KR20110108058A - 전계 측정용 광센서 - Google Patents

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Abstract

온도나 진동과 같은 주변 환경 변화에 의해 발생하는 신호의 왜곡을 방지할 수 있는 향상된 형태의 광센서 구조를 제공하기 위하여 본 발명은, 빛을 생성하는 광원(21)을 포함하며, 상기 광원(21)에서 발산된 빛의 위상 정보를 검출하는 위상 검출부(20); 전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변하는 특성을 지닌 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11), 상기 리튬나이오베이트(11)의 일 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광의 편광을 회전시키는 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12) 및 상기 리튬나이오베이트(11)의 타 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광을 반사시키는 반사 미러(13)를 포함하는 센서부(10); 및 상기 센서부(10)와 상기 위상 검출부(30)를 연결하는 편광 유지 광섬유(31)를 포함하는 전계 측정용 광센서를 제공한다.

Description

전계 측정용 광센서{Optical Electric-Field Sensors}
본 발명은 광을 이용하여 전계 또는 전압의 크기를 측정하는 센서에 관한 것으로, 기존 광센서에 비하여 간단한 구조를 가지면서도 온도, 진동 등의 환경 변화에 대하여 무관하게 안정적으로 동작하는 특성을 지닌 전계 측정용 광센서에 관한 것이다.
산업의 발전과 더불어 나날이 증대되어 가는 에너지 수요는 기존의 전기 에너지 발전 설비로는 충당이 어려운 상황을 예견케 하고 있으며, 이로 인해 태양광이나 풍력 발전을 이용한 전기 생산 설비들이 빠른 속도로 확충되어 나가고 있다. 다양한 전력 생산 설비들을 통하여 여러 곳에서 생산된 전기에너지를 효과적으로 저장할 수 있는 방법은 원천적으로 개발이 어려우며, 또한 생산된 전기에너지는 곧바로 이를 필요로 하는 곳으로 보내져서 사용되어야만 한다. 대부분의 전력이 소수의 발전소에서 생산되던 예전의 경우와 달리, 신재생 에너지를 통한 전기 발전 시설이 늘어남에 따라, 다양한 시설에서 생산된 전력을 가장 효과적으로 소비할 수 있는 수요처로 공급하여 주기 위하여, 스마트 그리드를 이용한 전력 네트워크의 관리가 필요하게 된다.
스마트 그리드 기술을 이용한 전력 전송 시스템에서는, 전통적인 송배전 시스템에서는 불가능하였던 다음과 같은 여러 가지 기능들을 추가로 가능하게 하여 효과적인 전력 관리를 가능케 한다. 먼저, 태양력 및 풍력 발전과 같이 지속적이지 못하고 순간적으로 발생하는 전력을 모니터링 하여, 전체적인 네트워크에서 생산하는 전력의 량을 일정하게 유지시키는 기능을 가져야 한다. 이를 통하여 전력이 부족하거나 남아돌 때, 화력 발전과 같은 손쉽게 관리 가능한 전력 생산 설비의 운행 여부를 결정할 수 있다. 또한, 이와 같은 전력 공급망의 지속적인 모니터링은 일부 지역의 전력 수요가 사고로 인해 변화가 생겼을 때, 발 빠른 대처를 통하여 전체 전력 네트워크에 미치는 영향을 최소화시키는 기능을 제공한다. 즉, 전력 네트워크에 연결된 부하 저항이 사고로 인해 순간적으로 변하게 되면, 공급되던 전류가 전체 전력망으로 흩어져 퍼지게 되면서 인접한 지역에서부터 순간 전력을 증가시키게 되며 연쇄적인 전력망 사고를 일으키게 되는데, 스마트 그리드를 이용한 전력 모니터링은 이러한 사고에 즉각적으로 대처할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 또한 스마트 그리드 전력망은 고의적인 전력 누출을 감시하거나, 전력 공급이 차단되는 사고에 즉각적으로 대응할 수 있는 효과적인 체계를 제공할 수 있다.
