KR20120040363A - 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법 - Google Patents

분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법 Download PDF

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Abstract

분포형 광섬유 센서는, 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 가지며 서로 동일한 길이를 갖고 서로 광학적으로 연결된 복수 개의 광섬유를 포함하는 시험 광섬유; 미리 설정된 주파수로 변조된 세기를 갖는 광을 출력하는 광원부; 상기 광원부로부터의 광을 이용하여 제1 광신호 및 제2 광신호를 상기 시험 광섬유의 양단에 각각 인가하는 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙(Brillouin) 산란광을 검출하는 광검출부를 포함할 수 있다. 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법은, 미리 설정된 주파수로 변조된 세기를 갖는 광을 출력하는 단계; 출력된 광을 제1 광신호 및 제2 광신호로 분기하는 단계; 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 가지며 서로 동일한 길이를 갖고 서로 광학적으로 연결된 복수 개의 광섬유를 포함하는 시험 광섬유의 양단에 각각 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 인가하는 단계; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법{DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSOR AND SENSING METHOD USING BBRILLOUIN SCATTERING}
실시예들은 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙(Brillouin) 산란을 이용한 센싱 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유는 외부 환경, 예컨대, 온도나 응력 등과 같은 외부 물리량의 변화로 인한 광섬유 자체의 고유 특성의 변화가 민감하여 센서로 이용할 수 있다. 또한, 광섬유 자체의 특성상 외부 전자기파에 둔감하고 유해한 환경, 예컨대, 가스나 용액 등에 강하고 가볍고 유연하며 소형화가 가능하다. 이러한 장점들 때문에 광섬유는 포설이 용이하고 구조물에 장착하기 쉬운 구조로 되어 있어 센서용으로 매우 적합하다.
광섬유 센서로는 광섬유 내의 코어의 굴절율을 변화시켜 제작한 광격자 센서가 있으나, 이는 격자가 새겨진 부분만 센서의 역할을 하기 때문에 분포형 광섬유 센서에 비해 상대적으로 취약하다. 또 다른 방식으로는 간섭형, 파장형, 및 산란형 센서가 있다. 이중 산란형 센서는 펼스 광원 또는 연속파(Continuous Wave; CW) 광원을 사용하여, 광섬유에 작용하는 물리량에 따른 광섬유 내부의 후방 산란광을 측정함으로써 장거리 센싱이 가능하다.
이러한 산란형 센서로는 레일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서 등이 있다. 레일레이 산란형 광섬유 센서는 펄스광이 광섬유 내부를 진행하는 중 광섬유의 밀도의 불균일 분포에 기인하여 발생하는 산란광을 측정하는 센서로, 펄스광의 세기에 비례하는 후방 산란광을 얻을 수 있다. 그러나, 레일레이 산란형 광섬유 센서는 외부의 온도 또는 변형률 변화에 민감하지 못하며, 특수한 광섬유의 굽힘이 발생하는 경우에만 사용할 수 있다.
라만 산란형 광섬유 센서와 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 모두 비선형 광산란을 이용하는 센서이다. 라만 산란은 광섬유 내에서 빛이 전달될 때 분자 진동에 의하여 후방 산란 신호가 발생하는 현상을 지칭한다. 이때, 분자의 진동은 열적인 변화에 의해서만 변화하므로, 라만 산란형 광섬유 센서는 대부분 온도 센서로 사용되고 있다.
브릴루앙 산란형 광섬유 센서는, 외부에서 작용하는 온도 또는 응력 등에 따라 광섬유 고유의 브릴루앙 주파수 값이 변화하는데, 이러한 브릴루앙 주파수의 변화량을 구하여 외부 물리량 변화를 측정하는 센서이다. 광섬유 내에 발생하는 브릴루앙 산란은 빛이 광섬유 내에 진행할 때 음파(Accoustic Phonon)와 결합하여 후방 산란 신호를 만드는 현상을 지칭하는데, 이러한 후방 산란 신호는 광섬유가 위치한 환경에 비례하므로 이를 이용하여 온도 및/또는 응력의 변화량을 측정할 수 있다.
