KR20140135196A - 감지 시스템 및 그 감지 시스템에 사용하기 위한 소수-모드형 광섬유 - Google Patents

감지 시스템 및 그 감지 시스템에 사용하기 위한 소수-모드형 광섬유 Download PDF

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Abstract

감지 광섬유는: 또 다른 코어 세그먼트에 의해 둘러싸인 어느 하나의 코어 세그먼트를 포함하는 소수-모드형 다중-세그먼트 코어, 및 상기 소수-모드형 다중-세그먼트 코어를 둘러싸는 적어도 하나의 클래딩을 포함하며; 상기 소수-모드형 다중-세그먼트 코어는 100 ㎛2 내지 350 ㎛2의 F 인자(㎛2)를 갖고, (i) 기본 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 0.7보다 큰 오버랩 적분 및 (ii) LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 적어도 0.45 오버랩 적분을 제공하도록 구성된다.

Description

감지 시스템 및 그 감지 시스템에 사용하기 위한 소수-모드형 광섬유 {SENSING SYSTEMS AND FEW-MODE OPTICAL FIBER FOR USE IN SUCH SYSTEMS}
본 출원은 2012년 2월 21일 출원된 미국 출원 제13/401,239호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
본 발명은 통상 감지 시스템에 관한 것으로, 특히 분포형 브릴루앙(distributed Brillouin) 감지 시스템, 및 그와 같은 시스템에 사용하기 위한 소수-모드형 감지 광섬유(few-mode sensing optical fiber)에 관한 것이다.
브릴루앙 산란(Brillouin scattering)에 기초한 분포형 센서들은 빌딩, 다리, 터널, 댐 및 파이프라인 뿐만 아니라 선박 및 항공기의 구조적 무결성을 측정하기 위해 사용된 광섬유 감지 시스템을 형성하는데 효과적이다. 그와 같은 가장 인기 있는 브릴루앙 광섬유 감지 시스템은 브릴루앙 광 시간 영역 반사측정(BOTDR; Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)이 있다. 이러한 기술은 레일리-기반(Rayleigh-based) OTDR과 매우 유사하며, 여기서 강한 펄스로부터 후방 산란된 자발적인 브릴루앙 광은 시간의 함수로 기록된다. 후방 산란된 신호의 주파수 분포는 각각의 위치에서 스트레인(strain) 또는 온도 변화를 결정하기 위해 매 단계마다 측정된다. 기존의 OTDR과 마찬가지로, BOTDR은 단지 많은 애플리케이션들에 편리한 단일 섬유 단부에 대한 액세스를 필요로 한다. 그러나, BOTDR의 공간 해상도는 실질적으로 1 m로 제한된다.
다른 광섬유 감지 시스템은 브릴루앙 광 시간 영역 분석(BOTDA; Brillouin Optical Time Domain Analysis)을 이용한다. 이러한 기술은 약한 역-전파 연속파(CW) 프로브(probe)에 의한 전파 동안 강한 펌프 펄스가 로컬적으로 상호작용하는 펌프-프로브 기술에 기초한 유도 브릴루앙 산란(SBS; Stimulated Brillouin Scattering)의 장점을 취한다. 각각의 위치에서 그러한 프로브에 의한 경험적 이득은 시간 영역에 그러한 프로브 진폭을 기록함으로써 분석될 수 있다. 상기 펌프와 프로브간 주파수 차는 단계적으로 스캔되며, 그 로컬 증폭은 주어진 펌프-프로브 주파수 차를 회복시킬 수 있다. 다음에, 그러한 로컬 이득 스펙트럼은 주파수의 함수로서 주어진 위치에 이득을 분석하여 재구성될 수 있다. BOTDA는 그러한 펌프 펄스 및 CW 프로브가 감지 섬유에서 역-전파여야 하므로 광섬유 양 단부에 액세스해야 한다. BOTDA는 BOTDR과 같은 유사한 공간 해상도 한계, 즉 약 1 m의 공간 해상도 한계를 겪는데, 이는 1) 공간 해상도와 감지 감도간 트레이드오프(tradeoff), 및 2) 음파 완화 시간(~10 ns)에 맞먹는 값으로 펄스 폭이 감소됨에 따라 브릴루앙 이득 스펙트럼의 상당한 확장 및 저감 때문이다.
그러한 공간 해상도를 향상시키기 위해, 편광-유지형 단일 모드 광섬유에 형성된 브릴루앙 동적 격자(BDG; Brillouin Dynamic Grating)의 사용이 제안되고 있다. 이러한 접근 방식에 있어서, 음파는 펌프에 의해 하나의 편광으로 생성되고 그 펌프로부터 다른 광 주파수로 직교 편광 프로브를 반사하는데 이용된다. 분산된 스트레인이 편광-유지형 단일 모드 광섬유의 105 m에서 10 cm 공간 해상도로 측정되는 실험 결과가 보고되었다. 그러나, 편광-유지형 단일 모드 광섬유들은 통상 보다 높은 감쇠를 가짐과 더불어 표준 광섬유들보다 더 비싸다. 게다가, 편광-유지형 단일 모드 광섬유 시스템에 필요한 감지 체계는 그러한 감지 시스템을 복잡하게 하고 추가의 비용이 드는 편광-유지형 요소들을 필요로 한다. 더욱이, 긴 섬유(즉, 수 km 또는 그 이상)에 걸쳐 주어진 편광을 유지하기가 어려우며, 이는 센서 시스템 길이를 제한한다.
따라서, 향상된 공간 해상도를 갖는 저비용의 광섬유 감지 시스템, 및 그와 같은 시스템에 이용하기 위한 섬유가 필요하다.
이에 따라, 본 발명은 감지 시스템 및 그 감지 시스템에 사용하기 위한 소수-모드형 광섬유를 제공하기 위한 것이다.
본 발명 개시의 실시예는 감지 광섬유이며, 이 감지 광섬유는: 소수-모드형 다중-세그먼트 코어, 및 이 소수-모드형 다중-세그먼트 코어를 둘러싸는 적어도 하나의 클래딩을 포함한다. 상기 소수-모드형 다중-세그먼트 코어는 100 ㎛2 내지 350 ㎛2의 F 인자(㎛2)를 갖고, (i) 기본 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 0.7보다 큰 오버랩 적분(overlap integral) 및 (ii) LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 적어도 0.45 오버랩 적분을 제공하도록 구성된다. 바람직하게, 코어 반경은 4㎛ 내지 20㎛이고, LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드(L01)간 오버랩 적분은 적어도 0.45, 보다 바람직하게 적어도 0.5이다. 몇몇 예시의 실시예에 있어서, LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 오버랩 적분은 적어도 0.6이다.
몇몇 실시예에 있어서, LP01 광 모드(즉, 기본 광 안내 모드)에 대한 감지 광섬유의 유효 면적(Aeff)은 1550 nm에서 적어도 100 ㎛2이고, 몇몇 실시예에서 120 ㎛2이며, 몇몇 실시예에서 150 ㎛2 또는 그 이상이다. 몇몇 실시예에 있어서, 감지 광섬유는 2개의 코어 세그먼트를 갖고 그러한 2개의 코어 세그먼트의 굴절률 델타(Δ)들간 차는 Δ2-Δ1＞0.05%이다. 몇몇 실시예에서는 상기 2개의 코어 세그먼트의 굴절률 델타들간 차는 적어도 0.15%이다. 몇몇 실시예에 있어서, LP11 광 안내 모드와 L01 기본 음파 안내 모드간 오버랩 적분은 0.7보다 크고, 바람직하게 0.8보다 크다.
