KR20170139825A - Optical interferometer structure and manufacturing method of the same and optical sensors incorporating multimode interference waveguide devices using of the same and signal processing method for the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a structure for an optical interferometer, which comprises: a first Y-branch optical waveguide device which emits light entering from an SLED light source; a polarization maintaining optical fiber which transfers the light emitted from the first Y-branch optical waveguide device to a sensing unit at a distance; a quarter wave plate (QWP) which converts the light conveyed through the polarization maintaining optical fiber into two circularly polarization states; a mirror which reflects the light that has passed the QWP; an electro-optic or a magneto-optic probe which is placed between the QWP and the mirror; a second Y-branch optical waveguide device which is connected to one end of the first Y-branch optical waveguide device, and where the light reflected by the mirror enters; a polarization converter which is positioned at one side of the second Y-branch optical waveguide device, and where a portion of branched light passes; a phase modulator which is positioned at the other side of the second Y-branch optical waveguide device, and where the remaining branched light passes; a 24 MMI coupler where light that has passed two routes of the second Y-branch optical waveguide device enters; and a polarizing filter which is placed at one side of the 24 MMI coupler. In addition, among light entering the 24 MMI coupler, only light with TE substances is emitted by a multimode interference phenomenon and the polarizing filter through four optical waveguides and is converted into current by an optical detector. Therefore, the structure for an optical interferometer can remove a feedback control algorithm and a feedback control circuit for controlling an initial phase in an interferometer type optical sensor.

Description

광 간섭계의 구조와 이의 제조방법 및 이를 이용하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서와 이를 위한 신호처리방법 { Optical interferometer structure and manufacturing method of the same and optical sensors incorporating multimode interference waveguide devices using of the same and signal processing method for the same }TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a structure of an optical interferometer, a manufacturing method thereof, a multimode interference optical waveguide device-based optical sensor using the same, and a signal processing method for the optical interferometer structure and manufacturing method thereof. processing method for the same}

본 발명은 전류/전압에 의한 자기장 및/또는 전기장과 같은 물리량의 변화로 인해 발생 되는 광파의 위상 변화를 효과적으로 검출하기 위한 광 간섭계의 구조 및 이의 제조방법 그리고, 이를 이용하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서와 이를 위한 신호처리 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a structure of an optical interferometer for effectively detecting a phase change of a light wave generated due to a change in a physical quantity such as a magnetic field and / or an electric field due to a current / voltage and a method for manufacturing the same, and a multimode interference optical waveguide device An optical sensor and a signal processing method therefor.

최근 급격히 다양화된 광부품 기술의 발전으로 인해 여러 가지 다양한 물리량을 효과적으로 측정하기 위한 센서가 요구되고 있으며, 이와 같은 센서의 구현에 있어서, 광센서 기술이 적용되고 있다.2. Description of the Related Art [0002] With the recent rapid development of various optical parts technologies, sensors for effectively measuring various physical quantities have been required. In the realization of such sensors, optical sensor technology has been applied.

전류측정용 광센서는 광섬유를 이용하여 제작되는 것이 일반적이며, 빛 또는 빛에 포함되는 정보를 전기신호로 변환하여 검지하고, 비접촉, 비파괴, 고속도 및 외란에 영향을 받지 않는 특징 등의 장점을 가진다.Optical sensors for current measurement are generally fabricated using optical fibers, and have the advantages of converting information contained in light or light into electrical signals and detecting characteristics that are not affected by non-contact, non-destructive, high-speed and disturbance .

특히, 광섬유를 통하여 원거리에 센싱 신호를 전달하는 과정에서 외란을 받지 않는 특징은 대전력 발전, 전송 시스템의 제어계측을 위하여 광센서를 이용하는 추세를 점차 확대시키고 있다.Particularly, the characteristic that disturbance is not received in the process of transmitting the sensing signal at a long distance through the optical fiber is gradually expanding the trend of using the optical sensor for the control measurement of the large power generation and transmission system.

한편, 광센서 기술에서는 전계나 자계로 광섬유에 인가된 매우 작은 굴절률의 변화에 의해 광파의 위상 변화가 발생하게 되고, 이와 같은 위상 변화를 보다 정밀하고 정확하게 측정할 수 있는지 여부가 광센서 기술의 핵심이라 할 수 있다. On the other hand, in the optical sensor technology, the phase shift of the light wave occurs due to a very small refractive index change applied to the optical fiber due to an electric field or a magnetic field. Whether or not such a phase shift can be measured more precisely and accurately is the key .

따라서, 주변 온도의 변화나 광섬유의 진동에 의해 편광 변화가 유발되는 문제점을 해결하기 위한 다양한 연구가 이루어졌으며, 이와 관련하여 US20050088662 A1“Temperature-stabilized sensor coil and current sensor”; US20040101228 A1“(Fiber-optic current sensor”; JP2007040884 A1“Reflection type optical fiber current sensor” 등의 선행문헌에서는 편광유지 광섬유를 이용하는 형태의 센서에 관한 기술이 개시되어 있다. Therefore, various studies have been made to solve the problem of polarization change caused by changes in ambient temperature or optical fiber oscillation, and US20050088662 A1 " Temperature-stabilized sensor coil and current sensor " Prior arts such as US20040101228 A1 " (Fiber-optic current sensor "; JP2007040884 A1 " Reflection type optical fiber current sensor " and the like) disclose a technique related to a sensor using a polarization maintaining optical fiber.

하지만, 이와 같이 편광유지 광섬유를 이용한 전류 센서는 편광유지 광섬유가 필수적으로 요구되며, 편광 상태를 조절해주기 위한 광부품이 요구된다. 따라서, 시스템 구성이 복잡해지고, 가격이 상승하게 되는 문제점을 가진다. However, in the current sensor using the polarization maintaining optical fiber, a polarization maintaining optical fiber is indispensably required, and an optical component for controlling the polarization state is required. Therefore, the system configuration becomes complicated and the price increases.

한편, 광섬유에 빛의 진행방향과 평행하게 자기장이 인가되면 페러데이 효과(Faraday effect)로 인해 원형 복굴절이 발생하게 되며, 이는 두 종류의 원 편광 간에 위상 차이를 발생시킨다.On the other hand, when a magnetic field is applied to the optical fiber in parallel with the traveling direction of light, a circular birefringence occurs due to the Faraday effect, which causes a phase difference between the two types of circularly polarized light.

이와 같은 위상 차이는 미소한 차이를 보이게 되며, 이를 측정하기 위해서는 광 간섭계가 요구된다. Such a phase difference shows a minute difference, and a light interferometer is required to measure the phase difference.

미소한 위상 차이를 측정하기 위한 광 간섭계에는 두 개의 선편광을 입사시킨 후 돌아온 빛들의 상대적 위상 차이를 검출하는 편광회전 반사간섭계(Polarization-Rotated Reflection Interferometer, 이하‘PRRI’라함)가 있다.The optical interferometer for measuring the small phase difference includes a polarization-rotated reflection interferometer (PRRI) that detects the relative phase difference between the two linearly polarized light beams.

상기, PRRI는 광센서 코일부 주변의 온도 변화와 진동 등의 외부환경 변화에 의해 발생 되는 오차를 줄이기 위해 사용된다. The PRRI is used to reduce errors caused by changes in the external environment such as temperature change and vibration around the optical sensor coil.

상기 PRRI 구조에서는 두 개의 수직 한 선편광을 이용하여, 전류에 의해 발생되는 두 편광 간의 미소한 위상 차이를 간섭계를 이용하여 측정한다. In the PRRI structure, minute phase differences between two polarized lights generated by current are measured using an interferometer by using two perpendicular linearly polarized lights.

