KR20110052586A - 유도 브릴루앙 산란을 이용한 자기 참조형 광섬유 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일반적인 분야는 광섬유 센서들의 분야이다. 본 발명에 따른 센서는 물리 양을 측정하는데 사용되며, 적어도,
● 적어도 하나의 브래그 격자 (12) 를 포함하는 측정 광섬유 (10);
● 제 1 광주파수의 제 1 "펌프" 파 및 제 2 광주파수의 제 2 "프로브" 파를 상기 광섬유에 주입하도록 설계된 광학 수단 (20) 으로서, 상기 제 2 광주파수는 상기 제 1 광주파수와는 상이하고, 상기 브래그 격자는 제 1 광파 및 제 2 광파를 반사하도록 설계되며, 상기 제 1 파의 광파워는, 유도 브릴루앙 (stimulated Brillouin) 산란에 의해 반사된 제 2 광파와 상호작용한 이후, "스토크" 파를 제공하기에 충분하며, 상기 스토크 파의 주파수는 측정될 상기 물리 양을 나타내는, 상기 광학 수단 (20); 및
● 2개의 상기 "펌프" 광파와 상기 "스토크" 광파 사이의 주파수에서의 차이를 분석하는 수단 (40) 을 포함한다. 이러한 센서는, 특히, 수중청음기로서 사용될 수도 있다.
● 적어도 하나의 브래그 격자 (12) 를 포함하는 측정 광섬유 (10);
● 제 1 광주파수의 제 1 "펌프" 파 및 제 2 광주파수의 제 2 "프로브" 파를 상기 광섬유에 주입하도록 설계된 광학 수단 (20) 으로서, 상기 제 2 광주파수는 상기 제 1 광주파수와는 상이하고, 상기 브래그 격자는 제 1 광파 및 제 2 광파를 반사하도록 설계되며, 상기 제 1 파의 광파워는, 유도 브릴루앙 (stimulated Brillouin) 산란에 의해 반사된 제 2 광파와 상호작용한 이후, "스토크" 파를 제공하기에 충분하며, 상기 스토크 파의 주파수는 측정될 상기 물리 양을 나타내는, 상기 광학 수단 (20); 및
● 2개의 상기 "펌프" 광파와 상기 "스토크" 광파 사이의 주파수에서의 차이를 분석하는 수단 (40) 을 포함한다. 이러한 센서는, 특히, 수중청음기로서 사용될 수도 있다.
Description
본 발명의 분야는 물리 양들을 측정하기 위한 광섬유 센서들의 분야이다. 광섬유에 기초한 센서들은 거의 30년 동안 연구되어 왔다. 이러한 논제에 대하여, 명칭이 "The Photonic sensor" Instrum. Control Syst. Vol. 40, 114 (1967) 인 C. Menadier, C. Kissenger 및 H. Adkins 에 의한 간행물을 참조할 수도 있다. 그 센서들은, 저중량, 콤팩트한 사이즈, 저비용 및 전자기 간섭에 대한 둔감성 이외에, 저손실을 갖고, 높은 대역폭을 가지며, 멀티플렉싱 기술들 및 분산된 증폭기들 또는 센서들의 사용에 적합한 광섬유의 장점으로부터 이익을 얻는다.
광섬유 센서들의 애플리케이션들은 다양하며, 즉, 명칭이 "Optical fiber sensor technologies: opportunities and - perhaps - pitfalls", J. Light. Tech. Vol. 22, No. 1, 39 (2004) 인 B. Culshaw 에 의한 간행물에 언급되어 있을 수도 있다. 가장 빈번한 애플리케이션들은 스트레인 (strain), 온도 및 압력 검출에 관한 것이지만, 전류/전압, 변위, 비틀림, 가속도, 가스 등을 검출하는 분야에서 또한 애플리케이션들이 존재한다. 이용된 기술들은 매우 다양하며, 가장 활발히 연구되는 기술들은 다음과 같다.
● 간섭측정 (interferometric) 방법들 (P. Nash 의 "Review of interferometric optical fiber hydrophone technology", IEE Proc. Radar Sonar Navig. Vol. 143, No. 3 (1996) 을 참조), 특히
○ 섬유 자이로 (gyros) (이러한 논제에 관해서는, V. Vali and R. W. Shorthill, "Fiber ring interferometer", Appl. Opt. Vol. 15, No. 5, 1099 (1976) 을 참조);
● 라만, 브릴루앙 또는 레일리 산란과 같은 후방산란 (backscattering) 기술들. 특히, L. 