하나의 실시예는 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템이다. 이러한 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템은 기본 안내 모드 및 적어도 하나의 보다 높은 순위 안내 모드를 지원하도록 구성된 감지 광섬유를 포함한다. 상기 감지 광섬유는, (i) 기본 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 0.7보다 큰 오버랩 적분 및 (ii) LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 적어도 0.45 오버랩 적분을 갖도록 구성된다. 상기 시스템은 펌프 광 안내 모드를 규정하도록 안내 모드들 중 어느 하나로 펌프 광을 도입하도록 구성된 펌프 광원을 포함한다. 상기 펌프 광은 감지 광섬유 내에 브릴루앙 동적 격자(BDG)를 형성한다. 또한 상기 시스템은 BDG로부터 반사 프로브 광을 생성하기 위해 펌프 광 안내 모드와 다른 하나 또는 그 이상의 안내 모드로 입력 프로브 광을 도입하도록 구성된 프로브 광원을 갖춘다. 상기 반사 프로브 광 및 입력 프로브 광은 브릴루앙 주파수 시프트에 의해 서로에 대해 주파수로 시프트된다. 또한 상기 시스템은 상기 감지 광섬유에 광학적으로 결합된 수신기를 포함한다. 상기 수신기는 브릴루앙 주파수 시프트 및 반사 위치를 결정하기 위해 반사된 프로브 광을 검출하도록 구성되며, 일 예에서는 광 스펙트럼 분석기를 포함한다.
본 발명 개시의 또 다른 실시예는 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템이다. 상기 시스템은 적어도 제1 및 제2안내 모드를 지원하도록 구성된 감지 광섬유를 갖춘다. 상기 감지 광섬유는, (i) 기본 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 0.7보다 큰 오버랩 적분 및 (ii) LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 적어도 0.45 오버랩 적분을 갖도록 구성된다. 상기 감지 광섬유는 편광-유지형 섬유가 아니다. 또한 상기 시스템은 상기 감지 광섬유에 광학적으로 결합된 제1펌프 광원이다. 제1펌프 광원은 제1안내 모드의 감지 광섬유로 이동되는 제1펌프 광을 발생시키고 상기 감지 광섬유의 로컬 브릴루앙 주파수의 정보를 포함하는 브릴루앙 동적 격자(BDG)를 형성하도록 구성된다. 또한 상기 시스템은 상기 감지 광섬유에 광학적으로 결합된 프로브 광원을 포함한다. 상기 프로브 광원은 제2안내 모드의 감지 광섬유로 이동되는 펄스화 프로브 광을 발생시키도록 구성된다. 상기 펄스화 프로브 광은 상기 펄스화 프로브 광의 적어도 일부가 브릴루앙 동적 격자로부터 반사되도록 선택된 파장을 갖고 로컬 브릴루앙 주파수에 대한 정보를 포함한다. 또한 상기 시스템은 상기 감지 광섬유에 광학적으로 결합되고, 반사된 프로브 광을 수신하고 감지 광섬유를 따라 로컬 브릴루앙 주파수, 반사 위치, 및 적어도 하나의 조건을 결정하도록 구성된 수신기를 갖춘다.
추가의 특징 및 장점들이 이하의 상세한 설명에 기술되고, 부분적으로는 통상의 기술자가 그러한 설명으로부터 용이하게 알 수 있거나 또는 수반된 도면들 뿐만 아니라 이하의 상세한 설명 및 청구항을 포함한 본원에 기술된 실시예들을 실시함으로써 명확히 알 수 있을 것이다.
상술한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 모두는 청구항의 성질 및 특성을 이해시키기 위한 개관 또는 기초를 제공하려는 실시예들을 제공한다는 것을 알아야 한다. 수반된 도면들은 본 발명 개시를 좀더 잘 이해할 수 있도록 포함되고, 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 그러한 도면들은 다양한 실시예들을 기술하며 상세한 설명과 함께 그 원리 및 동작을 설명하기 위해 제공된다.
도 1a는 본 발명 개시에 따른 분포형 브릴루앙 감지 시스템의 예시 실시예의 개략도이고;
도 1b는 본 발명 개시에 따른 분포형 브릴루앙 감지 시스템의 또 다른 예시 실시예의 개략도이고;
도 2a 및 2b는 펌프 광원(도 2a) 및 프로브 광원(도 2b)의 예시 실시예를 나타내는 개략도이고;
도 3a는 도 1의 시스템을 위한 예시 수신기의 개략도이고;
도 3b는 도 1b에 나타낸 시스템 구성의 예시 프로브 광원부 및 수신기부의 개략도이고;
도 4a는 펌프 광, 프로브 광, 반사된 프로브 광을 위한 예시의 구성을 나타낸 감지 광섬유의 입/출력 단부 및 상기 펌프 광의 SBS를 통해 감지 광섬유에 형성된 BDG의 개략도이고;
도 4b는 도 4a와 유사하며, 감지 광섬유에서 대향 방향으로 이동되는 제1 및 제2펌프 광이 채용되는 예시의 구성을 더 나타낸 도면이고;
도 5a는 프로브 광을 위한 안내 모드보다 낮은 순위를 갖는 안내 모드에 의해 펌프 광이 지원될 때 감지 프로세스에 수반된 상대 주파수를 나타내는 주파수 스펙트럼이고;
도 5b는 도 5와 유사하며, 프로브 광을 위한 안내 모드보다 높은 순위를 갖는 안내 모드에 의해 펌프 광이 지원될 때 감지 프로세스에 수반된 상대 주파수를 나타낸 도면이고;
도 6a는 비교 감지 광섬유의 개략 굴절률 프로파일이며;
도 6b는 감지 광섬유의 실시예들에 대한 2개의 예시의 굴절률 프로파일을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 수반되는 도면에 기술된 예들을 참조하여 본 발명 개시의 실시예들에 대해 상세히 기술한다. 가능한 한 동일한 요소 또는 부품들에는 동일한 참조부호가 사용된다. 참조에 의해 일부 도면에는 데카르트 좌표를 나타낸다.
이하의 설명 및 특허청구범위에서, "제1안내 모드" 및 "제2안내 모드"는 각각 반드시 최저차 순위 및 1차 순위 안내 모드와 연관되진 않으나, 좀더 일반적으로는 이용가능한 안내 모드들의 각기 서로 다른 것들과 연관된다.
또한 이하의 설명에서, 기술에 공통으로 사용된 다음의 정의 및 전문용어가 채용된다.
굴절률 프로파일: 이 굴절률 프로파일은 광섬유의 선택된 세그먼트에 걸친 상대 굴절률 퍼센트(Δ%)와 광섬유 반경(r; 광섬유의 중심선으로부터 측정한 바와 같은)간 관계이다.
상대 굴절률 퍼센트 Δ(%) 또는 Δ: 용어 Δ는 식 Δ(%)=100×(nm 2-nr 2)/2ni 2에 의해 정의된 굴절률의 상대적 크기를 나타내며, 여기서 nm은 m으로 나타낸 굴절률 프로파일 세그먼트의 최대 굴절률이고, nr은 기준 굴절률(예컨대, 클래딩)이다. 그러한 세그먼트의 모든 지점은 그러한 기준 굴절률에 대해 측정된 관련 상대 굴절률을 갖는다.
