스에 의해 반사되는 방사로 취해진 것에 대응하고, 제 2 광학 경로(124)는 입력 코어(62b, 62c)에서 스플라이스(36)에 의해 반사되고 출력 코어(66b, 66c)에서 스플라이스에 의해 전송되는 방사로 이어지는 것에 대응한다.
도 1 및 도 2를 다시 한번 참고로 하여, 본 발명의 굴곡 센서(10)에서의 동작 모드는 다음과 같다. 디바이스(10)는 길이(34)의 변위 굴곡을 생기게 하는 센서 길이(34)에서의 스트레인을 측정할 수 있다. 각 SLD(12, 14)로부터의 광대역 방사는 입력 모노모드 광섬유(16, 18)쌍 각각에 연결된다. 방사는 이들 광섬유(16, 18)내에서 전파되고 팬아웃 커넥터(24)에 의해 4-코어 BMM 섬유 어셈블리(26)의 두 최근접 코어(62a, 64a)에 연결된다. 방사 전파는 제 1 길이 코어(62a, 64a)를 따라 직렬 결합기(28)를 통해 계속되고, 이어서 센서 다운리드(32)의 대응하는 최근접 코어(62b, 64b)내에서 세미-반사 스플라이스(36)로 계속된다. 스플라이스(36)에서, 방사의 제 1 성분은 센서 길이(34)를 따라 섬유의 단말부를 코팅하는 실버 미러(38)에 전송된다. 이 방사 성분은 미러(38)에 의해 반사되고, 스플라이스(36)를 통해 직렬 결합기(28)에 복귀된다. 제 2 방사 성분은 스플라이스(36)로부터 반사되어 바로 센서 다운리드(32)를 따라 직렬 결합기(28)로 이어진다. 이 경로를 따라 BMM 섬유 어셈블리(26)의 BMM 섬유(30, 32, 34)에서 전파되어, 방사는 실질적으로 입력 코어(62a,b,c, 64a,b,c)내에 포함된다. 직렬 결합기(28)는 센서 다운리드(32)로부터 이에 입사된 방사의 제 1 부분을 전송하고 제 2 부분을 반사하도록 배열된다. 제 1 부분은 도파관(waveguide) 코어 점유율을 유지하면서 BMM 섬유 어셈블리(26)의 제 1 길이(30)에 전송된다. 즉, 센서 다운리드(32)의 한 코어(62b, 64b)내의 방사는 제 1 길이(30)의 대응하는 코어(62a, 64a)에 전송된다. 제 2 부분은 각각의 정반대 코어쌍(62b, 66b; 64b, 68b)의 제 2(출력) 코어(66b, 68b)에 연결되고 다시 센서 다운리드(32)를 따라 반사된다. 이와 같이 반사된 부분은 BMM 섬유 어셈블리(26)의 센서 다운리드(32) 및 센서 길이(34)를 통한 제 2 통과를 실행하고, 이는 유사하게 구성된 광학 경로를 따르지만 다른 코어에 한정된다. 직렬 결합기(28)에 순차적으로 복귀하면, 이 반사 부분의 일부는 도파관 코어(66, 68) 점유율을 유지하면서 직렬 결합기(28)를 통해 전송된다. 이는 본 발명의 관심 부분인 BMM 섬유 어셈블리(26)의 코어내에서 다양한 광학 경로 길이에 대한 정보를 포함하는 입사된 방사 일부이다. 간섭계에 의해 추출되어 포함된 정보의 상세한 내용은 추후 제공된다. BMM 섬유 어셈블리(26)의 출력 코어(66a, 68a)에서 직렬 결합기(28)로부터 전파되는 방사는 팬아웃 커넥터(24)에 의해 각각의 출력 모노모드 섬유(20, 22)에 연결된다. 각 모노모드 섬유(20, 22)로부터 출력된 방사는 각각의 섬유 광학 링크 스펙트로미터(27a, 27b)에 의해 분석된다.
어셈블리(26)의 BMM 섬유 성분에 대한 내부 구조는 도 2에서 설명된다. 코어 분리(74)와 차원, 및 클래딩 차원(76)은 각 코어(62, 64, 66, 68)에서 전파되는 방사 사이의 심각한 누화를 방지하기 위한 것으로, 전체적으로 수용가능하게 작은 섬유 지름(78)을 유지한다. 125 μm의 외부 지름은 센서 방해로 발생되는 방해가 최소화되어야 하는 다수의 응용에 알맞다.
이제는 도 3을 참고로, 직렬 결합기(28)의 동작은 다음과 같다. 이 설명은 제 1 정반대 코어쌍(62, 66)내에서 전파되는 방사에만 적용된다. 방사는 또한 대칭적으로 동일한 배열로 제 2 정반대 코어쌍(64, 68)에서도 전파된다. 두 쌍 사이에는 최소한의 방사 상호작용이 있지만, 간략하도록 제 1 코어쌍(62, 66)만이 설명된다. 그래도, 본 발명의 완전한 실시예는 BMM 섬유측에 평행한 제 1 코어쌍(62, 66)에 수직인 평면에서 대칭적으로 동일한 배열을 포함한다.