발전 설비에서 생성된 전력은 수백 메가와트에 이르며, 이를 몇 단계에 걸쳐서 나누어서 송전을 하게 되는데, 전송선에서의 손실을 줄이기 위하여 110 kV 이상의 고압으로 전송하게 되며 전류의 크기도 수 kA 이상이 된다. 이와 같은 고압 고전류가 흐르는 전선의 인근에는 매우 강한 전자기파 간섭 (Electro-Magnetic Interference: EMI)이 발생하게 되어, 일반적인 전기적 계측기의 기능에 심각한 영향을 미치게 되어, 측정 결과에 대한 오차가 매우 커지는 문제가 존재하였다. 그러나 광의 특성 변화를 이용하여 전압 전류를 측정하는 광센서를 이용하면, 이와 같이 EMI가 심한 환경에서도 전압과 전류를 정확하게 측정할 수 있다. 이는 측정을 위해 사용되는 광파가 전자기파와 독립적으로 전파될 수 있는 특성을 지니기 때문이며, 광섬유를 이용하여 측정된 신호를 EMI가 미치지 못하는 범위로 손쉽게 끌어내는 것도 가능하기 때문이다.
스마트 그리드를 위하여 적용되고 있는 광센서는 전압센서, 전류센서, 온도센서 등으로 나뉠 수 있는데, 기본적으로 EMI에 강한 공통적인 특성을 지니고 있다. 광센서는 전기 센서와 다르게 금속 재료가 아닌 전도도가 없는 유전체 재료로 이루어지므로, 강한 전자장이 있는 환경에서도 문제를 일으키지 않게 된다. 또한, 최종적인 신호처리를 위한 모듈에까지 센싱된 신호를 보내는 과정에서도 광섬유를 이용하게 됨으로써, 전송 과정에서 발생할 수 있는 EMI 문제도 해결이 된다. 또한 광센서는 부가적인 절연 장치 등을 필요로 하지 않기 때문에, 소형으로 제작하여 적은 공간을 차지한 채 기존 장비에 붙여서 장착이 가능하다. 일반적인 전압측정용 트랜스포머 장비(instrument transformer)는 수 톤의 무게를 지니며 통상적으로 단일 장비로 장착이 된다. 이와 더불어 광센서는 자기 철 공진(magnetic ferro-resonance)나 포화(saturation) 문제가 없으며, 일반적인 오일 절연 방식 장비에서 발생 가능한 폭발과 같은 치명적인 사고 위험이 없다.
이와 같이 스마트 그리드를 위하여 적용되고 있는 광센서 중 전압을 측정하기 위한 광센서는, 전압에 의해 발생하는 전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변화하는 특성을 지니는 전기광학 재료를 이용하여 측정하는 것이 일반적이다. 대표적인 전기광학 재료로 알려져 있는 리튬 나이오베이트(Lithium Niobate: LiNbO3) 크리스탈은 외부에서 인가된 전계의 크기에 비례하여 재료의 굴절률이 변하게 되며, 이와 더불어 전계의 방향에 따라 굴절률 변화가 달라지는 특성을 지닌다. 외부에서 광축에 평행한 방향으로 전계가 인가되었을 때, 광축에 평행한 편광 성분과 광축에 수직한 편광성분이 서로 다른 굴절률 변화를 겪게 되며, 출력된 빛에서 나타나는 편광 상태를 검출하여 인가된 전계의 크기를 측정할 수 있다. 이와 같은 동작원리를 바탕으로 리튬 나이오베이트(lithium niobate) 기판상에 광도파로 형태의 소자를 제작하여 전계 센서를 제작한 결과가 발표되어 있다. 또한, 3개의 전기광학 필드 센서를 이용하여 230 bilion의 전압을 측정하기 위한 광전압 센서도 구현중에 있다. 또한, 절연체로 원통형 석영 크리스탈의 원주를 따라 타원 코어를 갖는 듀얼모드 광섬유를 감은 후, 전계에 의해 발생하는 압전(Piezo-electric) 효과에 의해 크리스탈에 발생하는 변형에 따른 전계의 크기를 이용하여 이를 측정하는 전압센서도 제안되었다. 나아가, 최근에는 리튬 나이오베이트 전기 광학 재료 위에 브래그 격자를 제작하여, 전기 광학 효과로 인하여 변화되는 반사 파장을 모니터링 하는 방식의 전계 센서도 발표되었다.