도 1a는 본 발명 개시에 따른 분포형 브릴루앙 감지 시스템(10; "시스템")의 예시 실시예의 개략도이다. 상기 시스템(10)은 파장 λ1(주파수 ν1)의 펌프 광(22)을 생성하는 펌프 광원(20) 및 가변 파장 λ2(가변 주파수 ν2)의 프로브 광(32)을 생성하는 프로브 광원(30)을 포함한다. 또한, 상기 시스템(10)은 적어도 제1 및 제2안내 모드를 지원하는 "소수형 안내 모드" 감지 광섬유(50)를 포함한다. 일 예에 있어서, 상기 감지 광섬유(50)는 비-편광-유지형이다. 상기 감지 광섬유(50)는 입/출력 단부(52)를 구비한다. 상기 펌프 광원(20) 및 프로브 광원(30)은 상기 입/출력 단부(52)에서 감지 광섬유(50)에 광학적으로 연결된다. 또한, 상기 시스템(10)은 상기 입/출력 단부(52)에 광학적으로 연결된 수신기(100)를 포함한다. 일 예에 있어서, 상기 수신기(100)는 50:50 광학 커플러에 의해 형성된 균형의 코히어런트 검출기(balanced coherent detector) 및 균형의 광검출기에 동작가능하게 연결된 디지털 신호 프로세서를 포함한다. 예시의 수신기(100)가 이하 좀더 상세기 기술된다.
일 예에 있어서, 펌프 및 프로브 광원(20 및 30)과 수신기(100)의 감지 광섬유 입/출력 단부(52)에 대한 광학 결합은 각기 다른 섹션의 다중 모드 광섬유(F) 및 다중 모드 1×2 50:50 광섬유 커플러(40)를 이용하여 달성된다. 실시예에 있어서, 다중 모드 광섬유(F) 및 다중 모드 커플러(40)는 삽입 손실을 최소화하기 위해 감지 섬유로서 동일한 소수-모드형 섬유로 이루어진다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 펌프 광원(20)은 제1광섬유 섹션(F1)을 통해 제1광학 커플러(40-1)에 광학적으로 결합되고, 반면 프로브 광원(30) 및 수신기(100)는 각각의 광섬유 섹션(F2 및 F3)을 통해 제2광학 커플러(40-2)에 각각 광학적으로 결합된다. 제2광학 커플러(40-2)는 제4광섬유 섹션(F4)을 통해 제1광학 커플러(40-1)에 광학적으로 결합된다. 제1광섬유 커플러(40-1)는 또한 감지 광섬유 입/출력 단부(52)에 광학적으로 결합된다.
일 예에 있어서, 펌프 광원(20)은 좁은-선폭 레이저를 포함한다. 도 2a는 적절히 구성된 단일 모드 섬유(60)를 채용하는 섬유 레이저(24) 및 광섬유 증폭기(26)를 포함하는 펌프 광원(20)의 예시 실시예를 기술하는 개략도이다. 펌프 광원(22)의 파장(λ1)은 500 내지 1600 nm의 범위가 될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 그러한 펌프 광 파장은 800 nm 이상이고, 1000 nm 이상이고, 1300 nm 이상이고, 1500 nm 내지 1600 nm의 파장 범위가 되며, 통상 광섬유 손실은 최소이다. 일 예에 있어서, 펌프 광원(20)은 자발적인 방출을 펌프 파장 대역폭 범위 외로 필터하기 위한 가변 필터(27)를 포함한다.
도 2a는 단일 모드 섬유(60)가 결합 부재(70)를 이용하여 다중 모드 광섬유 섹션(F1)에 광학적으로 결합되는 예를 나타낸다. 일 예에 있어서, 그러한 결합 부재(70)는 광섬유 섹션(F1)에 기본 모드를 야기하기 위한 간단한 스플라이스(splice)이다. 다른 예에 있어서, 상기 결합 부재(70)는 광섬유 섹션(F1)에 특정 모드를 야기하도록 구성된 모드-선택 또는 "모드 변환기"(71)를 포함한다. 상기 모드 변환기(71)는 위상판과 같은 자유-공간 기반 요소, 또는 장주기 섬유 격자, 예컨대 경사진 섬유 브래그(Bragg) 격자와 같은 섬유-기반 요소를 포함한다.
도 2a에 나타낸 바와 같이 반도체 레이저 및 섬유 레이저들을 포함한 펌프 광원(20)을 위한 펌프 레이저로서 각기 다른 타입의 레이저들이 사용될 수 있다. 일 예에 있어서, 펌프 광원(20)은 즉 CW 펌프 광(22)을 발생시키는 CW 소스를 포함한다. 또 다른 예에 있어서, 상기 펌프 광원(20)은 펄스화 펌프 광(22)을 발생시킨다. 만약 펄스화 펌프 광원(20)이 사용되면, 다양한 실시예들에서 그러한 펄프 폭은 10 ns 이상, 100 ns 이상, 및 1000 ns 이상이다.
일 예에 있어서, 상기 프로브 광원(30)은 레이저, 예컨대 좁은-선폭 가변 레이저(34)를 포함한다. 도 2b는 도 2a와 유사하며, 적절히 구성된 단일 모드 광섬유(60)에 기초한 가변 섬유 레이저(34), 및 광섬유 증폭기(36)를 포함하는 프로브 광원(30)의 예시 실시예를 나타낸다. 일 예에 있어서, 상기 프로브 광원(30)은 자유-공간 광 커넥션을 이용하여, 예컨대 광-결합 광학 시스템(80)을 통해 다중 모드 광섬유 섹션(F2)에 광학적으로 결합된다. 이러한 구성은 감지 광섬유(50)의 선택 안내 모드가 프로브 광(32)을 지원하는데 사용될 수 있게 한다. 또 다른 예에 있어서, 장주기 격자(예컨대, 경자신 섬유 브래그 격자) 기반 광 모드 변환기는 기본 모드를 선택된 보다 높은 순위 모드로 변환하는데 사용된다. 프로브 광(32)은 반사된 프로브 광(32R)과 구별하기 위해 "입력 프로브 광"이라고도 부를 수 있다.
도 1b는 도 1a와 유사하며, 시스템(10)의 또 다른 예시 실시예를 나타낸다. 도 1b의 시스템(10)에 있어서, 펌프 및 프로브 광(20 및 30)들은 각각 섬유 섹션(F1 및 F2)들을 통해 광학 커플러(40)에 광학적으로 결합된다. 차례로 상기 광학 커플러(40)는 3개의 포트(P1, P2 및 P3)를 갖는 광 순환기(42)의 포트(P1)에 광섬유 섹션(F3)을 통해 광학적으로 결합된다. 광섬유 섹션(F4)은 감지 광섬유(50)의 입/출력 단부(52)에 포트(P2)를 광학적으로 연결한다. 광섬유 섹션(F5)은 수신기(100)에 포트(P3)를 광학적으로 연결한다. 이러한 시스템(10)의 구성은 펌프 광(22) 및 프로브 광(32)이 광학 커플러(40)에서 결합된 후 광 순환기(42)를 거쳐 광섬유(F3 및 F4)들을 통해 감지 광섬유(50)로 지향되게 한다. 다음에, 반사된 프로브 광(32R)은 광 순환기(42)를 거쳐 광섬유 섹션(F4 및 F5)들을 통해 감지 광섬유(50)의 입/출력 단자(52)에서 수신기(100)로 지향된다.