등의 "Monitoring of large structures using distributed Brillouin fiber sensing", Proceedings of the 13th International Conference on optical fiber sensors (OFS-13), Korea, SPIE Vol. 3746, 345 (1999) 를 참조할 수도 있다.
현재 연구되는 그 섬유 센서들의 거의 절반은 브래그 격자 (Bragg grating) 를 이용한다 (S. W. James 등의 "Simultaneous independent temperature and strain measurement using in-fiber Bragg grating sensors", Elect. Lett. 32 (12) 1133 (1996)). 특히, 브래그 격자에 기초한 레이저 액티브 센서들의 사용은 널리 퍼져있다. 이들은, DBR (Distributed Bragg Reflector) 레이저들 (D. Kersey 등의 "Fiber Grating Sensors", J. Light Techn. Vol. 15, No. 8 (1997) 참조) 또는 DFB (Distributed FeedBack) 레이저들 (J. Hill 등의 "DFB fiber-laser sensor developments", OFS-17 Proc. SPIE Vol. 5855 p. 904, 및 명칭이 "Optical Fiber Distributed FeedBack Laser" 인 미국 특허 제 8 844 927 호 참조 (1998)) 을 포함한다. 이들 레이저들의 스펙트럼 순도는, 패시브 브래그 격자 디바이스들과 비교하여 감도에서의 실질적인 증가가 달성될 수 있게 한다.
섬유 브래그 격자 수중청음기의 경우, 측정될 양은 센서에 적용되는 스트레인 (strain) 이다. 요구되는 감도는, 사용된 섬유 격자의 타입 (DBR, DFB, 패시브 브래그) 에 관계없이 질문 시스템이 복잡하게 되도록 하는 것이다. 이것은, 센서 상의 스트레인이 그 내부로 전파하는 광파 상에서 위상 시프트를 유도하기 때문이다. 이러한 위상 시프트를 측정하는 것은, 해당 신호의 위상을 기준 신호와 비교하는 것을 요구한다. 사용된 방법들 중, 기준파를 획득하기 위해 2개의 기술적인 솔루션들이 주로 구별될 수도 있다. 제 1 솔루션은, 제 1 센서와 유사한 제 2 센서로부터 도래하지만 간섭으로부터 격리되어 있는 기준파를 사용하는 것으로 구성된다. 이러한 방법은, "Serially multiplexed dual-point fiber-optic acoustic emission sensor", J. Light Techn. Vol. 22, No. 2 (2004) 의 C. Sun 등에 의한 논문에 설명되어 있다. 제 2 솔루션은, 관심있는 신호를 매우 상이한 광 경로들의 2개의 암 (arm) 들로 분할하는 것 및 이들 암들을 서로 인터페이싱시키는 것으로 구성된다. 이러한 경우, 기준파는 신호파의 지연된 카피이다. 이러한 제 2 방법에 관한 모든 정보를 위해, "Interrogation of wavelength multiplexed fiber Bragg gratings using spectral filtering and amplitude-to-phase optical conversion", J. of Light. Techn. Vol. 21, No. 1 (2003) 의 S. Abad 등에 의한 간행물을 참조할 수도 있다.
상이한 주파수들의 2개의 광파들을 방출하는 액티브 센서들의 사용은, 간섭측정기 셋업들 또는 부가적인 센서들을 배제하기 위한 하나의 인식가능한 솔루션이다. 횡 또는 종에 관계없이, 2개의 극성 상태들 또는 2개의 전파 모드들 상에서 발진하는 DFB-FL (Distributed FeedBack Fiber Laser) 들은 특허들 및 공개물들의 논제를 이미 형성하고 있다. 다음의 특허들, 즉, Optoplan (Norway) 1998 의 "Optical fiber DFB laser" 로부터의 미국특허 제 5 844 927호; Vetco Gray Controls Ltd (UK) 2005 의 "Anisotropic DFB fiber laser sensor" 로부터의 미국특허 제 6 885 784호; 및 ABB Research Ltd (Switzerland) 2003 의 "Fiber laser pressure sensor" 로부터의 미국특허 제 6 630 658호 및 "Studies on a few-mode fiber-optic strain sensor based on LP01 - LP02 mode interference", J. Light. Techn. Vol. 19, No. 3 (2001) 의 Kumar 등에 의한 간행물에 언급되어 있을 수도 있다.
