KR20220043209A - 조정 가능한 광학 대역통과 필터를 사용하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서를 인터로게이팅하는 방법 및 시스템 - Google Patents

조정 가능한 광학 대역통과 필터를 사용하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서를 인터로게이팅하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅하는 방법이 설명된다. 방법은 다음을 포함한다: 광대역 여기 광학 복사(OA)로 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)를 조명하는 단계; 서로 상보적인 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2)를 가진 적어도 하나의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF)로, 광 섬유 센서(FBG)에 의해 투과된 광학 스펙트럼(OT) 또는 상기 광 섬유에 의해 반사된 광학 스펙트럼(OR)을 전달하는 단계; 상기 FBG 센서의 광섬유 브래그 격자의 공칭 동작 파장에 의존하여, 일정한 동작 파장에서 상기 광학 대역통과 필터(BPF)를 조정하는 단계; 상기 광학 대역통과 필터의 제1 추출 포트(1)를 빠져 나가는 제1 광학 신호(L1) 각각을 검출하는 단계; 상술된 제1 광학 신호(L1)를, 제1 광전자 수신기(PD1)에 의해, 각각의 제1 전기 신호(E1)로 변환하는 단계 - 상기 제1 전기 신호(E1)는 FBG 광 섬유 센서의 브래그 격자에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 나타냄. 상기 방법은 그 후 제1 광학 신호(L1)와 스펙트럼적으로 상보적인, 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)를 빠져가나는 제2 광학 신호(L2)를 검출하는 단계; 및 이러한 제2 광학 신호(L2)를, 제2 광전자 수신기(PDT)에 의해, 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하는 단계 - 상기 제2 전기 신호(E2)는, 각각의 제1 전기 신호(E1)가 받는 의존성과 동일한, 광대역 여기 광학 복사의 파워에 대한, 그리고 전체 광학 경로 손실에 대한 의존성을 가지며, 필터링 파장과는 실질적으로 독립적인 광학 기준 파워를 나타냄;를 포함한다. 상기 방법은, 제1 전기 신호의 검출이 광학 복사 파워 변동 및 광학 경로 상의 손실 변동에 대해 보상되는 방식으로, 검출된 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호에 기초하여, 광 섬유 센서(FBG)에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하는 단계를 포함한다. 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅하는 해당 시스템 역시 설명되고, 상술된 광학 대역통과 필터(BPF), 및 상술된 제1 및 제2 광전자 수신기(PD1), PDT는 광자 집적 회로("Photonic Integrated Circuit" - PIC)에 집적화된다.

Description

조정 가능한 광학 대역통과 필터를 사용하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서를 인터로게이팅하는 방법 및 시스템
본 발명은 일반적으로 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating) 타입의 광 섬유 센서를 사용하여 물리적 파라미터를 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 조정 가능한 광학 대역통과 필터(optical bandpass filter)를 사용하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서를 인터로게이팅하는(interrogating) 방법 및 시스템에 관한 것이다.
광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG 센서)는 단순성 및 정밀도의 속성으로 인해 변형률(strain) 또는 온도와 같은 물리적 크기를 측정하는데 점점 더 자주 사용되고 있다. 그러한 센서는 수동적이고, 이는 원하는 물리적 크기를 측정하려면, 광학 복사에 의해 조명을 비출 필요가 있고 반사 또는 투과되는 스펙트럼을 분석해야 함을 의미한다.
실제, 검출된 물리적 크기의 변동이 가장 일반적으로 알려진 해결책에서, FBG 센서의 반사 피크 파장 및/또는 스펙트럼의 이동을 야기하기 때문에, 결과를 결정하기 위해 소정의 파장 범위를 스캔해야 한다.
통상적으로, 알려진 해결책에서, 이는 다음과 같은 두 가지 대안적인 방식으로 수행될 수 있다: 파장-조정 가능한 광학 소스(예를 들어, 조정 가능한 레이저)에 의한 조명 및 광대역 수신; 또는, 전기 또는 광학적으로 조정 가능한 수신기(예를 들어, Arrayed WaveGuide Grating, AWG 또는 분광계)에 의한 광대역 조명 및 수신.
다시 말해, 송신 측이나 수신 측에서는, FBG 센서의 각 인터로게이션/쿼리(interrogation/query)에 대해, 순차적으로 광학적으로 또는 전기적으로 소정의 범위에 속하는 소정의 수의 동작 파장에 대해 조정됨으로써, 파장 스캔을 구현해야 하는 조정 가능한 디바이스가 있어야 한다.
이는 요청된 디바이스(예를 들어, 전송 시 조정 가능한 레이저 또는 수신 시 분광계)의 복잡성, 및 파장 범위(커질수도 있음)에 대한 순차적 조정의 타임프레임으로 인해 응답이 느리거나 역학이 제한되는 문제점 둘 다와 관련된, 주목할만한 단점을 초래한다.
수신 측에서, 한 가지 가능한 발전은 조정 가능한 광학 필터(예를 들어, 예를 들어, 각 단일 필터에 대해 하나 또는 두 개의 링을 포함하는 변형에서 마이크로-링 공진기 필터)의 사용으로부터 도출될 수 있다. 그러나, 그러한 해결책은 또한 상대적으로 느린 역학으로 인해 어려움을 겪는데, 이는 그러한 시스템의 동작이 FBG 센서의 스펙트럼의 피크를 식별하기 위해, 중심 파장 주위에서 FBG 센서의 스펙트럼의 주기적으로 수행되는 연속 스캔으로 인해 조정 가능한 광학 필터를 조정하는 것을 포함하기 때문이다. 이로써, 그러한 디바이스의 동적 성능은 상대적으로 느린 마이크로-링의 공진 파장의 스캔 속도에 의존한다.
이러한 해결책에서 발생하는 또 다른 문제(이전에 언급된 알려진 다른 해결책에서와 같이)는 레이저 방출 파워 변동으로 인한 스퓨리어스 파워 변동 및 광학 빔에 의해 덮인 광학 경로의 스퓨리어스 가변 손실의 영향으로부터 비롯된다.
위의 관점에서 볼 때, 집적화된 광학기긱에서 얻은 FBG 센서를 인터로게이팅하는 시스템 및 방법이 절실하게 필요하고, 상기 시스템 및 방법은 상술된 기술적 문제점을 완화하고 다음 기준을 충족할 수 있다: (i) 컴팩트하고 단순한 구조 및 컴팩트하고 간단한 사용; (ii) 더 빠른 응답으로 향상된 동적 성능; (iii) 스퓨리어스 손실 및/또는 광학 조명 파워의 변동에 대한 더 큰 내성; (iv) 저렴한 비용; (v) 적대적인 환경에 대한 견고성.
제동 시스템의 패드 및 캘리퍼에서 수행되는 측정을 위한 중요한 응용 분야를 포함하여, 광범위한 응용 분야에서 사용되는 FBG 센서를 인터로게이팅하는 방법에 대한 그러한 필요성이 절실하다.
이미 언급된 바와 같이, 상기 요구는 선행 기술에 의해 현재 제공되는 해결책에 의해 완전히 충족되지 않는다.
본 발명의 목적은 선행 기술을 참조하여 위의 단점을 적어도 부분적으로 극복하고, 다루고 있는 기술 분야에서 특히 느끼고 있는 위의 요구를 충족시키킬 수 있는 조정 가능한 광학 대역통과 필터를 사용하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서를 인터로게이팅하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적 및 다른 목적은 청구항 1에 따른 조정 가능한 광학 대역통과 필터를 사용하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광섬유 센서를 인터로게이팅하는 방법에 의해 달성된다.
그러한 방법의 일부 유리한 실시예는 종속 청구항 2-7의 청구 대상이다.
또한, 본 발명의 목적은 조정 가능한 광학 대역통과 필터를 사용하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서를 인터로게이팅하는 대응 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 8에 따른 시스템에 의해 달성된다.