입력 코어(62)에서 전파되는 방사는 스플라이스(36) 및/또는 미러 단말부(38)로부터 반사되고 다시 센서 다운리드(32)를 통해 직렬 결합기(28) 쪽으로 전해진다. 이 방사는 실질적으로 정반대쌍(62b, 66b) 중 한 코어(62b)내에 포함되고, 섬유 단면(100)에서 직렬 결합기(28)에 입사된다. 방사는 제 2 DI-PML(86)의 제 2 마이크로렌즈(92)에 의해 조준되고, 피라미드 빔스플리터(88)의 제 1 세미-반사 평면(106) 쪽으로 전해진다. 이 방사의 코어 성분은 제 1 DI-PML(84)의 제 1 마이크로렌즈(90)에 전송되고, 제 2 성분은 피라미드 빔스플리터(88)의 제 2 세미-반사 평면(108) 쪽으로 반사된다. 제 2 표면(108)에서는 다시 반사와 전송이 일어나고, 전파 방사의 성분은 제 2 DI-PML(86)의 제 4 마이크로렌즈(96) 쪽으로 반사된다. 이 성분은 이어서 제 4 마이크로렌즈(96)에 의해 초점이 맞추어지고, 다시 센서 다운리드(32)를 따라 전파되도록 단면(104)에서 정반대 코어(66b)로 연결된다. 그에 대응하여, 코어쌍의 출력 코어(66b)에서 센서 다운리드(32)로부터 전파되는 방사는 부분적으로 제 1 길이(30)에서 대응하는 코어(66a)로 전송되고, 입력 코어(62b)에 한정된 센서 다운리드(32)를 따라 다시 부분적으로 반사된다. 제 1 길이(30)로부터 센서 다운리드(32)로의 방향으로 직렬 결합기(28)를 가로지르는 방사는 코어 점유율을 유지하면서 부분적으로 전송된다. 다른 성분은 시스템에서 손실된다. 그래서, 직렬 결합기(28)의 전체적인 기능은 전송 계수(τtc) 및 단일방향 반사 계수(ρtc)를 갖추고, 또한 반사 결과로 전파 방향이 역전될 뿐만 아니라 정반대 코어쌍(62b, 66b)의 코어 사이에서 제한이 교환되는 추가 특성을 갖춘(손실) 세미-반사 표면의 기능과 동일하다. 빔스플리터 피라미드의 각 표면(106, 108)에서 전송 및 반사 계수가 각각 τp및 ρp이면, 전파 방향에 의존해 τtc= τp이고 ρtc= ρp 2또는 0이다.
도 5를 참고로, 본 발명의 동작에 대한 원리의 개요가 설명된다. 상기와 같이, 비록 대칭적인 광학 경로가 수직 평면에서 주어지지만, 설명은 제 1 정반대 코어쌍(62, 66)에 따라 전파되는 것에만 제한된다. 방사는 시스템으로 들어가 제 1 정반대 코어쌍(62a, 66a)의 입력 코어(62a)내에서 제 1 경로(30)를 따라 전파된다. 이는 직렬 결합기(28)를 통해 전파되고, 입력 코어(62b)내에서 센서 다운리드(32)를 따라 스플라이스(36)로 전파된다. 본 발명에 관한 정보를 포함하는 시스템을 통하여 2개의 광학 경로(122, 124)가 있고, 이들은 이 점에서 발산된다. 제 1 광학 경로(122)는 스플라이스(36)에 의해 전송된 방사로 이어지는 것이다. 이 성분은 입력 코어(62c)에서 미러 단말부(38)로 전파되고, 여기서 반사되어 다시 스플라이스(36)로 전파된다. 제 2 광학 경로(124)는 먼저 스플라이스(36)로 입사될 때 반사된 방사로 이어지는 것이다. 그러므로, 두 성분은 모두 스플라이스(36)로부터 입력 코어(62b)에서 센서 다운리드(32)를 따라 전파되고, 다시 공동 경로로 이어진다. 직렬 결합기(28)에 이르면, 두 성분은 모두 반사되어 코어쌍(62b, 66b)의 출력 코어(66b)에 연결된다. 계속 공동 경로로 이어져, 성분들은 세 번째로 센서 다운리드(32)를 따라 전파되고, 이 경우에는 다른 코어(66b, 66c)에 제한된다. 스플라이스(36)에서는 광학 경로(122, 124)가 다시 발산된다. 이 코어(66b, 66c)에서, 제 1 광학 경로(122)는 스플라이스(36)에서 반사된 방사로 이어지고, 제 2 광학 경로(124)는 전송된 방사로 이어진다. 이 제 2 광학 경로(124)를 따르는 방사 성분은 미러 단말부(38)에 의해 반사되어 스플라이스(36)로 복귀된다. 스플라이스(36)로부터 다시 직렬 결합기(28) 쪽으로 전파되는 성분은 다시 공동 경로를 따른다. 이들은 모두 직렬 결합기(28)에 의해 전송되고 출력 코어(66a)에서 한정된 시스템에서 빠져나간다. 이 코어(66a)에서 시스템으로부터 출력된 방사에는 섬유 광학 링크 스펙트로미터(27a)에 의해 간섭계 분석이 행해진다. 그러므로, 이들 두 광학 경로(122, 124) 사이의 차이점은 제 1 광학 경로(122)가 입력 코어(62c)에서 센서 길이(34)의 두 경로를 요구하고 제 2 광학 경로(124)가 출력 코어(66c)에서 이루어진 이들 경로를 요구하는 것이다. 센서 길이(34)의 굴곡으로, 한쌍(62c, 66c) 중 한 코어는 다른 것에 대해 불가피하게 길어지게 된다. 제 1 광학 경로(122)에 따른 방사와 제 2 광학 경로(124)에 따른 방사로부터 발생되는 간섭 패턴의 특징은 두 경로(122, 124) 사이의 광학 경로 차이(optical path difference, OPD)에 의존한다. OPD는 거의 완전하게 굴곡 센서 길이(34)에서 분리된 두 코어(62c, 66c)에서 다른 물리적 경로 길이로부터 발생된다. 그러므로, 이 OPD는 정반대 코어쌍(62c, 66c)의 평면에서 센서 길이(34)의 굴곡 정도를 나타낸다. 본 발명의 실시예에서는 센서 길이 굴곡의 두 수직 성분이 측정된다 - 정반대 코어쌍에 의해 정의된 각 평면에서 하나. 이 데이터로부터 굴곡의 정도 및 방향이 추론된다. 입력 코어(62c)의 굴절률은 출력 코어(66c)와 약간 다르기 때문에, OPD는 굴곡 방향, 즉 입력 코어(62c)가 출력 코어(66c)에 대해 압축되거나 연장되는가 여부에 의존한다. 그래서, 본 발명에 의해 굴곡 좌우측성(bend handedness)도 측정된다.