이들 원리들로부터 시작하여, 다양한 레이저 DFB 섬유 수중청음기 아키텍처들이 제안되었다. 이들의 세부사항들은, 다음의 간행물들, 즉, P. E. Bagnoli 등의 "Development of an erbium-doped fibre laser as a deep-sea hydrophone", J. of Optics A: Pure Appl. Opt. 8 (2006); D. J. Hill 등의 "A fiber laser hydrophone array", SPIE Conference on Fiber Optic Sensor Technology and Applications Vol. 3860, 55 (1999); 및 S. Foster 등의 "Ultra thin fiber laser hydrophone research through government-industry collaboration" OFS 2005-2006 에서 발견될 것이다.
현재의 섬유 레이저 수중청음기 시스템의 제한들 중 하나는 레이저 동작에 대한 정압의 영향이다. 수압하에서, 캐비티 (cavity) 들이 더 이상 방출하지 않거나, 그들의 방출 파장이 시스템의 동작을 손상시키는 포인트로 변경된다. 더 상세하게, 수압은, 매 10 미터의 깊이마다 약 1 바 (bar) 만큼 증가한다. 이들 시스템들은, 약 100 내지 400 미터의 깊이의 해저 상에서 사용되도록 의도된다. 정압은, 레이저 캐비티의 길이를 변경시키고, 방출 파장이 수 나노미터, 즉, 400 미터의 깊이에서 약 3나노미터 만큼 시프트되게 한다. 예를 들어, 파장-멀티플렉싱된 아키텍처의 경우, 정압은 2개의 파장들 사이의 간격에 직접적인 제한을 두며, 따라서, 단일 섬유 상에 직렬로 배치될 수 있는 센서들의 최대 수를 감소시킨다. 이러한 문제를 완화시키기 위한 수 개의 솔루션들이 존재하며, 정압을 측정하고 그 후 데이터 프로세싱 시에 이것을 고려하거나, 상기 압력을 보상하는 것이 가능하다. 제 1 방법은 번거롭고 시스템의 감도를 제한하지만, 제 2 방법은 정교한 기계적이고 압전성 디바이스들을 요구한다. 따라서, 제안된 아키텍처들은 복잡하게 된다.
본 발명의 목적은, 유도 브릴루앙 산란을 통해 동작하는 브래그 격자들을 갖는 "자기 참조형" 액티브 섬유 센서들로 지칭되는 것을 이용하는 것이다. "자기 참조형" 센서라는 용어는, 측정될 정보를 운반하는 2개의 측정 신호들을 생성하는 임의의 센서를 의미하도록 이해된다. 본 발명의 경우, 신호들은, 상이한 광 주파수들에서 방출된 2개의 광파들이다. 2개의 신호들의 주파수들에서의 변화들의 차동 측정치는 측정될 정보를 나타낸다. 따라서, 측정될 양은, 이들 2개의 광파들 사이에서의 비팅 (beating) 에 의해 직접적으로 획득된다. 따라서, 광섬유 센서들의 아키텍처는, 질문 셋업들이 통상적으로 탑재된 간섭측정 모듈들을 제거함으로써 상당히 간략화된다.
본 발명에 따른 디바이스들은, 광섬유 수중청음기들을 생성하는데 이용되는 것이 바람직하지만, 그 디바이스들은 다양한 기술 분야들에서 다양한 물리 양들을 측정하는데 이용되는 것이 유리할 수도 있다. 특히, 그 디바이스들은, 그 디바이스들이 풍력-기압 센서들로서 기능하는 항공 분야에서 스트레인 센서들로서 사용될 수도 있다. 측정될 양에 관한 정보, 예를 들어, 센서 상의 스트레인은, 그 센서에 의해 출력되는 2개의 파들의 비트 주파수를 통해 획득된다.