그러한 시스템의 일부 유리한 실시예는 종속 청구항 9-22의 청구 대상이다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 추가 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 비제한적인 설명에 의해 제공되는 바람직한 실시예의 하기 설명으로부터 명백해질 것이며, 여기서:
- 도 1-5는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 타입의 광섬유 센서를 인터로게이팅하는 시스템의 서로 다른 실시예 각각을 기능 블록도로 도시하고;
- 도 6은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예에 포함된 광학 대역통과 필터의 기능도를 도시하고, 광학 필터에 진입하고, 광학 필터의 제1 추출 포트를 빠져나가고, 광학 필터의 제2 투과 포트를 빠져 나가는 광학 스펙트럼의 일 예를 추가로 도시하고;
- 도 7은 시스템의 일 실시예에 포함된 광학 마이크로-링 공진기 대역통과 필터의 구조도를 도시하고;
- 도 8a 및 8b는 광대역 광학 신호가 입력에 주입될 때 광학 필터의 제1 추출 포트 및 제2 투과 포트를 각각 빠져 나가는 스펙트럼을 도시하고;
- 도 9는 광 섬유 센서(FBG)의 반사 스펙트럼 및 도 7 및 8의 광학 대역통과 필터에 의해 수행된 협대역 샘플링의 일 예를 도시하고;
- 도 10 및 11은 광섬유 센서(FBG)에 의해 반사된 광학 스펙트럼이 입력에서 주입될 때 광학 필터의 제1 추출 포트 및 제2 투과 포트 각각을 빠져 나가는 스펙트럼을 도시하고;
- 도 12는 도 10 및 11에 있는 스펙트럼의 확대된 세부 사항을 도시하며;
- 도 13 및 14는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서를 인터로게이팅하는 시스템의 2 개의 추가 실시예 각각을 기능 블록도로 도시한다.
광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광섬유 센서(FBG)(이하 간결함을 위해 "FBG 센서"라고도 칭함)를 인터로게이팅하는 방법이 이제 도 1-14를 참조하여 설명된다.
방법은 무엇보다도, 광대역 여기 광학 복사(OA)로 광섬유 브래그 격자 타입의 상술된 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 조명하는 단계, 및 서로 상보적인 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2)를 가진 적어도 하나의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF)로, 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)에 의해 투과된 광학 스펙트럼(OT) 또는 반사된 광학 스펙트럼(OR)을 전달하는 단계를 포함한다.
방법은 또한 광 섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 공칭 동작 파장에 의존하여 일정한 동작 파장(λi)에서 광학 대역통과 필터(BPF)를 조정하는 단계를 포함한다.
방법은 그 후 광학 대역통과 필터의 제1 추출 포트(1)를 빠져 나가는 각각의 제1 광학 신호(L1)를 검출하는 단계를 포함한다. 그러한 제1 광학 신호는 광학 대역통과 필터(BPF)의 일정한 동작 파장(λi) 주위의 광섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 투과 스펙트럼(OT) 또는 반사 스펙트럼(OR)의 협대역 광학 필터링이다.
방법은 그 후 상술된 제1 광학 신호(L1)를, 제1 광전자 수신기(PD1)에 의해, 광 섬유 센서(FBG)의 브래그 격자에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 나타내는 각각의 제1 전기 신호(E1)로 변환하는 단계를 제공한다.
서로 다른 구현 옵션에서, 이러한 제1 전기 신호(E1)는 전류 또는 전압일 수 있다.
바람직한 구현 옵션에서, 제1 전기 신호(E1)는 제1 광전자 수신기(PD1) 상에 입사하는 광학 파워에 비례하는 전압을 나타내고(또는 상기 전압에 대응하고), 그러므로 이는 광 섬유 센서(FBG)에 의한 반사 또는 투과 스펙트럼의 상술된 파장 시프트(Δλ)와 상관된다(예를 들어, 비례한다).
방법은 그 후 제1 광학 신호(L1)와 스펙트럼적으로 상보적인, 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)를 빠져 나가는 제2 광학 신호(L2)를 검출하는 단계; 및 제2 광전자 수신기(PDT)에 의해, 그러한 제2 광학 신호(L2)를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하는 단계, 상기 각각의 제2 전기 신호(E2)는, 필터링 파장과 실질적으로 독립적이고, 제1 광학 신호가 받는 의존성과 동일한, 광대역 여기 광학 복사의 파워 및 전체 광학 경로의 손실에 대한 의존성을 갖는 광학 기준 파워를 나타냄;를 포함한다.
서로 다른 구현 옵션에서, 그러한 제2 전기 신호(E2)는 전류 또는 전압일 수 있다.
바람직한 구현 옵션에서, 제2 전기 신호(E2)는 제2 광전자 수신기(PDT)에 입사하는 광학 파워에 비례하는 전압을 나타낸다(또는 상기 전압에 대응한다).
마지막으로, 방법은, 광학 대역통과 필터(BPF)의 제1 추출 포트(1)를 빠져 나간 광학 신호(L1)로부터 도출되어 검출된 제1 전기 신호(E1)에 기초하여, 그리고 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)를 빠져 나간 제2 광학 신호(L2)로부터 도출되어 검출된 광학 기준 파워를 나타내는 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 광 섬유 센서(FBG)의 브래그 격자에 의한 반사 또는 투과 스펙트럼의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하는 단계를 제공함으로써, 제1 전기 신호의 검출은 광대역 여기 광학 복사의 파워 변동 및 광학 경로 상의 손실 변동과 관련하여 보상된다.
결정된 브래그 격자에 의해 반사된 스펙트럼(OR) 또는 투과된 스펙트럼(OT)의 상술된 파장 시프트(Δλ)는 광 섬유 센서(FBG)에 의해 측정된 물리적 크기를 나타낸다.
상술된 광학 대역통과 필터(BPF), 상술된 제1 광전자 수신기(PD1) 및 제2 광전자 수신기(PDT)는 광자 집적 회로("Photonic Integrated Circuit" - PIC)에 집적된다.
통상적인 동작 조건에서, 광학 대역통과 필터(BPF)는 FBG 센서의 투과 또는 반사 스펙트럼 대역보다 더 좁은 대역폭(통상적으로 훨씬 더 좁음)을 가지도록 설계되고, 즉, 대등하게는 FBG 센서는 (도 9-12에서 도시된 바와 같이) 광학 대역통과 필터의 것보다 훨씬 더 큰 대역으로 선택된다. 이 기능으로 인해, 필터의 제2 투과 포트에 의해 검출된 전체 광학 파워는 FBG 센서에 의해 측정된 물리적 크기의 검출 범위에서 사실상 일정하게 유지된다.
광학 대역통과 필터(BPF)의 조정은 FBG 센서의 스펙트럼과 관련하여 광학 필터의 공진을 적절하게 위치시키기 위한 목적으로 초기 설정 중에 수행된다(예를 들어, 반드시 그런 것은 아니지만, 아래에 더 잘 설명될 FBG 센서 응답의 선형 존 대부분에서).
조정 후에, 광학 대역통과 필터(BPF)는 조정된 파장을 일정하게 유지하여, 결정된 파장(λi)에서 FBG 센서에 의해 반사 또는 투과된 광학 스펙트럼을 필터링하도록 동작된다. 측정하고자 하는 물리적 현상으로 인해, FBG 센서에 의해 반사 또는 투과된 전체 광학 스펙트럼 및 피크 파장의 변동, 즉 시프트(Δλ)는, 광학 대역통과 필터에 의해 필터링된 광학 스펙트럼의 일부가 결과적인 변동을 겪도록 하고, 알려진 방식으로, FBG 센서의 스펙트럼의 파장 시프트/변동과 상관된 광학 대역통과 필터의 출력에서 궁극적으로 광학 파워 변동을 결정한다.
방법의 일 실시예에 따르면, 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF)는 상술된 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2)와는 다른 제3 입력 포트(3)를 포함한다. 이 경우, 전달 단계는 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)에 의해 투과된 광학 스펙트럼(OT) 또는 반사된 광학 스펙트럼(OR)을 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF)의 제3 입력 포트(3)로 전달하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 방법은, 광학 대역통과 필터로서, 광학 마이크로-링 공진기 필터(즉, "마이크로링 공진기(MRR)")를 사용하며, 이는 본 발명에 따른 시스템의 다음 설명에서 더 자세히 개시될 것이다.
아래에 설명된 구현 옵션에 따르면, 광학 마이크로-링 공진기 필터는 단일-링 타입이며, 하나의 광학 링(8)을 포함한다.
또 다른 구현 옵션에 따르면, 광학 마이크로-링 공진기 필터는 이중-링 타입이며, 2 개의 광학 링을 포함한다(예를 들어, 과학 논문 "Low-Power-Consumption Integrated Tunable Filters for WDM Switching Applications in Silicon Photonics" - Manganelli et al. - IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 30, No. 18, September 15, 2018에 나타난 바와 같음).
일 실시예에 따르면, 방법은, 제1 광전자 수신기(PD1) 및 제2 광전자 수신기(PDT)로서, 제1 및 제2 포토다이오드 각각을 사용하며, 이는 본 발명에 따른 시스템의 다음 설명에서 더 상세하게 나타난다.
