KR20110112086A - 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기 - Google Patents

가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 측정 또는 저가의 광섬유 격자(Fiber Bragg Grating:FBG) 센서 측정 계측기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 사용되는 가변 파장 광원(Tunable Light Source:TLS)을 가진 광섬유 격자 센서 측정 계측기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광섬유 격자 센서 측정 계측기는 프로세서와; 상기 프로세서에 연결된 광센서 측정부와 상기 프로세서에 연결된 외부 장비 연결부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광섬유 격자 센서 측정 계측기에는 하나의 전류 구동원을 이용하여 단순화된 동조 필터와 광원을 제어하는 특징을 가지고 있다. 이러한 구조는 고속으로 파장을 가변할 수 있어, 고속으로 데이터를 취득 및 제어 할 수 있기에 고속 인터로게이터로 사용이 가능하다.

Description

가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기{HIGH SPEED FIBER BRAGG GRATING SENSOR MEASURING INSTRUMENT WITH TUNABLE LASER}
본 발명은 광섬유 격자(Fiber Bragg Grating:FBG) 센서 측정 계측기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부의 가변 광원(Tunable Light Source:TLS)과 연동할 통신 라인과 광학 포트를 구비하여 외부 전기식 계측 장비와 연동기능을 갖는 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유 격자 센서의 측정원리는 다음과 같다.
광섬유 격자는 일반 광섬유와 다르게 코어에 종방향으로 일정 간격마다 굴절율의 변화를 주어 특정 파장의 빛을 반사하는 특징이 있다. 이 반사파장은 온도와 격자의 간격에 의해 결정되는 특성이 있다. 광섬유 격자가 특정한 물리량의 변화에 의해 파장값이 변하도록 패키지를 하면 센서로 사용될 수 있다.
광섬유 격자 센서의 측정은 반사광의 중심파장 값으로 측정한다. 광섬유 격자 센서의 반사파장을 측정하는 방법에는 크게 2가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 넓은 파장범위를 갖는 광대역 광원(Broad Band Source)을 광섬유 격자에 연결하고 되돌아오는 빛을 광학 스펙트럼 분서기(Optical Spectrum Analyzer:OSA)에서 분석하는 방법이 있다. 이 방법에선, 반사광을 광학 스펙트럼 분석기에 연결하기 위해서 광원과 광섬유 격자 사이에 2 x 1 광학 커플러가 연결되고 반사광이 광학 스펙트럼 분석기에 들어가도록 연결한다. 두 번째 방법은 가변 광원을 광원으로 사용하고 광학 스펙트럼 분석기 대신에 광량만을 측정할 수 있는 광전 변환기(Photo Diode Module:PDM)를 연결하고 가변 광원(Tunable Laser Source)의 출력 파장의 변화에 따른 반사광량을 분석하면 광섬유 격자의 반사광의 중심파장을 측정할 수 있다.
가변 광원을 사용하는 방법은 광학 스펙트럼 분석기를 사용하는 방법에 비교했을 때, 광원을 광학 커플러로 분할하면 복수의 광섬유 케이블을 동시에 연결하여 측정할 수 있다는 장점이 있다. 다채널 광센서 케이블 연결이 가능한 장점 때문에 대부분의 광섬유 격자의 인터로게이터(Interrogator)들은 가변 광원 방식을 사용한다. 따라서, 인터로게이터의 성능은 가변 광원의 성능에 따라 결정된다고 볼 수 있다.
가변 광원을 사용한 광섬유 격자 센서 측정 방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.
가변 광원은 파장을 선택할 수 있는 광원으로 제어 신호에 따라 출력 광원의 파장이 변화하며 선택된 파장 이외의 파장에서는 출력이 없으며, 선택가능 파장 범위에는 모델별, 부품별 특성에 의해 한계가 있다.