브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서의 종류로는 브릴루앙 광학적 시간영역 반사율 측정(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry; BOTDR) 방식, 브릴루앙 광학적 시간영역 분석(Brillouin Optical Time Domain Analysis; BOTDA) 방식, 및 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식 등이 있다. 이중 BOTDR 방식과 BOTDA 방식은 펼스 형태의 광원을 이용하여 브릴루앙 산란광을 관찰하는 방식으로, 장거리 센싱에 용이하지만분해능이 제한되는 단점이 있다. 이에 반해, BOCDA 방식은 공간 선택적으로 브릴루앙 산란을 발생시켜 특정 지점에서만 물리적인 변화를 측정할 수 있으며, BOTDR방식이나 BOTDA 방식과 비교하면 장거리 계측은 어려우나 분해능은 개선된다.　
본 발명의 일 측면에 따르면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식을 이용하여 물리적인 변형 및 온도 등을 측정할 수 있으며, 종래에 비해 비해 동일한 분해능을 유지하면서 측정 범위를 확장시킬 수 있는 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서는, 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 가지며 서로 동일한 길이를 갖고 서로 광학적으로 연결된 복수 개의 광섬유를 포함하는 시험 광섬유; 미리 설정된 주파수로 변조된 세기를 갖는 광을 출력하는 광원부; 상기 광원부로부터의 광을 이용하여 제1 광신호 및 제2 광신호를 상기 시험 광섬유의 양단에 각각 인가하는 광변조부; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙(Brillouin) 산란광을 검출하는 광검출부를 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법은, 미리 설정된 주파수로 변조된 세기를 갖는 광을 출력하는 단계; 출력된 광을 제1 광신호 및 제2 광신호로 분기하는 단계; 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 가지며 서로 동일한 길이를 갖고 서로 광학적으로 연결된 복수 개의 광섬유를 포함하는 시험 광섬유의 양단에 각각 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 인가하는 단계; 및 상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 분포형 광섬유 센서 및 브릴루앙(Brillouin) 산란을 이용한 센싱 방법에 의하면, 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식을 이용하여 대형 건축물, 교량, 항공기, 열차 등의 물리적인 변형 및 온도를 측정할 수 있다. 또한, 브릴루앙 산란 특성이 서로 상이한 다종 광섬유를 이용함으로써, 기존 방식의 한정된 측정 범위에 비해 동일한 분해능을 유지하면서 측정 범위를 수 배 확장시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 실시예들에 따른 측정 원리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 실시예들에 따른 측정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3는 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서의 개략도이다.
도 4a 내지 4c는 실시예들에 따른 분포형 광섬유 센서에서 시험 광섬유의 형태를 도시한 개략도들이다.
도 5a 및 5b는 실시예들에 따른 분포형 광섬유 센서를 도시한 개략도들이다.
도 6은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에 물리적인 변화가 없는 경우의 출력을 나타내는 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 분표형 광섬유 센서의 특정 지점에 응력 변화가 있는 경우의 출력을 나타내는 그래프들이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 실시예들에 따른 측정 원리를 설명하기 위한 그래프이다.
광섬유 내에서 서로 반대 방향으로 진행하는 펌프(pump)광 및 프로브(probe)광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙(Brillouin) 천이 주파수와 일치하거나 이에 근접하게 되면, 광섬유의 전 구간에 걸쳐 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나 프로브광의 세기가 증폭된다. 이때, 펌프광과 프로브광의 주파수가 공간적으로 사인(sin) 파형을 갖도록 광신호를 변조함으로써, 광섬유 내의 특정 위치에서만 선택적으로 브릴루앙 산란 신호를 얻을 수 있다.
도 1은 하나의 광섬유 내에서 펌프광 및 프로브광의 공간 영역별 주파수를 도시한 그래프이다. 도 1의 그래프에서 x축은 광경로상에서 특정 지점을 원점으로 한 상대적인 위치를 나타내며, y축은 광학 주파수를 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 펌프광의 주파수 및 프로브광의 주파수는 광경로상의 위치에 따라 사인 파형을 갖도록 변조되며, 본 명세서에서는 펌프광 및 프로브광을 변조하기 위한 사인 파형의 주파수를 변조 주파수 fm 으로 표시하기로 한다.