바람직한 실시예에 따르면, 상술된 조정 단계는 광섬유 브래그 격자 타입의 그러한 광 섬유 센서(FBG)의 반사 또는 투과 스펙트럼의 파장에서의 시프트 또는 변동(Δλ)이 제1 광학 신호의 파워 또는 세기에서 선형 또는 거의 선형 변동에 대응하는 방식으로, 광섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 공칭 반사 또는 투과 스펙트럼의 선형 또는 거의 선형 존 상에 위치된 일정한 동작 파장(λi)에서 광학 대역통과 필터(BPF)를 조정하는 단계를 포함한다. 이 상황은 도 9-12에 도시된다.
구현 옵션에 따르면, 방법은 반사 스펙트럼을 가진 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서를 선형 형상, 예를 들어 처프된(chirped) 광섬유 브래그 격자로 인터로게이팅하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 방법은 FBG 센서의 반사 스펙트럼(OR) 상에서 동작하는 광섬유 브래그 격자 타입의 단 하나의 광섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바아 같이, 방법은 FBG 센서의 투과 스펙트럼(OT) 상에서 동작하는 광섬유 브래그 격자 타입의 단 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅하는 단계를 제공한다.
추가 실시예(도 3에 도시됨)에 따르면, 방법은 캐스케이드 방식(cascade)의 광섬유 브래그 격자 타입의 복수의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn)를 인터로게이팅하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 광 섬유 센서 각각은 각각의 공칭 동작 파장(λ1-λn)을 특징으로 한다.
이러한 경우에, 전달 단계는 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn)의 캐스케이드에 의해 투과된 광학 스펙트럼(OT) 또는 반사된 광학 스펙트럼(OR) 전체를 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn)의 캐스케이드로 전달하는 단계를 포함하며; 그리고 조정 단계는 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn)의 공칭 동작 파장 각각에 대응하는 각각의 파장(λ1-λn) 주위에서 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각을 조정하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 제1 광학 신호(L1)를 검출하는 단계는 일정하게 유지되는, 각각의 동작 파장(λ1-λn)에서 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각의 제1 추출 포트를 빠져 나가는 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n) 각각을 검출하는 단계를 포함하며; 그리고 변환 단계는 복수의 제1 광전자 수신기(PD1-PDn)(예를 들어, 제1 포토다이오드를 포함함)에 의해, 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 변환하는 단계를 포함한다.
제2 광학 신호(L2)를 검출하는 단계는 광학 대역통과 필터의 캐스케이드의 마지막 광학 대역통과 필터(BPFn)의 제2 투과 포트(2)를 빠져 나가는 광학 신호를 검출하는 단계를 포함하며; 그리고 변환 단계는 제2 광전자 수신기(PDT)에 의해, 상술된 제2 광학 신호(L2)를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하는 단계를 포함한다.
결정 단계는, 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n)에, 그리고 검출된 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn) 각각에 의해 반사된 스펙트럼(OR) 또는 투과된 스펙트럼(OT) 각각의 파장 시프트(Δλi)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예(도 4에 도시됨)에 따르면, 방법은 광범위한 파장에서 광섬유 브래그 격자 타입의 단 하나의 광섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅하는 단계를 포함한다.
이 경우, 전달 단계는 광섬유 브래그 격자 타입의 광섬유 센서(FBG)에 의해 투과된 광학 스펙트럼(OT) 또는 반사된 광학 스펙트럼(OR)을 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn)의 캐스케이드로 전달하는 단계를 포함하며, 그리고 조정 단계는 FBG 센서에 의해 투과 또는 반사된, 상술된 광학 스펙트럼의 광범위한 파장에 속하는, 일정하게 유지되는 각각의 동작 파장(λ1-λn)에서 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각을 조정하는 단계를 포함한다.
적어도 하나의 제1 광학 신호를 검출하는 단계는 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각의 제1 추출 포트(1)를 빠져 나가는 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 검출하는 단계를 포함하며; 그리고 적어도 하나의 제1 광학 신호를 변환하는 단계는 복수의 제1 광전자 수신기(PD1-PDn)(예를 들어, 제1 포토다이오드를 포함함)에 의해, 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 변환하는 단계를 포함한다.
제2 광학 신호(L2)를 검출하는 단계는 광학 대역통과 필터의 캐스케이드의 마지막 광학 대역통과 필터(BPFn)의 제2 투과 포트(2)를 빠져 나가는 광학 신호를 검출하는 단계를 포함하며, 그리고 제2 광학 신호(L2)를 변환하는 단계는 제2 광전자 수신기(PDT)에 의해, 이러한 제2 광학 신호를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하는 단계를 포함한다.
결정 단계는 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n), 및 검출된 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 상기 광범위한 파장 내에서, FBG 센서의 반사 또는 투과 파장의 피크를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직한 구현 옵션에 따르면, 각각의 제1 전기 신호(E1i)(E11-E1n 그룹에 속함)는 각각의 광전자 수신기(Pdi)(광전자 수신기(PD1-PDn) 그룹에 속함) 상에 입사하는 광학 파워에 비례하는 전압을 나타내며, 그러므로, 이는, 각각의 광 섬유 센서(FBGi)(센서(FBG1-FBGn) 그룹에 속함)에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼의 각각의 파장 시프트(Δλi)에 상관된다(예를 들어, 비례한다).
추가 실시예(도 5에 도시됨)에 따르면, 방법은, 전달 단계 이전에, 광학 스플리터(D)에 의해, 전체 광학 파워를 분할하는 단계, 및 추가 보상을 지원하도록 구성된 제3 전기 신호(E3)를 획득하기 위해, 그 일부를 제3 광전자 수신기(PDD)에 전송하는 단계를 더 포함한다.
위에서 언급한 바와 같이(도 6에 도시된 바와 같이), 광학 대역통과 필터, 예를 들어 마이크로-링 공진기는, FBG 센서에 의해 반사된(또는 투과된) 신호의 일부를 광학 마이크로-링 필터의 추출 포트(1)("드롭(drop) 포트) 상의 공진 링의 공진 주파수에서 필터링하도록 하며; 그리고 또한 광학 마이크로-링 필터의 투과 포트(2)("스루(through) 포트") 상에서 투과된 스펙트럼(상술된 필터링된 부분 없이, FBG 센서의 스펙트럼에 대응)을 얻도록 한다.
요약하면, 이전에 개시된 바와 같이, 방법은 2개의 상보적 포트를 갖는 광학 대역통과 필터 및 그러한 상보적 포트 각각마다 2개의 광-검출기에 기초한다.
특히, 일 실시예에서, 하나 이상의 2-포트 마이크로-링 공진기는 단일 FBG 센서 또는 복수의 FBG 센서를 쿼링(querying)하기 위해 하나 이상의 2-포트 마이크로-링 공진기가 사용되며, 각 마이크로-링 공진기에 대해 집적화된 2개의 광-검출기가 마이크로-링 공진기의 2개의 "드롭" 및 "스루" 출력 포트에 연결된다.
다시 도 1-14를 참조하면, 광섬유 브래그 격자(FBG) 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서를 인터로게이팅하기 위한 시스템(10)이 이제 설명된다.
그러한 시스템은 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG), 광대역 광학 복사 소스(S), 적어도 하나의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF), 제1 광전자 수신기(PD1), 제2 광전자 수신기(PDT) 및 전자 프로세싱 수단(4)을 포함한다.
광대역 광학 복사 소스(S)는 광대역 여기 광학 복사(OA)로 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 조명하도록 구성된다.
시스템의 서로 다른 가능한 실시예에 따르면, 광대역 광학 복사 소스(S)는 초-발광(super-luminescent) LED(SLED), 또는 에르븀-도핑 광학 증폭기(EDFA)의 자발적 증폭 방출(AE)을 포함할 수 있다.
구현 옵션에 따르면, 광대역 광학 복사 소스(S)는, 광학 대역통과 필터(BPF) 및 제1 광전자 수신기(PD1)와 제2 광전자 수신기(PDT)가 집적화된 광자 집적 회로(PIC) 외부의 구성요소이다.
또 다른 구현 옵션(예를 들어, 도 13에 도시됨)에 따르면, 광대역 광학 복사 소스(S)는, 광학 대역통과 필터(BPF) 및 제1 광전자 수신기(PD1)와 제2 광전자 수신기(PDT)가 집적화된 광자 집적 회로(PIC)에 집적화된다. 이를 위해, 예를 들어 III-V 족 반도체 및 SOI(Silicon-On-Insulator) 기술(예를 들어, 과학 논문 "Hybrid Silicon Laser Technology: A Thermal Perspective" - M.N. Sysak et al. - IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 17, No. 6, Nov./Dec. 2011에 나타남)에 기초하여, 그 자체로 알려진 적절한 집적 기술이 사용될 수 있다.
