KR20120032945A - 광선로 감시를 위한 광반사 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사광에 의한 광의 선로 감시 장치에서 반사광의 크기를 크게 하여 저렴하고 향후 서비스 확장이 가능하도록 한 반사광모듈에 관한 것이다.
광반사모듈(40)은 광반사판(43)과 SC, FC, ST, LC 등광커넥터가 일체화된 광반사기(42)와 에지(edge) 혹은 밴드패스(band pass)형 광필터(41)및 광입출력 단자로 광피그테일링 혹은 광어댑터를 3개 이상 구비하여 금속성 혹은 플라스틱과 같은 케이스로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 특히 광반사모듈(4)의 광반사기(42)는 광반사필름을 구비하여 반사율이 60% 이상 특히 90%이상 되는 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

광선로 감시를 위한 광반사 모듈{optical reflection module for optical singnal monitoring}

광섬유통신 분야, 가스 교량 등의 건축물 감시 분야, 기타 광감시(monitoring)모니터링 혹은 검출 분야에서 광선로의 이상 유무 혹은 선로 정보를 감시하거나 측정하는데 이용된다.

최근의 통신기술은 하나의 광섬유에 동시에 많은 신호를 보내기 위해서 다양한 파장을 이용한 파장다중화(WDM: wavelength division multiplexing)방식이다. 보통 파장은 16채널에서 64채널이 일반적이고 많게는 256채널의 신호도 진행 중에 있다. 문제는 이러한 광섬유가 단선 등의 이유로 전송에 이상이 생기거나 리모트 측의 정보를 백업받게 되는 경우이다.

특히 통신 분야에서 광섬유통신이나 건축물에서 광을 이용한 모니터링 시스템에서 광의 선로에 대한 고장 즉 단선 등의 이상 유무를 모니터링 하는 것은 매우 중요한 일이다. 특히 단선 등의 단순한 정보뿐만 아니라 전송거리나 고장 발생 위치를 검출하는 것은 이미 상용화 되어진 기술이다. 이러한 모니터링 시스템은 기본적으로 광반사시간측정기를 사용하는데 일반적으로 영문표기 OTDR(Optical time domain reflctometer)를 그대로 사용한다.OTDR은 기본적으로 광섬유내의 레일리 산란(Rayleigh scattering)을 이용한다. 레일리 산란은 진행하는 파의 파장보다 작은 입자와 부딪힐 때 일어나는 현상이다. 레일리 산란 계수는 다음 식과 같이 표현된다.

여기서 λ 는 파장이고, n은 굴절율, p는 광탄성계수, k는 볼츠만 상수(Boltzmann constant), β는 등온압축율(isothermal compressibility), Tf 는 물질의 밀도변화가 결빙(frozen)되는 가상온도(fictive temperature)이다.

여기서 레일리 산란은 λ4 즉 파장의 4제곱에 반비례한다.

한편 광섬유에서 광이 진행하는 경우 종단이나 절단점(break point)의 단면에서 광은 반사하게 된다. 서로 다른 굴절률을 갖는 2개의 균질 매질이 이루는 평평한 경계면에서 입사된 빛의 일부가 반사되는데 된다. 이들의 반사율은 프레넬방정식(Fresnel equations)으로 알려져 있다. 통상적으로 계단형굴절율(step index)분포를 가지는 단일모드 광섬유에서 레일리 반사광은 -68dB 이하이다.

광섬유 끝에서의 반사광은 입사각이 단명에 거의 수직에 가까우면 반사각도 거의 수직에 가까운데 이때 반사를 프레넬 반사( Fresnel reflection)라하며 다음 식과 같이 표현된다. 수직한 단면의 경우 두 물질의 굴절율을 n1 , n2라 하면 프레넬 반사율은 다음 식과 같다.

굴절율이 1.5인 유리내부를 진행하는 광이 굴절율이 1인 공기와 만나면 반사율은 4% 정도이다.

한편 도10에서 같이 가정할 때 광섬유의 길이를 L, c를 빛의 속도, t를 입력 광 펄스(pulse)의 왕복시간, n1을 코어(core)의 평균 굴절율이라 하면 다음 식에 의해서 광섬유의 길이를 알 수 있다.