도 6은 센서 길이(34)의 굴곡 효과를 나타낸다. 굴곡은 도 5의 평면에 있는 것으로 도시된다. 즉, 이 도면은 제 1 정반대 코어쌍(62c, 66c)의 평면에서 센서 길이(34)를 통한 단면이다. 굴곡은 곡률 Rx의 반지름으로 기술된다. 굴곡시, 센서 길이(34)의 중심축(130)은 기준 길이(Ls)와 0으로 취해진 기준 스트레인을 제공한다. 이에 대해, 도시된 특정한 굴곡에서, 입력 코어(62c)는 압축되어 -εA의 스트레인을 겪게 되고, 출력 코어(66c)는 연장되어 스트레인 -εB가 된다. 코어(62c, 66c)는 중심축(130)으로부터 거리 r의 위치에 있다.
도 2 및 도 6을 참고로, 다중코어 광섬유의 일반적인 굴곡 효과가 이후 상세히 설명된다. 대칭적으로 분포된 도파관 코어는 섬유의 한 면이 다른 것에 대해 연장됨에 따라 길이방향으로 압축되거나 확장된다. 이러한 일반적인 왜곡은 코어 분포의 대칭성과 일치되는 성분으로 분해될 수 있다. 본 실시예에서는 4-코어 섬유가 사용되고, 적절한 굴곡 성분은 정반대 코어쌍을 포함하는 두 평면에 있다. 도 6은 도 2의 BB'에 따라 취해진 단면의 평면에 있는 성분을 도시한다. 섬유 어셈블리내의 광학 성분은 각 성분면의 한 코어(62, 64)에서 전파되는 방사가 똑같은 성분면내에 있는 다른 코어(66, 68)로 연결되도록 배열된다. 이 방법으로, 일반적인 섬유 굴곡으로 인해 발생된 두 코어(62, 66) 사이의 광학 경로 차이가 다른 경로를 가로지르는 방사 성분으로부터 형성된 간섭 패턴에서 나타난다. 이 간섭 패턴은 결합 코어에 의해 정의된 평면내의 센서 길이 성분을 추출하는데 사용된다. 굴곡으로부터 기인된 광학 경로 길이차가 증가되기 때문에 잘 분리된 코어에 의해 성분면을 정의하는 것이 유리하다.
결합된 코어(62, 66)에 의해 정의된 면의 센서 길이 굴곡 성분은 일반적으로 곡률 Rx의 반지름을 갖는다. 센서 길이(34)의 중심축(130)은 각 코어에서 측정된 스트레인에 대해 0인 스트레인과 기준 길이를 제공한다. 본 발명의 실시예에서, 장력 스트레인과 전체적인 섬유 센서 길이(Ls)에서의 결과적인 변화는 검출되지 않는다. 그러므로, 비록 이 매개변수가 상수가 아니더라도, Ls를 변화시키는 것은 광학 경로(122, 124)에 모두 동일하게 영향을 주고, 그 변화는 이후 분석과 무관하다.
종래 기술에 숙련된 자는 비록 고안되는 많은 응용에 필요한 것은 아니지만, 길이 방향의 스트레인이 요구되는 경우 종래 기술에 의해 측정될 수 있는 것으로 이해한다. 또한, 길이 방향의 스트레인을 측정하는 특허 출원 PCT/GB94/01388과 같은 종래 기술은 외부 기준에 대해 센서 길이의 질문을 요구한다. 본 발명의 이점은 센서 길이내에서 이루어질 수 없는 보완 경로 차이를 제공하거나 광학 경로 차이의 주사를 용이하게 하는데 외부 기준이 필요하지 않다는 점이다. 일단 외부 기준이 포함되면, 다중코어 섬유의 각 코어에 독립적으로 질문하고, 각 코어에서 길이 방향의 스트레인값을 유도하고, 그에 의해 굴곡 크기 및 방향을 결정하는 것은 단순히 종래 기술의 확장이다. 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 길이 방향 스트레인의 측정은 본 발명의 개념에 중심적인 것이 아니므로, 여기서는 간략하도록 그 설명이 생략되는 것으로 이해하여야 한다.
출력 코어(66c)가 겪게 되는 비스트레인 길이의 확장 비율로 정의된 스트레인(εB)은:
여기서, α는 센서 길이 굴곡에 의해 정해진 각도이고 κx= 1/Rx는 굴곡 곡률이다. 유사하게, 입력 코어(62c)가 겪게 되는 스트레인(εA)는:
스트레인과 온도는 도파관 코어의 길이(L)와 실효 굴절률(η)에 영향을 준다. 그러나, 본 발명에서는 코어가 충분히 가까워서 큰 횡단 열적 그레이디언트(transverse thermal gradient)를 제외하고 실제적으로 똑같은 주위 온도을 겪게 된다. 그래서, 간섭 기술에 의해 측정되는 광학 경로 차이는 대략적으로 순수하게 스트레인의 효과에 기여할 수 있다. 일반적으로,
L = Ls(1 + ε), 및
η = η0+ ηε
여기서, η0및 Ls는 그 주위 온도에서 비스트레인 도파관 센서 길이(34)의 실효 굴절률과 길이를 각각 나타내고, ηε는 스트레인 ε으로부터 영향을 받은 실효 굴절률이다. 스트레인 환경에서의 실효 굴절률은 특히 보다 상세히:
ηcore(λ,ε) = ηcore(λ) - εΚηcore 3(λ)
여기서, 첨자 core는 η가 도파관 코어내에서 모노모드 전파에 의해 겪게 되는 실효 굴절률을 칭하는 것을 명확하게 나타내도록 포함되고, 파장(λ)에 대한 실효 굴절률의 의존도도 또한 나타내진다. 매개변수 Κ는 다음과 같이 주어지는 스트레인-광학 계수이다:
(퓨즈 실리카에 대해)
여기서, ρ11, ρ12는 포켈(Pockel) 계수이고 μ는 포아송 비율(Poisson's ratio)이다. 길이와 굴절률 변화는 코어내에서 방사의 위상(ψcore)에 영향을 준다:
(1)
그러므로, 식(1)은 모노모드 도파관 코어내에서 전파될 때 방사의 위상을 수학적으로 설명한다. 본 발명에 의해 발생된 간섭 패턴으로부터 위상 정보 및 스트레인을 추출하는 것에 대한 상세한 설명은 도 5를 참고로 이후 주어진다. 또한, 장치 설계의 보다 상세한 내용도 주어진다.