적어도 하나의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF)는, 서로 상보적인 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2)를 포함하며, 그리고 이는, 그러한 센서에 의해 투과된 광학 스펙트럼(OT) 또는 상기 센서에 의해 반사된 광학 스펙트럼(OR)을 수신하기 위해, 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)에 동작 가능하게 연결된 제3 입력 포트(3)(상술된 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2)와는 상이함)를 더 포함한다.
광학 대역통과 필터(BPF)는 광섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 공칭 동작 파장에 의존하여 파장 범위에서 일정한 동작 파장(λi)으로 조정 가능하다.
제1 광전자 수신기(PD1)는 각각의 제1 광학 신호(L1)를 수신하기 위해 광학 대역통과 필터(BPF)의 제1 추출 포트(1)에 동작 가능하게 연결되며, 그리고 그러한 제1 광학 신호(L1)를 각각의 제1 전기 신호(E1)로 변환하도록 구성된다. 상술된 제1 광학 신호는 광학 필터의 일정한 동작 파장에서 광 섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 투과 스펙트럼(OT) 또는 반사 스펙트럼(OR)의 협대역 광학 필터링이다.
제2 광전자 수신기(PDT)는 제2 광학 신호(L2)를 수신하기 위해 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)에 동작 가능하게 연결되며, 그리고 상기 제2 광학 신호(L2)를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하도록 구성되고, 상기 각각의 제2 전기 신호(E2)는, 필터링 파장과 실질적으로 독립적이고, 제1 광학 신호가 받는 의존성과 동일한, 광대역 여기 광학 복사의 파워 및 전체 광학 경로의 손실에 대한 의존성을 갖는 광학 기준 파워를 나타낸다.
전자 프로세싱 수단(4)은 상술된 제1 광전자 수신기(PD1) 및 제2 광전자 수신기(PDT)에 동작 가능하게 연결되며, 그리고 광학 신호(L1)로부터 도출되어 검출된 제1 전기 신호(E1)에 기초하여, 그리고 제2 광학 신호(L2)로부터 도출되어 검출된 광학 기준 파워를 나타내는 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 광 섬유 센서(FBG)의 브래그 격자에 의한 반사 스펙트럼(OR) 또는 투과 스펙트럼(OT)의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하도록 구성됨으로써, 제1 전기 신호의 검출은 광대역 여기 광학 복사의 파워 변동 및 광학 경로 상의 손실 변동과 관련하여 보상된다.
결정된 브래그 격자에 의한 반사 또는 투과 스펙트럼의 상술된 파장 시프트(Δλ)는 광 섬유 센서(FBG)에 의해 측정된 물리적 크기를 나타낸다.
상술된 광학 대역통과 필터(BPF) 및 상술된 제1 광전자 수신기(PD1)와 제2 광전자 수신기(PDT)는 광자의 집적화된 광자 회로("광자 집적 회로" - PIC)에 집적화된다.
서로 다른 구현 옵션에 따르면, 그러한 제1 전기 신호(E1)는 전류 또는 전압일 수 있다.
바람직한 구현 옵션에서, 제1 전기 신호(E1)는 제1 광전자 수신기 상에 입사하는 광학 파워에 비례하는 전압을 나타내고(또는 상기 전압에 대응하고), 그러므로 이는 광 섬유 센서(FBG)에 의한 반사 또는 투과 스펙트럼의 상술된 파장 시프트(Δλ)와 상관된다(예를 들어, 비례한다).
시스템의 일 실시예에 따르면, 상술된 광학 대역통과 필터(BPF)는 광학 마이크로-링 공진기 필터(즉, "마이크로-링 공진기 MRR")이다.
이미 이전에 개시된 바와 같이, 두 가지 가능한 구현 옵션에 따르면, 광학 마이크로-링 공진기 필터는 단일 링 타입이고 단일 링(8)을 포함하고, 또는 광학 마이크로-링 공진기 필터는 이중-링 타입이며, 두 개의 광학 링을 포함한다.
링 공진기는 광 도파관 또는 전도체가 루프 구성으로 폐쇄된 구조이고: 특정 공진 파장의 광이 보강 간섭(constructive interference)으로 링을 통과할 때, 광의 세기는 링 내부에서 증가하고 (공진 파장에서의) 광은 링 공진기 필터의 추출/모니터링 포트로부터 추출되고 보일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로-링 공진기(6)의 입력 포트(3)에 광대역 입력 스펙트럼을 주입한 후, 링(6)의 공진 파장만 추출 포트(1)로부터 추출되는데, 이는 상기 공진 파장이 보강 간섭으로 폐쇄된 링으로 전파하는, 공진 파장에서의 광의 성분이기 때문이다.
이와 달리, 입력 스펙트럼의 다른 모든 비-공진 파장은 BPF 공진기 필터의 투과 포트(2)를 통해 투과된다.
이로써, 마이크로-링 공진기 필터(BPF)의 추출 포트(1) 및 투과 포트(2)를 빠져 나가는 두 개의 스펙트럼은 서로 상보적이며, 공진기 링은 추출 포트(1)에 대한 대역통과 필터 역할을 한다.
마이크로-링 공진기의 공진 파장은 재료의 굴절률과 디바이스의 기하학적 구조(도파관 치수 및 링 직경)에 의존하고; 공진 파장은 제어된 방식으로 변화될 수 있고, 즉, 예를 들어, 국부 마이크로-히터(9)(예를 들어, 도 7에 도시됨)에 기초한 열적 조정을 통해, 광학 가이드의 굴절률의 적은 보정에 의해 조정될 수 있다.
광학 대역통과 필터(BPF)의 추출 포트(1)가 측정될 물리적 파라미터의 변동으로 인해, FBG 센서의 동작 파장의 시프트(Δλ)를, 집적화된 광-검출기 또는 포토다이오드에 의해 검출된 파워 변동(포토다이오드 업스트림의 광학 파워 변동 및 이에 대응하는 포토다이오드 다운스트림의 전압 변동)으로 변환되는 반면, 광학 대역통과 필터(BPF)의 투과 포트(2)는 추출 포트(1)를 빠져 나가는 신호에 대해 상보적 스펙트럼을 가진 역-반사 신호(retro-reflected signal)를 제공하는 것을 주목할 가치가 있다.
FBG 센서의 광학 대역 폭이 필터의 대역폭보다 더 크다는 사실 때문에(통상적으로 훨씬 더 큼), 투과 포트(2)의 출력 파워는 FBG 센서의 스펙트럼의 전체 파워와 거의 동일하다(다시 말해, 추출 포트(1)에서 필터링 및 추출되는 부분은 전체 파워에 대해 무시할 수 있다).
그러므로, 광학 대역통과 필터의 양 포트(추출 및 투과)에어 이중 검출을 고려하는 차동 검출은 레이저 또는 다른 광학 소스의 스퓨리어스 광섬유 손실(spurious fiber losses) 및 파워 변동으로부터 영향을 받지 않는 측정을 제공한다.
일 구현 옵션(예를 들어, 도 7에 도시됨)에 따르면, 광학 마이크로-링 공진기(6)는 실리콘(마이크로-링 공진기가 집적화됨)의 열-광학 효과에 의해 파장에서 조정될 수 있다. 이는 파장 필터의 전달 함수(즉, 도 8a에 표시된 "드롭" 포트의 스펙트럼)이 전압 또는 전력의 명령 신호를 적용하여 이동될 수 있음을 의미한다.
일부 통상적인 구현 예에 따르면, 반경이 수십 μm인 마이크로-링 공진기 필터 상에 수십 mW의 열 파워가 소산되는 몇 볼트 정도의 신호를 적용하면, 5 내지 8 nm의 스펙트럼 시프트가 야기될 수 있다.
도 8a에 도시된 예에서, 마이크로-링 공진기 필터의 추출 포트의 스펙트럼은 1540 nm 내지 1565 nm의 파장 범위에서 나타난다. 공진 필터이기 때문에, 도 8의 예에서 10 nm와 같은, FSR(Free Spectral Range)이 결정된 스펙트럼은 주기적이다. 광학 마이크로-링 공진기 필터는, FSR 파라미터가 FBG 센서의 동작 파장의 최대 시프트(Δλ)보다 큰 방식으로 설계된다.
도 8b에 나타난 예에서, 마이크로-링 공진기 필터의 투과 포트의 스펙트럼은 1540 nm 내지 1565 nm의 동일한 파장 범위에서 나타난다. 이 경우에도, 공진 필터이기 때문에, 도 8b의 예에서 이 역시 10 nm와 같은, FSR(Free Spectral Range)이 결정된 스펙트럼은 주기적이다. 위에서 이미 개시한 바와 같이, 추출 스펙트럼(도 8a) 및 투과 스펙트럼(도 8b)이 서로 상보적이라는 점에 유의한다.