본 발명은 전압에 의해 발생하는 전계의 크기를 빛을 이용하여 센싱하기 위한 광센서에서, 온도나 진동과 같은 주변 환경 변화에 의해 발생하는 신호의 왜곡을 방지할 수 있는 향상된 형태의 광센서 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 패러데이 편광 회전기를 이용하여 입력 편광과 출력 편광을 90도 만큼 회전시키는 방법을 이용하여, 외부 환경 변화에 의해 발생하는 신호변화를 보상하는 방법을 이용하고 있으며, 센싱된 신호를 광 위상 정보 형태로 전달하게 됨으로써 광원의 파워가 환경변화에 의해 변하게 되더라도 센싱 정보의 왜곡이 발생하지 않는 광센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존에 사용하고 있는 광도파로 소자를 이용하지 않고, 광섬유 콜리메이터(collimator)와 평판형으로 제작된 부품들을 이용하여 간단히 조립 가능한 광전압 센서를 제안하는 것이다. 종래, 수 마이크론 크기의 구조를 지니고 있는 광도파로 소자를 이용하기 위해서는, 복잡한 반도체 제조 공정을 이용하여 소자를 제작해야 하며, 패키징 단계에서도 서브마이크론 정도의 정밀도를 가지는 제작 장비들을 이용하여야 한다. 이에 비하여 제안된 기술은 광섬유 밖으로 나오는 빛을 콜리메이터를 이용하여 밀리미터 크기로 광을 확장시킨 후, 평판형으로 제작된 패러데이 로테이터, 리튬나이오베이트, 반사거울을 차례로 접착시켜서 조립 가능한 구조를 지니므로 손쉽게 제작 가능한 장점이 있다.
본 발명은, 빛을 생성하는 광원(21)을 포함하며, 상기 광원(21)에서 발산된 빛의 위상 정보를 검출하는 위상 검출부(20); 전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변하는 특성을 지닌 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11), 상기 리튬나이오베이트(11)의 일 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광의 편광을 회전시키는 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12) 및 상기 리튬나이오베이트(11)의 타 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광을 반사시키는 반사 미러(13)를 포함하는 센서부(10); 및 상기 센서부(10)와 상기 위상 검출부(30)를 연결하는 편광 유지 광섬유(31)를 포함하는 전계 측정용 광센서를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 광원(21)에서 생성된 빛은 상기 센서부(10)의 상기 패러데이 로테이터(12)로 입사하여, 상기 리튬나이오베이트(11)를 통과한 후, 상기 반사 미러(13)에서 반사되어 다시 상기 위상 검출부(20) 측으로 향할 수 있다.
여기서, 상기 패러데이 로테이터(12)는 상기 리튬나이오베이트(11)를 거쳐서 상기 반사 미러(13)에 반사되어 돌아오는 빛의 편광을 90도 만큼 회전시킬 수 있다.
