KR20200092217A - 부분 반사체를 이용한 다구간 광섬유 변위 측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부분 반사체를 이용한 다구간 광섬유 변위 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광이득부와 반사부 사이 광경로의 길이가 변함에 따라 모드잠금 주파수가 변하는 것을 이용하여 광 이득부와 반사부 사이 광경로의 길이 및 길이의 변화량을 측정하는 다구간 광섬유 변위 측정장치에 관한 것이다.
본 발명의 측정장치는 모드잠금 주파수 변화를 측정하여 반사부의 위치 변화여부 뿐만 아니라 광경로 상에서 변형이 일어난 위치 및 그 정도를 관측할 수 있다.

Description

부분 반사체를 이용한 다구간 광섬유 변위 측정장치 및 방법 {Measuring device using partial reflector and thereof measuring method}

본 발명은 부분 반사체를 이용한 다구간 광섬유 변위 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광이득부와 반사부 사이 광경로의 길이가 변화함에 따라 모드잠금 레이저가 발진되는 모드잠금 주파수가 변화하는 것을 이용하여 광이득부와 반사부 사이 광경로의 길이 및 길이의 변화를 측정하는 다구간 광섬유 변위 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

외부 요인에 의한 구조의 변화를 계측하는데 있어 기존의 전기식 센서는 일상적인 계측에서는 별다른 문제점이 없지만 외부 노출부분 또는 노출길이가 긴 다리와 터널과 같은 곳에서는 수년에서 수십년의 장기적 계측이 어려운 문제가 있다. 다리나 터널, 교량 등의 부식, 전력 손실 등 다양한 요소를 보다 용이하게 계측하기 위하여 최근에는 광센서를 활용하고 있다.

일반적으로 모드잠금 기술은 공진기 내에 광자의 일주시간을 정수배로 나눈 주기를 가지는 주기적인 전기신호를 가하여 짧은 광 펄스(optical pulse)를 만드는 광원기술이다.

이 때 발진되는 출력광의 세기는 전기신호의 주기가 광자의 일수시간의 정수배에 해당하는 모드잠금 조건을 만족할 때에 가장 극대화되는 특성을 갖는다. 이러한 모드잠금 조건을 만족하는 전기신호의 주파수를 모드잠금 주파수라 하며, 광원은 주로 광통신 기술이나 별개의 장치로 구성된 영상 측정기기에 응용된다.

모드잠금 레이저를 이용한 영상 측정기기는 빛의 결맞음(coherence) 현상을 이용하여 샘플의 깊이 방향의 영상을 획득하는 장비인 광결맞음 단층 영상기기(optical coherence tomography, OCT)를 포함한다. 광결맞음 단층 영상기기는 샘플의 내부 조직 단면을 영상화하여 볼 수 있는 이미징 시스템이다. 상기 광결맞음 단층 영상기기는 추가적인 광간섭계를 이용하여 근적외선 파장대의 광원의 간섭 원리를 이용한 기기이다. 특히, 상기 광결맞음 단층 영상기법은 샘플의 내부를 비접촉하여 조영하는 영상기법으로 최근 들어 이와 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다.

모드잠금을 이용한 광결맞음 단층 영상기기와 관련하여 대한민국 등록특허 제 10-1770779호와 같이 정보의 획득을 위하여 중심 파장 가변 레이저 등을 사용하고 있다. 그러나 분산 매개체 혹은 파장별 광경로 차이 유도 소자 등을 사용하여 파장의 변화를 측정하는 경우 공진기 내 광경로의 변화정도 및 변형된 위치를 정확하게 측정하기 어려운 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제 10-1770779호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 광이득부와 반사부 사이 광경로의 길이가 변함에 따라 모드잠금 레이저가 발진되는 모드잠금 주파수가 변하는 것을 이용하여 광이득부와 반사부 사이 광경로의 길이 및 길이의 변화량을 측정하는 다구간 광섬유 변위 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

주기가 시간에 따라 변화하는 전기신호를 발생시켜 출력하는 전기신호 발생부;