시스템에 입력되어 제 1 입력 코어(62) 아래서 전파되는 방사는 시간(t)에 분석 신호로 나타내질 수 있다:
E(ω,x) = E0ej(φ0+φ(ω,z))ejωt
여기서, E는 방사 순간 전기장이고, ω는 각주파수이고, z는 도파관 코어를 따라 이동하는 거리이고, φ0은 초기 위상이고, 또한 φ는 거리에 따른 위상 변화이다. 특별히:
여기서, OPL은 이동되는 광학 경로 길이이고, ηcore는 섬유 코어의 실효 굴절률이고, c는 광속이다.
직렬 결합기(28)를 통해 처음으로 전송되는 방사는 제 1 입력 코어(62b)를 통해 스플라이스(36)로 전파되고, 거기서 2개의 성분으로 분할된다. 제 1 광학 경로(122)를 따르는 제 1 성분(첨자 T로 나타내지는)은 스플라이스(36)에 의해 전송되고 미러 단말부(38)에서 반사된다. 제 2 광학 경로(124)를 따르는 제 2 성분(첨자 R로 나타내지는)은 단순히 반사된다. 스플라이스(36)는 각각 전송 및 굴절 계수 τs및 ρs로 입사된 방사를 전송하여 반사하고, 미러 단말부(38)는 반사 계수 ρm로 반사한다. 본 발명의 이론을 설명하는데 편의상, 공동 경로를 이동한 결과로 모든 방사 성분에 의해 겪게 되는 위상 변화는 일반적으로 φcp라 칭하여진다. 그래서, 입력 코어(62b)를 따라 직렬 결합기(28)를 통해 제 2 통로 쪽으로 반사된 두 성분은 다음 신호로 나타내진다:
ER= ρsτtcE0ejφcp
ET= τs 2ρmτtcE0ejφcpejφA
여기서, 간략하도록, 공동된 시간에 의존하는 항 ejωt는 도시되지 않고 초기 위상 φ0은 φcp에 포함된다. τtc의 계수는 직렬 결합기(28)를 통한 제 1 통로로부터 발생된다. 위상 φA은 입력 코어(62c)의 센서 길이(34)를 통해 두 통로(각 방향으로 하나씩)와 연관된 광학 경로 길이로 인해 전송된 성분에서 전개되는 추가 위상 변화이다. 이 광학 경로 길이는 2Ls62ηcore62로 주어진다.
직렬 결합기(28)에 이르면, 본 발명에서 관심을 두는 방사 성분은 출력 코어(66b)로 반사되어 반사 계수 ρtc를 갖게 된다. 두 광학 경로(122, 124)를 따르는 이들 성분은 전파되어 출력 코어(66b)에서 첫 번째로 스플라이스(36)에 입사된다. 이 지점에서, 각 구성성분은 다른 두 성분으로 분할된다: 하나(R)는 단순히 스플라이스(36)에 의해 반사되고; 다른 것(T)은 스플라이스(36)에 의해 전송되어 미러 단말부(38)에 의해 반사되고, 이어서 스플라이스(36)를 통해 전송된다. 센서 다운리드(32)를 통해 직렬 결합기(28)에 두 번째로 복귀될 때는 별개의 4개 성분의 방사가 있다:
ERR= ρtcρs 2τtcE0ejφcp
ETR= ρtcρsτs 2ρmτtcE0ejφcpejφA
ERT= ρtcτs 2ρmρsτtcE0ejφcpejφB
ETT= ρtcτs 4ρm 2τtcE0ejφcpejφAejφB
여기서, φB는 출력 코어(66c)내의 미러 단말부(38)와 스플라이스(36) 사이의 광학 경로를 이동함으로서 생긴 위상차이다. 센서 길이(34)의 두 통로가 만들어지므로, 이 광학 경로는 2Ls66ηcore66으로 주어진다.
그래서, 시스템으로부터 출력될 때, 직렬 결합기(28)의 최종적인 이동 이후에, 총 출력 신호는 4개 필드를 가정하여 다음과 같이 나타내질 수 있다:
Eout=τtc 2ρtcE0ej(φ0+φcp)ejwt{ρs 2+ρsρmτs 2ejφA+ρsρmτs 2ejφB+ρm 2τs 4ej(φA+φB)}
(2)
이 신호는 섬유 광학 링크 스펙트로미터(27a)에 입력된다. 식(1)에서 설명된 바와 같이, 센서 길이의 굴곡에 관한 정보는 식(2)에서 4개 성분의 위상내에 포함된다. 이는 간섭 기술을 사용해 추출된다. 코히어런트 간섭 패턴(coherent interference pattern)의 형성은 4개 성분과 그에 이어지는 검출 광학 대역폭 사이의 상호 위상차에 의해 지배된다. 본 발명의 실시예는 검출시 실효 코히어런스 길이(coherence length)가 센서 길이(Ls)의 두배 보다 작지만 굴곡 곡률의 끝에서 광학 경로 길이의 최대 차이 보다 더 크도록 배열된다. 이 방법에서, 식(2)의 제 1(ρs 2) 및 제 4(ρm 2τs 4ej(φA+φB)) 성분은 다른 성분과 간섭되지 않고, 제 2(ρsρmτs 2ejφA) 및 제 3(ρsρmτs 2ejφB) 성분은 실제 굴곡 곡률의 전 범위에 걸쳐 검출할 때 간섭된다.