하지만, 광 간섭계의 특성상 바이어스 전압에 따른 초기 동작점이 변하게 되면 간섭되어 나타나는 신호의 크기가 달라지므로 센서 동작점을 유지시키기 위한 피드백 제어가 필수적으로 요구된다. 그리고, 이를 위해 선편광 변환기, 원편광 변환기를 비롯하여 광 결합기, 위상 변조기 등 부가적인 광 부품이 추가됨에 따라 여전히 복합한 구조를 가지게 되며, 이로 인한 가격 상승의 문제점을 가진다.
However, due to the characteristics of the optical interferometer, when the initial operating point changes according to the bias voltage, the magnitude of the interference signal varies, and feedback control for maintaining the sensor operating point is indispensable. To this end, additional optical components such as a linear polarization converter, a circularly polarized light converter, an optical coupler, and a phase modulator are added, resulting in a complex structure.

USUS 2005008866220050088662 A1A1 USUS 2004010122820040101228 A1A1 JPJP 20070408842007040884 A1A1

본 발명의 목적은 동작점 제어를 위한 광센서 동작 제어 알고리즘과 제어 전자 회로를 간소화하면서 안정적인 감지동작이 가능한 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide an optical sensor operation control algorithm for operating point control and a multimode interference optical waveguide device based optical sensor capable of stable sensing operation while simplifying control electronics.

본 발명의 다른 목적은 다중모드 간섭계를 포함한 다양한 광부품들을 하나의 기판상에 제작함으로써 간섭계의 안정성을 향상시키고 제품의 생산성을 증대시킬 수 있는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서를 제공하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide a multi-mode interference optical waveguide device-based optical sensor capable of improving stability of an interferometer and increasing productivity of a product by manufacturing various optical components including a multi-mode interferometer on one substrate.

본 발명은 SLED 광원으로부터 입사되는 빛을 출력하는 제1 Y-분기 광도파로 소자와, 상기 제1 Y-분기 광도파로 소자에서 출력되는 빛을 원거리에 위치한 센싱부에 전달하기 위한 편광유지 광섬유와, 상기 편광유지 광섬유를 통해 전달되는 빛을 두 개의 원편광 상태로 변환시키는 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP)과, 상기 사분파장판(QWP)을 통과한 빛을 반사시키는 미러와, 상기 사분파장판(QWP)과 미러 사이에 구비되는 전기광학 또는 자기광학 프로브와, 상기 제1 Y-분기 광도파로 소자의 일단과 연결되며, 상기 미러를 통해 반사된 빛이 유입되는 제2 Y-분기 광도파로 소자와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 일측에 위치하여 분기 된 빛의 일부가 통과하는 편광 변환기와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 다른 일측에 위치하여 분기 된 빛의 나머지가 통과하는 위상 변조기와, 상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 두 경로를 통과한 빛이 유입되는 2×4 MMI 커플러 및 상기 2×4 MMI 커플러 일측에 구비되는 편광필터를 포함하도록 구성되어, 상기 2×4 MMI 커플러로 유입되는 빛은 다중 모드 간섭현상과 함께 편광필터에 의해 TE 성분의 빛들만 4개의 광도파로를 거쳐 출력되어 광검출기를 통해 전류로 바뀌게 되는 것을 특징으로 한다. A polarization maintaining optical fiber for transmitting light output from the first Y-branching optical waveguide to a sensing unit located at a remote location, A quarter wave plate (QWP) for converting the light transmitted through the polarization maintaining optical fiber into two circularly polarized light states, a mirror for reflecting the light passing through the quarter wave plate (QWP) And a second Y-branching optical waveguide connected to one end of the first Y-branching optical waveguide device and receiving light reflected through the mirror, And a polarized beam splitter which is disposed on one side of the second Y-branching optical waveguide and through which part of the branched light passes; Passing A 2x4 MMI coupler into which light having passed through the two paths of the second Y-branching optical waveguide flows, and a polarization filter provided at one side of the 2x4 MMI coupler, 4 MMI coupler is characterized in that, with the multimode interference phenomenon, the light of the TE component is outputted through the four optical waveguides by the polarization filter and changed into the current through the photodetector.

상기 광 간섭계의 구조를 포함하는 본 발명에 따른 광센서는, 상기 2×4 MMI 커플러를 통해 출력되는 4개의 광신호 입출력특성 곡선은 서로 90°, 180°, 270°의 위상 차이를 가지고, 상기 4개의 광신호 출력 신호를 조합하여 생성되는 신호를 통해 전류/전압 신호를 측정하는 것을 특징으로 한다.In the optical sensor according to the present invention including the optical interferometer structure, the four optical signal input / output characteristic curves output through the 2 × 4 MMI coupler have phase differences of 90 °, 180 ° and 270 °, And the current / voltage signal is measured through a signal generated by combining the four optical signal output signals.

상기 광 간섭계의 구조를 포함하는 광센서의 신호처리방법에 있어서, 마이크로 히터를 포함하는 위상변조기를 구동시켜 센서를 초기화하는 과정에서 광센서의 동작특성을 확보하는 단계와, 상기 광센서의 동작특성을 확보하는 단계를 통해 확보된 동작특성을 이용하여 초기 위상 상태에 따라 발생하게 되는 미소한 영향을 보정하는 단계를 포함하며, 상기 보정하는 단계에서는, 위상 오차 Φe가 존재하는 경우에 하기 수식 The signal processing method of the optical sensor including the structure of the optical interferometer includes the steps of: securing the operating characteristics of the optical sensor in the process of driving the phase modulator including the micro-heater to initialize the sensor; using the operating characteristics obtained from the step of securing includes the step of correcting the smiling effect which occurs depending on the initial phase state, the method comprising the correction formula to the case where the phase error e exists, Φ

Figure pat00001
을 이용하여 보정이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
And the correction is performed using the correction value.

본 발명에 따른 광간섭계를 제조하는 방법에는, 실리콘 기판에 폴리머 계열의 코팅제를 스핀코팅하여 하부 클래딩층을 형성하는 단계와, 포토레지스트를 이용하여 도파로 코어패턴을 제작하고, 건식식각을 통해 상기 하부 클래딩층에 도파로 코어패턴을 전사하는 단계와, 상기 도파로 코어패턴의 상측으로 폴리머 계열의 코팅제를 코팅하고 경화시켜 코어층을 형성하는 단계와, 상기 코어층의 상측에 폴리머 계열의 코팅제를 코팅하고 크롬(Cr) 또는 금(Au) 등의 금속을 이용하여 다중으로 각각 서로 다른 두께를 가지도록 증착하여 편광 패턴을 제작하는 단계와, 상기 편광 패턴이 제작된 코어층의 상측으로 ZPU 계열의 코팅제를 추가로 코팅하여 클래딩층의 두께를 늘린 이후 크롬(Cr)과 금(Au)을 증착하고 위상변조 패턴을 형성하는 단계와, 적어도 일부분이 도파로 상에 위치되는 이분파장판을 삽입하기 위하여 그루브 라인을 형성하고, 상기 그루브 라인에 이분파장판을 삽입하여 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
A method of manufacturing an optical interferometer according to the present invention includes the steps of: forming a lower cladding layer by spin-coating a polymer-based coating material on a silicon substrate; fabricating a waveguide core pattern using a photoresist; A method of fabricating a waveguide core pattern, comprising: transferring a waveguide core pattern to a cladding layer; coating a polymer-based coating agent on the waveguide core pattern and curing the core layer to form a core layer; coating a polymer- (Cr) or gold (Au), to form a polarizing pattern; and a step of coating a ZPU series coating material on the upper side of the core layer on which the polarizing pattern is formed Depositing chromium (Cr) and gold (Au) to form a phase modulation pattern after increasing the thickness of the cladding layer, Forming a grooved line for inserting the shaded wave plate located on the waveguide, and inserting and fixing the shaded wave plate to the groove line.