상기 전기신호 발생부의 전기신호로 제어되는 광이득부;

상기 광이득부에서 출력되는 광의 진행경로를 변화시키며 광신호를 순환시키는 광순환부;

복수 개의 서로 다른 공진기의 길이를 형성하는 복수 개의 부분 반사체를 포함하는 반사부;

광의 세기를 일정 비율로 분배하는 광분배부;

상기 복수 개의 부분 반사체가 형성하는 각각의 공진기의 모드잠금 조건에 대응하는 복수 개의 모드잠금 주파수에 대응하는 특정 주기의 전기신호가 가해지는 시간 때를 측정하는 광검출부; 및

상기 복수개의 모드잠금 주파수 간의 차이 주파수의 변화에 대응하는 다구간 광섬유 변위의 시간 변화를 관측하는 연산부;를 포함하고, 상기 공진기의 광이득부, 광순환부, 광분배부, 반사부는 링구조에 위치하는 것을 특징으로 하는 다구간 광섬유 변위 측정장치를 제공한다.

반사부의 부분 반사체는 브래그 격자형 부분 반사체를 포함할 수 있다.

반사부의 부분 반사체는 간섭구조형 부분 반사체를 포함할 수 있다.

본 발명의 측정장치는 반사부의 위치 변화여부 뿐만 아니라 광경로 상에서 변형이 일어난 위치 및 그 정도를 모드잠금 주파수를 이용하여 관측할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다구간 광섬유 변위 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 브래그 격자형 부분 반사체를 포함하는 다구간 광섬유 변위 측정장치의 공진기 구조를 나타낸 구조도이다.
도 3은 본 발명의 간접구조형 부분 반사체를 포함하는 다구간 광섬유 변위 측정장치의 공진기 구조를 나타낸 구조도이다.
도 4는 본 발명의 측정장치를 이용하여 광섬유 변위를 측정한 일 실시예의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 측정장치를 이용하여 광섬유 변위를 측정한 다른 일 실시예의 모식도이다.

이하에서 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 주기가 시간에 따라 변화하는 전기신호를 발생시켜 출력하는 전기신호 발생부; 상기 전기신호 발생부의 전기신호로 제어되는 광이득부; 상기 광이득부에서 출력되는 광의 진행경로를 변화시키며 광신호를 순환시키는 광순환부; 복수 개의 서로 다른 공진기의 길이를 형성하는 복수 개의 부분 반사체를 포함하는 반사부; 광의 세기를 일정 비율로 분배하는 광분배부; 상기 복수 개의 부분 반사체가 형성하는 각각의 공진기의 모드잠금 조건에 대응하는 복수 개의 모드잠금 주파수에 대응하는 특정 주기의 전기신호가 가해지는 시간 때를 측정하는 광검출부; 및 상기 복수개의 모드잠금 주파수 간의 차이 주파수의 변화에 대응하는 다구간 광섬유 변위의 시간 변화를 관측하는 연산부;를 포함하고, 상기 공진기의 광이득부, 광순환부, 광분배부, 반사부는 링구조에 위치하는 것을 특징으로 하는 다구간 광섬유 변위 측정장치를 제공한다.

도 1은 본 발명 다구간 광섬유 변위 측정장치의 구성도이다. 도 1을 참고하여 각 구성에 대하여 설명한다.

전기신호 발생부(RF Generator)는 주기가 시간에 따라 변화하는 전기신호를 발생시켜 출력한다. 공진기 내에 위치한 반사부의 부분 반사체에 의해 각기 다른 경로가 형성되고, 그 경로에 각각 대응되는 광자의 일주시간에 따라 나타나는 복수의 서로 다른 주기적 전기신호들에 대하여 그 주기가 시간에 따라 변하도록 출력할 수 있다. 시간에 따라 변하는 신호를 발생시켜 다른 경로와 대응되는 신호의 주기를 이용할 수 있고, 측정하고자 하는 결과값을 얻기 위한 조건의 조절을 할 수 있다.