더 정확하게, 본 발명의 일 논제는, 적어도 하나의 브래그 격자를 갖는 적어도 하나의 측정 광섬유를 포함하는 물리 양을 측정하기 위한 광섬유 센서이며, 그 광섬유 센서는,
● 제 1 광주파수의 제 1 "펌프" 파 및 제 2 광주파수의 제 2 "프로브" 파를 섬유에 주입하도록 설계된 광학 수단으로서, 그 제 2 광주파수는 그 제 1 광주파수와는 상이하고, 그 브래그 격자는 제 1 및 제 2 광파들을 반사하도록 설계되며, 제 1 파의 광파워는, 유도 브릴루앙 산란에 의해 반사된 제 2 파와 상호작용한 이후, "스토크" 파를 제공하기에 충분하며, 그 스토크 파의 주파수는 측정될 물리 양을 나타내는, 상기 광학 수단; 및
● 2개의 "펌프" 및 "스토크" 광파들 사이의 주파수에서의 차이를 분석하는 수단을 포함한다.
유리하게는, 제 1 파와 제 2 파 사이의 주파수에서의 차이가 약 10GHz 이다.
바람직하게는, 섬유는, 칼코겐화물-계 유리로 이루어진 섬유 또는 비스무트-도핑된 실리카로 이루어진 섬유이다.
바람직하게는, 센서가 스트레인 센서이고, 측정될 물리 양은 섬유에 적용된 기계적인 스트레인이며, 더 상세하게는, 그 센서가 수중청음기일 수도 있다.
또한, 본 발명은 상기 특성들 중 적어도 하나를 갖는 광섬유 센서들의 어레이에 관한 것이다. 그 후, 모든 센서들은 동일한 광섬유 상에 직렬로 배열되며, 그 어레이는 상기 섬유와 그 분석 수단 사이에 배치된 파장 디멀티플렉서를 포함한다.
비제한적인 예로서 제공되는 다음의 설명을 첨부된 도면들과 함께 판독할 시에, 본 발명은 더 양호하게 이해될 것이며 다른 이점들은 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 센서의 일반적인 셋업을 도시한다.
도 2는 유도 브릴루앙 산란의 원리를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 센서의 일 실시형태를 도시한다.
도 4는 센서의 광섬유에서 전파하는 광파들의 다양한 주파수들을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 센서들의 어레이를 도시한다.
도 2는 유도 브릴루앙 산란의 원리를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 센서의 일 실시형태를 도시한다.
도 4는 센서의 광섬유에서 전파하는 광파들의 다양한 주파수들을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 센서들의 어레이를 도시한다.
본 발명에 따른 센서는 도 1에 도식적으로 도시되어 있다. 이러한 센서는,
● 측정 (11) 을 위한 광섬유 (10) 로서, 그것의 광학 특성은 물리 양 ε에 민감하고, 그 섬유는 적어도 하나의 브래그 격자 (12) 를 갖는, 상기 광섬유;
● νP(ε) 로서 표시된 제 1 광주파수의 제 1 "펌프" 파 (1) 및 νprobe(ε) 로서 표시된 제 2 광주파수의 제 2 "프로브" 파 (2) 를 섬유에 주입하도록 설계된 광학 수단 (20) 으로서, 그 제 2 광주파수는 그 제 1 광주파수와는 상이하고, 그 브래그 격자는 제 1 및 제 2 광파들을 반사하도록 설계되며, 제 1 파의 광파워는, 유도 브릴루앙 산란에 의해 반사된 제 2 파와 상호작용한 이후, "스토크" 파 (2') 를 제공하기에 충분하며, νS(ε) 로 표시된 그 스토크의 주파수는 측정될 물리 양을 나타내는, 상기 광학 수단; 및
● 입사파들 (1 및 2) 및 반사파들 (1' 및 2') 을 분리하는 수단 (30), 및 2개의 광파들 사이의 주파수에서의 차이를 분석하는 수단 (40) 으로서, 그 2개의 파들은 광검출기 (도 1에는 도시되지 않음) 에 의해 수신되는, 상기 수단들을 포함한다.