도 1에서 실선(1, 2)은 각각 시간 t 에서의 펌프광의 주파수 및 프로브광의 주파수를 나타내고, 점선(3, 4)은 각각 시간 t+△t 에서의 펌프광의 주파수 및 프로브광의 주파수를 나타낸다. 펌프광 및 프로브광은 서로 반대 방향으로 진행하므로, 펌프광의 실선(1)으로부터 점선(3)으로의 이동 방향과 비교하면, 프로브광의 실선(2)으로부터 점선(4)으로의 이동 방향은 이에 반대 방향임을 알 수 있다.
이때, 광섬유 내의 특정 위치에서는 펌프광의 주파수와 프로브광의 주파수의 차이가 시간이 지나더라도 일정할 수 있다. 예컨대, 도 1의 x축에서 펌프광과 프로프광의 경로차가 0인 지점을 zq (q는 임의의 정수)로 표시하면, 이에 해당하는 z-1, z0 및 z1 등의 지점에서는 시간이 변하더라도 펌프광의 주파수와 프로브광의 주파수의 차이가 일정하다. 또한, 변조 주파수 fm의 반주기마다 펌프광과 프로브광의 주파수 차이가 일정한 zq 지점이 나타나게 된다. 따라서, 펌프광과 프로브광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하도록 하면, zq 지점에서 유도 브릴루앙 산란이 발생하여 산란광을 얻을 수 있게 된다.
도 2는 실시예들에 따른 측정 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 변조 주파수의 fm 의 반주기마다 펌프광과 프로브광의 주파수 차이가 일정한 지점[z-p, ..., z-1, z0, z1, ..., zq, z(q+1)]이 위치하게 된다. 이때 펌프광 및 프로브광의 주파수 차이가 광섬유 고유의 브릴루앙 천이 주파수에 대응되도록 함으로써, 해당 지점들[z-p, ..., z-1, z0, z1, ..., zq, z(q+1)]에서 유도 브릴루앙 산란이 발생하여 브릴루앙 이득 피크가 얻어질 수 있다.
도 3은 이상에서 설명한 것과 같은 측정 원리를 이용한 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서(distributed optical fiber sensor)를 나타내는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 분포형 광섬유 센서는 광원부(10), 광변조부(20), 시험 광섬유(30) 및 광검출부(50)를 포함할 수 있다. 시험 광섬유(30)는 광경로상에서 브릴루앙 산란을 이용하여 물리량의 변화를 측정하고자 하는 위치에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 시험 광섬유(30)는 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 갖는 복수 개의 광섬유가 서로 광학적으로 연결되어 구성될 수 있다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
광원부(10)는 분포형 광섬유 센서에 사용될 광을 공급하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광원부(10)는 분포형 궤환(Distrubuted Feed-Back; DFB) 레이저(110) 및 함수 발생기(120)를 포함할 수 있다. 함수 발생기(120)를 이용하여 DFB 레이저(110)에 대한 공급 전류를 변조함으로써, 정현파 형태로 변조된 고출력의 광을 얻을 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 광원부(10)는 다른 상이한 방식의 레이저 발생장치를 포함하여 구성될 수도 있다.
광변조부(20)는 광원부(10)로부터 특정 주파수(ν0)로 변조된 광을 인가받고, 이로부터 제1 광신호 및 제2 광신호를 생성하여 시험 광섬유(30)의 양단에 인가할 수 있다. 일 실시예에서, 광변조부(20)는 광분배기(210) 및 광변조기(220)를 포함할 수 있다. 광분배기(210)는 광원부(10)로부터 변조된 광을 수신하고, 이를 제1 광신호 및 제2 광신호로 분기할 수 있다. 예를 들어, 제1 광신호는 프로브광이며, 제2 광신호는 펌프광일 수 있다.