본 발명에 따르면, 간섭계형 광센서에서 초기 위상을 제어하기 위한 피드백 제어 알고리즘과 회로를 제거할 수 있다. 또한, 다중모드 간섭계를 포함하는 PRRI 구조를 폴리머 광도파로 칩상에 집적화시켜서 광센서의 안정성을 향상시키고, 보다 간단한 구조의 광센서 제품을 대량 생산할 수 있도록 하는 이점을 가진다.
According to the present invention, it is possible to eliminate the feedback control algorithm and the circuit for controlling the initial phase in the interferometer type optical sensor. In addition, the PRRI structure including the multimode interferometer is integrated on the polymer optical waveguide chip, thereby improving the stability of the optical sensor and enabling mass production of optical sensor products with a simpler structure.

도 1 은 본 발명에 따른 광간섭계형 센서의 일실시 예를 보인 도면.
도 2 는 일반적인 광 간섭계에서 나타나는 특성곡선과 그로 인한 동작점 변화에 따라 출력 신호의 변화를 나타내면서 동작점에 의존적인 특성을 제거하기 위하여 사용되는 90° 위상차를 가지는 추가적인 특성곡선을 비교 도시한 도면.
도 3 은 도 1 에 도시된 광집적회로부의 제작 과정을 보인 도면.
도 4 는 다중모드 간섭소자의 출력특성을 확인하기 위하여 다중모드 간섭소자와 Delayed Mach-Zehnder 간섭구조를 연결한 구조 및 이를 이용하여 Beam Propagation Method를 통하여 설계한 결과 그리고, 제작된 소자에서 측정된 결과를 보인 도면.
도 5 는 다중모드 간섭 소자의 길이를 다르게 하여 제작된 소자의 출력특성을 확인하고 이를 설계 결과와 비교한 도면.
도 6 은 동작점 변화에 따른 출력신호와 이를 분석한 내용을 설명하기 위한 도면.
도 7 은 동작점 변화에 무관한 센서특성을 확인하기 위하여 도 6의 신호를 이용하여 신호처리를 수행한 내용을 설명하기 위한 도면.
도 8 은 동작점 조절을 하지 않은 상태에서 전류를 인가하여 광전류센서의 특성을 확인한 내용을 설명하기 위한 도면.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing an embodiment of an optical interferometer type sensor according to the present invention; FIG.
FIG. 2 is a diagram showing a comparison of an additional characteristic curve having a 90.degree. Phase difference, which is used for eliminating a characteristic dependent on an operating point while showing a change in an output signal according to a characteristic curve of a general optical interferometer and thereby an operating point change;
FIG. 3 is a view showing a manufacturing process of the optical integrated circuit shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a structure in which a multi-mode interference element and a delayed Mach-Zehnder interference structure are connected to each other to verify the output characteristics of the multi-mode interference element, a result of the design through the beam propagation method using the structure, Fig.
FIG. 5 illustrates output characteristics of a device fabricated with different lengths of a multimode interference device and compares the output characteristics with design results. FIG.
FIG. 6 is a diagram for explaining an output signal according to an operating point change and analysis contents thereof; FIG.
FIG. 7 is a diagram for explaining a signal processing performed by using the signal of FIG. 6 to confirm a sensor characteristic independent of an operating point change; FIG.
8 is a view for explaining the characteristics of a photocurrent sensor by applying a current without operating point adjustment.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. It is to be understood, however, that the spirit of the invention is not limited to the embodiments shown and that those skilled in the art, upon reading and understanding the spirit of the invention, may easily suggest other embodiments within the scope of the same concept.

도 1 에는 본 발명에 따른 광간섭계형 센서의 일실시 예로서 센서 프로브의 종류에 따라 다양한 물리량을 측정할 수 있도록 변형할 수 있는 광센서 구조에 대한 도면이 도시되어 있고, 도 2 에는 일반적인 광 간섭계에서 나타나는 단순한 형태의 특성곡선과, 이에 비교하여 90°위상차를 가지는 추가적인 특성곡선을 가지는 광센서의 출력 특성을 비교 도시한 도면이 도시되어 있다.FIG. 1 is a view showing an optical sensor structure that can be modified to measure various physical quantities according to the type of a sensor probe according to an embodiment of the optical interferometer type sensor according to the present invention. In FIG. 2, And a comparative output characteristic of an optical sensor having an additional characteristic curve having a phase difference of 90 degrees with respect to the characteristic curve.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 광전류센서는 크게 광원(100)으로부터 유입되는 빛을 분할하고 간섭시키기 위한 광간섭계를 형성하는 광집적회로부(200)와 전자기프로브(400) 및 광파워 변화를 검출하기 위한 광검출기(800)로 구분될 수 있다.Referring to these figures, the photocurrent sensor according to the present invention mainly includes an optical integrated circuit part 200, an electromagnetic probe 400, and a photodetector part 400 which form an optical interferometer for splitting and interfering light from the light source 100, And a photodetector 800 for detection.

상기 광원(100)은 파장 대역폭이 넓고 코히어런스 길이가 짧은 S-LED가 사용될 수 있다. The light source 100 may be an S-LED having a wide wavelength bandwidth and a short coherence length.

상기 광집적회로부(200)는 폴리머 또는 실리카 재료를 이용하여 제작되며, 복수의 Y-분기 광도파로와 광결합기 및 위상변조기 등을 집적하여 형성된다. The optical integrated circuit part 200 is fabricated using a polymer or a silica material, and is formed by integrating a plurality of Y-branch optical waveguides, an optical coupler, a phase modulator, and the like.

상기 Y-분기 광도파로는 광원이 유입되는 순서에 따라 제1 Y-분기 광도파로와 제2 Y-분기 광도파로로 구분되며, 상기 제2 Y-분기 광도파로는 제1 Y-분기 광도파로의 일단에 연결된다. The Y-branch optical waveguide is divided into a first Y-branch optical waveguide and a second Y-branch optical waveguide according to the order in which the light source is introduced, and the second Y-branch optical waveguide is divided into a first Y- It is connected at one end.

상기 제1 Y-분기 광도파로의 타단은 센싱부를 구성하는 편광유지 광섬유와 연결되고, 상기 센싱부에는 전술한 전자기프로브(400)와 사분파장판(320) 및 미러(600)가 더 포함된다.The other end of the first Y-branch optical waveguide is connected to a polarization maintaining optical fiber constituting a sensing unit. The sensing unit further includes the above-described electromagnetic probe 400, a sine wave plate 320, and a mirror 600.

상세히, 전류 센싱을 위한 센싱부는 복굴절이 높은 광섬유를 꼬아서 제작한 Hi-Bi spun fiber가 적용될 수 있으며, 전류 측정 범위를 고려하여 5회 권취한 원통형 센싱 코일 형태로 형성될 수 있다.In detail, a sensing part for current sensing can be formed of a Hi-Bi spun fiber fabricated by twisting an optical fiber having a high birefringence and a cylindrical sensing coil wound five times in consideration of a current measurement range.

그리고, 전압 센싱을 위한 센싱부는 리튬나오베이트(LiNbO3)나 BGO 등과 같은 전기광학 크리스탈을 이용하여 구성될 수 있다.The sensing unit for voltage sensing may be formed using an electro-optic crystal such as lithium niobate (LiNbO 3 ), BGO, or the like.

한편, 상기 광원(100)에서 출력된 선편광을 상기 광집적회로부(200)에 입력시키면 TE/TM 편광이 동일한 크기로 여기되고, 광집적회로부(200)의 출력부에서 각각의 편광 성분은 센싱부와 연결된 PM fiber의 slow축과 fast 축 성분으로 변환되어 진행하게 된다.When the linearly polarized light output from the light source 100 is input to the optical integrated circuit unit 200, the TE / TM polarized light is excited to the same magnitude, and the polarized light components in the output unit of the optical integrated circuit unit 200, And it is converted to the slow axis and fast axis components of the PM fiber connected to the PM fiber.