도 9는 광 섬유 센서(FBG)의 반사 스펙트럼 및 광학 대역통과 필터(BPF)의 투과 포트(2)의 스펙트럼의 예를 나타낸다.
도 10 및 11은 광 섬유 센서(FBG)에 의해 반사된 광학 스펙트럼이 입력에 주입될 때 광학 필터의 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2) 각각을 빠져 나가는 스펙트럼을 도시한다.
도 12는 파장(λi) 주위의, 도 10 및 11의 스펙트럼의 확대된 세부 사항을 보여준다.
구조적 관점에서 볼 때, 마이크로-링 공진기는 컴팩트하고 유연한 디바이스이며, 그리고 실리콘(Si) 또는 InP의 광자와 같은, 서로 다른 기술 플랫폼 상의 광자 집적 회로(PIC)에 집적화될 수 있고; 더욱이, 빠른 광대역 응답을 제공할 수 있는 집적화된 광-검출기가 동일한 플랫폼 상에서 얻어질 수 있다.
이미 이전에 설명된 바와 같이, 일부 구현 옵션에서, 광학 순환기(5) 및/또는 광대역 광학 복사 소스(S)는 또한 동일한 플랫폼 상에서 집적화될 수 있다.
광섬유 브래그 격자 기술에서 상술된 하나 이상의 광 섬유 센서(이하 여기에서 "FBG" 센서로도 정의됨)와 관련하여, FBG 센서는, 예를 들어, 변형률 및 온도를 포함한 다양한 물리적 파라미터를 측정하기 위한 매우 민감하고 다재다능한 광학 디바이스임을 주목해야 한다. 가장 단순한 형태로, FBG 센서는 광 섬유의 "코어"에 제공된 굴절률의 공간 주기적인 변조에 의해 얻어진다.
FBG 센서는 λB = 2neffΛ로 정의되는 소위 "브래그 파장" λB에서 입사하는 광을 반사하는 공진 조건의 존재를 이용하고, 여기서 neff는 광 섬유의 기본 모드의 유효 굴절률이고 Λ는 격자의 공간적 피치(pitch)(주기성)이다.
FBG 센서의 동작 원리는 변형률 또는 온도와 같은 외부 영향에 의해 발생하는 유효 굴절률 또는 격자 피치의 임의의 변화가, 식 [1]로부터 도출될 수 있는, 동작 파장(브래그 파장)의 각각의 이동(ΔλB)을 초래하는 속성에 기초한다:
Figure pct00001
여기서
Figure pct00002
은 기준 브래그 파장(λB)에 대한 브래그 파장 변동이고, k는 스케일 팩터이고 αT는 열-광학 계수이며; 브래그 파장 시프트는 1550 nm 범위의 실리콘 섬유에 대해 약 1.2 pm/με와 같은 감도 값을 갖는 길이 방향 변형률(ε) 및 약 11 pm/℃와 같은 감도 값을 갖는 온도 변화에 선형적으로 의존한다. 그러한 의존성은 특히 크고 고려되는 특정 타입의 FBG 센서에 의존하는 변형률 및 온도 변동 범위에서 비-선형 특징을 가질 수 있다.
FBG 센서는 "수동" 센서이고, 이는 전원을 공급할 필요가 없지만, 조명에 의해 활성화되는, 즉 센서의 격자가 얻어지는 광 섬유 섹션에서, 적절한 파장(예를 들어, 브래그 파장)으로, 광학 활성화 복사를 전송하여 활성화됨을 의미한다. 이에 대한 응답으로, FBG 센서는 입사 복사뿐만 아니라 격자 자체가 받는 변형률 및 온도 조건에 의존하는 광학(즉, 광자) 신호를 반사 또는 투과한다. 여기에서 아래에 예시된 방법의 다양한 구현 옵션에서, 그러한 광자 신호는 투과되는 광학 신호(또는 광학 스펙트럼) 또는 반사되는 광학 신호(또는 광학 스펙트럼)일 수 있다.
시스템(10)의 특정 구현 옵션에 따르면, 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)는 선형 형상을 갖는 반사 스펙트럼을 가진 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서이다.
이 실시예는 선형 반사 필터로서 FBG 센서의 응답의 매우 선형적인 형상을 활용하여 변형률 또는 온도 측정을 위한 향상된 동적 인터로게이팅 성능 및 넓은 동적 범위를 보장한다. 선형 응답이 있는 FBG 센서의 사용은 인터로게이터(interrogator)의 교정도 단순화된다.
시스템(10)의 일 실시예에 따르면, 상술된 제1 광전자 수신기(PD1)는 제1 포토다이오드를 포함(또는 구성)하고, 상술된 제2 광전자 수신기(PDT)는 제2 포토다이오드를 포함(또는 구성)한다.
상술된 제1 및 제2 포토다이오드는, 예를 들어, 고려되는 파장에서 광학 신호를 검출하고 전기 신호로 변환하도록 설계된, 그 자체로 알려진 타입의 반도체 포토다이오드이다.
도 1에 도시된 일 실시예에 따르면, 시스템(10)은 FBG 센서의 반사 스펙트럼(OR) 상에 작용하는 광섬유 브래그 격자 타입의 단 하나의 광섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅하도록 구성된다.
도 2에 도시된 또 다른 실시예에 따르면, 시스템(10)은 FBG 센서의 투과 스펙트럼(OT) 상에 작용하는 광섬유 브래그 격자 타입의 단 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅하도록 구성된다.
도 3에 도시된 또 다른 실시예에 따르면, 시스템은 캐스케이드 방식의 광섬유 브래그 격자 타입의 복수의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn)를 포함하고, 상기 복수의 광 섬유 센서 각각은 각각의 공칭 동작 파장(λ1-λn), 및 캐스케이드 방식의 복수의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각을 특징으로 하고(즉, 필터의 투과 포트가 캐스케이드 방식으로 바로 뒤에 위치된 필터의 입력 포트에 연결된 구성에서), 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn)의 공칭 동작 파장(λ1-λn) 각각에 대응하는 각각의 파장 주위에서 조정 가능하다.
시스템(10)은, 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 수신하고, 그러한 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 변환하도록 구성된 복수의 광전자 수신기(PD1-PDn); 및 제2 광학 신호(L2)를 수신하여 이를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하기 위해 광학 대역통과 필터의 캐스케이드의 마지막 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)에 동작 가능하게 연결된 제2 광전자 수신기(PDT)를 더 포함한다.
이 경우에, 전자 프로세싱 수단(4)은, 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n), 및 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn) 각각에 의해 반사된 또는 투과된 스펙트럼 각각의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하도록 구성된다.
그러한 일 실시예에서, i 번째 BPF 링 공진기 필터는 i 번째 FBGi 센서를 인터로게이팅하기 위해 소정의 파장(λi)에서 조정되며; 각각의 단일 BPFi 대역통과 필터는 서로 다른 파장(λi)에서 조정되고, N 광-검출기에 의한 신호의 결합된 획득은 서로 다른 N 개의 FBG 센서 각각의 파장 피크의 측정을 제공한다.
또 다른 실시예(도 4에 도시됨)에 따르면, 시스템(10)은 광범위한 파장을 따라 인터로게이팅되기 위해 동작되고 적합한 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 포함한다.
이러한 경우에, 시스템(10)은 캐스케이드 방식의 복수의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn)를 더 포함하고, 상기 광학 대역통과 필터 각각은 센서에 의해 투과된 또는 반사된, 상술된 광학 스펙트럼의 광범위한 파장에 속하는, 일정하게 유지되는 각각의 동작 파장(λ1-λn)에서 조정 가능하다.
시스템은 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 수신하고 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 구성된 복수의 제1 광전자 수신기(PD1-PDn); 및 제2 광학 신호(L2)를 수신하고 이를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하기 위해 광학 대역통과 필터의 캐스케이드의 마지막 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)에 동작 가능하게 연결된 제2 광전자 수신기(PDT)를 더 포함한다.
이러한 경우에, 전자 프로세싱 수단(4)은, 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n), 및 검출된 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 상술된 광범위한 파장에서, FBG 센서의 반사 또는 투과 파장의 피크를 결정하도록 구성된다.
그러한 실시예에서, 단일 FBG 센서는 극한 환경 조건(예를 들어, 열 편위)으로 인해 파장 피크에서 큰 변동이 발생하는 경우에 쿼링될 수 있다. 링 공진기의 N 개의 추출 포트에서 N 개의 광-검출기에 의한 결합된 획득은, 예를 들어, 온도 또는 변형률의 큰 변화로 인한 광범위한 파장 변동을 따라 피크 파장의 측정을 제공한다.