도 1a 및 도 1b를 다시 참조함과 더불어, 도 3a를 참조하면, 일 예의 실시예에 있어서, 수신기(100)는 프로세서 유닛(104; 프로세서)에 동작가능하게 결합된 다중-주파수(다중-파장) 광검출기 유닛(102)를 포함한다. 또한, 수신기(100)는 메모리 유닛(106; 메모리)을 포함한다. 일 예의 실시예에 있어서, 수신기(100)는 광 스펙트럼 분석기를 포함한다.
도 3b는 시스템(10)의 예시의 수신기부 및 예시의 프로브 광원부의 확대도이다. 수신기(100)는 디지털 신호 프로세서로서 구성된 프로세서(104)를 포함하는 것으로 나타나 있으며, 또한 50:50 광학 커플러(40) 및 균형의 광검출기(110)에 의해 형성된 균형의 코히어런트 검출기(112)를 포함한다. 상기 광학 커플러(40)는 가변 필터(27)를 포함하는 단일 모드 광섬유 섹션(60)에 광학적으로 연결되며, 프로브 광원(30)의 가변 레이저(34)에 광학적으로 결합된 광섬유 섹션(F6)에 광학적으로 연결된다. 이러한 구성은 균형의 코히어런트 검출기(112)를 위한 기준 광(즉, 프로브 광(32)의 일부)을 발생시키기 위해 로컬 오실레이터를 규정한다.
프로브 광원(30)은 선택 모드를 광섬유 섹션(F2)으로 도입하기 위해 제공되는 모드 변환기(71)를 통해 광섬유 섹션(F2)에 결합되는 프로브 광에 앞서 펄스화 프로브 광을 발생시키도록 CW 가변 레이저(34)로부터 CW 프로브 광(32)을 광학적으로 변조하기 위해 제공되는 광 변조기(36)를 포함하는 예시의 형태로 나타나 있다.
(다중 모드)광섬유 섹션(F5)과 단일 모드 광섬유 섹션(60) 사이에 존재하는 모드 변환기(71)는 반사된 프로브 광이 감지 광섬유(50)에 LP11 광 안내 모드로 있으면 그 반사된 프로브 광(32R)을 LP11 광 안내 모드에서 LP01 기본 광 안내 모드로 변환하기 위해 제공된다. 그러한 프로브 광이 이미 감지 광섬유(50)에 LP01 기본 광 안내 모드로 있으면 그러한 모드 변환기는 필요하지 않다. 좁은-대역폭 필터(27)는 단지 반사된 프로브 광(32R)만을 통과시키고 모든 다른 반사된 광은 필터하는데 사용된다.
도 1a에 나타낸 바와 같은 일반적인 시스템(10)의 동작에 있어서, 펌프 광원(20)에 의해 발생된 펌프 광(22)은 제1광섬유 섹션(F1)을 통해 제1광학 커플러(40-1)로 그리고 감지 광섬유(50)에 입/출력 단부(52)로 이동한다. 다음에 그 펌프 광(22)은 안내 모드들 중 오직 하나의 안내 모드만으로 감지 광섬유(50) 내로 이동한다.
또한, 이제 도 4a를 참조하면, 이러한 실시예에 있어서, 펌프 광(22)의 파워가 유도 브릴루앙 산란(SBS; stimulated Brillouin scattering) 임계치에 도달하면, 브릴루앙 동적 격자(54; BDG) 및 스토크스(Stokes) (SBS)파(도시하지 않음)가 감지 광섬유(50)에 발생된다. 그러한 SBS파의 주파수는 펌프 광 주파수(ν1)로부터 하향-시프트한다. 그러한 펌프 광과 SBS파간 주파수 차는 브릴루앙 주파수 시프트(Brillouin frequency shifte; νB)라 부르며, 이는 감지 광섬유(50)의 특성과 광 및 음파 안내 모드에 좌우된다.
만약 펌프 광(22)이 안내 모드(i)로 감지 광섬유(50)로 전달되고 그 여기된 음파가 음파 안내 모드(m)로 되면, 브릴루앙 주파수 시프트는 이하의 식 (1)에 의해 주어지고,
Figure pct00001
(1)
그 대응하는 파장 시프트는 이하 식 (1a)와 같다:
Figure pct00002
(1a)
여기서 λ1은 펌프의 광 파장이고, n i 은 순위 i의 광 안내 모드의 유효 굴절률이며, V m 은 순위 m의 음파 안내 모드의 유효 음파 속도이다. 만약 주파수(ν2)의 단-펄스 프로브 광(32)이 안내 모드(j; 즉, 펌프 광(22)의 것과 다른 안내 모드)를 통해 보내질 경우, 주파수(ν2-νB)의 신호는 위상-매칭 조건이 만족되면, 즉 프로브와 펌프간 주파수 변화가 이하의 식 (2)가 되면 BDG(54)에 의해 반사되며:
Figure pct00003
(2)
그리고 그 대응하는 파장 시프트는 이하의 식 (2a)와 같다:
Figure pct00004
(2a)
여기서 Δ ij = n i - n j 는 광(안내된) 안내 모드 i와 j간 유효 굴절률의 차이다.
도 4b는 도 4a와 유사하며, 도 1a에 환형선으로 나타낸 제2펌프 광원(20')을 이용하는 또 다른 실시예 시스템(10)을 개략적으로 기술한다. 이러한 실시예에 있어서, 펌프 광원(20)으로부터의 주파수(ν1; 파장 λ1)의 좁은-선폭 펌프 광(22) 및 펌프 광원(20')으로부터의 주파수(ν'1; 파장 λ'1)의 좁은-선폭 펌프 광(22')은 BDG(54)를 발생시키기 위해 감지 광섬유(50)로 역전파된다. 그러한 펌프 광 파장들은 500 nm 내지 1600 nm의 범위가 될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 그러한 파장들은 800 nm 이상이고, 1000 nm 이상이고, 1300 nm 이상이고, 1500 nm 내지 1600 nm의 파장 범위에 있으며, 여기서 통상 섬유 손실이 최소이다.
그러한 주파수 차(ν1-ν'1)가 브릴루앙 주파수 시프트(νB)에 매칭될 때, BDG(54)는 감지 광섬유(50)에 발생된다. 단일-펌프-광 실시예에서와 같이, 그러한 브릴루앙 주파수 시프트(νB)는 감지 광섬유(50)의 광섬유 특성과 광 및 음파 안내 모드에 좌우된다. 펌프 광(22) 및 펌프 광(22')이 광 안내 모드(i)를 통해 전달되고 그 여기된 음파가 음파 안내 모드(n)로 되면, 브릴루앙 주파수 시프트(νB) 및 대응하는 파장 시프트는 상기 식 (1) 및 (1a)에 의해 주어진다.