변환된 편광성분은 직교하게 되며, 센싱 코일부의 일측에 구비되는 사분파장판(320)을 통과하면서 두 종류의 원형 편광으로 각각 변환된다. 상기 사분파장판(320)은 복굴절을 가지는 photonic crystal fiber를 이용하여 제작될 수 있다. The converted polarized light components become orthogonal and are converted into two kinds of circularly polarized light while passing through the sine wave plate 320 provided at one side of the sensing coil part. The s-wave plate 320 may be fabricated using a photonic crystal fiber having birefringence.

원형 편광으로 변환된 이후에는 센싱코일부를 따라 진행하면서 페러데이 효과에 의해 두 원형 편광 간에 위상 차이가 발생하게 되고, 상기 전자기프로브(400)는 전기광학 또는 자기광학 효과를 이용하여 광굴절률을 변화시킬 수 있다.The phase difference between the two circularly polarized light is generated due to the Faraday effect while the electromagnetic probe 400 is moving along the sensing coil part, and the electromagnetic probe 400 changes the optical refractive index using the electrooptic or magnetooptical effect .

상기 미러(600)는 유입되는 빛을 반사시키게 되며, 미러(600)에 의해 반사되어 돌아오는 빛은 페러데이 효과에 의한 위상 차이가 두 배로 증폭된다.The mirror 600 reflects the incoming light, and the light reflected by the mirror 600 is amplified twice in phase due to the Faraday effect.

한편, 반사되어 돌아온 빛은 사분파장판(320)을 다시 통과하면서 두 가지 선형 편광으로 다시 변환되어 광집적회로부(200)로 입력된다.On the other hand, the light that has been reflected back is converted into two linear polarized lights again through the sine wave plate 320 and is input to the optical integrated circuit unit 200.

이때, 입력 TE/TM 성분들은 입사 및 반사 과정에서 사분파장판(320)을 2회 통과하기 때문에 각각 TM/TE 성분으로 바뀌어 돌아오게 된다.In this case, since the input TE / TM components pass through the sine wave plate 320 twice in the incidence and reflection process, they are converted to TM / TE components, respectively.

상기와 같이 광집적회로부(200)로 다시 입력되는 빛은 제2 Y-분기 광도파로에서 2개의 경로로 나뉘어 진행된다. As described above, light input to the optical integrated circuit unit 200 is divided into two paths in the second Y-branch optical waveguide.

상기 제2 Y-분기 광도파로의 일 경로에는 위상변조기(260)가 구비되고, 다른 경로에는 이분파장판(340, Half-Waveguide Plate, HWP)이 구비된다.A phase modulator 260 is provided in one path of the second Y-branch optical waveguide, and a Half-Waveguide Plate (HWP) 340 is provided in another path.

상기 위상변조기(260)는 폴리머의 열광학효과(Thermo-optic(TO) effect)에 따라 히터에 가해진 열에 비례하여 광파의 위상을 변화시킨다. The phase modulator 260 changes the phase of the light wave in proportion to the heat applied to the heater in accordance with the thermo-optic (TO) effect of the polymer.

상기 이분파장판(340)은 상기 광집적회로부(200)에 끼움 장착되어 편광을 조절한다.The retarder (340) is inserted into the optical integrated circuit part (200) to adjust the polarization.

한편, 상기 제2 Y-분기 광도파로의 출력단은 4×4 MMI 커플로로 연결된다.On the other hand, the output terminal of the second Y-branch optical waveguide is connected by a 4x4 MMI couple.

상기 4×4 MMI 커플러는 다중모드 광도파로 내부에 존재하는 여러 개의 모드 들 간에 일어나는 간섭현상을 이용하여 입력광을 여러 출력 광도파로로 분배시킨다.The 4x4 MMI coupler distributes the input light to a plurality of output optical waveguides by using an interference phenomenon occurring among a plurality of modes existing inside the multi-mode optical waveguide.

그리고, 본 발명에서는 4×4 MMI 커플러 4개의 입력단 중에서 첫번째, 세번째 입력단에 빛을 입사시키는 2×4 커플러(222')구조를 사용하여 서로 90° 위상차이를 가지는 동작 특성을 얻게 된다.In the present invention, a 2 × 4 coupler 222 'structure is used in which light is incident on the first and third input terminals of the 4 × 4 MMI couplers, thereby obtaining operating characteristics having a phase difference of 90 ° with respect to each other.

또한, 상기 2×4 MMI 커플러(222')의 일측에는 편광필터(250)가 구비된다. In addition, a polarizing filter 250 is provided on one side of the 2x4 MMI coupler 222 '.

상기 편광필터(250)는 금속박막 표면에 존재하는 표면 플라즈몬 모드(surface plasmon mode)와 강한 결합을 일으키는 TM 모드 성분을 흡수한다.The polarizing filter 250 absorbs a TM mode component that causes a strong coupling with a surface plasmon mode present on the surface of the metal thin film.

따라서, 상기 2×4 MMI 커플러(222')로 유입되는 빛은 다중 모드 간섭현상과 함께 편광필터(250)에 의해 TE 성분의 빛들만 4개의 광도파로를 거쳐 출력되어 광검출기(800)를 통해 전류로 바뀌게 된다.Therefore, the light entering the 2x4 MMI coupler 222 'is output through the four optical waveguides of the TE component by the polarization filter 250 together with the multimode interference phenomenon, and transmitted through the photodetector 800 Current.

한편, 일반적인 Mach-Zehnder 간섭계 구조에서 패러데이 효과에 의해 발생한 두 편광 성분 간의 위상 차이가 ΦF(t) 로 주어질 때, 초기 동작점 Φb에 따라 변화하는 간섭 신호의 세기 I 는 다음과 같다.On the other hand, when the phase difference between the two polarization components generated by the Faraday effect in a general Mach-Zehnder interferometer structure is given as Φ F (t), the intensity I of the interfering signal that varies with the initial operating point Φ b is as follows.

Figure pat00002
.......................(1)
Figure pat00002
.......................(One)

Figure pat00003
.................(2)
Figure pat00003
.................(2)

여기서, I0는 간섭 신호의 최대 광 출력이며, Af는 페러데이 효과에 의한 위상 변화 신호의 진폭으로 수식(2)를 베셀함수(Bessel function)를 이용하여 확장하면 아래 수식(3)과 같이 나타난다.Here, I 0 is the maximum optical output of the interference signal, and A f is the amplitude of the phase change signal due to the Faraday effect and is expressed by the following equation (3) when the equation (2) is expanded by using a Bessel function .

Figure pat00004
......(3)
Figure pat00004
(3)

상기 광출력 신호에서 시간평균파워(time average power) 신호 <I>와 ω주파수 성분의 진폭(amplitude)신호 A0를 추출하면 다음과 같이 나타난다. The time average power signal < I > and the amplitude signal A 0 of the frequency component in the optical output signal are extracted as follows.

Figure pat00005
...(4)
Figure pat00005
...(4)

Figure pat00006
...(5)
Figure pat00006
... (5)

센서출력 A0는 페러데이 효과 신호의 진폭 AF에 비례하여 나타나지만 초기 동작점 위상값인 Φb에 의존적이며, A0를 최대로 키우기 위해 Φb=п/2인 지점에서 동작점을 유지시켜 주어야하며, 도 2(a)에 도시된 특성곡선에서는 동일한 AF에 대하여 Φb값의 변화에 따라 A0값이 달라지는 것을 보이고 있다.The sensor output A 0 appears proportional to the amplitude A F of the Faraday effect signal but is dependent on the initial operating point phase value Φ b and must be maintained at Φ b = п / 2 to maximize A 0 And the characteristic curve shown in FIG. 2 (a) shows that the value of A 0 varies with the change of the value of φ b with respect to the same A F.

그리고, 도 2의 (b)에서는 이와 같이 동작점에 따라 센서 출력이 변하는 것을 극복하기 위하여 90°만큼 위상이 변화된 또 다른 응답 특성곡선을 보이고 있다.2 (b) shows another response characteristic curve whose phase is changed by 90 degrees in order to overcome the variation of the sensor output according to the operating point.