시간별로 광출력을 측정하고 상기 식을 이용하면 거리별 광출력 값을 알게 되고 이에 따라 광선로의 정보를 파악할 수 있다

일반적으로 광선로감시시스템은 상기의 원리를 이용하기 위하여 광원, 광검출기, 광결합기, 신호처리기, 전원부를 기본으로 구성한다. 즉 광원부에서 광펄스를 발생하여 피측정물인 광섬유에 입사한다. 그러면 광섬유 내에서는 고유 반사광인 레일리 산란광에 의하여 역방향으로 정보를 전달한다. 광학적 접속부, 광굽힘, 광커넥터나 단선 등 이벤트(event) 영역에서는 레일리 산란광 외에도 추가적인 반사광이 발생되어 이러한 추가적인 반사광을 해석하여 광섬유 내에서 정보를 파악하는 것이다. 이러한 종합적인 반사광은 역방향으로 광결합기를 통하여 광검출기로 입사되어 전기적 신호로 변환된다. 반사광은 시간에 따라 광의 세기를 알 수 있으므로 광선로의 이상 유무 혹은 거리 등의 정보를 얻을 수 있다.

광섬유통신의 경우 도1과 같이 전송망은 전송측인 도너(Donor)라하고 수신측인 리모트(remote)로 구성된다. 이때 광선로를 감시하기 위해서 광선로감시기(30)를 도너측에 연결하여 사용하는 것이 일반적이다. 광선로감시기(30)은 광결합기(31), 광원(32), 수광기(33), 신호처리부(34), 증폭기(35), 아날로그/디지털 변환기(36), 디스플레이(37)로 구성된다. 도1에서와 같이 일반적인 광선로에서 추가적인 감시용 광선로를 설치하면 비용이 증가하므로 기존의 광통신선로에 광결합기(24)를 통하여 입사하게 된다. 통상의 광신호에서 시용되는 파장을 λ1~λ6이라하면, 광선로감시용 파장은 그와는 다른 파장λm을 사용한다. λm은 광통신선로에 통신신호와 함께 전송하게 되고 반사되는 광은 레일리산란이 그 원인이다. 레일리 산란광의 세기는 계단형굴절율(step index)분포를 가지는 단일모드 광섬유에서 -68~-80dB 이다. 이것은 0.0001% 보다도 적은 양이다. 이로 인하여 도2에서 보여주는 광원(32)은 일반적으로 30mW급 이상의 고출력 레이저다이오드(laser diode) 사용하게 된다. 또한 수광기(33)은 아벨렌수광기(avalanche -photo diode)고감도 포토 다이오드를 사용한다. 여기서 문제는 미약한 반사광을 높은 다이나믹(dynamic)을 가지기 위해서 고출력 광원과 고감도 수광기를 사용함으로 발생되는 전력소비, 소자의 수명 특히 고가의 부품을 사용하는 문제점이 있다. 레이저다이오드(32)는 고출력인 경우 수백 mA의 전류가 필요하고 고감도 APD(33)인 경우는 수십 볼트의 구동전압이 필요하다. 또한 고출력 고감도를 소자들은 상대적으로 수명이 짧은 단점이 있으며, 시스템이 가격이 수 백만원 하는 고가격의 원인이 된다.

또한 광선로 감시파장 λm은 항상 광선로감시에만 쓰게 되기 때문에 광통신측면에서는 낭비이다. 만약에 광선로를 증설하기 위해서나 비상시 전송용 파장으로 쓰려면 망을 처음부터 다시 설치하는 문제가 있다.

본 발명에서는 도8에서 보여주는 바와 같이 광반사모듈(40)를 감시하고자하는 광선로의 종단부분에 설치하여 고반사광을 보내는 것이다. 광반사기 모듈을 설치한 광은 도7에서 보여주는 바와 같이 반사광이 기존의 반사광(F)에 비하여 최소한 본 발명에 의한 반사광(G)과 같이 약 30dB 정도의 이득이 가능하다. 이러한 광출력의 세기는 광선로감시시스템의 광원을 0 dBm, 수광소자도 일반적인 photo-diode 가 가능하다. 그리하여 소비전력을 1/10 이하로 줄일 수 있으며, 가격 또한 1/10 이하로 줄일 수 있다.

본 발명의 광반사모듈(40)에서 도9와 같이 수신기(RXm)와 연결한다면 비상용이나 새로운 서비스 확장을 간단히 할 수 있다. 즉 도5에서 보여주는 바와 같이 광반사모듈(40)에서 광커넥터형 광반사기(42)를 광어댑터(45)에서 제거하고 광수신기와 연결만 해주면 간단히 전송라인을 확보할 수 있다. 필요시 다시 원래의 감시망으로 활용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 광통신선로망에서 광선로의 이상 유무, 거리 등을 측정분야서 경제성 있는 해법을 제공한다. 도8은 광섬유통신망에서 광선로 감시 장치에 적용 예이다. 도8에서 보여주는 바와 같이 본 발명에 의한 광반사모듈 (40)을 감시하고자하는 광선로의 종단부에 설치하면 하면 된다. 물론 기존의 광선로감시기(30)를 그대로 써도 된다. 하지만 광선로감시기(30)는 기존의 고가의 높은 소비전력을 요하는 것이 아니라 저렴하고 소비전력이 적은 부품을 사용해도 되므로 가격을 1/10 정도로 낮출 수 있다. 이러한 발명은 교량이나 건물의 이상 유무 등을 측정하는데도 유용하다. 이외에도 기존의 광선로감시시스템(OTDR)의 수용을 대체 할 수 있을 것이다.