본 발명에 따른 센서의 코어는 도 2에 도시되어 있는, 주입된 브릴루앙 섬유 증폭기이다. 광섬유 (10) 에 주입된 펌프파 (1) 는 열평형에서 존재하는 음향 포논 (phonon) 에 의해 분산되며, 즉, 자연적인 브릴루앙 산란이다. 주입된 펌프파의 광학 파워가 (섬유의 길이, 그의 조성 및 사용된 소스에 의존하는) 임계값보다 클 경우, 펌프파와 스토크 파로 지칭되는 후방산란된 파 (2') 사이의 비팅은 음향파를 증폭시키며, 즉, 유도 브릴루앙 산란이다. 상세하게, 이들 파들의 비팅은 매체에 존재하는 총 전기장의 강도에서의 주기적인 변화를 생성한다. 전왜 (electrostriction) 프로세스를 통해 전기장의 강도에서의 이러한 주기적인 변화와 관련되는 것은, 격자 (13) 에 의해 표현되는 매체의 굴절률에서의 주기적인 변화이다. 2개의 광파들이 상이한 파장을 할당받으므로, 그들이 발생시킬 간섭 패턴은 매체 내에서 이동한다. 따라서, 매체의 굴절률에서의 변화는 주기적이고 이동가능하며, 물리적인 압력파에 비유될 수도 있다. 이러한 음향파는, 그것을 유도한 펌프의 파장에 매칭되는 이동가능한 브래그 미러에 동등하다.
따라서, 유도 브릴루앙 산란은, 표준 UV 기술들에 의해 광기입된 브래드 격자들과는 달리 센서의 사용의 환경 조건들에서의 임의의 느린 변화에 적응하는 동적 인덱스 격자 (13) 를 섬유를 따라 기입한다. 따라서, 센서는 정적인 스트레인에 본질적으로 둔감하게 된다. 또한, 펌프파 및 스토크 파로 지칭되는 상이한 주파수들의 2개의 광파들은 이러한 센서에 의해 출력된다. 측정될 양에 관한 정보, 예를 들어, 센서에 적용된 스트레인은 센서에 의해 출력된 2개의 파들의 비트 주파수에서의 변화를 통해 획득된다. 이러한 자기 참조형 디바이스를 사용함으로써, 예를 들어, 질문 셋업들이 통상적으로 탑재되는 간섭측정 모듈들을 배제함으로써, 수중청음기 시스템들의 아키텍처를 간략화시키는 것이 가능하다. 또한, 그러한 디바이스는, 예를 들어, 비행기의 고도로 인한 큰 정적 변화 주변의 국부 간섭으로 인한, 예를 들어, 비행기 날개들에 의해 경험되는 압력에서의 작은 변화들을 측정하기 위한 마이크로폰들의 제조에 매우 적합하다. 광섬유들에서의 유도 브릴루앙 산란은 알려진 효과이고, 일반적으로 데이터 송신 시스템들에 대해서는 문제가 있지만, 본 발명의 경우에서, 이러한 산란은 본 발명에 따른 센서들의 제조에 매우 적합하다.
이러한 디바이스를 매우 민감한 센서로서 사용할 수 있기 위해, 그로부터 출력되는 광파들은 높은 스펙트럼 순도를 가져야 한다. 따라서, 스펙트럼적으로 매우 정밀한 스토크 파를 생성하는 브릴루앙 레이저가 제조될 이상적인 디바이스이다. 이러한 논제에 관해, 다음의 논문들, 즉, S. Norcia, S. Tonda-Goldstein, R. Frey, D. Dolfi and J. -P. Huignard, "Efficient single-mode Brillouin fiber laser for low noise optical carrier reduction of microwave signals", Opt. Lett. Vol. 28, No. 20 (2003) 및 S. Norcia, R. Frey, S. Tonda-Goldstein, D. Dolfi and J. -P. Huignard, "Efficient High-efficiency single-frequency Brillouin fiber laser with a tunable coupling coefficient", J. Opt. Soc. Am. B 1 Vol. 21, No. 8 (2004) 를 참조할 수도 있다.
브릴루앙 효과를 활용하는 다수의 가능한 방식들이 존재한다. 도 3은 프로브를 통한 주입부를 갖는 브릴루앙 증폭기의 일 가능한 실시형태를 도시한다. 이것은, 간단한 증폭기가, 섬유에서의 음향 포논 수명의 역에 대응하는 약 10MHz 의 스펙트럼 폭을 갖는 잡음있는 스토크 파를 생성하기 때문에 사용된다. 그러한 폭은 전술한 애플리케이션들에 대해 수용가능하지 않을 것이다. 약 1kHz 의 스펙트럼 폭을 달성하기 위해, 디바이스가 주입되어야 한다.