한편, 상기와 같이 도시된 두 개의 응답 특성곡선을 통하여 나타나는 두 개의 출력 신호 진폭은 상호보완적으로 변하게 되며, 이 두 신호의 조합을 통하여 동작점에 무관한 최종 출력 신호를 얻을 수 있다. On the other hand, the two output signal amplitudes shown through the two response characteristic curves shown above change complementarily, and a final output signal independent of the operating point can be obtained through the combination of these two signals.

상세히, 90°위상 차이가 나는 두 개의 응답 특성곡선의 출력값은 아래 수식(6) 및 수식(7)과 같이 나타낼 수 있다.In detail, the output values of the two response characteristic curves having a 90 ° phase difference can be expressed by the following equations (6) and (7).

Figure pat00007
..(6)
Figure pat00007
.. (6)

Figure pat00008
..(7)
Figure pat00008
.. (7)

여기서 두 개의 출력신호에 대하여 시간평균파워<I1>, <I2> 및 ω의 주파수 성분의 진폭(amplitude) A1, A2는 각각 다음 수식(8) 내지 수식(11)과 같이 나타난다. Here, for the two output signals, the amplitudes A 1 and A 2 of the frequency components of the time-averaged powers <I 1 >, <I 2 > and ω are expressed by the following equations (8) to (11), respectively.

Figure pat00009
...............................(8)
Figure pat00009
...............................(8)

Figure pat00010
...............................(9)
Figure pat00010
............................... (9)

Figure pat00011
..................................(10)
Figure pat00011
................................. (10)

Figure pat00012
..................................(11)
Figure pat00012
.................................. (11)

상기 수식(8) 내지 수식(11)을 이용하여 최종 센서 출력 A0의 값을 아래 수식(12)와 같이 구하게 되면 이 값은 Φb의 영향을 받지 않고 AF에 비례함을 볼 수 있다.If the value of the final sensor output A 0 is calculated by the following equation (12) using the above equations (8) to (11), it can be seen that this value is proportional to A F without being affected by Φ b .

Figure pat00013
.....(12)
Figure pat00013
..... (12)

한편, 전술한 바와 같은 신호처리방법은 두 개의 특성곡선이 90°위상차이가 나는 이상적인 경우에 해당하는 것으로 실제 광IC소자는 제작 공정 오차로 인하여 두 개의 포트(port)에서 얻어지는 출력신호가 정확히 90°위상 차이를 가지지 못하는 문제점이 있다.The signal processing method described above corresponds to an ideal case in which two characteristic curves have a phase difference of 90 °. In actual optical IC devices, an output signal obtained from two ports due to a manufacturing process error is exactly 90 There is a problem of not having a phase difference.

따라서, 본 발명에 따른 광센서의 신호처리 방법에서는 상기 수식(6) 및 수식(7)에 위상 오차 Φe를 도입하여 이를 해소하였다. Accordingly, in the signal processing method of the optical sensor according to the present invention, the phase error phi e is introduced into the above equations (6) and (7) to solve it.

상세히 수식(6) 및 수식(7)에 위상 오차 Φe를 도입하여 전개하면 아래 수식(13) 및 수식 (14)와 같이 나타낼 수 있다.(13) and (14) by introducing the phase error phi e into the equations (6) and (7) in detail.

Figure pat00014
..(13)
Figure pat00014
.. (13)

Figure pat00015
..(14)
Figure pat00015
.. (14)

따라서, <I1>, <I2> 와 A1, A2 는 아래 수식(15) 내지 수식(18)과 같이 나타난다.Therefore, <I 1 > and <I 2 > and A 1 and A 2 are expressed by the following equations (15) to (18).

Figure pat00016
.......................(15)
Figure pat00016
....................... (15)

Figure pat00017
.......................(16)
Figure pat00017
... (16)

Figure pat00018
..............................(17)
Figure pat00018
.............................. (17)

Figure pat00019
..............................(18)
Figure pat00019
.............................. (18)

상기 수식(15) 내지 수식(18)을 이용하여 최종 센서 출력 A0’의 값을 아래 수식(19)와 같이 계산하게 되면 위상 오차 Φe가 존재하는 경우에 그 영향을 최소화시키면서 동작점 바이어스 위상 Φb에 무관하게 센서 출력을 얻을 수 있다.When the value of the final sensor output A 0 'is calculated according to the following equation (19) using the equations (15) to (18), when the phase error Φ e exists, the influence of the operating point bias phase regardless of the Φ b it is possible to obtain a sensor output.

Figure pat00020
....................(19)
Figure pat00020
... (19)

이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 광간섭계의 제조과정에 대하여 설명한다.Hereinafter, a manufacturing process of the optical interferometer according to the present invention will be described with reference to FIG.

도 3 에는 도 1 에 도시된 광집적회로부의 제작 과정을 보인 도면이 도시되어 있다.FIG. 3 is a view showing a manufacturing process of the optical integrated circuit shown in FIG.

도면을 참조하면, 본 실시 예에 따른 광집적회로부(200)는 굴절률이 1.440, 1.455인 Chemoptics 사의 ZPU-440, ZPU-455 폴리머를 이용하여 제작되며, Single mode waveguide는 Inverted rib 구조로 제작되었다.Referring to the drawing, the optical integrated circuit part 200 according to the present embodiment is manufactured using ZPU-440 and ZPU-455 polymers of Chemoptics Inc. having refractive indexes of 1.440 and 1.455, and a single mode waveguide is fabricated with an inverted rib structure.

Core의 크기는 폭 6.0㎛, 높이 6.5㎛이며, lateral core layer의 두께는 3.0㎛로 제작되었다.The core was 6.0 ㎛ wide and 6.5 ㎛ high, and the thickness of the lateral core layer was 3.0 ㎛.

상세히, 본 발명에서는 우선, 실리콘 기판(210)에 폴리머 계열의 코팅제인 ZPU-440을 스핀코팅하여 하부 클래딩층(220)을 형성하는 단계가 먼저 이루어진다.In detail, in the present invention, a step of forming a lower cladding layer 220 by spin-coating a ZPU-440 polymer, which is a polymer based coating, on a silicon substrate 210 is performed.

상기와 같이 하부 클래딩층(220)이 형성되면, 포토레지스트를 이용하여 도파로 코어 패턴(222)을 제작한 이후 ICP-RIE 장비를 이용하여 산소(O2) 플라즈마로 건식식각하여 상기 하부 클래딩층(220)에 전사하는 단계가 수행된다. After forming the lower cladding layer 220 as described above, the waveguide core pattern 222 is formed using photoresist, and then dry-etched by oxygen (O 2 ) plasma using ICP-RIE equipment to form the lower cladding layer 220 is performed.

상기와 같이 하부 클래딩층(220)에 도파로 코어패턴(222)이 전사되면, 도파로 코어패턴(222)의 상측으로 폴리머 계열의 코팅제인 ZPU-455를 약 3㎛ 두께로 코팅하고 경화시켜 코어층(230)을 형성하는 단계가 수행된다.When the waveguide core pattern 222 is transferred to the lower cladding layer 220 as described above, ZPU-455, which is a polymer-based coating agent, is coated on the waveguide core pattern 222 to a thickness of about 3 μm and cured to form a core layer 230 are formed.

코어층(230)의 형성이 완료되면, 상기 코어층(230)의 상부에 ZPU-440을 다시 약 2㎛ 두께로 코팅하고, 크롬(Cr)과 금(Au)을 각각 10㎚, 100㎚ 두께로 증착하여 편광 패턴(250)을 제작하는 단계가 수행된다. When the formation of the core layer 230 is completed, ZPU-440 is coated again on the top of the core layer 230 to a thickness of about 2 탆 and chromium (Cr) and gold (Au) A step of fabricating the polarization pattern 250 is performed.