섬유 광학 링크 스펙트로미터(27a)는 픽셀(pixel) 검출기 소자의 어레이를 포함한다. 제 i 픽셀에 입사된 방사의 코히어런스 길이(Ici)는 다음과 같이 주어진다:
여기서, λoi는 검출되는 중심 파장이고, Δλi는 검출된 광학 대역폭이고, 또한 Δνi는 검출된 신호의 주파수 확산이다. 상기 간섭 요구조건을 만족시키기 위해, 검출기 어레이의 픽셀 당 광학 대여폭에 대한 제한은 다음 조건을 따른다:
(3)
여기서, OPL은 광학 경로 길이이고, 첨자 SA 및 SB는 각각 입력(62c) 및 출력(66c)에서 센서 길이(34)를 통해 전파되는 것을 의미한다. 여기서 기술된 실시예에서는 이 조건이 상업적으로 이용가능한 Ocean Optics PC1000 섬유 링크 스펙트로미터에 의해 만족된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 식(3)의 조건을 만족시키는 한가지 간섭 패턴만이 발생된다. 이러한 간섭량에 걸친 강도 패턴은 다음과 같이 나타내진다:
Iout= τtc 4ρtc 2Io｜ej(φ0+φcp)ejωt｜2{ρs 4+ρm 4τs 8+ρs 2ρm 2τs 4｜ejφA+ejφB｜2}
이는 스플라이스(36) 및 미러 단말부(38)의 전송률(T = τ2) 및 반사율(R = ρ2)에 대해 기록될 수 있다:
Iout= Ttc 2RtcI0{Rs 2+Rm 2Ts 4+2RsRmTs 2[1+cos(φA-φB)]}
설명된 실시예에서, 스플라이스(36)와 미러 단말부(38)의 R 및 T 값은 Rs= 1/3, Ts= 2/3, 및 Rm= 1이다. 그러므로, 본 실시예에서, 간섭량 강도 변화는 다음과 같이 주어진다:
여기서, Φ = φA- φB이다.
식(1)에 φA및 φB의 값을 대입하면, Φ에 굴곡이 있는 굴곡의 효과는 다음과 같이 기록될 수 있다:
ε에서 2차항은 1차항 보다 작은 크기의 적어도 4 제곱이고, 매우 양호한 근사치로, 무시될 수 있다. 그래서, 곡률 곡선 κ으로 발생되는 결과의 위상차는:
(4)
또한, 발생된 간섭량은 강도 변화를 갖는다.
Iout(Ls,κ,λ) ∝ 2.05 + cosΦ(Ls,κ,λ)
입력(62c) 및 출력(66c) 코어에서 약간 다른 도핑 레벨은 이 평면내의 굴곡 곡률의 방향, 즉 입력 코어(62c)가 압축 또는 확장되는가 여부가 결정될 수 있게 한다. 다른 도핑 레벨은 ηA(λ) ≠ ηB(λ), Φ(Ls,κ,λ) ≠ -Φ(Ls,-κ,λ) 이므로, Iout(Ls,κ,λ) ≠ Iout(Ls,-κ,λ)임을 보장한다. ηA＞ ηB이면, 양의 곡률(κ)은 음의 곡률과 비교해 확장된 주변 시스템이 된다. 시스템(10)은 양과 음의 굴곡 곡률 모두의 범위에 걸쳐 초기에 측정되어, 이 단계에서 두 구역의 코싸인 주변 주파수 범위가 겹치지 않음이 명확해진다.
초발광 다이오드(12, 14)는 광대역 방사를 시스템(10)에 주입하여 광대역 간섭량이 발생된다. 이들 간섭량은 섬유 광학 링크 스펙트로미터(27a, 27b)를 사용해 검출된다. 코어쌍(62, 66)에 의해 정의된 평면에서, BMM 섬유 어셈블리(26)의 단말부에서 출력된 방사는 분산되고, 스펙트로미터(27a)에 의해 채널화된 스펙트럼으로 선형 검출기 어레이상에 초점이 맞추어진다. 이 방법으로, 간섭량의 한 지점(일정한 광학 경로 차이)이 파장의 범위에 걸쳐 표본화된다. 본 발명의 다른 실시예를 제공하는 또 다른 샘플링 기술은 센서 길이 Ls를 주사하는 것으로부터 유도된다. 그러나, 센서 길이의 주사는 일부 응용에서 수용될 수 없는 추가 내용을 제시한다. 실질적으로, 파장 주사를 사용하는 특정한 실시예에서 사용되는 바와 같이, 센서 길이(34)의 기장을 변화시키는 것은 가능하지 않다. 마이클슨 간섭계(Michelson interferometer)에 의해 제공되는 바와 같이, 가변 길이의 추가 광학 길이 소자가 굴곡에 의해 제시된 광학 경로 차이에 대한 외부 보상으로 시스템에 포함되어야 한다. 간섭량은 공간상으로 또는 시간상으로 주어질 수 있다. 간섭량의 공간상 멀티플렉싱은 주변 트래킹(tracking)의 가능성을 허용한다. 이는 감지 소자의 굴곡 곡률에서의 변화에 영향을 미치는 간섭량 이동 일부를 연속적으로 모니터하는 것을 포함한다. 이는 복잡한 신호 처리를 필요로 하지 않고 쉽게 해석가능한 결과를 제공하는 편리한 모니터 기술을 구성한다.