도1은 일반적인 광섬유통신에서 광선로감시망 설치 예
도2는 일반적인 광선로 측정기 구성도
도3은 본 발명에 따른 반사광 모듈
도4는 본 발명에 따른 반사광의 구성 예
도5는 본 발명의 광커넥터일체형 광반사기
도6은 본 발명의 광반사모듈의 파장반사특성 예
도7은 일반적인 광선로모듈과 본 발명의 광반사모듈의 반사특성
도8은 본 발명에 따른 광선로 감시망 설치 예
도9는 본 발명에 따른 광정송 확장으로 응용 예
도10은 원리를 설명하기 위한 반사광 개념도

본 발명은 반사광에 의한 광의 선로 감시 장치에서 반사광의 크기를 크게 하여 저렴하고 향후 서비스 확장이 가능하도록 한 반사광모듈에 관한 것이다.

본 발명의 광반사모듈(40)은 도3과 도4에 나타내었다. 도5는 광반사모듈(40)의 가장 핵심이 되는 구성부품으로 광커넥터의 페롤부(46)의 뒷부분 혹은 중간부분 "A" 에 광반사판(43)를 삽입한 것을 특징으로하는 광커넥터 일체형 광반사기(42)를 구비하고 있다. 광반사기의 광커넥터는 SC, FC, ST, LC 등 모든 광커넥터의 형태이다. 또한 광반기의 위치도 케이스(48)내부 혹은 외부에 위치할수 있다. 특히 광어댑터(45C)의 내부에 혹은 외부에 체결하면간단히 고정되도록하였다. 도 4에서 광반사모듈(40)은 광필터(41), 광커넥터일체형 광반사기(42), 도너측입출력단자(45A)와 리모트측 입출력단자(45B) 및 한 개 이상의 광어댑터(45)로 구성되어 있으며 이는 케이스(48)로 보호되어 있다. 광필터(41)는 도6의 (가)와 같은 특성을 가지는 에지(edge)형 필터 혹은 (나)와 같은 밴드패스(band pass)형필터의 특성을 가지는 필터이다. 에지형필터의 경우 전송광파장 혹은 감시용 광파장이 양단에 위치하는 경우이다. 감시용 신호파장은 "C" 혹은 "D" 이다. 즉 "C" 파장대역을 전송신호파장으로 하는 경우 감시파장은 "B"영역이 되며 "C" 파장대역을 감시파장으로 하는 경우 전송신호파장은 "B"영역이 되는 것이다 . 밴드패스형 필터의 경우는 전송광파장혹은 감시용 광파장이 중간 부분인 도6의 "D"에 위치하는 경우 이다. 이때 전송파장 혹은 신호파장은 "D"를 제외한 S(short)밴드나 L(long)밴드에 위치하는 것을 특징으로 한다. 통상적으로 이러한 광필터는 실리콘계열의 웨이퍼 혹은 유리기판 위에 다중 박막 코팅을 하는 박막필림필터(thin film filter)로 만들어진다. 케이스는 구성 부품들을 보호하고 실링하는 역할을 하며 보통 다각형 형태의 금속이나 플라스틱 박스형태로 만들어진다. 케이스(48)는 도너측의 단자(45A)와 리모트측의 단자(45B)그리고 광반사기(42)를 접속하는 부분(45C) 등 기본적으로 2개 이상의 3개의 단자를 구비하는 것을 특징으로 한다. 광신호를 보내고 받는 단자는 광어댑터 혹은 피그테일형태로 만들어 진다.즉, 입출력단자들(45A, 45B)는 광어댑터 형태 혹은 피그테일 형태로 되어있다. 또한 광반사기(42)가 위치하는 부분은 광어댑터(adapter)로 구성되며 광어댑터는 통상적인 광커넥터형태인 SC, FC,STC, LC 등의 통신규격을 만족하는 형태로 되어있다. 또한 광반사모듈 케이스(48)의 1개이상의 홀(49)을 구비하고 있어 본체나 기타 외부에 고정이 용하도록 준비되어 있다. 광반사기(42)으로 있다. 케이스(48)에는 이외에도 외부벽이나 본체에 고정이 요이하도록 고정홀(49)을 한 개 이상 구비하고 있다. 한편 광필터(41)와 광커넥터일체형광반기(42)는 전송신호입출력부(45A/45B/45C)와는 일체형인경우를 제외하고는 광융착접속(44)에 의하여 광학적으로 연결된다.