광섬유 격자 센서 반사파장을 측정하기 위해서 가변 광원에 제어 신호를 주어 선택 가능 최저 파장에서 최고 파장까지 스윕(Sweep)을 시킨다. 이때 광전 변환기로 반사되어 돌아오는 광량을 가변 광원의 선택파장과 함께 취득하여 신호처리 장치에 축적한다. 1회 스윕에 대해 축적된 데이터는 파장 스윕 범위 안에서 파장별 반사광량의 강도를 나타내는 파형이 된다. 이 파형에서 광섬유 격자로 인정할 수 있는 특정 조건(임계레벨(예:>-20dBm), 대역폭(예:>50pm))을 만족하는 피크의 중심 파장을 찾아(피크 검출이라 함), 광섬유 격자 센서 반사광의 중심파장으로 인정한다. 이렇게 측정된 파장값은 광섬유 격자 센서 제조자가 만들어 주는 변환공식을 거쳐서 센서의 물리량 값으로 표현된다.
이러한 형태의 종래의 광섬유 격자 센서 측정 계측기를 첨부된 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도 1은 종래의 광섬유 격자 센서 측정 계측기의 구성도이며, 도 2는 도 1의 도 1의 광섬유 격자 인터로게이터의 구성도이다.
종래의 광섬유 격자 센서 측정 계측기의 인터로게이터에서 광섬유 격자 센서의 반사광을 파장영역에서 분리하기 위해 광원 측 또는 포토 다이오드 측에서 파장을 선택할 수 있는 가변 필터를 사용하는데, 인터로게이터에서 사용하는 가변 필터는 인가되는 제어전압에 비례하여 필터를 통과하는 빛의 파장을 조정하여 준다. 여기서, 이 제어전압과 필터의 선택파장은 어느 정도 비례관계는 있지만 완벽히 선형하지 않다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 광원과 필터의 개별적인 구성 및 제어형태로 조립 되었던 구조를 단일 제어 및 고속 파장 가변이 가능한 단순화 저가로 구성된 tunable 레이저를 이용한 광섬유 격자 센서 측정 계측기를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기는 프로세서와; 상기 프로세서에 연결된 광센서 측정부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광센서 측정부는 상기 프로세서와 연결된 디지털 아나로그 컨버터와; 상기 디지털 아나로그 커버터에 연결된 전류 구동형 내부의 가변 광원과; 상기 내부의 가변 광원과 연결된 광섬유 격자 센서와; 상기 내부의 가변 전원과 상기 광섬유 격자 센서 간에 위치되어 상기 내부의 가변 광원과 참조 필터를 결합시키는 광학 커플러A와; 상기 내부의 가변 전원과 상기 광섬유 격자 센서 간에 위치되어 상기 내부의 가변 전원과 포토 다이오드를 결합시키는 광학 커플러B와; 상기 참조 필터에 연결된 포토 다이오드 및; 상기 포토 다이오드에 각각 연결되고 상기 프로세서에 연결된 2개의 아날로그-디지털 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기에는 광섬유 센서를 15 정도의 센서를 측정 할 수 있는 저가의 파장가변이 가능한 레이저를 이용하여 장비로 구성되어 있다. 이러한 저가의 파장 가변 레이저는 단일 전류 로 광전력 및 파장 가변 기능이 함께 구현할 수 있어, 고속으로 파장 가변이 가능하다. 이러한 효과를 통하여, 초고속의 광섬유 센서 측정 장비의 구현이 가능하다.
도 1은 종래의 광섬유 격자 센서 측정 계측기의 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 FBG 인터로게이터의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기의 구성도.
도 4는 도 3의 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기의 파장 가변광원의 전류제어에 따른 파장 이동 특성 그래프.
도 5는 도 3의 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기의 가변 파장 광원의 전류에 따른 중심 파장변화 특성 그래프.
도 6은 도 3의 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기의 파장 가변광원의 형상 도식도.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기를 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 전체에 걸쳐 같은 참조번호는 같은 구성 요소를 가리킨다.