여기서 주어진 특정한 실시예에서는 간섭량이 스펙트로미터(27a)에 의해 λ의 함수로 표본화된다. 표본화는 이산적인 것으로(검출기의 각 픽셀 위치에서), 각 픽셀 위치에서 측정되는 일련의 간섭량 강도를 제공하게 된다. 검출기는 실질적으로 어레이내에서의 위치가 파장에 따라 선형적으로 증가되는 동일한 픽셀을 갖는다. 측정된 채널화 스펙트럼 함수는 I(pi)이고, 여기서 pi는 제 i의 픽셀 위치를 나타낸다. 함수 I(qi)를 제공하도록 이 함수의 푸리에(Fourier) 변환이 계산되고, 여기서 qi는 역픽셀 위치(공간 주파수)를 나타낸다. 시스템내의 잡음은 이 I(qi) 스펙트럼의 고주파수 단말부에서 나타난다. DC 배경 바이어스(background bias)와 소스 스펙트럼 프로파일은 저주파수 단말부에서 큰 피크(peak)로 상승된다. 그러므로, 사용가능한 정보 I'(qi)를 포함한 중간 범위를 선택하도록 대역통과 필터가 I(qi)에 적용된다. 간섭량의 분석 표현은 표현의 실수부, Re[I'(pi)]에 역푸리에 변환을 취하고 허수부, Im[I'(pi)]에 힐버트(Hilbert) 변환을 취함으로서 I'(qi)로부터 유도된다. 그래서, 분석 표현은:
I'(pi) = Re[I'(pi)] + i x Im[I'(pi)] = α(pi)eiφ(pi)
검출기 어레이를 따라 표본화된 각 성분에 대해 φ(pi)의 값은 분석 신호 I'(pi)의 변수로부터 계산된다. 위상은 2π의 불연속성을 제거하도록 해제되고, 픽설 위치에 걸친 일련의 위상값이 구해진다. 본 발명의 본 실시예에서, 광대역 소스 출력에 걸친 파장 변화는 대역 810 nm에서 840 nm, 즉 ~ 3.64% 이다. 그러므로, 역파장 범위는 1차 근사치이고, 또한 역파장을 나타내는 픽셀 위치를 취할 때 폭넓은 선형이고 중요하지 않은 에러가 발생된다. 사실상, 이 에러는 확장의 더 높은 차수의 성분을 제거하는 대역통과 필터에 의해 더 감소된다. 이와 같이 역파장으로 해제된 위상 변화는 이러한 신호 처리 기술에 의해 효과적으로 구해진다. 이 위상 변화는 다항식으로 맞추어질 수 있다. 굴곡 곡률을 위해서는 일반적으로 1차 최소 제곱법(first order least-squares fit)으로 충분하다.
굴곡 곡률(κx)은 상기 식(4)를 사용해 역파장을 갖는 위상 변화로부터 추출될 수 있다. 식(4)의 다른 매개변수: ηA(λ), ηB(λ), r, K, 및 Ls는 그 값들이 공지된 경우 바로 사용될 수 있지만, 일반적으로 시스템 에러와 불규칙성을 허용하고 공지된 굴곡 곡률의 범위에 대해 미리 측정하는 것이 보다 정확하다.
유사한 경로에 의해, 제 2 정반대 코어쌍(64, 68)으로 입력되고 출력된 방사의 간섭계 측정으로부터 κy의 값이 추출될 수 있다. κy와 κx의 크기 및 방향을 모두 함께 측정하는 것은 총 굴곡 곡률 및 방향을 추론하는데 필요한 정보를 제공한다.
더 높은 다항식에 고정되면, 단독 굴곡 곡률 보다 더 많은 정보가 역파장을 갖는 위상 변화로부터 추출될 수 있다. 예를 들면, 종래 기술에서 공지되고 특허 출원 PCT/GB94/01388에서 설명된 바와 같이, 온도 변화와 스트레인간을 구별하는데 2차 계수가 사용될 수 있다.
어셈블리(26)에서 4-코어 BMM 섬유를 사용할 필요는 없다. 섬유는 각 코어쌍 평면에서 굴곡 성분이 측정될 수 있는 코어쌍의 배열을 포함한다. 대칭적인 코어 배열을 가질 필요는 없다. 본 발명의 다른 실시예에서는 6-코어 광자 결정 섬유가 BMM 섬유(26)를 대신한다. 이러한 섬유는 원통 유닛의 폐쇄 패킹(packing)에 의해 제작되므로, 섬유 입구/출구 면에서 6개로 접히는 대칭성을 갖는다. 다중 코어는 대략 위치가 정해진 원통 유닛에서 도파관을 제작함으로서 정의된다. 도파관 코어 위치는 누화를 줄이도록 잘 분리되어 잘 클래딩된다. 6-코어 대칭 실시예에서, 굴곡 곡률의 성분은 정반대 코어쌍의 3개 면에서 측정된다. 3개 대역 성분은 벡터 스트레인의 보다 정확한 측정을 제공한다. 3-코어 실시예에서는 3개 면의 3개 코어쌍이 이용가능하지만, 코어가 입력 및 출력 코어로서의 동시 동작을 제공하여야 하거나 응용이 시간에 따라 느리게 변하는 굴곡에 제한된다.
광자 섬유는 여기서 설명된 BMM 섬유와 비교해 교차결합 효과가 일어나기 이전에 도파관 코어가 보다 가깝게 간격을 두고 위치하도록 허용한다. 이는 섬유의 전체 지름이 줄어들도록 허용하여, 센서 방해에 의해 발생되는 손상을 더 줄이게 된다.
기술된 실시예는 스트레인 측정에 대한 본 발명의 응용을 설명한다. 그러나, 상기에 기술된 바와 같이, 온도는 섬유내에서 전파되는 빛에 대한 스트레인에 유사한 영향을 준다. 그래서, 유사한 형태로 온도 그레이디언트를 측정하는데 이들 다중코어 섬유가 사용될 수 있다. 이러한 측정은 한쌍의 두 코어 사이의 광학 경로 차이가 완전히 각 코어 주위의 온도 차이로부터 발생된다고 가정한다. BMM 섬유와 광자 결정에서의 코어는 매우 가깝게 간격을 두어 위치하므로, 이들 섬유는 주로 큰 온도 그레이디언트의 측정에 적용가능함을 주목하여야 한다.