도 3은 브로드밴드일 수도 있는 펌프 및 스토크 파들에 대한 광기입된 브래그 미러 (12) 에 의하여 그의 말단에서 폐쇄된 광섬유의 일부를 도시한다 (따라서, 정적인 스트레인을 갖는 브래그 파장에서의 변화는 문제가 없다). 이에 따라 형성된 컴포넌트는 약 1550nm (+ 방향에서 νP) 의 펌프파 (1), 및 파장이 그 펌프파에 관해, 사용된 섬유의 대략적인 도플러 주파수, 즉, 약 νB ~ 10GHz 만큼 그 펌프파에 관해 시프트되는 프로브 파 (2) (+ 방향에서 νprobe) 를 통해 주입된다. 입사 펌프파 (1) (+ 방향) 와 (- 방향에서) 브래그 미러에 의해 반사된 프로브 파 (2reflected) 사이의 상호작용은, 그 섬유의 코어에서의 유도 브릴루앙 산란에 의해 순수한 스토크 파 (2') 를 (- 방향에서) 발생시킨다. (- 방향에서의) 이러한 스토크 파와 (- 방향에서의) 브래그 미러 상의 펌프파의 반사 (1reflected 또는 1') 사이의 주파수에서의 비팅 νP - νs 는 센서에 의해 출력된 관심있는 신호를 구성한다. 펌프파의 광주파수 νP 는 그것이 주입되었던 주파수로부터 변경되지 않는다. νB 라는 용어는 νP - νs 와 동일한 비트 주파수를 나타낸다.
스토크 파의 광주파수 νs 는 먼저, 사용된 섬유의 속성, 및 두번째로 그것의 동작 조건들에 의존한다. 따라서, νs 는, 주파수 νB 에서 비트 신호의 파워를 최대화시키기 위해, 일단 디바이스가 적소에 존재하면 조정되어야 한다. 이러한 주파수 νB 는 섬유의 각각의 타입에 대해 용이하게 측정될 수 있는 양이며, 그것의 크기는 알려져 있고, 즉, 표준 섬유의 경우에는 11GHz 이고, 칼코겐화물 유리 섬유의 경우에는 8GHz 이다. 일단 이러한 조정이 행해지면, 유도 브릴루앙 산란에 의해 기입된 브래그 격자는 센서, 예를 들어, 스트레인 센서로서 사용될 수도 있다. 그것은 νs 가 스트레인의 함수인 실험에서 이미 증명되었다. 도 4는 센서의 다양한 주파수들, 즉, 펌프파의 주파수 νP, 초기 프로브 파의 주파수 vs0, 섬유의 타입에 적응된 프로브 파의 주파수 νs, 및 섬유가 스트레인 변화들에 영향을 받을 경우의 스토크 파의 변화 주파수들 νSmin 및 νSmax 를 도시한다. 이러한 논제에 관해 "Brillouin gain spectrum characterization in single-mode optical silica fibers", JLT 15, p. 1842 내지 1851 (1997) 의 M. 
, L. 
및 Ph. Robert 에 의한 논문을 참조할 수도 있다.
이것은, 상이한 광주파수의 2개의 파, 즉, 펌프파 및 (도플러 주파수의 긴 파장을 향해 시프트되는) 유도 스토크 파의 반사가 자기 참조형 디바이스로부터 출력되므로, 자기 참조형 디바이스이다. 이러한 디바이스의 동작은, 여기에서 생성된 브래그 격자가 비선형 효과를 통해 그것을 기입하는 광파들에 동적으로 적응하므로, 그에 적용되는 정압에 관계없이 보장된다.
더 정확하게, 2개의 방출된 광주파수들 νP(ε) 및 νS(ε) 는, 또한 △ν(ε)＝νP－νS＋δν(ε) 로서 기입될 수도 있는 주파수 △ν(ε)＝νP(ε)－νS(ε) 로 검출기 상에서 비트들을 초래한다. 2개의 광주파수들 νP(ε) 및 νS(ε) 및 값 △ν(ε) 는, 센서의 광섬유에 의해 경험되는 종 변형 (longitudinal deformation) ε 의 함수이다. 따라서, 이러한 변형은 간섭 신호의 위상을 조절한다. 상세하게, E1 및 E2 가 주파수들 νP 및 νS 의 파들의 광학 필드이면, 검출기로부터 출력된 광전류는 다음과 같이 주어진다.