도 3은 기존 방식에 대한 실시예로 가변 광원 내부의 구성 및 가변 필터의 디지털-아날로그 컨버터의 상세도이다. 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical amplifier)와 Fabry-perot tunable filter 및 Isolator 그리고 광학 커플러를 이용한 Ring laser를 구성하였다. SOA에서 생성된 빛은 필터를 통하여 특정한 빛을 발생하여, 광학 커플러를 통하여 순환하는 구조를 가지며, 이렇게 발생된 빛은 SOA를 통하여 증폭되어, 고출력의 광원으로 사용할 수 있다. 이러한 구조로 만들어 낸 광원은 파장 가변 대역이 넓고, 높은 광 출력을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 발생된 광신호의 파장을 가변할 수 있는 DAC 신호를 가지고 있다. 여기서 Fabry-perot tunable filter 및 SOA의 온도 안정화를 위하여 thermistor와 TEC를 이용하여 온도 제어를 수행한다. 기존에는 가변 파장 광원을 만들기 위해서는 4종의 부품과 TEC 및 전류 구동등 제어장치가 필터 온도 제어, 필터 파장 제어, 광원 온도 제어, 광원 전류 제어의 4종이 필요로 한다. 기존 광원을 본 특허를 이용하여 제작하는 파장 제어는 온도 제어와 파장 및 광원제어로 2종만 필요로 한다. 도 3과 도 4는 단순화된 제어 방식을 가진 파장 가변 광원의 전류에 따른 파장 이동 특성과 전류제어에 따른 파장 특성을 나타내었다.
여기서, 상기 광센서 측정부는 상기 프로세서와 연결된 디지털 아나로그 컨버터(DAC)와, 상기 디지털 아나로그 커버터에 연결된 내부의 가변 광원과, 상기 내부의 가변광원 과 연결된 광섬유 격자 센서와, 상기 내부의 가변 광원과 상기 광섬유 격자 센서 간에 위치되어 상기 내부의 가변 광원과 참조 필터를 결합시키는 광학 커플러A와, 상기 내부의 가변 광원과 상기 광섬유 격자 센서 간에 위치되어 상기 내부의 가변 광원과 포토 다이오드(Photo Diode;PD; 를 결합시키는 광학 커플러B와, 상기 참조 필터에 연결된 포토 다이오드 및, 상기 포토 다이오드에 각각 연결되고 상기 프로세서에 연결된 2개의 아날로그-디지털 컨버터(ADC;)로 구성된다.
한편 상기 가변 광원에서 발생한 광은 내부의 참조 필터를 통하여, 포토 다이오드에 전달되어, 가변 광원의 파장이 측정된다. 이렇게 측정된 광학신호는 포토 다이오드로 수광하여 전기신호로 변환되고, 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 디지털 신호로 변환되어 프로세서에서 파장값이 환산된다.
따라서, 추가적인 정밀도를 확보하기 위하여 센서 채널과 별도로 파장교정을 위해 고정된 파장값을 갖는 참조 채널을 만들어 센서 채널과 동시에 측정한다. 이 참조 채널로서는 에탈론 필터(Etalon Filter)와 가스 셀(Gas Cell) 등을 사용할 수 있다. 그중 참조 필터의 예로 사용되는 에탈론 필터는 가변 광원의 스윕 가능한 전체 파장 범위을 가지며 1nm 이하의 등간격(0.4 또는 0.8nm)을 갖는 다수의 중심 파장을 갖고 있다. 가변 광원으로 스윕 광원을 만들고 센서로부터 반사되어온 반사광량의 측정과 동시에 에탈론 필터도 측정하여, 에탈론 필터의 파장을 기준으로 센서의 반사 파장값을 보간법으로 측정하여 사용자가 원하는 측정 파장값의 정밀도를 확보한다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 프로세서 및;
    상기 프로세서에 연결된 광센서 측정부로 구성되며;
    단순화된 제어 방식의 수 nm의 파장 가변광원을 이용하는 것을 특징으로 하는 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광센서 측정부는 상기 프로세서와 연결된 디지털 아나로그 컨버터와;
    상기 디지털 아나로그 커버터에 연결된 내부의 가변 광원과;
    상기 내부의 가변 광원과 연결된 광섬유 격자 센서와;
    상기 내부의 가변 광원과 상기 광섬유 격자 센서 간에 위치되어 상기 내부의 가변 전원과 참조 필터를 결합시키는 광학 커플러A와;
    상기 내부의 가변 광원과 상기 광섬유 격자 센서 간에 위치되어 상기 내부의 가변 전원과 포토 다이오드를 결합시키는 광학 커플러B와;
    상기 참조 필터에 연결된 포토 다이오드 및;
    상기 포토 다이오드에 각각 연결되고 상기 프로세서에 연결된 2개의 아날로그-디지털 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 레이저 방식의 초고속 광섬유 격자 센서 측정 계측기.
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