구현 옵션에 따르면, 복수의 광학 필터가 있는 경우를 참조하면, CWDM(Coarse WDM) 디-멀티플렉서는 유리하게는 광학 경로 상의 손실을 줄이기 위해, (캐스케이드 방식으로 배열하는 대신) 서로 다른 광학 필터를 공급하는데 사용된다. 유용하게는, CWDM 디-멀티플렉서의 i 번째 채널은 i 번째 광섬유 센서(FBGi)를 인터로게이팅하는데 사용될 수 있으며, 광섬유 센서의 브래그 파장(λi)은 대응하는 i 번째 채널의 광학 대역 내에서 가변적이다.
바람직한 구현 옵션에 따르면, 각각의 제1 전기 신호(E1i)(E11-E1n 그룹에 속함)는 각각의 광전자 수신기(Pdi)(광전자 수신기(PD1-PDn) 그룹에 속함) 상에 입사하는 광학 파워에 비례하는 전압을 나타내며, 그러므로, 이는, 각각의 광 섬유 센서(FBGi)(센서(FBG1-FBGn) 그룹에 속함)에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼의 각각의 파장 시프트(Δλi)에 상관된다(예를 들어, 비례한다).
복수의 광학 대역통과 필터를 포함하는 실시예에서, 그러한 광학 대역통과 필터 각각은 조정 가능한 필터가 아닌 고정 필터(조정은 초기 설정 중에만 수행되며 동작 중에는 수행되지 않음)로 사용된다는 점에 유의한다.
더욱이, 그러한 실시예에서, 자유 스펙트럼 범위(Free Spectral Range)는 광학 대역통과 필터 각각에 대해 허용된 조정 편위의 합보다 커야한다. 이를 위해, 링의 반경(R)은 자유 스펙트럼 범위(FSR)에 그러한 반경(R)을 관련시키는 다음 관계를 고려하여 설계 중에 정의될 수 있다:
Figure pct00003
여기서 λres는 FBG 센서의 브래그 파장이며, 그리고 ng는 전파 도파관의 그룹 인덱스이다.
추가 실시예(도 5에 도시됨)에 따르면, 시스템(10)은, 조정 가능한 광학 필터(BPF)의 업스트림에 배열된 광학 대역 스플리터(D) 및 제3 광전자 수신기(PDD)를 더 포함하고, 광학 대역 스플리터(D)는 전체 광학 파워를 분할하고 그 일부를 제3 광전자 수신기(PDD)로 전송하도록 구성되며, 그리고 제3 광전자 수신기(PDD)는 추가 보상을 지원하기 위해 구성된 제3 전기 신호(E3)를 얻도록 구성된다.
도 1-5에 도시된 구현 옵션에 따르면, 시스템(10)은, 광대역 광학 복사 소스(S)에 연결된 제1 포트, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)를 포함한 광 섬유(F)에 연결된 제2 포트, 및 적어도 하나의 광학 대역통과 필터(BPF)에 연결된 제3 포트를 가진 광학 순환기(5)를 더 포함한다.
광학 순환기(5)는 제1 포트에 의해 수신된 광대역 광학 복사(S)를 제2 포트를 통해 광섬유 센서(FBG)를 포함한 광섬유(F)로 전송하도록 구성되고, 제2 포트에 의해 수신된 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)에 의해 반사된 스펙트럼(OR)을 제3 포트를 통해, 적어도 하나의 광학 대역통과 필터(BPF)로 전송하도록 더 구성된다.
일 구현 옵션에 따르면, 광학 순환기(5)는, 광학 대역통과 필터(BPF) 및 제1 PD1과 제2 광전자 수신기(PDT)가 집적화된 광자 집적 회로(PIC) 외부의 구성요소이다.
또 다른 구현 옵션에 따르면, 광학 순환기(5)는, 광학 대역통과 필터(BPF), 제1 PD1과 제2 광전자 수신기(PDT)가 집적화된 광자 집적 회로(PIC)에 집적화된다. 이를 위해, 예를 들어, SOI(Silicon-On-Insulator) 기술 플랫폼(예를 들어, 과학 논문 "Broadband TE Optical Isolators and Circulators in Silicon Photonics through CE: YIG Bonding" - P. Pintus et al., Journal of Lightwave Technology, Vol. 37, No. 5, March 1, 2019에서 나타난 바와 같음)에 대한 자기-광학 재료 및 본딩 기술에 기초하여, 그 자체로 알려진 적절한 통합 기술이 사용될 수 있다.
시스템(10)의 구현 옵션에 따르면, 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)의 각 센서는, 센서가 있는 위치에서 작용하는 변형률을 검출하도록 구성된다.
시스템 사용의 일부 중요한 예에 따르면, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)는 브레이크 패드 내에서 작동하거나 브레이크 캘리퍼에 통합 또는 결합되거나 브레이크 캘리퍼 지지부와 브레이크 캘리퍼 사이에 배치되도록 구성된 와셔 디바이스에 통합되도록 구성된다. 이러한 경우에, 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)에 의해 검출된 적어도 하나의 변형률은 브레이크 캘리퍼 상에 작용하는 조임력(tightening force) 및/또는 제동 토크를 나타낸다.
구현 옵션에 따르면, 전자 프로세싱 수단(4)은 소프트웨어 프로그램을 저장하고 운영하도록 구성된, 그 자체로 알려진 타입의 적어도 하나의 전자 프로세서 또는 마이크로-프로세서(40)를 포함한다.
서로 다른 구현 옵션(도 1-5에 도시된 바와 같음)에 따르면, 시스템(10)은, 예를 들어, 전기 신호를 조절하기 위하여 ADC 아날로그-디지털 변환기, 트랜스-임피던스 증폭기(41), ASIC(42) 디바이스 및 적절한 광학 연결(도 1-5에서 실선으로 표시) 및 전기 연결(도 1-5에서 점선으로 표시)와 같은, 그 자체로 알려진 추가 전자 시스템을 포함할 수 있다.
다른 가능한 구현 옵션에 따르면, 기능 블록(42)은 아날로그 신호를 조절하기 위한 블록(즉, 변환 및 증폭된 신호의 적응)으로 의도되며, 그리고 기능 블록(40)은 출력에서 적절한 인터페이스/버스 상에 프로세싱된 데이터를 제공하는 디지털 신호 변환 및 프로세싱 블록(40)이다.
구현 옵션에 따르면, 기능 블록(40) 및 적어도 부분적으로 기능 블록(42)은, 예를 들어, ASIC 또는 FPGA 타입의 단일 집적 회로에 의해 얻어질 수 있다.
광학 대역통과 필터의 추출 포트(1)에서 검출된 파워와 FBG 센서의 파장 시프트(Δλ) 사이의 관계를 참조하여, 서로 다른 실험적 또는 분석적 접근 방식이 사용될 수 있다.
예를 들어, 테이블(예를 들어, 룩업 테이블)은 특성화 동안 수행된 측정에 기초하여, 전자 프로세싱 수단(예를 들어, 변환 및 프로세싱 블록(40))에 저장될 수 있으며, 이는 측정된 전압 값과 FBG 센서의 피크 파장의 이동 값 사이의 관계를 설정한다.
또 다른 예에 따르면, 다음과 같은 단순화된 분석 관계가 고려될 수 있다.
광검출기 SOPT(λ)에 의해 보이는 광학 스펙트럼은 상수 C를 통해 FBG 센서의 스펙트럼과 마이크로-링 공진기 MRR(추출 포트에서)의 곱에 비례한다:
Figure pct00004
그리고 측정된 광학 파워는 λFBG에 의존하는 파장에 대한 적분이다:
Figure pct00005
광학 대역통과 필터의 투과 포트 상의 광학 신호의 검출에 의해 가능하게 이루어진 파워 보상에 관해서는, 이는 예를 들어, 전송 포트에서 검출된 파워에 대하여, 추출 포트에서 검출된 파워의 정규화에 의해 수행될 수 있다.
또 다른 구현 옵션에 따르면, 추출 포트에서 검출된 파워와 투과 포트에서 검출된 파워 사이의 합에 대하여, 추출 포트에서 검출된 파워와 투과 포트에서 검출된 파워 사이의 차이를 정규화하는 것이 가능하다.
구현 옵션에 따르면, 본 발명에 따른 방법 및 시스템은 예를 들어 높은 열 편위가 있는 환경에서, 넓은 온도 범위 상의 동작을 허용하기 위해, 칩의 온도의 능동 제어 및 상대적인 전자 보상을 포함한다.
유의될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 목적은 그 기능적 및 구조적 특징에 의해 상술된 방법 및 시스템에 의해 완전하게 달성된다.
사실, 선행 기술을 설명하는 부분에서 언급된 기술적 문제를 참조하면, 본 발명에 따른 시스템은, 필수 구성요소가 (예를 들어, PIC 기술의 광자 집적 회로에) 집적화된 단순하고 컴팩트한 시스템이다.