만약 주파수(ν2)의 프로브 광(32)이 펌프 광(22)과 같은 동일한 방향으로 전파하는 광 안내 모드(j)를 통해 보내질 경우, (ν2-νB)의 신호는 위상-매칭 조건이 만족하면, 즉 프로브 광(32)과 펌프 광(22)간 주파수 변화가 식 (2)를 만족하거나, 또는 상기 프로브 광(32)과 펌프 광(22)간 파장 변화가 식 (2a)를 만족하면 BDG(54)에 의해 반사된다.
양 실시예들에 있어서, 나노초 펄스 폭을 갖고 펌프 광(22)과 다른 안내 모드에 의해 지원된 광대역 단-펄스 프로브 광(32)에 의해 시간 영역으로 감지 광섬유(50)를 따라 로컬화되어 스캔될 수 있는 안정한 BDG(54)가 협대역 브릴루앙 이득(또한 협대역 BDG)에 의해 형성될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같은 시스템(10)의 실시예들은 시스템의 일반적인 동작 원리를 기술하는 예시의 실시예들이며, 그러한 기술된 실시예들과 동일한 기능을 달성하는 또 다른 실시예들이 구성될 수 있다는 것을 알아야 한다.
각기 다른 안내 모드에 의해 지원된 펌프 광 및 프로브 광
그러한 개시의 실시예는 펌프 광(22)이 프로브 광(32)과 다른 안내 모드로 이동되는 것이다. 일 예에 있어서, 펌프 광(22)은 프로브 광(32)의 안내 모드보다 낮은 순위의 안내 모드에 의해 지원되고, 이러한 안내 모드는 펌프 광 안내 모드라 부를 수 있다. 도 5a는 펌프 광(22)이 상기 프로브 광(32)에 대한 안내 모드보다 낮은 순위를 갖는 안내 모드에 의해 지원될 때의 감지 프로세스에 수반된 상대 주파수들을 나타내는 주파수 스펙트럼이다.
또 다른 예에 있어서, 펌프 광(22)은 프로브 광(32)의 안내 모드보다 높은 순위의 안내 모드에 의해 지원된다. 도 5b는 도 5a와 유사하고 펌프 광(22)이 상기 프로브 광에 대한 안내 모드보다 높은 순위를 갖는 안내 모드에 의해 지원될 때의 감지 프로세스에 수반된 상대 주파수들을 나타낸다.
일 예에 있어서, 펌프 광(22)은 단일의 안내 모드에 의해 지원되고, 프로브 광(32)은 상기 펌프 광 안내 모드 외의 다중의 다른 안내 모드들에 의해 지원된다.
BDG(54)는 감지 광섬유(50)가 겪은 열팽창 및 변형의 결과에 따른 온도 및 스트레인이다. 따라서, 그러한 반사된 프로브 광(32R)의 피크 주파수는 이하의 식 (3) 및 (4)의 온도 및 스트레인에 따라 변화된다:
V B (T)= C T T + V BO (3)
V B (ε)=C ε T+ V B0 (4)
여기서 C T 는 MHz/℃의 온도 계수이고, T는 ℃의 온도이고, V BO 는 기준 브릴루앙 주파수이고, C ε 는 MHz/με의 스트레인 계수이며, ε는 스트레인이다.
따라서, 감지 광섬유(50)에 따른 각기 다른 위치들에서의 온도 및 스트레인은 프로브 광(32)과 그 반사된 프로브 광(32R)간 주파수 차를 결정함으로써 BDG(54)를 이용하여 평가될 수 있다. BDG(54)의 좁은 스펙트럼 대역폭으로 인해, 고해상도 감지가 달성될 수 있다. 한편, 프로브 광(32)이 비교적 짧은 펄스 폭을 가질 수 있기 때문에, 높은 공간 해상도가 얻어진다.
스트레인 및 온도의 동시 측정
상술한 바와 같이, BDG(54)는 감지 광섬유(50)가 겪은 온도 팽창 및 변형의 결과에 따른 온도 및 스트레인이다. 따라서, 온도 변화(δT) 및 스트레인 변화(δε)에 따른 그 반사된 프로브 광(32R)의 피크 주파수 변화(또는 브릴루앙 주파수 시프트의 변화)는 이하의 식 (3A)에 의해 기술될 수도 있다
Figure pct00005
(3A)
여기서
Figure pct00006
는 온도 계수이고, T는 ℃의 온도이며,
Figure pct00007
는 스트레인 계수이고, ε은 스트레인이다.
소수-모드형 섬유(FMF)의 2개의 섬유 모드들간 유효 굴절률 차가 스트레인 및 온도에 따라 변화될 수 있기 때문에, 펌프와 프로브간 그러한 파장 차 또한 스트레인과 온도와 관련된다.
스트레인 변화(δε) 및 온도 변화(δT)에 따른 펌프와 프로브간 파장 차의 변화(Δλ=λ1-λ2)(여기서 펌프 광과 프로브 광간 파장 분리라고도 부르는)는 이하의 식 (4A)와 같이 표현될 수 있으며,
Figure pct00008
(4A)
여기서
Figure pct00009
는 펌프와 프로브간 파장 차에 대한 스트레인 및 온도 계수이다. 상기 식 (3A) 및 (4A)를 풀음으로써, 그러한 스트레인 변화 및 온도 변화가 이하의 식 (4B)에 의해 주어지며,
Figure pct00010
(4B)
Figure pct00011
이면, 상기 행렬 방정식 (4B)에 대한 해가 존재한다. 따라서, 동시에 분포 스트레인 및 온도 측정이 달성될 수 있다.
따라서, 감지 광섬유(50)에 따른 각기 다른 위치들에서의 온도 및 스트레인은 프로브 광(32)과 그 반사된 프로브 광(32R)간 주파수 차를 결정함으로써, 또는 프로브와 펌프간 파장 분리를 측정함으로써 BDG(54)를 이용하여 평가될 수 있다. 감지 광섬유(50)에 따른 각기 다른 위치들에서의 온도 및 스트레인 측정은 프로브 광(32)과 그 반사된 프로브 광(32R)간 주파수 차를 결정함으로써, 또는 프로브와 펌프간 파장 분리를 측정함으로써 BDG(54)를 이용하여 동시에 평가될 수 있다. BDG(54)의 좁은 스펙트럼 대역폭으로 인해, 고해상도 감지가 달성될 수 있다. 한편, 프로브 광(32)이 비교적 짧은 펄스 폭을 가질 수 있기 때문에, 높은 공간 해상도가 얻어진다.
공간 해상도
감지 광섬유(50)의 입/출력 단부(52)부터 프로브 광(32)이 반사되는 위치까지의 거리(Z)는 이하의 식 (5)에 의해 주어진다:
Figure pct00012
(5)
여기서 t는 프로브 광(32)을 야기하고 그 반사된 프로브 광(32R)을 수신하는 사이의 시간이고, n g 는 프로브 광(32)이 야기된 감지 광섬유(50)의 그룹 굴절률이며, c는 진공에서의 광 속도이다.
그러한 공간 해상도(ΔZ)는 이하의 식 (6)과 같이 프로브 광 펄스 폭(τ)에 의해 결정된다:
Figure pct00013
(6)
τ=100 ns의 프로브 광 펄스 폭은 ΔZ=10 m의 공간 해상도에 대응한다. 1 m 이하의 공간 해상도를 얻기 위해, 프로브 광 펄스 폭(τ)은 10 ns 이하여야 한다. 다양한 실시예들에 있어서, 그러한 프로브 광 펄스 폭(τ)은 5 ns 이하이고, 1 ns 이하이다. 다양한 실시예들에 있어서, 그러한 프로브 광 펄스 폭은 0.1 ns와 5 ns 사이이고, 0.1 ns 내지 1 ns 사이이다.