광변조기(220)는 광분배기(210)와 시험 광섬유(30)의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되어, 광분배기(210)로부터 인가된 제1 광신호의 주파수를 조절할 수 있다. 이를 위하여, 광변조기(220)는 신호발생기(225)로부터 신호를 수신한다. 예컨대, 광변조기(220)는 단측파대(Single Side Band; SSB) 변조를 이용하여, 신호발생기(225)로부터 수신된 특정 오프셋(offset) 주파수(νB)만큼 제1 광신호의 주파수를 천이시킬 수 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 시험 광섬유(30)와 광학적으로 연결되는 지연 광섬유(270)를 더 포함할 수 있다. 지연 광섬유(270)는 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정하는 것이 가능하게 하기 위한 보조 광섬유로서, 지연 광섬유(270)의 길이를 적절하게 조절함으로써 브릴루앙 이득 피크가 시험 광섬유(30)상에 위치하도록 할 수 있다. 또한, 지연 광섬유(270)는 광순환기(510)를 통해 시험 광섬유(30)에 광학적으로 연결되며, 제1 광신호는 광순환기(510)에 의하여 분기되어 지연 광섬유(270)에 입력되지 않으므로, 시험 광섬유(30)에서만 브릴루앙 산란광이 발생될 수 있다. 일 실시예에서, 지연 광섬유(270)는 시험 광섬유(30)와 동일한 재질로 이루어질 수도 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 하나 이상의 편광조절기(Polarization Controller; PC)(240, 245)를 더 포함할 수도 있다. 예컨대, 광변조부(20)는 광분배기(210)와 광변조기(220) 사이에 광학적으로 연결되어 제1 광신호의 편광을 조절하는 제1 편광조절기(240)를 포함할 수 있다. 또한, 광변조부(20)는 광분배기(210)와 지연 광섬유(270) 사이에 광학적으로 연결되어 제2 광신호의 편광을 조절하는 제2 편광조절기(245)를 포함할 수도 있다. 제1 광신호와 제2 광신호의 편광이 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나므로, 제1 편광조절기(240) 및 제2 편광조절기(245)는 제1 광신호 및 제2 광신호의 편광을 동일하게 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 편광스위치(Polarization Switch; PSW)(230)를 더 포함할 수도 있다. 편광스위치(230)는 광변조기(220)와 시험 광섬유(30)사이에 광학적으로 연결되어, 제1 광신호의 편광을 주기적으로 변경할 수 있다. 예컨대, 편광스위치(230)는 함수 발생기(235)로부터 신호를 수신하며, 수신된 신호에 따라 제1 광신호의 편광을 한 번은 0도, 다른 한번은 90도로 번갈아 회전시킬 수 있다. 전술한 0도 및 90도의 편광 각도는 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 편광스위치(230)는 제1 광신호의 편광을 이와 상이한 다른 각도로 주기적으로 변경할 수도 있다.
제1 광신호와 제2 광신호의 편광일 일치할 때 유도 브릴루앙 산란 증폭이 일어나나, 제1 광신호 및/또는 제2 광신호의 편광은 시간 및 공간에 따라 변화할 수 있다. 따라서, 편광스위치(230)를 이용하여 제1 광신호의 편광을 변화시켜가면서 측정을 수행하고, 측정된 값의 평균값을 이용함으로써 편광 문제를 해결할 수 있다.
일 실시예에서, 광변조부(20)는 하나 이상의 광증폭기(250, 255)를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광변조부(20)는 편광스위치(230)와 시험 광섬유(30) 사이에 광학적으로 연결되는 제1 광증폭기(250)를 포함할 수 있다. 또한, 광변조부(20)는 제2 편광조절기(245)와 지연 광섬유(270) 사이에 광학적으로 연결되는 제2 광증폭기(255)를 포함할 수도 있다. 제1 광증폭기(250) 및 제2 광증폭기(255)는 각각 제1 광신호 및 제2 광신호의 크기를 증가시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 광변조부(20)는 광고립기(260)를 더 포함할 수도 있다. 광고립기(260)는 시험 광섬유(30)와 광변조기(220) 사이에 광학적으로 연결되어, 고출력의 제2 광신호가 지연 광섬유(270) 및 시험 광섬유(30)를 거쳐 광변조기(220)로 진행하는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.