여기서, 상기 위상 검출부(20)는, 상기 센서부(10)로부터 입력받은 빛을 분기하는 파워 스플리터(Power splitter)(23)와, 상기 파워 스플리터(23)에서 분기된 빛 중 일 측의 빛의 위상을 변조하는 위상 변조기(Phase modulator)(25)와, 상기 파워 스플리터(23)에서 분기된 빛 중 타 측의 빛의 편광을 변환하는 편광 변환기(Polarization controller)(24)와, 상기 위상 변조기(25)에서 출력된 빛과, 상기 편광 변환기(24)에서 출력된 빛이 광 간섭을 일으키는 광 결합기(22b)와, 상기 광 결합기(22b)에서 간섭을 일으킨 빛의 위상 차이에 비례하는 광 파워 변화를 측정하는 광 검출기(27a)(27b)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 위상 변조기(25)와 상기 광 결합기(22b) 사이 및 상기 편광 변환기(24)와 상기 광 결합기(22b) 사이에는, TE 편광 또는 TM 편광 중 한가지만을 통과시키는 편광기(26a)(26b)가 각각 더 개재될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 편광 유지 광섬유(31)와 상기 패러데이 로테이터(12) 사이에 콜리메이터 렌즈(32)가 더 개재될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의해서, 외부 환경 변화에 무관하게 안정적으로 동작하는 광전압 센서를 구현할 수 있게 된다. 또한, 이를 이용하여 고전압 전류를 전송하여 전자기파 장애가 심각한 환경에서 전압값을 정확히 측정할 수 있는 센서로 활용할 수 있다. 나아가, 기존 광전압 센서에 비하여 안정적인 동작 특성을 보유할 뿐만 아니라 손쉬운 공정을 통하여 센서를 제작할 수 있는 장점을 지니므로 저가 대량 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 측정용 광센서의 구성도이다.
도 2는 도 1의 전계 측정용 광센서의 위상 검출부의 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 측정용 광센서의 구성도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 측정용 광센서(1)는 전계를 측정하기 위한 센서부(10)와, 전계에 비례하여 발생되는 위상 정보를 검출하기 위한 위상 검출부(20)를 포함한다. 광원(도 2의 21 참조)은 위상 검출부(20)에 포함되어 구성되며, 센서부(10)와 위상 검출부(20)는 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 연결된다. 이때, 센서부(10)와 편광 유지 광섬유(31) 사이에는 콜리메이터 렌즈(32)가 더 개재되어, 미소한 광원(도 2의 21 참조)에서 나온 광을 평행한 광선으로 변환하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서 센서부(10)는 전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변하는 특성을 지닌 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11)와, 그 좌우에 배치된 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12) 및 반사 미러(13)를 포함하여 구성된다.
이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적인 광 전압 센서로 가장 많이 이용되고 있는 구조는, 전기광학 효과를 가지는 재료를 통과하여 진행하는 광파의 편광 상태가 변화하는 것을 측정하는 형태이다. 대표적으로 사용되는 리튬나이오베이트(LiNbO3, Lithium Niobate) 결정의 경우, 결정 축 방향으로 외부 전계가 존재하게 되면, 그 방향의 편광을 가지는 광파의 위상이 변화를 겪게 된다. 이때 결정축에 수직한 방향의 편광 성분에 대해서는 광파의 위상 변화 크기가 다르게 나타나게 된다. 그러므로 결정축에 평행한 방향의 성분과 수직한 방향의 성분을 동일한 크기 만큼 가지는 광파를 결정에 입사시키게 되면, 결정을 통과하는 동안 두 편광 성분 간에 상대적인 위상 차이가 발생하게 되고, 이로 인해 출력광의 편광 상태가 변하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 외부 전계의 세기에 비례하여 변화되는 편광 상태를 측정하게 되면, 인가된 전계의 세기를 측정하는 것이 가능해진다.