상기와 같이 편광 패턴(250)이 제작된 코어층(230)의 상측에는 ZPU-440을 한번 더 코팅하여 클래딩층(220)의 두께를 8㎛로 늘린 이후 크롬(Cr)과 금(Au)을 증착하고 위상변조 패턴(260)을 형성하는 단계가 수행된다.The ZPU-440 is further coated on the upper side of the core layer 230 on which the polarization pattern 250 is formed to increase the thickness of the cladding layer 220 to 8 탆 and then chromium (Cr) and gold (Au) And a step of forming a phase modulation pattern 260 is performed.

상기와 같이 위상변조 패턴(260)이 형성된 이후에는 이분파장판(340)의 삽입을 위하여 그루브 라인(270)을 형성하고, 상기 그루브 라인(270)에 이분파장판(340)을 삽입하여 고정시키는 단계가 수행된다. After the phase modulation pattern 260 is formed as described above, a groove line 270 is formed for inserting the phase shift plate 340, and the phase shift plate 340 is inserted and fixed to the groove line 270 Step is performed.

상기 그루브 라인(270)은 dicing saw를 이용하여 30㎛의 폭을 가지도록 형성되며, 상기 이분파장판(340)은 상기 그루브 라인(270)에 삽입될 때 광축(Optic axis)과 광집적회로부(200)의 각도가 45°기울기를 가질 수 있도록 삽입된 이후 UV curable epoxy를 사용하여 고정된다.The grooved line 270 is formed to have a width of 30 μm by using a dicing saw. The grooved line plate 340 has an optical axis and an optical integrated circuit 200) is inserted to have a 45 ° inclination and then fixed using UV curable epoxy.

한편, 본 발명에서는 2×4 MMI 커플러(222')를 설계하기 위하여 BPM 시뮬레이션이 수행되었다. Meanwhile, in the present invention, a BPM simulation is performed to design the 2x4 MMI coupler 222 '.

상세히, 광도파로 간의 Pitch가 14㎛ 이상일 때, 커플링 파워가 1% 이하가 되는 것을 확인하였고, 2×4 MMI 커플러(222')에서 4-fold 이미지가 출력 광도파로 4개로 커플링이 잘 이루어질 수 있도록 다중간섭계의 width와 pitch를 최적화 하는 과정을 수행하여 다중모드 광도파로의 폭은 70㎛, 출력 도파로간의 pitch는 23㎛로 결정하였다. More specifically, when the pitch between the optical waveguides is 14 μm or more, it is confirmed that the coupling power is 1% or less. In the 2 × 4 MMI coupler 222 ', the 4-fold image is well coupled to four output optical waveguides The width and pitch of the multi-mode optical waveguide were optimized to 70 ㎛ and the pitch between the output waveguides was 23 ㎛.

도 4 에는 다중모드 간섭소자의 출력특성을 확인하기 위하여 다중모드 간섭소자와 Delayed Mach-Zehnder 간섭구조를 연결한 구조 및 이를 이용하여 Beam Propagation Method를 통하여 설계한 결과 그리고, 제작된 소자에서 측정된 결과를 보인 도면이 도시되어 있다.FIG. 4 illustrates a structure of a multi-mode interferometer coupled with a delayed Mach-Zehnder interferometer to verify the output characteristics of the multi-mode interferometer, a beam propagation method using the same, As shown in Fig.

본 발명에서는 2×4 MMI 커플러(222')의 출력 신호에서 나타나는 특성곡선의 위상 차이를 확인하기 위하여 스펙트럼 반응(Spectral response)를 측정하여 도 4(a)와 같은 delayed Mach-Zehnder interferometer 구조를 이용하게 되며, delay line에 의해 생기는 위상 차이 ΔΦ는 파장에 따라 아래 수식(20)과 같이 나타난다.In the present invention, in order to check the phase difference of the characteristic curve appearing in the output signal of the 2x4 MMI coupler 222 ', a spectral response is measured to use a delayed Mach-Zehnder interferometer structure as shown in FIG. 4 (a) , And the phase difference ΔΦ caused by the delay line is expressed by the following equation (20) according to the wavelength.

Figure pat00021
.............(20)
Figure pat00021
... (20)

이 때, ΔΦ=2п가 되는 파장간격 Δλ는 다음 수식(21)과 같이 나타난다.For this, the wavelength interval Δλ where ΔΦ = 2п is represented as follows: Equation (21).

Figure pat00022
.................................(21)
Figure pat00022
................................. (21)

Delay line에 의한 ΔI = 106㎛이고, λ0=1550㎚ 일때, Δλ는 약 16㎚가 되며, MMI 커플러의 길이가 5130㎚일 때 도 4(b)와 같은 결과 파장을 얻을 수 있다.When ΔI = 106 μm due to the delay line and λ 0 = 1550 nm, Δλ becomes about 16 nm, and the resultant wavelength as shown in FIG. 4 (b) can be obtained when the length of the MMI coupler is 5130 nm.

그리고, 폴리머 광도파로를 이용하여 제작된 delayed MZ MMI 디바이스에서는 MMI 길이가 5230㎚ 일때 가장 이상적인 결과를 얻을 수 있었으며, 결과 파장은 도 4(c)와 같이 나타났다.In the delayed MZ MMI device fabricated using the polymer optical waveguide, the ideal result was obtained when the MMI length was 5230 nm, and the resultant wavelength was as shown in FIG. 4 (c).

또한, 각각의 출력단에서 나타나는 스펙트럼에서 최소값을 가지는 파장들의 간격을 분석하면 각 신호들의 상대적인 위상 차이를 계산할 수 있으며, 제작된 MMI 디바이스에서 나타난 위상값은 이상적인 90°차이에서 2°미만으로 벗어난 값을 얻을 수 있었다. In addition, the relative phase difference of each signal can be calculated by analyzing the interval of the wavelengths having the minimum value in the spectrum appearing at each output stage, and the phase value shown in the fabricated MMI device has a value which is less than 2 ° at an ideal 90 ° difference .

즉, 제작된 MMI 디바이스의 특성은 설계된 값에서부터 오차를 가지게 되며, 이를 극복하기 위하여 길이가 서로 다른 여러 개의 소자들을 하나의 기판상에 제작 한 뒤 가장 좋은 특성을 지니는 소자를 선택할 수 있다. That is, the characteristics of the manufactured MMI device have an error from the designed value. To overcome this, it is possible to manufacture a plurality of devices having different lengths on one substrate and then select the device having the best characteristics.

도 5 에는 다중모드 간섭 소자의 길이를 다르게 하여 제작된 소자의 출력특성을 확인하고 이를 설계 결과와 비교한 도면이 도시되어 있다.FIG. 5 shows an output characteristic of a device fabricated with different lengths of a multimode interference device and a comparison with a design result thereof.

도 5에서는 MMI 길이가 4950㎚에서 5350㎚까지 다르게 제작된 소자에서 측정된 출력광파워의 균일성과 간섭 특성곡선의 위상차이를 확인할 수 있다.In FIG. 5, it is possible to confirm the phase difference between the uniformity of the output optical power and the interference characteristic curve measured in the device in which the MMI length is different from 4950 nm to 5350 nm.

상세히, MMI 길이가 5215㎚일 때, 출력파워비가 서로 1dB 이하로 나타났으며, 출력 특성의 상대적인 위상차이가 90°씩 차이가 나게 된다. 그리고, 이때, 오차는 5°이하로 나타남을 확인하였으며, BPM 시뮬레이션을 통하여 얻은 결과가 도 5(c) 및 5(d)에 도시되어 있다.Specifically, when the MMI length is 5215 nm, the output power ratio is 1 dB or less, and the relative phase difference of the output characteristic is different by 90 degrees. At this time, it is confirmed that the error is less than 5 degrees, and the results obtained through the BPM simulation are shown in FIGS. 5 (c) and 5 (d).

상기와 같이 설계치에 비하여 실험결과가 더 긴 MMI 소자에서 최적화 되어 나타난 것은 제작 공정 중 광도파로 패턴의 폭이 넓어지는 현상 때문인 것으로 파악된다.It is understood that the experimental result is optimized for the longer MMI device as compared with the design value as described above because the width of the optical waveguide pattern is widened during the fabrication process.