이상과 같은 구성에 의하여, 시험 광섬유(30) 및 지연 광섬유(270) 내에서는 제1 광신호 및 제2 광신호가 서로 반대 방향으로 진행하게 된다. 이때, 광변조기(220)를 이용하여 제1 광신호의 주파수를 적절하게 천이시킴으로써, 제1 광신호와 제2 광신호의 주파수 차이가 시험 광섬유(30) 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 또는 이에 근접하도록 조절할 수 있다. 그 결과, 시험 광섬유(30)에서 유도 브릴루앙 산란이 일어나 시험 광섬유(30)의 전 구간에 걸쳐 광신호가 증폭되며, 증폭된 광신호를 브릴루앙 산란광으로 얻을 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 전술한 것과 같이, 시험 광섬유(30) 및 지연 광섬유(270) 내에는, 서로 반대 방향으로 진행하는 제1 광신호와 제2 광신호의 주파수 차이가 시간에 따라 일정하게 유지되는 지점이 존재한다. 이들 지점을 zq (q는 임의의 정수)라 할 경우, 각 지점의 위치는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 l 은 시험 광섬유(30)의 길이를 나타내며, ld 는 지연 광섬유(270)의 길이를 나타낸다. 또한, n 은 시험 광섬유(30) 및 지연 광섬유(270)의 굴절율을 나타내며, c는 빛의 속도를 나타낸다. 또한, fm 은 제1 광신호 및 제2 광신호의 변조 주파수를 나타내는 것으로서, 함수 발생기(120)에 의해 DFB 레이저(110)에 입력되는 신호의 주파수에 대응된다.
이때, 광변조기(220)를 이용하여 제1 광신호의 주파수와 제2 광신호의 주파수의 차이가 시험 광섬유(30) 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 또는 이에 근접하도록 조절할 경우, 제1 광신호와 제2 광신호의 주파수 차이가 일정한 지점들(zq)에서 유도 브릴루앙 산란이 발생하여 산란광을 얻을 수 있게 된다. 일 실시예에서는, 상기 수학식 1에 기초하여 지연 광섬유의 길이(ld) 및/또는 변조 주파수(fm)를 조절함으로써, 시험 광섬유(30) 내에 q 가 0이 아닌 하나의 브릴루앙 이득 피크만이 위치하도록 할 수 있다.
광검출부(50)는 시험 광섬유(30)에서 발생한 브릴루앙 산란광을 검출하기 위한 장치이다. 일 실시예에서, 광검출부(50)는 광순환기(510) 및 광전변환기(520)를 포함할 수 있다. 광순환기(510)는 시험 광섬유(30) 및 지연 광섬유(270) 사이에 광학적으로 연결되어, 시험 광섬유(30)에서 발생된 브릴루앙 산란광을 분기할 수 있다. 광전변환기(520)는 광순환기(510)에 의해 분기된 산란광을 수신하고 이를 전기 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 광전변환기(520)는 광검출소자(Photo Detector; PD)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광검출부(50)는 광순환기(510)와 광전변환기(520) 사이에 광학적으로 연결되는 광필터(530)를 더 포함할 수 있다. 광필터(530)는 제2 광신호의 후방에서 발생할 수 있는 레일레이(Rayleigh) 산란광을 차단하는 역할을 할 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 광검출부(50)는 신호처리부(540)를 더 포함할 수도 있다. 신호처리부(540)는 광전변환기(520)로부터 변환된 전기 신호를 수신하고, 이를 이용하여 시험 광섬유(30)의 물리적인 변화를 측정할 수 있다. 즉, 시험 광섬유(30)에서 발생되는 브릴루앙 산란광은 시험 광섬유(30)가 위치한 환경에 따라 온도 및 응력 등의 영향을 받는다. 따라서, 신호처리부(540)는 브릴루앙 산란광으로부터 변환된 전기 신호를 분석함으로써, 시험 광섬유(30)에 가해지는 온도 및 응력 등 물리적인 변화를 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 분포형 광섬유 센서에서, 광검출부(50)의 측정 범위는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서 dR 은 광검출부(50)의 측정 범위를 나타내며, 이는 시험 광섬유(30)에서 브릴루앙 산란광이 발생하는 것을 검출할 수 있는 영역의 길이에 대응된다. 또한, vg 는 시험 광섬유(30) 내에서 제1 광신호 및 제2 광신호의 속도를 나타낸다.