이와 같은 리튬나이오베이트 결정을 이용한 센서에서는, 입력 편광 상태를 정확하게 광축과 45도 만큼 기울어진 상태로 입사시켜 주는 것이 가장 중요한 요소이다. 이를 위하여, 센서 입력부 바로 앞에 45도 기울어진 편광기를 배치하는 방법이 적용될 수 있다. 그러나 이때에도 센서부에 전달되는 광이 일정한 편광 상태를 유지하고 있어야 하는 어려움이 있으며, 편광 유지 광섬유를 이용하여 정확한 편광 상태를 유지한 채 광신호를 센서부에 전달하는 방법을 도입해야 한다는 어려움이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 측정용 광센서(1)에서는 온도나 진동에 의한 영향을 적게 받고 안정적으로 동작하는 광 전압 센서를 구현하기 위하여, 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11)의 좌우편에 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12)와 반사 미러(13)를 붙여서 구성된 편광 회전 반사 간섭계를 제공하여, 외부 전계에 비례하여 발생하는 센서 신호를 광 위상 정보 형태로 전달하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 패러데이 로테이터(12)는 리튬나이오베이트(11)를 거쳐서 반사 미러(13)에 부딪힌 후 돌아오는 광파의 편광을 90도 만큼 회전시켜 주는 역할을 수행하게 되며, 편광 유지 광섬유(31) 내부에서 발생할 수 있는 위상 변화를 상쇄시키는 기능을 제공한다. 즉, 일반적인 광 세기 정보가 아닌 광 위상 정보로 신호를 전달하고, 출력부의 광신호 처리부에서 광 위상 정보를 광 세기 정보로 변환시키는 형태의 센서를 이용함으로써, 외부 환경에 의해 광 세기가 변화하더라도 전계를 센싱하는 데는 영향을 미치지 않게 된다.
상세히, 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 센서부(10)에 입력되는 광은, fast축과 slow축 방향의 편광 성분이 초기 위상 차이를 가지게 되는데, 센서부(10)에서 반사되어 돌아가는 과정에서 편광이 변환되어 진행하게 되므로 초기의 위상 차이를 서로 상쇄시키게 된다. 이 과정에서 외부 온도 변화나 진동에 의한 위상 변화도 함께 상쇄되고 리튬나이오베이트(11)에서 외부 전계에 의해 발생된 위상 차이 값만 남게 되며, 이는 위상 검출부(20)에서 최종적으로 검출되어 전계 값을 센싱하게 된다.
이와 같은 편광 회전 반사 간섭계를 이용한 광센서는 센서부(10)에서 발생하는 원치 않는 편광 결합 현상에 의한 신호 왜곡을 최소화시킬 수 있다. 즉, 기존의 광센서에서는 편광 결합이 일어나면 출력부의 편광 상태에 영향을 미치게 되는 반면, 제안된 구조에서는 편광 결합이 일어나더라도 곧바로 간섭이 일어나지 않도록 coherence length가 짧은 광원을 이용할 수 있다. 이를 이용하면 결정 재료 내부에서 부가적으로 발생하는 미소한 편광 결합에 의한 신호 변화를 원천적으로 차단하고 안정적인 동작 특성을 지니는 센서를 구현할 수 있다.
센서에서 발생한 위상 차이 값을 신호 처리부까지 전달한 뒤 위상 검출 광신호 처리부에서 위상 값에 따른 광출력 신호를 생성하게 된다. 이러한 방법을 이용하면 광결정 센서부에서 초기에 지니고 있는 편광간의 복굴절로 인한 위상 차이 값을 위상 변조기를 이용하여 보상해 줄 수 있으며, 센서의 동작점을 민감도가 최대가 되는 지점으로 항상 유지시킬 수가 있다. 뿐만 아니라 센서부의 온도 변화로 인하여 발생하는 동작점 변화를 위상 변조기를 이용하여 보상해 줄 수 있는 기능을 지니게 된다.