한편, 본 발명에서는 MMI 광도파로와 여러 광소자들을 집적시킨 광집적회로부(200)의 삽입손실(insertion loss)을 확인하기 위하여 센싱코일과 연결되는 출력부로 빛을 입사시켜서 MMI 커플러를 지나 출력되는 광파워를 측정하였다.In the present invention, in order to confirm the insertion loss of the optical integrated circuit part 200 in which the MMI optical waveguide and various optical elements are integrated, light is incident on the output part connected to the sensing coil, Power was measured.

MMI 출력 광을 측정한 값들을 모두 합치면 삽입손실은 14.2 dB로 나타났으며, 이는 Y-분기 손실 3 dB, fiber-waveguide mode mismatch loss 2.3 dB, propagation loss 3.7 dB, groove line loss 0.9 dB 그리고 MMI coupler loss 1.3 dB 와 함께, polarizer에서 TM 성분이 흡수되어 사라지는 3 dB loss 가 합쳐져서 나타난 것으로 확인되었다. If the measured values of MMI output light are summed together, the insertion loss is 14.2 dB, which is 3 dB for Y-branch loss, 2.3 dB for fiber-waveguide mode mismatch loss, 3.7 dB for propagation loss, 0.9 dB for groove line loss, With loss of 1.3 dB, it was confirmed that the 3 dB loss of the polarizer absorbed and disappears from the TM component.

그리고, 편광필터의 소광비(extinction ratio)는 20 dB 이상으로 측정되었고, 열광학 위상변조기(TO phase modulator) 전극의 저항은 28 Ω으로 나타났다.The extinction ratio of the polarization filter was measured to be 20 dB or more, and the resistance of the thermocouple phase modulator electrode was 28 Ω.

도 6 에는 동작점 변화에 따른 출력신호와 이를 분석한 내용을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 7 에는 동작점 변화에 무관한 센서특성을 확인하기 위하여 도 6의 신호를 이용하여 신호처리를 수행한 내용을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있으며, 도 8 에는 동작점 조절을 하지 않은 상태에서 전류를 인가하여 광전류센서의 특성을 확인한 내용을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.FIG. 6 is a view for explaining an output signal according to a change in operating point and an analysis result thereof. FIG. 7 shows signal processing using the signal of FIG. 6 in order to confirm a sensor characteristic independent of an operating point change. FIG. 8 is a view for explaining the characteristics of a photocurrent sensor by applying a current without operating point adjustment. In FIG.

이들 도면을 참조하면, 센싱코일을 관통하는 방향으로 통과하는 전선에 60Hz 사인파 전류를 인가하면서 광센서에 나타나는 신호를 살펴보기 위하여 위상변조기(260)에 1Hz 미만의 삼각파를 걸어주어서 동작점 위상이 2п 이상으로 천천히 흔들리도록 하여 센서의 동작점 위상을 변화시킨다.Referring to these figures, a triangular wave of less than 1 Hz is applied to the phase modulator 260 in order to examine the signal appearing on the optical sensor while applying a 60 Hz sinusoidal current to the electric wire passing in the direction passing through the sensing coil, So that the operating point phase of the sensor is changed.

상기와 같이 위상변화가 발생하게 되면, 광센서 출력신호로부터 시간평균파워(Time average power)성분인 <I1>, <I2>가 도 6(a)와 같이 나타났으며, 두 개의 특성곡선이 약 90°의 위상차이를 가지는 것이 확인되었다.When the phase change occurs as described above, the time average power components <I 1 > and <I 2 > are obtained from the optical sensor output signal as shown in FIG. 6 (a) It was confirmed that the phase difference of about 90 ° was obtained.

그리고, 60Hz 전류 신호의 진폭에 비례하여 나타나는 optical amplitude signal A1, A2를 측정한 결과 그림 6(b)와 같이 나타났으며, A1, A2의 크기는 동작점 변화에 의존적으로 나타나지만 서로 상호 보완적으로 크기가 변하는 것을 확인할 수 있다.Figure 6 (b) shows the results of measuring the optical amplitude signals A 1 and A 2 proportional to the amplitude of the 60 Hz current signal. The magnitudes of A 1 and A 2 depend on the operating point variation, It can be confirmed that the size changes mutually.

또한, 두 개의 특성곡선의 상대적 위상차이를 확인하기 위하여 리사쥬 커브(Lissajous Curve)를 그려보면 도 6(C)와 같이 나타나며, 이로부터 두 특성곡선의 위상차이가 90°에서 11.5°만큼 벗어나게 됨이 확인되었다.In order to check the relative phase difference of the two characteristic curves, a Lissajous curve is drawn as shown in FIG. 6 (C), from which the phase difference between the two characteristic curves deviates by 90 ° to 11.5 ° .

한편, <I1>, <I2>값과 A1, A2 값을 이용하여 최종 센서 출력 신호를 구하기 위해 상기 수식(12) 를 이용하여 계산하면 도 7의 녹색선으로 나타나는 결과를 얻게 된다. 이 값은 동작점 위상 φb 변화에 따라 10% 이상의 오차를 가지게 되는데 이는 광집적회로의 제작 오차로 인해 두 특성곡선들 간의 위상차이가 정확히 90° 가 되지 못하여서 나타나는 문제이다.In order to obtain the final sensor output signal using the values of <I 1 > and <I 2 > and the values of A 1 and A 2 , the result shown by the green line in FIG. 7 is obtained by using Equation (12) . This value has an error of more than 10% according to the change of the operating point phase φ b. This is because the phase difference between the two characteristic curves is not exactly 90 ° due to the manufacturing error of the optical integrated circuit.

이를 해결하기 위해 Φe= 11.5° 를 적용하고 수식(19)를 이용하여 계산한 결과가 도 7의 검은선으로 나타났으며, 신호의 오차가 줄어든 것을 볼 수 있다.In order to solve this problem, it is seen that the result of calculation using Φ e = 11.5 ° and the equation (19) is shown by the black line in FIG. 7, and the error of the signal is reduced.

Φe를 고려한 보정 이후에도 남아있는 오차의 원인은 MMI 소자의 특성에서 기인하며, 2×4 MMI 에서 두 입력신호 간의 상대적 위상값이 변할 때 radiation 되는 빛이 발생하여 출력 광파워의 합이 일정하게 유지될 수 없기 때문인 것으로 확인되었다.Even after the correction considering Φ e , the cause of the remaining error is due to the characteristics of the MMI device. In the 2 × 4 MMI, when the relative phase value between the two input signals changes, the radiation is generated, It is confirmed that it can not be.

따라서, 이와 같은 오차를 보완하기 위하여 φb 변화에 따른 최종 출력신호 A0값을 초기화 단계에서 미리 측정하여 기록한 뒤, 센서 동작중에 <I1>, <I2> 신호를 이용하여 실시간으로 동작점을 찾은 후 센서 출력을 다시 한번 캘리브레이션 하는 방법을 적용하였으며, 그 결과 φb 가 2п 이상 변화되더라도 센서 출력값의 RMS 오차는 2%이하로 유지됨을 확인할 수 있었다. (도 7의 붉은 점 참조)Therefore, in order to compensate for this error, the final output signal A 0 value according to the change of φ b is measured and recorded in the initialization step in advance, and then the operation point is calculated using the <I 1 > and <I 2 > And the sensor output is calibrated once again. As a result, the RMS error of the sensor output value is maintained at 2% or less even if φ b is changed by 2 sec or more. (See the red dot in Fig. 7)

한편, 도 8에서는 바이어스에 무관하게 동작하는 전류센서 특성을 확인하기 위하여 동작점 피드백 제어를 하지 않는 오픈루프 상태에서 전류량을 80~900A 까지 증가시켰다가 다시 감소시키면서 센서 출력신호를 확인하였다. 8, in order to confirm the characteristic of the current sensor operating independently of the bias, the amount of current is increased to 80 to 900 A in the open loop state in which the operating point feedback control is not performed, and then the current is again reduced to check the sensor output signal.