또한, 이상에서 설명한 분포형 광섬유 센서에서 광검출부(50)의 분해능은 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
상기 수학식 3에서 △f 는 fm 으로 변조되는 광신호의 실제 주파수의 변화량을 나타내는 것으로서, DFB 레이저(110)의 전류를 함수 발생기(120)의 신호로 변조할때(주파수 fm) 변조되는 전류의 크기에 비례하여 실제 DFB 레이저(110)의 광주파수가 변조되는데, 이때 변조되는 광주파수의 크기에 대응된다. 또한, △νb 는 브릴루앙 이득 스펙트럼의 선폭으로, 브릴루앙 산란 신호가 브릴루앙 주파수 νb 에서 최대값을 갖지만 그 근처 주파수에서도 상당한 정도의 신호가 관측되는데, 이때 △νb 는 피크를 중심으로 양 방향에 위치하며 신호의 세기가 반으로 줄어드는 두 지점 사이의 폭에 대응된다.
도 4a 내지 4c는 실시예들에 따른 분포형 광섬유 센서에서 사용될 수 있는 시험 광섬유의 형태를 도시한 개략도들이다.
도 4a를 참조하면, 시험 광섬유(30)는 소정의 길이(L)를 가지는 단일 종류의 광섬유로 구성될 수도 있다. 이 경우, 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 것과 같이 제1 광신호 및 제2 광신호의 주파수의 차이가 시험 광섬유(30) 고유의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하거나 이에 근접하도록 함으로써 브릴루앙 산란광을 얻을 수 있다.
한편, 도 4b를 참조하면, 시험 광섬유(30)는 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 갖는 두 종류의 광섬유(31, 32)를 포함하여 구성될 수도 있다. 예컨대, 시험 광섬유(30)는 단일모드광섬유(Single Mode Fiber; SMF)인 제1 광섬유(31) 및 분포천이광섬유(Dispersion Shifted Fiber; DSF)인 제2 광섬유(32)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 광섬유(31, 32)는 동일한 길이(L)를 갖도록 구성된다. 제1 광신호와 제2 광신호의 주파수 차이가 제1 광섬유(31)의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하면 제1 광섬유(31)에서 브릴루앙 이득이 얻어질 수 있으며, 제1 광신호와 제2 광신호의 주파수 차이가 제2 광섬유(32)의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하면 제2 광섬유(32)에서 브릴루앙 이득이 얻어질 수 있다.
도 4c를 참조하면, 시험 광섬유(30)는 도 4b에 도시된 것보다 더 많은 수의 복수 개의 광섬유(33, 34, 35, 36)를 포함하여 구성될 수도 있으며, 이때 복수 개의 광섬유(33, 34, 35, 36) 각각은 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 가져야 한다. 시험 광섬유(30)는 임의의 개수의 광섬유를 포함하여 구성될 수 있으며, 특정 개수의 광섬유를 포함하는 구성에 한정되는 것은 아니다.
도 5a 및 5b는 각각 도 4a 및 4b에 도시된 시험 광섬유를 포함하여 분포형 광섬유 센서를 구성한 것을 도시한 개략도이다. 도 5a 및 5b에 도시된 실시예의 설명에 있어서, 도 3에 도시된 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서로부터 당업자에게 용이하게 이해될 수 있는 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
도 5a에 도시된 분포형 광섬유 센서는, 도 4a에 도시된 것과 같이 단일 종류의 시험 광섬유(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 광경로상에서 시험 광섬유(30)의 특정 위치(zq)에 하나의 브릴루앙 이득 피크가 위치하도록 지연 광섬유(270)의 길이 및/또는 함수 발생기(120)에 의해 발생되는 신호(νA)의 주파수(fm) 등을 조절할 수 있다. 제1 광신호 및 제2 광신호의 주파수의 차이가 시험 광섬유(30)의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하는 경우, 시험 광섬유(30)에서 브릴루앙 이득 피크에 대응되는 지점(zq)에서 브릴루앙 산란광을 얻을 수 있다.