집적화는 실리콘 기술에 의해 수행될 수 있고; 특히, 본 발명에 따른 시스템은 동일한 프로세스를 사용하여 생산된 하이브리드 칩에 광자 회로 및 전자 회로 둘 다의 집적화에 적합하다.
더욱이, 원하는 경우, 상술된 기술 해결책은 또한 광대역 소스 및/또는 광학 순환기가 동일한 집적 회로에 집적화되도록 하며, 여기에서 광학 필터 및 광-검출기가 집적화되어, 놀라운 설계 유연성을 제공한다.
더욱이, 본 발명의 시스템 및 방법은 FBG 센서에 의해 투과 또는 반사된 스펙트럼의 일부를 취하는 광학 대역통과 필터(초기 설정 단계에서만 조정됨)의 파장을 일정하게 유지함으로써 작동한다. 그러한 스펙트럼은 측정될 변수와 관련된 영향으로 인해 이동하기 때문에, 마이크로-링 광학 필터에 의한 일정한 파장 샘플링은 그러한 변동을 검출된 파워의 변동 형태로 기록한다.
이로 인해, 동적 성능은 광학 대역통과 필터의 조정 시간에 의존하지 않고, 광-검출 블록의 속도에만 의존하므로, 이전에 언급된 알려진 해결책과 관련하여 훨씬 더 빠른 동적 응답을 제공한다.
추가로, 추출 포트 및 투과 포트 둘 다에서 광학 파워의 동시 검출을 이용하는, 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 스퓨리어스 손실 및/또는 광학 조명 파워의 변동에 대해 향상된 내성을 가진다.
청구된 해결책이 동작 파장 주위의 FBG 광 섬유 센서의 투과 또는 반사 스펙트럼의 협대역 광학 필터링을 포함한다는 점도 주목해야 한다(예를 들어, 파브리-페로(Fabry-Perot) 필터를 기초한 해결책을 사용하여 얻을 수 있는 것과는 달리, 그 대역폭은 쿼링될 FBG 센서의 광학 신호의 대역폭과 비교될 수 있음). 인터로게이팅된 FBG 센서에 의해 반사된 스펙트럼의 대역폭이 현재 해결책에서 사용된 광학 필터의 공진 스펙트럼의 선 폭보다 크다는 사실(특히, 마이크로-링 광학 공진기 필터 사용을 포함하는 구현 옵션에서 매우 큼)은, 다음을 포함하여 다양한 이점을 제공한다: 필터의 투과 포트를 빠져 나가는 스펙트럼을 가능한 적제 방해할 가능성; 스펙트럼 동적 분해능 측면에서 인터로게이터의 성능을 개선하기 위한 중요한 설계 파라미터로서 광학 필터의 공명 스펙트럼의 "기교(finesse)"를 선택할 가능성.
상술된 방법 및 시스템은 추가로 넓은 수신 대역에서 응답을 얻을 수 있다. 실제로, 상기 대역은 사용된 포토다이오드의 수신 대역, 즉 매우 넓은 대역 상에서 작동할 수 있는 구성요소에 의존한다(예를 들어, MHz에서 최대 40 GHz까지의 대역 범위를 갖는 게르마늄을 흡수 재료로 사용하는 PIN 타입의 집적화된 포토다이오드가 알려져 있다. 여기에서 고려되는 응용을 위해, 본 발명에 따른 시스템에 의해 쉽게 보장되는 수백 KHz 이하의 대역을 갖는 현상을 관찰하는 것이 필요함).
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 다른 이점은 다음을 포함한다: PIC 상에서 집적화된 디바이스의 낮은 파워 소비; PIC 광학 칩 및 EIC 전자 칩 제조를 위한 CMOS 제조 공정과의 호환성; 칩의 온도를 능동적으로 제어하고 열 편위가 높은 환경에서 동작하기 위한 전자적 보상을 통해 얻을 수 있는 넓은 온도 범위를 따라 동작할 수 있는 기능.
부수적이고 특정한 요구를 충족시키기 위해, 통상의 기술자는 다음 청구범위의 권리 범위를 벗어나지 않고 상술된 실시예에 대한 여러 변경 및 각색을 수행하고 요소를 기능적으로 동등한 다른 것으로 교체할 수 있다. 가능한 실시예에 속하는 것으로 설명된 각각의 특징은 설명된 다른 실시예와 무관하게 얻어질 수 있다.

Claims (22)

  1. 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅(interrogating)하는 방법에 있어서,
    광대역 여기 광학 복사(OA)로 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 조명하는 단계;
    서로 상보적인 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2)를 가진 적어도 하나의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF)로, 상기 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유(FBG)에 의해 투과된 광학 스펙트럼(OT) 또는 상기 광 섬유에 의해 반사된 광학 스펙트럼(OR)을 전달하는 단계;
    상기 광 섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 공칭 동작 파장에 의존하여, 일정한 동작 파장(λi)에서 상기 광학 대역통과 필터(BPF)를 조정하는 단계;
    상기 광학 대역통과 필터(BPF)의 제1 추출 포트(1)를 빠져 나가는 적어도 하나의 제1 광학 신호(L1) 각각을 검출하는 단계 - 상기 제1 광학 신호(L1)는 상기 광학 대역통과 필터(BPF)의 일정한 동작 파장(λi) 주위의 광 섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 투과 또는 반사 스펙트럼(OT, OR)의 협대역 광학 필터링임;
    상기 제1 광학 신호(L1)를, 제1 광전자 수신기(PD1)에 의해, 각각의 제1 전기 신호(E1)로 변환하는 단계 - 상기 제1 전기 신호(E1)는 상기 광 섬유 센서(FBG)의 브래그 격자에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼(OT, OR)의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장(λi)에 대해 나타냄;
    - 상기 제1 광학 신호(L1)와 스펙트럼적으로(spectrally) 상보적인, 상기 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)를 빠져가나는 제2 광학 신호(L2)를 검출하는 단계;
    - 상기 제2 광학 신호(L2)를, 제2 광전자 수신기(PDT)에 의해, 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하는 단계 - 상기 제2 전기 신호(E2)는, 상기 제1 광학 신호가 받는 의존성과 동일한, 상기 광대역 여기 광학 복사의 파워에 대한, 그리고 전체 광학 경로 손실에 대한 의존성을 가지며, 필터링 파장과는 실질적으로 독립적인 광학 기준 파워를 나타냄;
    - 상기 광학 대역통과 필터(BPF)의 제1 추출 포트(1)를 빠져 나간 광학 신호(L1)로부터 도출되어 검출된 제1 전기 신호(E1)에 기초하여, 그리고 상기 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)를 빠져 나간 제2 광학 신호(L2)로부터 도출되어 검출된 광학 기준 파워를 나타내는 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 상기 광 섬유 센서(FBG)의 브래그 격자에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼(OR, OT)의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장 (λi)에 대해 결정하는 단계 - 상기 제1 전기 신호의 검출은 광대역 여기 광학 복사의 파워 변동 및 광학 경로 손실 변동에 대해 보상됨;를 포함하며,
    상기 브래그 격자에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼(OR, OT)의 결정된 파장 시프트(Δλ)는 상기 광 섬유 센서(FBG)에 의해 측정된 물리적 크기를 나타내고;
    상기 광학 대역통과 필터(BPF), 상기 제1 광전자 수신기(PD1) 및 상기 제2 광전자 수신기(PDT)는 광자 집적 회로(PIC)에 집적화되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF)는, 상기 제1 추출 포트(1) 및 상기 제2 투과 포트(2)와는 상이한, 제3 입력 포트(3)를 포함하며, 그리고
    상기 전달하는 단계는, 상기 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)에 의해 투과 또는 반사된 광학 스펙트럼(OT, OR)을 상기 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF)의 제3 입력 포트(3)로 전달하는 단계를 포함하는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 광학 대역통과 필터(BPF)는 광학 마이크로-링 공진기 필터인, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정하는 단계는, 상기 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)의 반사 또는 투과 스펙트럼의 파장의 시프트 또는 변동(Δλ)이 상기 제1 광학 신호(L1)의 파워 또는 세기의 선형 또는 거의 선형 변동에 대응하도록, 상기 광섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 공칭 반사 또는 투과 스펙트럼의 선형 또는 거의 선형 존 상에 위치된 일정한 동작 파장에서 상기 광학 대역통과 필터(BPF)를 조정하는 단계를 포함하는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 방법.