동작원리를 중심으로 본발명의 내용을 설명하면 다음과 같다. 하향전송의 경우에는 도너측으로부터 하나의 광섬유로 파중다중화된 광신호와 광선로를 감시하기위한 측정신호(파장=λ1~λ3과 λm)는 입력단자부(45A)를 통하여 광필터(41)으로 입사된다. 광필터(41)에 입사된 광들은 파장이 λ1~λ인 광과 파장이 λm인 두 그룹으로 분리되어 45B와 45C 단자로 보내어 진다. 즉, 광하향전송신호인 광신호(파장=λ1~λ3)은 출력단자(45B)로 보내어 리모트측으로 보내지며, 측정용광신호(파장=λm)은 (45C)전단의 광반사기(42)로 보내진다. 상향전송인 경우에는 리모트측으로부터 상향으로 전송되어지는 광신호(파장=λ4~λ6)은 광출력단자(45B)로부터 입사되어 광필터(41)에 입사되다. 한편 단자(45C)측의 광반사기(42)에 입사된 파장이 λm인 광신호는 광반사판(43)에서 반사되어 광필터(41)로 보내진다. 광필터(41)에 입력된 광상향신호(파장=λ4~λ6)와 선로감시용 광인 (파장=λm)인 광들은 하나의 신호로 다중화되어 입력단자(45A)를 통하여 도너측으로 전송된다.

이때 광반사기(42)에서 반사되어 가는 파장λm인 광은 광반사기가 없는 일반적인 광선로감시시스템에서보다 매우크게 되돌아 가게된다. 도 7에서 보여주는 바와 같이 (가)일반적인 광선로 감시스템에서는 상대손실은("F") 약 -60dB 수준인 반면, (나)본발명에 의한한 광반사모듈을 통해서 전송되는 반사광("G")은 기존의 방식에 비하여 약 30dB이상 큰 신호로 도너측으로 전송하는 것이다.

다른 확장용 관점에서는 도9에서 보여주는 바와 같이 반사기(42)를 제거하고 곧 바로 광수신기(RXm)으로 연결하면 상향 신호를 감지하여 전송채널로 활용이 가능하다. 이 경우 광선로감시기(30)에서 직접 혹은 별도의 광전송파장λm인 광이 전송신호가 필요하다.

(10) 광섬유 정보점 혹은 이상점
(11) 하향 전송광신호들(λ1~λ3)
(12) 상향 전송광신호들(λ4~λ6)
(13) 광선로 감시를 위한 신호(λm)
(14) 광선로에 전송되는 파장들 (λ1~λ6+λm)
(21) 도너 측 광파장다중화/역다중화기
(22) 리모트 측 광파장다중화/역다중화기
(23) 광전송 종단부
(24) 광결합기
(25) 광선로 혹은 광섬유
(30) 광선로감시측정기
(31) 광결합기
(32) 광원
(33) 수광기
(34) 신호처리부
(35) 증폭기
(36) 아날로그/디지털 변환기
(37) 디스플레이
(38) 광커넥터
(39) 펄스발생기
(40) 광반사기
(41) 광필터
(42) 광반사기(광커넥터형)
(43) 광반사필터
(44) 광접속부
(45A) 도너측 광어댑터 혹은 피그테일
(45B) 리모트측 광어댑터 혹은 피그테일
(45C) 광선로 확장 겸용 광어댑터
(46) 광반사기의 페룰
(47) 광커넥터
(48) 광반사모듈 케이스
(49) 외부 고정을 용이하게 하기위한 홀

Claims (9)

1. 광반사판을 구비한 광커넥터일체형 광반사기와 에지 혹은 밴드패스형태의 광필터로 구성된 광반사모듈
2. 제1항에 있어서 광커넥터일체형 광반사기의 체결이 용이하고, 향후 전송단자로 이용할 수 있도록 광어댑터가 구비되어 있는 광반사모듈
3. 제2항에 있어서 광어댑터는 SC, FC, ST, LC 형태 인 것
4. 제1항에 광전송용 단자들은 광어댑터 체결방식인 광반사모듈
5. 제1항에 광전송용 단자들은 피그테일 방식으로 단자가 구성된 광반사모듈
6. 제1항에 있어서 광반사기를 외부 벽 혹은 본체와 고정이 용하도록 홀이나 고정구를 갖춘 광반사모듈
7. 광반사필터가 광커넥터와 일체화 되어 있는 광반사기
8. 제6항에 있어서 광커넥터는 SC, FC, ST, LC형태 인 것
9. 제6항에 있어서 광반사필터를 광커넥터에 고저아기 위하여 페룰에 홈을 내어 광반사판을 삽입하고 에폭시를 이용하여 고정시킨 광반사기

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