한편, 도 5b에 도시된 분포형 광섬유 센서는, 도 4b에 도시된 것과 같이 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 갖는 복수 개의 광섬유(31, 32)를 포함하는 시험 광섬유(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 광경로상에서 복수 개의 광섬유(31, 32)의 위치에 각각 하나의 브릴루앙 이득 피크만이 위치하도록 지연 광섬유(270)의 길이 및/또는 함수 발생기(120)에 의한 제1 광신호와 제2 광신호의 변조 주파수(fm) 등을 조절할 수 있다. 그 결과, 제1 광신호 및 제2 광신호의 주파수의 차이가 제1 광섬유(31)의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하는 경우에는 위치(zq)에서 브릴루앙 산란광을 얻을 수 있으며, 제1 광신호 및 제2 광신호의 주파수의 차이가 제2 광섬유(32)의 브릴루앙 천이 주파수와 일치하는 경우에는 위치[z(q-1)]에서 브릴루앙 산란광을 얻을 수 있다. 이상과 같이 구성된 분포형 광섬유 센서를 이용하는 경우 동일한 공간 분해능을 이용하면서 측정 거리를 2배로 늘릴 수 있게 된다.
도 6은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에 물리적인 변화가 없는 경우의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6의 그래프에서 x축은 제1 광신호와 제2 광신호 사이의 주파수 차이에 대응되는 오프셋(offset) 주파수를 나타내며, y축은 브릴루앙 산란광의 이득(gain)을 나타내고, z축은 광경로상에서 특정 위치를 원점으로 하여 산출된 상대적인 위치를 나타낸다.
도 6에 도시된 그래프는, 길이 약 130m 의 SMF 및 길이 약 130m 의 DSF를 서로 광학적으로 연결하여 구성된 시험 광섬유를 사용한 측정 결과를 나타낸다. 도 6에서 좌측의 그래프(600)는 DSF에서의 이득을 나타내며, 도시되는 바와 같이 오프셋 주파수가 약 10.45 GHz인 경우 브릴루앙 이득이 발생하여 광신호가 증폭되는 것을 확인할 수 있다. 한편, 도 6에서 우측의 그래프(650)는 SMF에서의 이득을 나타내며, 도시되는 바와 같이 오프셋 주파수가 약 10.85 GHz인 경우 브릴루앙 이득이 발생하여 광신호가 증폭되는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 분포형 광섬유 센서에서 특정 지점에 응력 변화가 있는 경우의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7 에서 그래프의 각 축이 표시하는 값은 도 6을 참조하여 전술한 것과 동일하므로 설명을 생략한다.
도 7에서 좌측의 그래프(700)는 DSF에서의 이득을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, DSF에서 광경로상의 위치가 약 146m 내지 약 159m 인 지점, 특히 위치 약 152.4m 지점에서 응력 변화로 인하여 브릴루앙 산란 특성을 나타내는 오프셋 주파수가 천이하였음을 확인할 수 있다. 또한, 도 7에서 우측의 그래프(750)는 SMF에서의 이득을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, SMF 광섬유에서 광경로상의 위치가 약 5m 내지 약 19m 인 지점, 특히 위치 약 8.7m 지점에서 응력 변화로 인하여 브릴루앙 산란 특성을 나타내는 오프셋 주파수가 천이하였음을 확인할 수 있다.