역-전파 펌프 광(22 및 22')들을 채용하는 제2실시예에 있어서, 그러한 펌프 광 빔들은 2개의 짧은 역-전파 펌프 펄스들이 시간 영역에서 오버랩되는 장소에서 광대역 브릴루앙 이득(즉, 광대역 BDG 54)을 갖는 안정한 BDG(54)를 생성하기 위해 선택된 짧은 펌프-광 펄스를 포함한다.
감지 광섬유(50)의 입/출력 단부(52)로부터 이러한 위치의 거리는 이하의 식 (7)과 같으며:
Figure pct00014
(7)
여기서 Δt는 펌프-광 펄스 22 및 22'를 야기하는 동안의 시간 지연이다. 이하의 식 (8)과 같이 그러한 공간 해상도(ΔZ)는 좀더 긴 펌프 펄스의 펄스 폭(τs)에 의해 결정된다:
Figure pct00015
(8)
좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는 프로브 광(32)은 각기 다른 위치들에서의 온도 및 스트레인을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 반사된 프로브 광(32)의 그러한 측정된 스펙트럼은 프로브 광 스펙트럼 및 BDG 반사 스펙트럼의 컨벌루션(convolution)이다. 이는 측정된 스펙트럼의 반사된 프로브 광(32R)의 좁은 스펙트럼 폭을 얻기 위해 좁은-선폭 프로브 광(32)이 사용되게 함으로써, 높은 정도의 온도 또는 스트레인의 측정 감도를 가능하게 한다. 따라서, 본원에 개시된 시스템 및 방법들을 이용하여 높은 공간 해상도(ΔZ) 및 높은 정도의 측정 감도가 동시에 얻어질 수 있다.
실제로, 그러한 공간 해상도(ΔZ)는 감지 거리(Z; 즉, 감지 광섬유(50)의 입/출력 단부(52)로부터의 거리)의 함수이다. 이하의 표 1은 본원에 기술된 시스템 및 방법들을 이용하여 얻어질 수 있는 대응하는 공간 해상도(ΔZ)와 함께 예시의 감지 거리(Z)를 리스트하고 있다.
감지 거리(Z) 및 공간 해상도(ΔZ)
Z(km) ΔZ(mm)
25 30
10 15
1 5
프로브 파워 및 반사된 프로브 파워의 점진적 변화
펌프 광(22) 및 반사된 프로브 광(32R)의 광 파워의 점진적 변화는 비선형 맥스웰(nonlinear Maxwell) 식을 풀음으로써 얻어질 수 있다. 그러한 결과는 그러한 파워 변화가 인자 F를 통해 감지 광섬유(50)의 디자인 파라미터들과 관련되어 있다는 것을 보여준다. 그러한 인자는 펌프광, 프로브 광, 및 음파간 상호작용의 효율과 관련되며, 이하의 식 (9)로 정의되며:
Figure pct00016
(9)
여기서
Figure pct00017
는 이하의 식 (10) 및 (10a)에 의해 정의된 오버랩 적분(각각 음파장을 갖는 펌프 광 및 음파장을 갖는 프로브 광)이며,
Figure pct00018
Figure pct00019
는 이하의 식 (11) 및 (11a)와 같이 펌프 및 프로브에 대한 각각의 광 유효 면적이다.
Figure pct00020
상기 식들에서, E 0 및 E s 는 각각 펌프 광(22) 및 프로브 광(32)의 전기장이고, ρu는 펌프 광에 의해 발생된 음파장이며, 심볼 *는 그러한 장들의 복소 켤레(complex conjugate)를 나타낸다. 인자 F는 섬유 디자인이 어떻게 프로브 광(32) 및 반사된 프로브 광(32R)의 파워 전파에 영향을 미치는지를 나타내며, 특정 감지 애플리케이션을 위한 감지 광섬유(50)의 디자인을 최적화하는데 사용될 수 있다. 일반적으로 말해서, 보다 작은 F의 값은 BDG(54), 펌프 광(22) 및 프로브 광(32)들간 좀더 유효한 상호작용을 의미한다.
F 인자를 개선하기 위해, 펌프 및 프로브의 유효 면적을 감소시키거나, 또는 상기 오버랩 적분을 증가시킬 수 있다. 그러나, 출원인은 프로브의 유효 면적이 너무 작으면, 자기-위상 변조의 비선형 효과가 중요해져, 사용될 수 있는 프로브 파워가 제한될 수 있다는 것을 알아냈다. 출원인은 LP01 및 기본 음파 안내 모드 L01간 오버랩 적분을 증가시키면서 프로브의 큰 유효 면적을 갖게 할 수 있는(바람직한) 것을 발견했다. 또한 출원인은 LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드(L01)간 오버랩이 증가(예컨대, 0.5까지 또는 보다 높게)할 때 놀랍게도 BOTDR 애플리케이션에 대한 섬유 성능이 크게 향상된 것을 발견했다. 따라서, 바람직하게 LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 오버랩을 향상시키기 위한 감지 광섬유(50)의 섬유 코어가 디자인되었다. 예컨대, 소수-모드형 "링형" 코어 프로파일(내부 코어부보다 높은 굴절률을 갖는 소수-모드형 코어의 외부)을 갖는 센서 섬유(50; 즉, 감지 광섬유)의 실시예는 스텝(step) 굴절률 프로파일(도 6a에 나타낸 것과 같은)을 갖는 소수-모드형의 섬유보다 더 양호한 성능을 갖는다. 바람직하게, 감지 광섬유(50)의 F 인자는 100 내지 350 ㎛2, 예컨대 150 ㎛2 ≤ F ≤ 350 ㎛2이다.
특히, 도 6a에 나타낸 간단한 스텝 굴절률 코어 프로파일을 갖는 소수-모드형 섬유는 기본 광 안내 모드(LP01)와 기본 음파 안내 모드간 큰 오버랩을 갖는다. 그러나, 그러한 LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드(L01)간 오버랩은 약 0.4로 제한된다. 놀랍게, 0.45 및 그 이상의 오버랩 적분(LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간)을 갖는 소수-모드형 섬유는 LP11 광(프로브) 모드(즉, 광 안내 모드)와 기본 음파 안내 모드간 낮은 오버랩을 갖는 섬유보다 좀더 양호한 성능을 갖는다. 예컨대, 본원 출원인은 LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드(L01)간 0.5의 오버랩 적분을 갖는 감지 광섬유(50)가 스텝 굴절률 디자인을 갖는 유사한 섬유보다 약 20% 내지 30%의 양호한 성능을 갖고, LP11 프로브와 기본 음파 안내 모드(L01)간 0.6 또는 그 이상의 큰 오버랩 적분이 스텝 굴절률 프로파일 다중 모드(MM) 섬유 디자인에 걸쳐 약 50% 또는 그 이상의 향상을 제공한다는 것을 알아냈다. 그러한 LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드(LO1)간 그와 같은 높은 오버랩 적분은 보다 높은 DBG 효율을 제공하며, 따라서 보다 양호한 BOTDR 시스템 성능을 제공한다.