또 다른 적용은 굴곡 및 온도의 동시 측정을 위한 기능을 제공한다. 본 실시예에서, BMM 섬유의 코어는 매우 높은 스트레스-유도 복굴절을 나타낸다(HiBi 코어). 이는 특허 출원 GB9606785.5에서 기술된 바와 같이, 섬유 광학 특성에서 스트레인과 온도의 효과간을 민감하게 구별하기 위한 수단을 제공한다. 온도에서의 변화는 HiBi 코어에서 유도된 스트레스를 변화시키므로, 복굴절에 영향을 준다. 그러나, 높은 복굴절은 횡단 스트레스로부터 코어를 차단하므로, 실질적으로 스트레스에 의해 영향을 받지 않는다. 그래서, 굴곡과 온도는 모두 코어의 길이를 변화시키는 반면, 복굴절에는 온도만 영향을 준다. 동일하지 않게 영향을 주는 이들 매개변수를 결정하면, 온도와 스트레인 효과간을 구별할 수 있다. 광학적 구성 및 질문 구조는 도 1에 도시된 것과 다르지 않다. 방사는 분극 고유모드를 모두 동일하게 차지하는 방식으로 HiBi 코어에 연결된다. HiBi 코어쌍을 갖춘 각 물리적 광학 경로(122, 124)는 2개의 광학 경로, ";고속"; 및 ";저속"; 채널로 분해되고, 각각은 하나의 고유모드로 차지된다. 그러므로, 각 측정에 대해 2개의 간섭량이 발생되고, 온도 및 스트레인의 영향을 분리하는 공지된 방식으로 분석된다.
본 발명에 따라, 광섬유 굴곡 센서는 섬유 어셈블리의 센서 길이 부분에 주어진 굴곡의 정도 및 방향을 측정할 수 있다.

Claims (28)

  1. 입사 방사를 수신하도록 배열된 섬유 어셈블리(26)와 상기 섬유 어셈블리로부터의 방사 출력을 분석하는 분석 수단(27a, 27b)을 포함하는 굴곡 센서(bend sensor)에 있어서,
    상기 섬유 어셈블리(26)는 센서 길이(34)로의 복귀를 위해 제 1 코어(62b)에서의 센서 길이(34)로부터 전파된 방사를 제 2 코어(66b)에 연결시키는 연결 수단(28)과, 두 코어(62c, 66c)에서 방사 중 적어도 부분 반사에 의해 센서 길이(34)를 정의하도록 배열된 반사 수단(36, 38)을 포함하고, 반사 수단(36, 38)과 연결 수단(28)은 각각이 코어(62c 또는 66c) 중 하나에서 센서 길이(34)를 가로지르지만 다른 것(66c 또는 62c)에서는 가로지르지 않는 제 1 및 제 2 광학 경로(122, 124)를 정의하도록 배열되고, 분석 수단(27a, 27b)은 광학 경로(122, 124)를 가로지른 방사 분담량 사이에 형성된 간섭량(interferogram)을 분산시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 코어는 코어쌍(62, 66)을 구성하고, 다중코어 섬유(32 내지 36)의 성분 코어(62 내지 68)는 이러한 코어쌍의 배열을 구비하고, 또한 결합 수단은 각각의 제 1 코어(62b 또는 64b)에서 전파되는 방사의 일부를 관련된 쌍(62/55, 64/68)의 각 제 2 코어(66b 또는 68b)에 연결하여 반사하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서(10)는 분산된 간섭량으로부터 간섭량 위상 변화를 유도하고 위상 변화로부터 센서 길이(34)의 굴곡 곡률(κ)을 계산하도록 배열된 신호 처리 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 간섭계는 각 코어쌍(62/66, 64/68)내에서 전파되는 방사로부터 각각의 제 1 및 제 2 광학 경로 길이 사이의 차이로부터 발생되는 각 간섭량을 발생하고, 각 코어쌍(62c, 66c)의 센서 길이(34)를 포함하는 평면에서 굴곡 곡률(κx, κy)의 성분으로 결과의 굴곡 곡률(κ)을 계산하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  5. 제 4 항에 있어서,
    다중코어 섬유(30, 32, 34)는 비동시 평면에 포함된 적어도 2개의 코어쌍(62/66, 64/68)을 구비하고, 센서(10)는 굴곡 곡률의 대응하는 평면내 성분으로부터 절대적인 굴곡 크기 및 방향을 계산하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다중코어 섬유(30, 32, 34)는 직교 평면 내에 포함된 2개의 코어쌍(62/66, 64/68)을 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    각각의 쌍(62, 66) 내의 상기 코어들은 비동일 실효 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  8. 선행항 중 어느 한 항에 있어서,
    다중코어 섬유(30, 32, 34)는 다발로 묶인 다수의 모노모드(bunched multiple monomode, BMM) 섬유인 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  9. 선행항 중 어느 한 항에 있어서,
    성분 코어(62, 64, 66, 68)는 스트레스-유도되는 고도의 복굴적(highly birefringent, HiBi) 코어인 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다중코어 섬유(30, 32, 34)는 광자 결정(photonic crystal) 섬유인 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  11. 선행 항 중 어느 한 항에 있어서,
    섬유 어셈블리(26)는 입사된 광대역 방사를 수신하도록 배열되고, 분석 수단(27a, 27b)은 파장의 함수로서 제 1 및 제 2 광학 경로(122, 124)에서 전파되는 방사 사이에 형성된 간섭량을 분산시킴으로서 채널화된 스펙트럼을 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 섬유(30, 32, 34) 내에 전파하는 광대역 방사를 초발광 다이오드(12, 14)에 의해 제공하는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  13. 제 11 항에 있어서,
    섬유(30, 32, 34)내에 전파되는 광대역 방사는 에르븀 도핑된 섬유 증폭기(Erbium Doped Fibre Amplifier)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  14. 제 11 항에 있어서,