이와 같은 센서부(10)에서의 센싱 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
위상 검출부(20)의 광원(도 2의 21 참조)으로부터 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 입사되는 광은 먼저 패러데이 로테이터(12)를 통과하면서 편광 방향이 45도 만큼 틀어지게 된다. 그리고, 리튬나이오베이트(11)의 광축은 편광 유지 광섬유(31)의 광축과 45도만큼 비틀어 지게 정렬되어 부착된다. 그러므로 편광 유지 광섬유(31)의 fast 축에 평행한 편광은 리튬나이오베이트(11) 결정의 광축 방향 편광 성분으로 입사되고, slow 축 성분은 결정 광축에 수직인 방향 성분으로 입사된다. 센싱하고자 하는 외부 전계의 방향이 결정의 광축 방향과 평행한 경우, 이 방향 성분의 편광 성분은 가장 큰 굴절률 변화를 겪게 되며, 이에 수직한 편광 성분은 상대적으로 적은 굴절률 변화를 겪게 된다. 이러한 굴절률 변화의 차이는 각 방향 편광 성분의 위상 변화 값의 차이를 유발하게 되며, 출력광의 편광 상태에 영향을 미치게 된다.
리튬나이오베이트(11) 결정을 통과한 빛은 반사 미러(13)를 통하여 반대방향으로 다시 한번 더 결정 내부를 통과하게 되며, 이때 위상 변화 값은 두 배로 증폭되게 된다. 이후 패러데이 로테이터(12)를 다시 지나가면서 각각의 편광은 45도만큼 더 회전하게 되어 최종적으로 90도 만큼 편광 변화를 겪게 된다. 결국 fast 축을 따라 입사된 빛은 결정의 광축을 따라서 진행하고 반사된 뒤 slow 축 성분으로 출력되어 돌아가게 되며, slow 축 성분을 센서를 거친 후 fast 축 성분으로 돌아가게 된다. 이와 같은 과정을 편광회전 반사라고 한다.
이와 같이 전계의 크기에 비례하는 위상 정보를 지닌 채 반사되어 돌아온 빛은 위상 검출부(20)에서 서로 간섭을 일으키도록 만들어서 위상값에 비례하는 광 세기 정보를 얻게 된다.
이와 같은 위상 검출부(20)에 대하여는 도 2에서 상세히 설명한다.
도 1의 전계 측정용 광센서의 위상 검출부의 구성을 나타내는 도 2를 참조하면, 위상 검출부(20)는 광원(Laser diode)(21), 광 결합기(3-dB coupler)(22a)(22b), 파워 스플리터(Power splitter)(23), 편광 변환기(Polarization controller)(24), 위상 변조기(Phase modulator)(25), 편광기(Polarizer)(26a)(26b) 및 광 검출기(Photodetector)(27a)(27b)를 포함한다.
먼저 상기 광원(21), 즉 레이저 다이오드에서 출력된 빛은 제1 광 결합기(22a)를 통과하여 센서부(10)로 진행하게 된다. 이때 광원(21)에서 출력된 빛의 편광 방향을 45도만큼 기울인 상태에서 제1 광 결합기(21a)에 연결됨으로써, 광도파로 내부에 TE 편광과 TM 편광을 생성시킨 후, 광도파로를 통하여 전달되어, 제1 광 결합기(21a)를 지나게 된다.
제1 광 결합기(21a)를 거치면서 아래 위 두 개의 광도파로로 빛이 나누어진 후, 제1 광 결합기(21a)의 아래쪽 출력으로 진행하는 빛은 손실되어 사라지게 된다. 한편, 제1 광 결합기(21a)의 위쪽 출력으로 진행하는 빛은 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 센서부(10)로 입사하게 된다.