감지 광섬유를 위한 예시 디자인
일 예에 있어서, 감지 광섬유(50)는 보다 높은 순위 안내 모드의 컷오프 파장(cutoff wavelength)을 증가시킴으로써 2개 또는 그 이상의 안내 모드를 지원하도록 구성된다. 이들 실시예에 있어서, 상기 감지 광섬유(50)는 LP11 광 안내 모드와 L01 기본 음파 안내 모드간 오버랩 적분을 최대화하도록 구성된다. 예컨대, 도 6b에 나타낸 굴절률 프로파일을 갖는 감지 광섬유(50)에 있어서, 그러한 LP11 광 안내 모드와 L01 기본 음파 안내 모드간 오버랩 적분은 0.5보다 크며 바람직하게는 0.6보다 큰데, 이는 높은 DBG 효율을 제공한다. 바람직하게, 이들 실시예에 있어서, 양 LP01 및 LP11 모드의 유효 면적은 150 nm에서 120 ㎛2보다 크다. 또한, 이하의 실시예들에 있어서, 감지 광섬유(50)의 기본 광 안내 모드(LP01)와 기본 음파 안내 모드(L01)간 오버랩 적분은 적어도 0.7, 바람직하게 0.75 또는 그 이상, 그리고 보다 바람직하게 0.8 또는 그 이상이다. 출원인은 광 펌프, 프로브 및 기본 음파 안내 모드간 큰 오버랩 적분을 달성하는 것은 BOTDR 효율을 향상시키기 때문에 장점이라는 것을 발견했다. 또한, 1550 nm에서 기본 광 안내 모드 LP01 및 LP11의 큰 유효 면적(Aeff)은 원하지 않는 비선형 효과를 감소시키는 것을 돕는다.
도 6b는 감지 광섬유(50)를 위한 예시의 굴절률 프로파일의 개략도이다. 그러한 감지 광섬유(50)는 코어(56) 및 클래딩(58)을 포함한다. 상기 코어(56)는 분할된 코어이며 적어도 2개의 세그먼트 56A 및 56B를 포함한다. 특히, 도 6b에 나타낸 실시예에 있어서, 내부 코어 세그먼트(56A)는 최대 굴절률 델타(Δ1) 및 외부 반경(r1)을 갖고, 외부 코어 세그먼트(56B)는 최대 굴절률 델타(Δ2) 및 외부 반경(r2)을 가지며, Δ1＜Δ2이다. 바람직하게, 클래딩(58)에 대해, Δ1은 0 내지 0.4% 사이이고, 보다 바람직하게 0 내지 0.3% 사이이다. 클래딩(58)에 대해, 외부 코어 세그먼트(56B)의 상대 굴절률 델타(Δ2)는 약 0.2 내지 1% 사이(예컨대, 0.2%≤Δ2≤0.6%)이고, 보다 바람직하게 0.3 내지 0.5% (즉, 0.3%≤Δ2≤0.5%)이다. 상기 외부 코어 반경(r2)은 바람직하게 4 내지 20 ㎛, 보다 바람직하게 5 내지 10 ㎛, 보다 더 바람직하게 6 내지 9 ㎛, 보다 더 훨씬 바람직하게 6.5 내지 8.7 ㎛이며, 반면 내부 코어 반경(r1)은 예컨대 0.3 내지 6 ㎛이며, 바람직하게 0.3 내지 3 ㎛ 사이이다. 바람직하게, 감지 광섬유(50)에 있어서, 코어의 그러한 두 부분들간의 굴절률 델타들간 차는 Δ2-Δ1＞0.05%, 예컨대 0.05%≤Δ2-Δ1≤1.0%이다. 이하의 예시의 실시예에서는 Δ2-Δ1＞0.15%, 예컨대 0.15%≤Δ2-Δ1≤0.55%이다. 바람직하게 3㎛≥r2-r1≥9㎛이다.
상기 코어(56)는 Ge 도핑된다. 원하는 수의 광 안내 모드가 그 코어의 적절하게 선택된 값의 Δ1, Δ2 및 반경 r1, r2을 갖는 상기 코어(56)에 의해 지원될 수 있다. 이하의 표 2는 8개의 디자인 예들을 나타낸다. 이들 실시예에 있어서, 기본 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드(L01)간 오버랩은 0.7보다 크고, 광 안내 모드(LP11)와 기본 음파 안내 모드(L01)간 오버랩은 0.5보다 크다(이들 예시의 실시예에서, LP11 광 안내 모드는 프로브 광에 대응하고, LP01 기본 광 안내 모드는 펌프 광에 대응한다. 그러나, 상기 LP01 기본 광 안내 모드는 프로브 광을 전파하는데 사용될 수 있고, 반면 LP11 광 안내 모드는 펌프 광을 전파하는데 사용될 수 있다). 바람직하게, 양 LP01 및 LP11 광 안내 모드의 유효 면적은 120 ㎛2보다 크다. 이하 표 2의 감지 광섬유(50)의 F 인자는 150과 300 ㎛2 사이이다. 표 2의 감지 광섬유(50) 실시예들에 있어서, 0.15%≤Δ2-Δ1≤0.55%이고, 3.5㎛≥r2-r1≥8.5㎛이다.
특히, 이하의 표 2는 감지 광섬유(50)에 대한 전체 8개의 예시 디자인을 나타낸다. 그 중심 코어 델타(Δ)는 0.0% 내지 0.3%의 범위가 되고, 외부 코어 델타는 0.33과 0.51% 사이이다. 이들 실시예에 있어서, 코어 외부 반경(r2)은 7.5 내지 8.5 μ사이이다. 예 1 및 2는 3개의 안내 모드를 갖고, 반면 예 2-8은 2개의 광 안내 모드 LP01 및 LP11을 갖는다. 기본 광 안내 모드(LP01)와 기본 음파 안내 모드(L01)간 오버랩은 0.74와 0.96 사이이고, 광 안내 모드(LP11)와 기본 음파 안내 모드(L01)간 오버랩은 표 2의 모든 예들에서 약 0.5와 0.65 사이이다. 이들 예에 있어서, LP01 기본 광 안내 모드는 펌프 광(22)을 안내하는데 사용되고, 프로브 광(32)은 LP11 광 안내 모드에 의해 안내된다(그러나, LP02, 및/또는 LP21 광 안내 모드에 의해 안내될 수도 있다). 선택적으로, 상기 LP01 기본 광 안내 모드는 프로브 광을 안내하는데 사용될 수 있고, 펌프 광은 LP11에 의해 안내될 수 있다(그러나, LP02, 및/또는 LP21 안내 모드에 의해 안내될 수도 있다). 만약 보다 높은 순위 안내 모드들의 조합이 프로브 광(32)을 전달하는데 사용되면, 그 반사된 프로브 광(32R)은 각기 다른 파장들에서 다수의 피크를 가질 것이다.