    섬유(30, 32, 34)내에 전파되는 광대역 방사는 프라세오디뮴 광원(Praseodymium light source)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  15. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 내에서 정의된 광학 경로 길이를 주사하도록 배열된 주사 간섭계(scanning interferometer)를 포함하고, 그에 의해 간섭계 광학 경로 차이는 제 1 및 제 2 광학 경로(122, 124) 사이의 광학 경로 차이를 보상하고, 분석 수단(27a, 27b)은 간섭계 주사의 함수로서 제 1 및 제 2 광학 경로(122, 124)에서 전파되는 방사 사이에 형성된 간섭량을 분산시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  16. 제 15 항에 있어서,
    간섭계가 공간상의 주사를 실행하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  17. 제 15 항에 있어서,
    간섭계가 시간상의 주사를 실행하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  18. 선행항 중 어느 한 항에 있어서,
    성분 코어(62, 64, 66, 68)는 다중코어 섬유(30, 32, 34)내에서 대칭적인 배열로 분포되는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  19. 선행 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광섬유(30, 32, 34)는 지름이 130 μm 이하인 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  20. 선행항 중 어느 한 항에 있어서,
    결합 수단(28)은 직렬 결합기(tandem coupler)인 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 직렬 결합기(28)는 밑면(114)과, 각 코어쌍(62, 66)에 대해 평면 반사면의 각 쌍들이 동일 평면상에 있지 않고, 각각이 밑면(114)으로부터 정점(116)으로 확장되며, 각 쌍의 면들이 대략 우측 각도로 배치되는 면을 구비하는 빔스플리터(beamsplitter)(88)를 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  22. 제 21 항에 있어서,
    다중코어 섬유(30, 32, 34)는 4개의 대칭적인 방향의 성분 코어(62, 64, 66, 68)를 갖고, 빔스플리터(88)는 정사각형 밑면(114), 4개의 삼각형면, 및 정점(116)을 구비하고, 각 삼각형면은 밑면(114)의 한 변으로부터 정점(116)으로 확장되고 정점(116)에서 밑면(114)까지의 수직 거리는 밑면(114)의 한 변 길이의 1/2인 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    직렬 결합기(28)내에서 빔스플리터(88)는 제 1 및 제 2 평면 마이크로렌즈 어레이(planar microlens array)(84, 86)의 중간에 위치하고, 각 마이크로렌즈 어레이(86)는 각 성분 코어(62, 64, 66, 68)로부터 초점 거리 만큼 떨어져 위치하는 각 마이크로렌즈(92, 110, 96, 112)를 포함하고, 각 어레이의 마이크로렌즈는 공동면에 배열되고 각 렌즈 어레이의 공동면은 빔스플리터(88)의 밑면(114)에 평행하고 또한 상호 평행한 것을 특징으로 하는 굴곡 센서(10).
  24. 입사 방사를 수신하도록 배열된 섬유 어셈블리(26)와 이 섬유 어셈블리로부터의 방사 출력을 분석하는 분석 수단(27a, 27b)를 포함하는 온도 센서(10)에 있어서,
    상기 섬유 어셈블리(26)는 크로스토크를 상쇄하도록 충분히 떨어져 있는 성분 코어(62, 64, 66, 68)을 갖는 다중 코어 광섬유(30, 32, 34)와, 센서 길이(34)로의 복귀를 위해 제 1 코어(62b)에서의 센서 길이(34)로부터 전파된 방사를 제 2 코어(66b)에 연결시키는 연결 수단(28)과, 두 코어(62c, 66c)에서 방사 중 적어도 부분 반사에 의해 센서 길이(34)를 정의하도록 배열된 반사 수단(36, 38)을 포함하고, 반사 수단(36, 38)과 연결 수단(28)은 각각이 코어(62c 또는 66c) 중 하나에서 센서 길이(34)를 가로지르지만 다른 것(66c 또는 62c)에서는 가로지르지 않는 제 1 및 제 2 광학 경로(122, 124)를 정의하도록 배열되고, 분석 수단(27a, 27b)은 광학 경로(122, 124)를 가로지른 방사 분담량 사이에 형성된 간섭량을 분산시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 온도 센서(10).
  25. 밑면(114)과, 이 밑면으로부터 정점(116)쪽으로 각각 연장하는 평면 표면의 각각의 쌍들을 포함하며, 각각의 쌍내의 면들은 서로에 대해 적어도 대략 우측 각도로 배치되는 면을 구비하는 것을 특징으로 하는 빔스플리터(88).
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 빔스플리터(88)는 다중코어 섬유(32)의 제 1 코어(62)에서 전파되는 방사를 제 2 코어(66)에 반사하도록 배열되고, 상기 코어들은 광학 경로가 표면으로부터의 반사를 통해 제 1 코어(62)에서 제 2 코어(66)로 존재하도록 각 반사면쌍과 정렬되는 정반대 코어쌍(62, 66)을 구비하는 것을 특징으로 하는 빔스플리터(88).
  27. 제 26 항에 있어서,
    다중코어 섬유(30, 32, 34)는 4개의 대칭적인 방향의 성분 코어(62, 64, 66, 68)를 갖고, 빔스플리터(88)는 정사각형 밑면(114), 4개의 삼각형면, 및 정점(116)을 구비하고, 각 삼각형면은 밑면(114)의 한 변으로부터 정점(116)으로 확장되고 정점(116)에서 밑면(114)까지의 수직 거리는 밑면(114)의 한 변 길이의 1/2인 것을 특징으로 하는 빔스플리터(88).
  28. 제 1(84) 및 제 2(86) 평면 마이크로렌즈 어레이의 중간에 위치하는 제 26 항 또는 제 27 항에 따른 빔스플리터(88)를 포함하고, 각 마이크로렌즈 어레이(86)는 각 성분 코어(62, 64, 66, 68)로부터 초점 거리 만큼 떨어져 위치하는 마이크로렌즈(92, 110, 96, 112)를 포함하고, 각 어레이의 마이크로렌즈는 각각의 공동면에 배열되고 그 공동면은 빔스플리터(88)의 밑면(114)에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 직렬 결합기(28).
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