즉, 
프로세싱될 신호는 주파수 νP－νS 의 캐리어 주변에서의 주파수 변조로서 직접 나타난다. 통상적으로, 2개의 주파수들은 약 수 GHz 내지 수십 GHz 의 νP－νS 만큼 이격되어 있으며, 그에 의해, 인접한 적외선에서 약 0.16nm 의 파장 차이에 대응한다. 위상 변조 δν(ε) 는, ν1－ν2 에 근접한 주파수의 로컬 발진기를 사용하여 헤테로다인 검출에 의해 획득되며, 저주파수들을 향해 신호를 시프트시키는 것을 가능하게 하고, 이들은 디지털 프로세싱에 더 적합하다. 로컬 발진기는, 진폭이 약 1MHz 일 수도 있는 신호 δν(ε) 의 측정을 제한하지 않도록 충분한 스펙트럼 순도를 가져야 한다. 현재 이용가능한 합성기들은, 이러한 타입이 센서에 매우 적합한 약 2×10-10/하루의 안정성을 갖는다.
여기에서 제공되는 센서들의 감도는, 예를 들어, 수중청음기 애플리케이션들에 대한 관심있는 양, 즉, DSS0 (deep sea state zero) 와 비교될 것이다. 따라서, 센서에 의해 검출가능한 최소의 신호는, 1kHz 에서 약 
의 압력 잡음 스펙트럼 밀도에 대응해야 한다. 광섬유 상에서의 
의 적용된 압력에 대응하는 종 변형은,
와 같은 수학식에 의해 획득되며, 여기서, E 는 영율 (Young's modulus) 이고, 
는 푸아송 비율이다.
실리카에 있어서, E＝72×109 Pa 이고 
＝0.23 이며, 
와 동일한 종 변형에 대응한다.
광섬유 센서들은, 캐비티의 연신율 (elongation) 의 관점에서 음향파의 최적의 전달을 허용하는 특정한 기계적인 디바이스들에 삽입되며, 약 1Pa 의 검출될 최소 압력과 동등하고 그에 따라 종 스트레인 
과 동등한 약 40dB 의 연신율에서 이득을 발생시킨다. 따라서, 아래에 제공된 센서들에 대해, 캐비티가 이러한 대표적인 종 스트레인, 즉, 
에 영향을 받을 경우 방출되는 레이저 파들의 주파수 시프트를 계산하기에 적절하다.
디바이스는 광섬유에서 브래그 격자로서 고려될 수도 있다. 브래그 격자 센터들의 브래그 파장의 시프트 
는 통상적으로,
이며, 여기서,
□ εz 및 εr 은 종 및 방사 스트레인들이고 (등방성 경우에서는, εr＝εz);
□ ne 는 섬유의 유효 굴절률이고;
□ 
는 격자의 주기이며;
□ p11 및 p12 는 종 및 횡 탄성-광학 계수들이며, 실리카에 대해서는 ne＝1.456, p11＝0.121 및 p12＝0.265 이다.
정적인 종 스트레인으로 인한 브래그 격자 섬유 센서의 주파수 시프트는, 이러한 수학식 E1 으로부터 추론된다. 이러한 시프트는 
와 대략적으로 동일하다. 상기 수학식은 실험적으로 잘 확인된다.
이러한 수학식이 동적 모드에서 유효한 것으로 유지된다고 가정하면, 광주파수 ν1 의 파를 방출하는 브래그 격자 센서에 의해 방출되고 심층 해양 상태 제로와 동등한 압력에 영향을 받는 광주파수에서의 시프트는 
이고, 즉, 
이며, 다음과 같다.
약 40dB 의, 즉, 약 
의 측정될 종 동적 스트레인에 대한 기계적인 증폭을 고려하면, 이것은 
에 대응한다.
센서에 질문하기 위한 시스템은 (전술한 경우에서는, 약 
의) 레이저의 매우 작은 주파수 시프트들을 측정할 수 있어야 하며, 따라서, 센서의 유용한 (예를 들어, 음향) 주파수 대역에서 매우 낮은 잡음을 갖는 단일-주파수 레이저를 가질 필요가 있다.