따라서, 브릴루앙 산란 특성을 나타내는 오프셋 주파수의 천이를 측정함으로써, 대형 건축물, 교량, 항공기, 열차 등의 변형 및 온도 변화 등의 물리적인 변화를 측정할 수 있다. 또한, 브릴루앙 산란 특성이 서로 상이한 복수 개의 광섬유를 이용하여 시험 광섬유를 구성함으로써, 단일한 시험 광섬유만을 이용하여 측정하는 경우에 비교하여 동일한 분해능을 유지하면서 측정 범위를 수 배 확장시킬 수 있는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 가지며 서로 동일한 길이를 갖고 서로 광학적으로 연결된 복수 개의 광섬유를 포함하는 시험 광섬유;
    미리 설정된 주파수로 변조된 세기를 갖는 광을 출력하는 광원부;
    상기 광원부로부터의 광을 이용하여 제1 광신호 및 제2 광신호를 상기 시험 광섬유의 양단에 각각 인가하는 광변조부; 및
    상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙(Brillouin) 산란광을 검출하는 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광변조부는,
    상기 광원부로부터의 광을 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호로 분기하고, 상기 제1 광신호를 상기 시험 광섬유의 한쪽 끝단에 인가하며, 상기 제2 광신호를 상기 시험 광섬유의 다른쪽 끝단에 인가하는 광분배기; 및
    상기 광분배기 및 상기 시험 광섬유의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되며, 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호의 주파수 차이가 상기 복수 개의 광섬유 중 어느 하나의 브릴루앙 천이 주파수에 대응되도록 상기 제1 광신호의 주파수를 조절하는 광변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광변조부는, 상기 광분배기와 상기 시험 광섬유의 다른쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되는 지연 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 지연 광섬유의 길이는, 광경로상에서 상기 복수 개의 광섬유 각각의 위치가 하나의 브릴루앙 이득 피크에 대응되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 광변조부는, 상기 광변조기와 상기 시험 광섬유의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되어, 상기 제1 광신호의 편광을 주기적으로 변경하는 편광스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 광변조부는,
    상기 광분배기와 상기 광변조기 사이에 광학적으로 연결되는 제1 편광조절기; 및
    상기 광분배기와 상기 지연 광섬유 사이에 광학적으로 연결되는 제2 편광조절기를 더 포함하되,
    상기 제1 편광조절기 및 상기 제2 편광조절기는 편광을 동일한 각도로 조절하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 광변조부는, 상기 광변조기와 상기 시험 광섬유의 한쪽 끝단 사이에 광학적으로 연결되어 상기 제2 광신호를 차단하는 광고립기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광검출부는,
    상기 시험 광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 분기하는 광순환기;
    상기 광순환기로부터 상기 브릴루앙 산란광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광전변환기; 및
    상기 전기 신호를 이용하여 상기 시험 광섬유의 물리적인 특성 변화를 측정하는 신호 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광신호는 프로브광이며, 상기 제2 광신호는 펌프광인 것을 특징으로 하는 분포형 광섬유 센서.
  10. 미리 설정된 주파수로 변조된 세기를 갖는 광을 출력하는 단계;
    출력된 광을 제1 광신호 및 제2 광신호로 분기하는 단계;
    서로 상이한 브릴루앙 천이 주파수를 가지며 서로 동일한 길이를 갖고 서로 광학적으로 연결된 복수 개의 광섬유를 포함하는 시험 광섬유의 양단에 각각 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 인가하는 단계; 및
    상기 시험 광섬유에서 상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호에 의하여 생성된 브릴루앙(Brillouin) 산란광을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 미리 설정된 주파수로 변조된 세기를 갖는 광을 출력하는 단계는, 광경로상에서 상기 복수 개의 광섬유 각각의 위치가 하나의 브릴루앙 이득 피크에 대응되도록 상기 미리 설정된 주파수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 인가하는 단계 전에, 상기 제1 광신호와 상기 제2 광신호의 주파수 차이가 상기 복수 개의 광섬유 중 어느 하나의 브릴루앙 천이 주파수에 대응되도록 상기 제1 광신호의 주파수를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 광신호 및 상기 제2 광신호를 인가하는 단계 전에, 상기 제1 광신호의 편광을 주기적으로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 브릴루앙 산란광을 검출하는 단계는,
    상기 시험 광섬유에서 발생되는 브릴루앙 산란광을 전기 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 전기 신호를 이용하여 상기 시험 광섬유의 물리적인 특성 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 광신호는 프로브광이며, 상기 제2 광신호는 펌프광인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 산란을 이용한 센싱 방법.
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