[표 2] 8개의 섬유 디자인 예들의 파라미터
Figure pct00021
비록 본 발명 개시가 실시예들 및 이들에 대한 특정 예들을 참조하여 본원에 기술 및 설명되었을 지라도, 통상의 기술자라면 또 다른 실시예들이 가능하다는 것을 용이하게 알 수 있고, 그러한 예들이 유사한 기능을 수행 및/또는 동일한 결과를 달성할 수 있다는 것을 명확히 알 수 있을 것이다. 그와 같은 모든 등가 실 시 및 예들은 본 발명 개시의 사상 및 범주 내에 속하며 부가된 청구항들에 의해 커버될 것이다. 또한, 통상의 기술자라면 상기한 본원발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 본 발명 개시에 대한 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것을 명확히 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명 개시는 부가된 청구항들 및 그들 등가물의 범위 내에서 제공된 이러한 개시의 변형 및 변경을 커버한다.

Claims (18)

  1. 또 다른 코어 세그먼트에 의해 둘러싸인 어느 하나의 코어 세그먼트를 포함하는 소수-모드형 다중-세그먼트 코어, 및 상기 소수-모드형 다중-세그먼트 코어를 둘러싸는 적어도 하나의 클래딩을 포함하며;
    상기 소수-모드형 다중-세그먼트 코어는 100 ㎛2 내지 350 ㎛2의 F 인자(㎛2)를 갖고, (i) 기본 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 0.7보다 큰 오버랩 적분 및 (ii) LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 적어도 0.45 오버랩 적분을 제공하도록 구성된, 감지 광섬유.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나의 코어 세그먼트의 굴절률 델타는 상기 또 다른 코어 세그먼트의 굴절률 델타보다 작고, 상기 코어는 4㎛≤r≤20㎛의 코어 반경을 갖는, 감지 광섬유.
  3. 청구항 2에 있어서,
    LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 오버랩 적분은 적어도 0.5인, 감지 광섬유.
  4. 청구항 3에 있어서,
    LP11 광 안내 모드와 기본 음파 안내 모드간 오버랩 적분은 적어도 0.6인, 감지 광섬유.
  5. 청구항 3에 있어서,
    LP01 광 모드에 대한 유효 면적(Aeff)은 1550 nm에서 ≥100 ㎛2인, 감지 광섬유.
  6. 청구항 5에 있어서,
    LP01 광 모드에 대한 유효 면적(Aeff)은 1550 nm에서 ≥150 ㎛2인, 감지 광섬유.
  7. 청구항 2에 있어서,
    코어 반경은 4 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 코어 세그먼트들의 굴절률 델타들간 차는 Δ2-Δ1＞0.05%인, 감지 광섬유.
  8. 청구항 7에 있어서,
    코어 세그먼트들의 굴절률 델타는 0.05%≤Δ2-Δ1≤1%인, 감지 광섬유.
  9. 청구항 8에 있어서, 코어 세그먼트들의 굴절률 델타는 0.15%≤Δ2-Δ1≤0.55%인, 감지 광섬유.
  10. 청구항 2에 있어서,
    어느 하나의 코어 세그먼트인 제1코어 세그먼트는 최대 굴절률 델타 Δ1을 갖고, 또 다른 코어 세그먼트인 제2코어 세그먼트는 최대 굴절률 델타 Δ2를 가지며, (i) Δ1＜Δ2이고, (ii) Δ1은 클래딩에 대해 0 내지 0.5% 사이이며, (iii) Δ2는 클래딩에 대해 약 0.2 내지 1% 사이인, 감지 광섬유.
  11. 청구항 10에 있어서,
    제1코어 세그먼트는 최대 굴절률 델타 Δ1을 갖고, 제2코어 세그먼트는 최대 굴절률 델타 Δ2를 가지며, (i) Δ1＜Δ2이고, (ii) Δ1은 클래딩에 대해 0 내지 0.4% 사이이며, (iii) Δ2는 클래딩에 대해 약 0.2 내지 0.6% 사이인, 감지 광섬유.
  12. 청구항 1, 2, 8, 10 또는 11의 감지 광섬유;
    펌프 광 안내 모드를 규정하기 위해 안내 모드들 중 어느 하나로 브릴루앙 동적 격자(BDG)를 형성하는 펌프 광을 도입하도록 구성된 펌프 광원; 및
    상기 BDG로부터 반사 프로브 광을 생성하기 위해 펌프 광 안내 모드와 다른 하나 또는 그 이상의 안내 모드로 입력 프로브 광을 도입하도록 구성된 프로브 광원을 포함하며,
    상기 반사 프로브 광 및 입력 프로브 광은 브릴루앙 파장 시프트에 의해 주파수로 시프트된, 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템.
  13. 청구항 11의 감지 광섬유;
    펌프 광 안내 모드를 규정하기 위해 안내 모드들 중 어느 하나로 브릴루앙 동적 격자(BDG)를 형성하는 펌프 광을 도입하도록 구성된 펌프 광원;
    상기 BDG로부터 반사 프로브 광을 생성하기 위해 펌프 광 안내 모드와 다른 하나 또는 그 이상의 안내 모드로 입력 프로브 광을 도입하도록 구성된 프로브 광원; 및
    상기 감지 광섬유에 광학적으로 결합되고, 프로브 광원의 반사 위치 및 브릴루앙 주파수 시프트를 결정하기 위해 반사 프로브 광을 검출하도록 구성된 수신기를 포함하며,
    상기 반사 프로브 광 및 입력 프로브 광은 브릴루앙 파장 시프트에 의해 주파수로 시프트된, 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    감지 광섬유에 따른 거리의 함수로서 감지 광섬유의 온도 및 스트레인의 적어도 하나를 결정하도록 구성된 수신기를 더 포함하는, 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템.
  15. 적어도 제1 및 제2안내 모드를 지원하도록 구성된 청구항 1의 감지 광섬유;
    상기 감지 광섬유에 광학적으로 결합되고, 제1안내 모드의 감지 광섬유로 이동되는 제1펌프 광을 발생시키고 상기 감지 광섬유의 로컬 브릴루앙 주파수의 정보를 포함하는 브릴루앙 동적 격자(BDG)를 형성하도록 구성된 제1펌프 광원;
    상기 감지 광섬유에 광학적으로 결합되고, 상기 제2안내 모드의 감지 광섬유로 이동되는 펄스화 프로브 광을 발생시키도록 구성된 프로브 광원; 및
    상기 감지 광섬유에 광학적으로 결합되고, 반사 프로브 광을 수신하고 감지 광섬유를 따라 로컬 브릴루앙 주파수, 반사 위치, 및 적어도 하나의 조건을 결정하도록 구성된 수신기를 포함하며,
    상기 펄스화 프로브 광은 상기 펄스화 프로브 광의 적어도 일부가 브릴루앙 동적 격자로부터 반사되도록 선택된 파장을 갖고 로컬 브릴루앙 주파수 및 프로브 광 반사 위치에 대한 정보를 포함하는, 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    감지 광섬유의 기본 안내 모드가 되는 제1안내 모드 및 감지 광섬유의 보다 높은 순위 안내 모드가 되는 제2안내 모드를 더 포함하는, 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    적어도 하나의 조건은 감지 광섬유의 입/출력 단부로부터의 거리의 함수로서 온도 및 스트레인의 적어도 하나를 포함하는, 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템.
  18. 청구항 15, 16 또는 17에 있어서,
    1cm≤ΔZ＜1m 범위의 공간 해상도 ΔZ를 갖는 적어도 하나의 조건을 감지하는 것을 더 포함하는 분포형 브릴루앙 광섬유 감지 시스템.
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