확인결과 전기식 CT로 측정한 값과 비교하였을 때 100A 이상에서 RMS 오차는 0.2%이며, 피크 오차는 ±0.05%로 나타나는 것이 확인되었다.
As a result, it was confirmed that the RMS error was 0.2% and the peak error was ± 0.05% at 100 A or more when compared with the value measured by the electric CT.

100........ 광원 200........ 광집적회로부
210........ 실리콘 기판 220........ 코어 클래딩층
222........ 도파관 코어패턴 222′...... 2×4 MMI 커플러
230........ 코어층 250........ 편광필터
260........ 위상변조기 270........ 그루브 라인
320........ 사분파장판 340........ 이분파장판
400........ 전자기 프로브 600........ 미러
800........ 광출력기
100 Light source 200 Optical integrated circuit
210 silicon substrate 220 core cladding layer
222 Waveguide core pattern 222 '... 2 x 4 MMI coupler
230 Core layer 250 Polarizing filter
260 ......... phase modulator 270 ........ groove line
320 ........ Four wave plate 340 ........ This wave plate
400 ......... Electromagnetic probe 600 ........ Mirror
800 ........ optical output device

Claims (4)

SLED 광원으로부터 입사되는 빛을 출력하는 제1 Y-분기 광도파로 소자;
상기 제1 Y-분기 광도파로 소자에서 출력되는 빛을 원거리에 위치한 센싱부에 전달하기 위한 편광유지 광섬유;
상기 편광유지 광섬유를 통해 전달되는 빛을 두 개의 원편광 상태로 변환시키는 사분파장판(Quarter Wave Plate, QWP);
상기 사분파장판(QWP)을 통과한 빛을 반사시키는 미러;
상기 사분파장판(QWP)과 미러 사이에 구비되는 전기광학 또는 자기광학 프로브;
상기 제1 Y-분기 광도파로 소자의 일단과 연결되며, 상기 미러를 통해 반사된 빛이 유입되는 제2 Y-분기 광도파로 소자;
상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 일측에 위치하여 분기 된 빛의 일부가 통과하는 편광 변환기;
상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 다른 일측에 위치하여 분기 된 빛의 나머지가 통과하는 위상 변조기;
상기 제2 Y-분기 광도파로 소자의 두 경로를 통과한 빛이 유입되는 2×4 MMI 커플러 및 상기 2×4 MMI 커플러 일측에 구비되는 편광필터;를 포함하도록 구성되어,
상기 2×4 MMI 커플러로 유입되는 빛은 다중 모드 간섭현상과 함께 편광필터에 의해 TE 성분의 빛들만 4개의 광도파로를 거쳐 출력되어 광검출기를 통해 전류로 바뀌게 되는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 구조.
A first Y-branch optical waveguide device for outputting light incident from the SLED light source;
A polarization maintaining optical fiber for transmitting the light output from the first Y-branch optical waveguide device to a sensing unit located at a remote location;
A quarter wave plate (QWP) for converting the light transmitted through the polarization maintaining optical fiber into two circularly polarized light states;
A mirror for reflecting light passing through the quartz wave plate (QWP);
An electro-optical or magneto-optical probe provided between the quartz wave plate (QWP) and the mirror;
A second Y-branch optical waveguide element connected to one end of the first Y-branch optical waveguide element and receiving the light reflected through the mirror;
A polarization converter positioned at one side of the second Y-branch optical waveguide and through which part of the branched light passes;
A phase modulator located at another side of the second Y-branch optical waveguide and through which the rest of the branched light passes;
A 2x4 MMI coupler into which light having passed through the two paths of the second Y-branch optical waveguide flows, and a polarization filter provided on one side of the 2x4 MMI coupler,
Wherein the light incident on the 2x4 MMI coupler is converted into a current through a photodetector by outputting only TE light beams through four optical waveguides by a polarization filter together with a multimode interference phenomenon. .
제 1 항에 따른 광 간섭계의 구조를 포함하며,
상기 2×4 MMI 커플러를 통해 출력되는 4개의 광신호 입출력특성 곡선은 서로 90°, 180°, 270°의 위상 차이를 가지고,
상기 4개의 광신호 출력 신호를 조합하여 생성되는 신호를 통해 전류/전압 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서
11. An optical interferometer comprising a structure of an optical interferometer according to claim 1,
The four optical signal input / output characteristic curves output through the 2 × 4 MMI coupler have phase differences of 90 °, 180 ° and 270 °,
And a current / voltage signal is measured through a signal generated by combining the four optical signal output signals. The multi-mode interference optical waveguide device-based optical sensor
제 1 항에 따른 광 간섭계의 구조를 포함하는 광센서의 신호처리방법에 있어서,
마이크로 히터를 포함하는 위상변조기를 구동시켜 센서를 초기화하는 과정에서 광센서의 동작특성을 확보하는 단계와,
상기 광센서의 동작특성을 확보하는 단계를 통해 확보된 동작특성을 이용하여 초기 위상 상태에 따라 발생하게 되는 미소한 영향을 보정하는 단계;를 포함하며,
상기 보정하는 단계에서는 위상 오차 Φe가 존재하는 경우에 하기 수식
Figure pat00023

을 이용하여 보정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광센서의 신호처리방법.
A signal processing method of an optical sensor including a structure of an optical interferometer according to claim 1,
Comprising the steps of: operating a phase modulator including a micro-heater to secure the operating characteristics of the optical sensor in a process of initializing the sensor;
And correcting a small influence caused by an initial phase state by using the operation characteristics acquired through securing an operation characteristic of the optical sensor,
In the correction step, when a phase error &lt; RTI ID = 0.0 &gt;
Figure pat00023

And the correction is performed by using the correction value.
실리콘 기판에 폴리머 계열의 코팅제를 스핀코팅하여 하부 클래딩층을 형성하는 단계;
포토레지스트를 이용하여 도파로 코어패턴을 제작하고, 건식식각을 통해 상기 하부 클래딩층에 도파로 코어패턴을 전사하는 단계;
상기 도파로 코어패턴의 상측으로 폴리머 계열의 코팅제를 코팅하고 경화시켜 코어층을 형성하는 단계;
상기 코어층의 상측에 폴리머 계열의 코팅제를 코팅하고 크롬(Cr) 또는 금(Au) 등의 금속을 이용하여 다중으로 각각 서로 다른 두께를 가지도록 증착하여 편광 패턴을 제작하는 단계;
상기 편광 패턴이 제작된 코어층의 상측으로 ZPU 계열의 코팅제를 추가로 코팅하여 클래딩층의 두께를 늘린 이후 크롬(Cr)과 금(Au)을 증착하고 위상변조 패턴을 형성하는 단계;
적어도 일부분이 도파로 상에 위치되는 이분파장판을 삽입하기 위하여 그루브 라인을 형성하고, 상기 그루브 라인에 이분파장판을 삽입하여 고정시키는 단계;를 포함하는 광간섭계의 제조방법.
Spin coating a polymeric coating material on a silicon substrate to form a lower cladding layer;
Fabricating a waveguide core pattern using a photoresist and transferring the waveguide core pattern to the lower cladding layer through dry etching;
Coating a polymer-based coating agent on the upper side of the waveguide core pattern and curing the core layer to form a core layer;
Coating a polymer-based coating material on the upper side of the core layer, and depositing the coating material so as to have different thicknesses by using a metal such as chromium (Cr) or gold (Au) to form a polarization pattern;
Coating a ZPU-based coating material on the upper side of the core layer on which the polarization pattern is formed to increase the thickness of the cladding layer, and then depositing chromium (Cr) and gold (Au) to form a phase modulation pattern;
Forming a grooved line for inserting at least a portion of the retarder positioned on the waveguide and inserting and fixing the cutoff plate to the groove line.
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