특정한 타입의 섬유는 본 발명에 따른 센서들에 특히 매우 적합하다. 따라서, 칼코겐화 섬유들은 표준 실리카 섬유들보다 2 자리수 (two orders of magnitude) 더 큰 브릴루앙 이득, 및 실리카보다 20배 더 큰 탄성-광학 계수 (스트레인 감도) 를 갖는다. "칼코겐화 섬유" 라는 용어는, 산소, 황, 셀레늄, 텔루르 또는 폴로늄과 같은 칼코겐화물을 포함하는 화학물을 함유하는 유리로 이루어진 광섬유를 의미하도록 이해된다. 따라서, 그들은, 유도 브릴루앙 산란 센서들을 제조하기 위한 우수한 후보들이다. 또한, 비스무트-도핑된 실리카 섬유들은 우수한 센서들을 제조하며, 부가적으로 낮은 흡수를 갖는다.
다양한 센서들로부터 도래하는 신호들을 구별하기 위한 멀티플렉싱은 다양한 기술들을 사용하여 달성될 수도 있다. 예를 들어, 시간 멀티플렉싱 및 공간 멀티플렉싱이 언급될 수도 있다.
도 5에 도식적으로 도시된 디바이스의 멀티플렉싱은 하나의 센서로부터 다음 센서까지 수 nm 만큼 이격된 브래그 파장을 갖는 브래그 미러들을 사용하는 파장 멀티플렉싱일 수도 있다. 질문 소스는, 원거리 통신 소스 타입의 주파수 콤 (frequency comb) 일 수도 있다. 본 발명에 따른 수 개의 센서들 i을 멀티플렉싱하기 위해, 펌프파와 동일한 방향으로 전파하는 프로브 레이저 (20) 를 도 1의 디바이스에 부가하는 것이 또한 필요하다. 이러한 프로브 레이저는 약 1.5㎛ 의 브로드 소스 또는 약 1.5㎛ 의 튜닝가능한 소스 중 어느 하나이며, 캐비티 엔드 미러들의 브래그 파장에 매칭된다. 그 센서들은 상술된 실시형태에 따라 제조될 수도 있다. 이러한 경우, 각각의 센서 i는 주파수들 νiP 및 νiS 를 갖는 2개의 파 (1i' 및 2i') 를 방출하는 섬유 (10i) 를 포함한다.
Claims (6)
- 적어도 하나의 브래그 격자 (12) 를 갖는 적어도 하나의 측정 광섬유 (10) 를 포함하는 물리 양을 측정하기 위한 광섬유 센서로서,
● 제 1 광주파수에서의 제 1 ("펌프") 파 및 제 2 광주파수에서의 제 2 ("프로브") 파를 상기 광섬유에 주입하도록 설계된 광학 수단 (20) 으로서, 상기 제 2 광주파수는 상기 제 1 광주파수와는 상이하고, 상기 브래그 격자는 상기 제 1 광파 및 상기 제 2 광파를 반사하도록 설계되며, 상기 제 1 광파의 광파워는, 유도 브릴루앙 (stimulated Brillouin) 산란에 의해 반사된 상기 제 2 광파와 상호작용한 이후, "스토크" 파를 제공하기에 충분하며, 상기 스토크 파의 주파수는 측정될 상기 물리 양을 나타내는, 상기 광학 수단 (20); 및
● 2개의 상기 "펌프" 광파와 상기 "스토크" 광파 사이의 주파수에서의 차이를 분석하는 수단 (40) 을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광파와 상기 제 2 광파 사이의 주파수에서의 차이는 약 10GHz 인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광섬유는, 칼코겐화물-계 유리로 이루어진 섬유 또는 비스무트-도핑된 실리카로 이루어진 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광섬유 센서는 스트레인 (strain) 센서이며, 상기 측정될 물리 양은 상기 광섬유에 적용되는 기계적인 스트레인인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 광섬유 센서는 수중청음기 (hydrophone) 인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 광섬유 센서들의 어레이로서,
상기 광섬유 센서들 모두는 하나의 동일한 광섬유 상에 직렬로 배열되며, 상기 어레이는 상기 광섬유와 상기 분석 수단 사이에 배치되는 파장 멀티플렉서를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서들의 어레이.
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