광이득부(SOA)는 전기신호 발생부의 제어되어 공진기를 일주하는 반사광 중 원하는 부분 반사광에만 광이득을 부여하여 모드잠금을 발생시키는 역할을 할 수 있다.

광순환부는 광이득부에서 출력되는 광의 진행경로를 변화시키며 광신호를 순환시키는 역할을 할 수 있고, 광분배부는 광의 세기를 일정 비율로 광검출부에 분배할 수 있다.

반사부는 복수 개의 부분 반사체(partial reflector, PR)로 구성된다. 부분 반사체는 공진기 내의 특정 광경로 거리에 위치하여 부분 반사 신호를 일으킨다. 광자의 일주시간을 정수배로 나눈 주기에 해당하는 모드잠금 조건에 대응한 전기신호가 전기신호 발생부로부터 광이득부에 가해지는 시간 때에 레이저가 발진된다. 이 때 모드잠금 조건에 대응한 전기신호는 모드잠금 주파수를 가진다. 이는 능동모드 레이저(active mode locking laser, AML laser)의 발진원리와 동일하다.

부분 반사체는 광세기의 일부는 통과시키면서 나머지는 반사시킨다. 광섬유 내 위치한 복수 개의 부분 반사체 간 광경로의 거리 차이, 위치 분포 및 외부의 환경 변화 또는 자극에 의한 광섬유 길이 변화는 모드잠금 조건의 차이를 발생시킬 수 있다. 이에 의하여 발생한 모드잠금 조건은 모드잠금 주파수의 변화를 이용하여 측정할 수 있다. 즉, 모드잠금 주파수의 변화를 이용하여 광섬유의 상태를 측정하는 형태일 수 있다.

반사부의 부분 반사체는 브래그 격자형 부분 반사체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 도 2는 브래그 격자형 부분 반사체를 포함하는 다구간 광섬유 변위 측정장치의 공진기 구조를 나타낸 구조도이다. 반사부를 이루는 부분반사체는 광섬유 격자(fiber Bragg grating, FGB), 즉 광섬유 내부 굴절률의 차이를 이용한 간섭계 형성을 통하여 제작될 수 있다.

반사부의 부분 반사체는 간섭구조형 부분 반사체를 포함할 수 있다. 도 3은 간접구조형 부분 반사체를 포함하는 다구간 광섬유 변위 측정장치의 공진기 구조를 나타낸 구조도이다. 간접구조형 부분 반사체는 광섬유 코어와 공기의 굴절률 차이를 이용한 간섭구조에 따라 다양한 반사도를 가지는 특징이 있다. 간섭구조의 간격에 따라 반사도가 변화 및 중첩되므로 다양한 조건을 설정할 수 있다.

광섬유 센서는 전자기 간섭, 고온, 고압과 같은 환경에서도 작동이 가능하며, 내부식성이 뛰어나고 무게가 적어 광대역 또는 장거리 측정에 활용가능 하는 장점을 가지고 있어 최근 교량, 빌딩, 선박 등 다양한 분야에서 여러가지 용도로 사용되고 있다.

광섬유는 센서와 신호전달의 역할을 동시에 수행할 수 있다. 광섬유 센서는 전자기 간섭, 고온, 고압과 같은 환경에서도 작동이 가능하며, 내부식성이 뛰어나고 무게가 적어 광대역 또는 장거리 측정에서 활용할 수 있다. 광센서는 계측 위치와 장비에 따라 크게 2가지 유형으로 나눠진다.

점센서(Point sensor)는 하나의 지점에 하나의 센서가 위치하며, 센서 하나에 하나의 계측장비가 필요할 수 있다. 따라서 여러 지점에 대한 계측을 하기 위해서는 많은 장비가 필요하며 설치가 복잡하여 여러 지점의 계측에는 부적합할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 사용되는 분포센서(Distributed sensor)는 하나의 계측장비에 여러개의 센서를 동시에 연결 가능하며, 하나의 선에도 여러개의 센서를 연결할 수 있어 면적 또는 공간 개념의 빛 계측이 가능할 수 있다. 그러나 분포형 센서의 경우 매우 민감한 계측장비와 특수 광원이 요구된다는 문제점이 존재한다. 본 발명은 간단한 구조의 설계와 능동모드잠금 레이저의 원리를 이용하여 이러한 기존 광섬유 센서들의 문제점을 가능할 것으로 기대된다.