상세히, 센서부(10)로 입사된 빛은 센서부(10)의 전단에 위치한 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12)를 지나면서, TE 편광과 TM 편광은 각각 45도 만큼 편광 방향이 회전하게 된다. 이렇게 각도가 변화된 선편광 빛은 전계에 민감하게 굴절률이 변화하는 리튬나이오베이트(11) 결정을 통과하여 진행하게 된다. 이때 Z-축 방향으로 인가된 전계에 의해 발생하는 Y-축, X-축 편광 성분에 대한 위상 변화를 측정하기 위해서, 결정의 축 방향 조절을 통하여 입력 편광성분들이 결정의 X-축 또는 Y-축 방향과 평행하도록 만들어 주어야 한다. 다시 말해서 편광 유지 광섬유(31)를 통하여 전달된 TM 편광 성분은 패러데이 로테이터(12)에서 45도만큼 편광이 회전한 뒤 리튬나이오베이트(11) 결정의 X-축 방향 성분으로 진행이 되어야 한다.
리튬나이오베이트(11) 결정을 통과한 편광 성분들은 반사 미러(13)에서 반사되어 반대 방향으로 돌아오게 된다. 이 과정에서 전기 광학 효과로 인해 발생되는 위상 변화는 두 배로 커지게 된다. 돌아온 빛은 다시금 패러데이 로테이터(12)를 지나면서 45도의 편광 회전을 겪게 되는데, 원래의 방향으로 돌아가는 것이 아니라 최초 편광 방향과 90도 만큼 틀어진 빛으로 출력된다. 즉, 입력광의 TE 성분은 두 번의 45도 패러데이 로테이터(12)를 통과하면서 TM성분으로 바뀌며, 입력 TM 성분은 출력 TE 성분으로 바뀌게 된다.
외부 전계로 인한 위상 변화 값은 두 개의 편광 성분이 지니고 있는 상대적인 위상 차이로 남게 되며, 위상 차이를 광 파워 차이로 변환시켜서 광 검출기(photodetector)에서 검출하기 위하여, 출력단에 위상 검출부(20)를 구성해야 한다.
전계 측정 결정 재료를 통과한 후 반사되어 전계 크기에 따른 위상 차이를 지니고 있는 광은, 다시금 제1 광 결합기(22a)를 지나면서 두 개의 경로로 분할된다. 이때 광원(21) 쪽으로 진행되는 빛은 광원(21) 앞에 위치한 아이솔레이터(isolator)(미도시)에 의해 사라지게 되며, 다른 쪽으로 진행한 빛은 광 검출기(Photodetector)(27a)(27b) 쪽으로 진행하게 된다.
제1 광 결합기(22a)에서 출력된 빛은 파워 스플리터(Power splitter)(23)를 통과하며 두 개의 경로로 분할된다. 파워 스플리터(23)의 왼쪽 출력으로 진행하는 빛은 열 광학 위상 변조기(25)를 통과하여 위상 변조가 된 후, 제1 편광기(26a)를 거치면서 TE 편광만 살아남게 된다. 한편, 파워 스플리터(23)의 오른쪽 출력으로 진행하는 빛은 편광 변환기(24)와 제2 편광기(26b)를 지나게 되는데, 여기서 통과된 TE 편광은 실제로는 센서에서 반사되어온 TM 편광 성분이 된다.