본 발명의 측정장치의 공진기는 광이득부, 광순환부, 광분배부, 반사부가 링구조에 위치할 수 있다.

광검출부는 광분배부에서 분배된 광의 세기를 측정하는 역할을 할 수 있다. 반사부를 구성하는 복수 개의 부분 반사체는 각각의 공진기의 모드잠금 조건을 형성하고, 이에 대응하여 복수 개의 모드잠금 주파수에 대응하는 특정 주기의 전기신호가 가해지는 시간 때가 나타난다. 전기신호가 가해지는 그 시간 때를 측정하는 구성이 광검출부이다.

연산부는 복수개의 모드잠금 주파수 간의 차이 또는 주파수의 변화에 대응하는 다구간 광섬유 변위의 시간 변화를 관측할 수 있다. 주파수의 변화에 대응한 광섬유 변위의 측정원리는 이하 설명한다.

전기신호 발생부에서 광이득부로 유입되는 변조 주파수와 반사부의 부분반사체에서 반사되어 다시 광이득부로 들어오는 빛의 주기가 정수배를 이룰 때 모드잠금이 일어나 레이저를 발진할 수 있다. 이때의 주파수를 모드잠금 주파수라고 하며, 모드잠금 주파수는 공진기의 길이에 의해 결정된다.

각각의 부분 반사체가 형성하는 공진기의 모드잠금 주파수를 측정하면 아래 수학식 1을 이용하여 광이득부와 부분반사체 사이 광경로의 길이 및 길이의 변화량을 구할 수 있다.

f_m은 공진주파수이고, N은 모드잠금 조건(mode locking order), L_cavity은 공진기의 길이, c는 빛의 속도 그리고 n은 광섬유의 굴절률이다. 수학식 1을 참고하면, 공진기의 길이 변화에 따라 모드잠금 주파수가 변한다. 따라서 모드잠금 주파수의 변한 정도를 측정하여 광경로의 길이 변화량을 알 수 있다.

즉, 공진기의 길이가 변하면 모드잠금 주파수가 변하므로 이를 역으로 이용하여 모드잠금 주파수의 변화에 따라 공진기 내 광경로의 길이 및 길이변화를 측정할 수 있다.

본 발명의 측정장치는 능동모드 잠금 레이저의 원리를 이용하여 광섬유 내부의 부분 반사체가 형성하는 구간들의 변위(길이 및 길이변화)를 모드잠금 주파수의 변화를 이용하여 측정할 수 있다. 모드잠금 주파수의 변화는 레이저 공진기의 변화에 따라 변하는 모드잠금 조건을 이용하여 측정할 수 있다.

능동모드 잠금은 공진기를 일주하는 광에 대한 광이득의 능동적인 변화에 기반한 모드잠금 기술로, 외부에서 가해진 주기적인 전기신호를 통해 공진기의 이득값을 제어하여 강한 세기의 광펄스를 만들어내는 기술이다. 전기신호의 주파수와 빛이 공진기를 일주하는 주기의 정수배에 해당하는 모드잠금 주파수와 일치할 때 모드잠금 레이저가 발진될 수 있다.

본 발명의 측정장치는 전자신호인 파형을 발생시키기 위한 전기신호 발생부에서 광이득부로 유입되는 변조 주파수와, 반사부의 부분반사체에서 반사되어 다시 광이득부로 들어오는 빛의 주기가 정수배에 해당하는 모드잠금 주파수와 일치할 때 모드잠금이 일어나 레이저를 발진할 수 있다. 이때의 모드잠금 주파수는 광경로의 길이에 의해 결정된다.

외부 전기신호의 주파수를 조절하면서 발진되는 광세기가 최대가 되는 주파수를 측정하면 모드잠금 주파수를 알 수 있다. 공진기의 길이가 변하게 되면 모드잠금 주파수가 변하므로 모드잠금 주파수가 변화를 통하여 공진기 내 광경로의 길이 및 길이변화량을 측정할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 측정장치를 이용하여 광섬유 변위를 측정한 일 실시예의 모식도이다.

도 4는 부분 반사체 2와 3 사이에 변형 게이지(strain gauge)를 가한 경우이다. 도 4를 참고하면, 부분 반사체 2와 3 사이에 변형 게이지가 가해져 부분 반사체 2와 3 사이의 공진기의 길이가 변할 수 있다. 모드잠금 주파수를 측정하면 부분 반사체 1과 2의 모드잠금 주파수의 변화가 없으나 부분 반사체 3의 모드잠금 주파수에는 변화가 나타날 수 있다. 각각의 모드잠금 주파수의 변화를 측정하고 수학식 1을 이용하여 광경로의 길이 변화량을 계산할 수 있다.

도 5는 부분 반사체 1과 2 사이에 변형 게이지(strain gauge)를 가한 경우이다. 도 5를 참고하면, 부분 반사체 1와 2 사이에 변형 게이지가 가해져 부분 반사체 1와 2 사이의 공진기의 길이가 변할 수 있다. 모드잠금 주파수를 측정하면 부분 반사체 1의 모드잠금 주파수는 변화가 없으나 부분 반사체 2와 3의 모드잠금 주파수에는 변화가 나타날 수 있다. 각각의 모드잠금 주파수의 변화를 측정하고 수학식 1을 이용하여 광경로의 길이 변화량을 계산할 수 있다.

본 발명에 따른 측정장치는 반사부의 복수 개 부분반사체의 공진주파수를 이용하여 외부 자극에 의한 공진기 내 광경로의 변위를 측정할 수 있음을 확인하였다. 또한 본 발명에 따른 측정방법은 수학식 1을 이용하여 R square 0.9 이상의 높은 정확도를 가진 결과를 도출할 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한 반사부의 복수 개의 부분반사체를 이용하여 여러 공진주파수를 측정하고, 그 결과를 조합하여 공진기 내 광경로의 어느 부분에 변형이 있었는지, 또 어느 정도 변형이 되었는지를 구간의 개수에 상관없이 구별하여 측정할 수 있다는 점에서 상당히 우수하다.

즉, 본 발명의 측정장치는 반사부의 위치 변화여부 뿐만 아니라 광경로 상에서 변형이 일어난 위치 및 그 정도를 모드잠금 주파수를 이용하여 관측할 수 있다는 점에서 기존의 광섬유 센서들과 차별화된다.

Claims (3)

1. 주기가 시간에 따라 변화하는 전기신호를 발생시켜 출력하는 전기신호 발생부;
   상기 전기신호 발생부의 전기신호로 제어되는 광이득부;
   상기 광이득부에서 출력되는 광의 진행경로를 변화시키며 광신호를 순환시키는 광순환부;
   복수 개의 서로 다른 공진기의 길이를 형성하는 복수 개의 부분 반사체를 포함하는 반사부;
   광의 세기를 일정 비율로 분배하는 광분배부;
   상기 복수 개의 부분 반사체가 형성하는 각각의 공진기의 모드잠금 조건에 대응하는 복수 개의 모드잠금 주파수에 대응하는 특정 주기의 전기신호가 가해지는 시간 때를 측정하는 광검출부; 및
   상기 복수개의 모드잠금 주파수 간의 차이 주파수의 변화에 대응하는 다구간 광섬유 변위의 시간 변화를 관측하는 연산부;를 포함하고, 상기 공진기의 광이득부, 광순환부, 광분배부, 반사부는 링구조에 위치하는 것을 특징으로 하는 다구간 광섬유 변위 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사부의 부분 반사체는 브래그 격자형 부분 반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다구간 광섬유 변위 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 반사부의 부분 반사체는 간섭구조형 부분 반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 다구간 광섬유 변위 측정장치.

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