마지막으로 두 개의 다른 경로를 지나온 빛은 제2 광 결합기(22b)에서 서로 만나서 광 간섭을 일으키게 된다. 이로 인해 센서부(10)에서 반사된 TE 편광 성분과 TM 편광 성분이 서로 간섭을 일으키게 되며, 서로 간의 위상 차이에 따라 보강 또는 상쇄 간섭을 일으키게 된다. 간섭을 일으킨 이후에는 위상 차이에 비례하는 광파워 변화를 두 개의 광 검출기(27a)(27b)로 측정할 수 있게 된다. 이후 두 개의 광 출력을 차등 증폭하게 되면 간섭으로 인해 나타나는 광 출력 변화 신호를 증폭하여 얻을 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 본 발명에 의해서, 외부 환경 변화에 무관하게 안정적으로 동작하는 광전압 센서를 구현할 수 있게 된다. 또한, 이를 이용하여 고전압 전류를 전송하여 전자기파 장애가 심각한 환경에서 전압값을 정확히 측정할 수 있는 센서로 활용할 수 있다. 나아가, 기존 광전압 센서에 비하여 안정적인 동작 특성을 보유할 뿐만 아니라 손쉬운 공정을 통하여 센서를 제작할 수 있는 장점을 지니므로 저가 대량 생산이 가능하다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1: 전계 측정용 광센서 10: 센서부
11: 리튬나이오베이트 12: 패러데이 로테이터(Faraday rotator)
13: 반사 미러 20: 위상 검출부
21: 광원(Laser diode) 22a, 22b: 광 결합기(3-dB coupler)
23: 파워 스플리터(Power splitter)
24: 편광 변환기(Polarization controller)
25: 위상 변조기(Phase modulator)
26a, 26b: 편광기(Polarizer)
27a, 27b: 광 검출기(Photodetector)
31: 편광 유지 광섬유

Claims (6)

  1. 빛을 생성하는 광원(21)을 포함하며, 상기 광원(21)에서 발산된 빛의 위상 정보를 검출하는 위상 검출부(20);
    전계의 크기에 비례하여 광학적 굴절률이 변하는 특성을 지닌 전기광학 결정 재료인 리튬나이오베이트(11), 상기 리튬나이오베이트(11)의 일 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광의 편광을 회전시키는 패러데이 로테이터(Faraday rotator)(12) 및 상기 리튬나이오베이트(11)의 타 측에 배치되어 상기 광원(21)으로부터 발산된 광을 반사시키는 반사 미러(13)를 포함하는 센서부(10); 및
    상기 센서부(10)와 상기 위상 검출부(30)를 연결하는 편광 유지 광섬유(31)를 포함하는 전계 측정용 광센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원(21)에서 생성된 빛은 상기 센서부(10)의 상기 패러데이 로테이터(12)로 입사하여, 상기 리튬나이오베이트(11)를 통과한 후, 상기 반사 미러(13)에서 반사되어 다시 상기 위상 검출부(20) 측으로 향하는 것을 특징으로 하는 전계 측정용 광센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 패러데이 로테이터(12)는 상기 리튬나이오베이트(11)를 거쳐서 상기 반사 미러(13)에 반사되어 돌아오는 빛의 편광을 90도 만큼 회전시키는 것을 특징으로 하는 전계 측정용 광센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 검출부(20)는,
    상기 센서부(10)로부터 입력받은 빛을 분기하는 파워 스플리터(Power splitter)(23)와,
    상기 파워 스플리터(23)에서 분기된 빛 중 일 측의 빛의 위상을 변조하는 위상 변조기(Phase modulator)(25)와,
    상기 파워 스플리터(23)에서 분기된 빛 중 타 측의 빛의 편광을 변환하는 편광 변환기(Polarization controller)(24)와,
    상기 위상 변조기(25)에서 출력된 빛과, 상기 편광 변환기(24)에서 출력된 빛이 광 간섭을 일으키는 광 결합기(22b)와,
    상기 광 결합기(22b)에서 간섭을 일으킨 빛의 위상 차이에 비례하는 광 파워 변화를 측정하는 광 검출기(27a)(27b)를 포함하는 전계 측정용 광센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상 변조기(25)와 상기 광 결합기(22b) 사이 및 상기 편광 변환기(24)와 상기 광 결합기(22b) 사이에는, TE 편광 또는 TM 편광 중 한가지만을 통과시키는 편광기(26a)(26b)가 각각 더 개재되는 것을 특징으로 하는 전계 측정용 광센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 유지 광섬유(31)와 상기 패러데이 로테이터(12) 사이에 콜리메이터 렌즈(32)가 더 개재되는 것을 특징으로 하는 전계 측정용 광센서.
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KR20220028428A (ko) * 2020-08-28 2022-03-08 호남대학교 산학협력단 태양광 접속함의 지락 차단을 위한 장치 및 이를 위한 방법

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