  5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    광섬유 브래그 격자 타입의 복수의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn)가 캐스케이드 방식으로(in cascade) 인터로게이팅되도록 구성되고, 상기 복수의 광 섬유 센서 각각은 각각의 공칭 동작 파장(λ1-λn)에 의해 특징지어지며, 여기서,
    상기 전달하는 단계는 상기 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)의 캐스케이드로부터 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn)의 캐스케이드로 전체 투과 또는 반사된 광학 스펙트럼(OT, OR)을 전달하는 단계를 포함하고;
    상기 조정하는 단계는 상기 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn)의 공칭 동작 파장 각각에 대응하는 각각의 파장(λ1-λn) 주위에서 상기 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각을 조정하는 단계를 포함하고;
    상기 제1 광학 신호를 검출하는 단계는, 일정하게 유지되는 각각의 동작 파장에서 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각의 제1 추출 포트 각각을 빠져 나가는 복수의 제1 광학 신호(L11 - L1n)를 검출하는 단계를 포함하고;
    상기 변환하는 단계는 복수의 제1 포토다이오드(PD1-PDn)에 의해, 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 변환하는 단계를 포함하고;
    상기 제2 광학 신호(L2)를 검출하는 단계는 광학 대역통과 필터의 캐스케이드의 마지막 광학 대역통과 필터 (BPFn)의 제2 투과 포트를 빠져 나가는 광학 신호를 검출하는 단계, 및 제2 광전자 수신기(PDT)에 의해, 상기 제2 광학 신호(L2)를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하는 단계를 포함하고;
    상기 결정하는 단계는 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n)에, 그리고 검출된 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn) 각각에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼 각각의 파장 시프트(Δλi)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하는 단계를 포함하는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 방법.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    광범위한 파장에서 광섬유 브래그 격자 타입의 단 하나의 광 섬유 센서(FBG)만이 인터로게이팅하도록 구성되고,
    상기 전달하는 단계는 광섬유 브래그 격자 타입의 광섬유 센서(FBG)에 의해 투과 또는 반사된 광학 스펙트럼(OT, OR)을 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn)의 캐스케이드로 전달하는 단계를 포함하고;
    상기 조정하는 단계는 상기 센서에 의해 투과 또는 반사된 광학 스펙트럼의 광범위한 파장에 속하는, 일정하게 유지되는 각각의 동작 파장(λ1-λn)에서 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각을 조정하는 단계를 포함하고;
    적어도 하나의 제1 광학 신호를 검출하는 단계는 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) 각각의 제1 추출 포트를 빠져 나가는 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 검출하는 단계를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 제1 광학 신호를 변환하는 단계는 복수의 제1 포토다이오드(PD1-PDn)에 의해, 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 변환하는 단계를 포함하고;
    상기 제2 광학 신호(L2)를 검출하는 단계는 광학 대역통과 필터의 캐스케이드의 마지막 광학 대역통과 필터(BPFn)의 제2 투과 포트를 빠져 나가는 광학 신호를 검출하는 단계를 포함하고;
    상기 제2 광학 신호(L2)를 변환하는 단계는 제2 광전자 수신기(PD2)에 의해 상기 제2 광학 신호를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하는 단계를 포함하고;
    상기 결정하는 단계는, 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 및 검출된 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 상기 광범위한 파장 내에서, FBG 센서의 반사 또는 투과 파장의 피크를 결정하는 단계를 포함하는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 방법.
  7. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달하는 단계 이전에, 광학 스플리터(D)에 의해, 전체 광학 파워를 분할하는 단계, 및 추가 보상을 지원하도록 구성된 제3 전기 신호(E3)를 획득하기 위해, 그 일부를 제3 광전자 수신기(PDD)에 전송하는 단계를 더욱 포함하는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 방법.
  8. 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 인터로게이팅하는 시스템(10)에 있어서,
    광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG);
    광대역 여기 광학 복사(OA)로 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)를 조명하도록 구성된 광대역 광학 복사 소스(S);
    서로 상보적인 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2)를 가지고, 상기 제1 추출 포트(1) 및 제2 투과 포트(2)와는 상이하고 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)에 동작 가능하게 연결되어 상기 센서에 의해 투과 또는 반사된 광학 스펙트럼(OT, OR)을 수신하는 입력 포트(3)를 추가로 가지는 적어도 하나의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF) - 상기 광학 대역통과 필터(BPF)는 광 섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 공칭 동작 파장에 의존하여 파장 범위에서 일정한 동작 파장(λi)으로 조정 가능함;
    각각의 제1 광학 신호(L1)를 수신하기 위해 광학 대역통과 필터(BPF)의 제1 추출 포트(1)에 동작 가능하게 연결되며, 그리고 상기 제1 광학 신호(L1)를 각각의 제1 전기 신호(E1)로 변환하도록 구성된 제1 광전자 수신기(PD1) - 상기 제1 광학 신호(L1)는 광학 대역통과 필터의 일정한 동작 파장에서 광 섬유 센서(FBG)의 광섬유 브래그 격자의 투과 또는 반사 스펙트럼(OT, OR)의 협대역 광학 필터링임;
    제2 광학 신호(L2)를 수신하기 위해 광학 대역통과 필터(BPF)의 제2 투과 포트(2)에 동작 가능하게 연결되며, 그리고 전자 기준 파워 값을 얻기 위해, 상기 제2 광학 신호(L2)를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하도록 구성된 제2 광전자 수신기(PDT) - 상기 제2 전기 신호(E2)는, 상기 제1 광학 신호가 받는 의존성과 동일한, 상기 광대역 여기 광학 복사의 파워에 대한, 그리고 전체 광학 경로 손실에 대한 의존성을 가지며, 필터링 파장과는 실질적으로 독립적임;
    상기 제1 광전자 수신기(PD1) 및 상기 제2 광전자 수신기(PDT)에 동작 가능하게 연결되며, 그리고 제1 광학 신호(L1)로부터 도출되어 검출된 제1 전기 신호(E1)에 기초하여, 그리고 제2 광학 신호(L2)로부터 도출되어 검출된 광학 기준 파워를 나타내는 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 광 섬유 센서(FBG)의 브래그 격자에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼(OR, OT)의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하도록 구성된 전자 프로세싱 수단(4) - 상기 제1 전기 신호의 검출은 광대역 여기 광학 복사의 파워 변동 및 광학 경로 손실 변동에 대해 보상됨;을 포함하며,
    상기 브래그 격자에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼의 결정된 파장 시프트(Δλ)는 상기 광 섬유 센서(FBG)에 의해 측정된 물리적 크기를 나타내고;
    상기 광학 대역통과 필터(BPF), 상기 제1 광전자 수신기(PD1) 및 상기 제2 광전자 수신기(PDT)는 광자 집적 회로(PIC)에 집적화되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 광학 대역통과 필터(BPF)는 광학 마이크로-링 공진기 필터인, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 광학 마이크로-링 공진기 필터는 단일-링 타입으로 하나의 광학 링을 포함하는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 광학 마이크로-링 공진기 필터는 이중-링 타입으로 두 개의 광학 링을 포함하는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  12. 청구항 8 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광대역 광학 복사 소스(S)는 상기 광자 집적 회로(PIC)에 집적화되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  13. 청구항 8 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)는 선형 형상을 갖는 반사 스펙트럼을 가진 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서인, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  14. 청구항 8 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    캐스케이드 방식의 광섬유 브래그 격자 타입의 복수의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn) - 상기 광 섬유 센서 각각은 각각의 공칭 동작 파장(λ1-λn)에 의해 특징어짐;
    캐스케이드 방식의 복수의 각 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) - 각각의 조정 가능한 광학 대역통과 필터는 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)의 공칭 동작 파장 각각에 대응하는 각각의 파장(λ1-λn) 주위에서 조정 가능함;
    복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 수신하고, 상기 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 변환하도록 구성된 복수의 제1 광전자 수신기(PD1-PDn);
    제2 광학 신호(L2)를 수신하여 이를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하기 위해 광학 대역통과 필터의 캐스케이드의 마지막 광학 대역통과 필터(BPFn)의 제2 투과 포트(2)에 동작 가능하게 연결된 제2 광전자 수신기(PDT);를 포함하며,
    상기 전자 프로세싱 수단(4)은, 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n), 및 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn) 각각에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼 각각의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하도록 구성되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  15. 청구항 12 또는 13에 있어서,
    광범위한 파장에서 동작 및 인터로게이팅할 수 있는 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG);
    캐스케이드 방식의 복수의 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) - 상기 광학 대역통과 필터 각각은 상기 센서에 의해 투과된 또는 반사된 광학 스펙트럼의 광범위한 파장에 속하는, 일정하게 유지되는 각각의 동작 파장(λ1-λn)에서 조정 가능함;
    복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 변환하도록 구성된 복수의 제1 광전자 수신기(PD1-PDn);
    제2 광학 신호(L2)를 수신하고 이를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하기 위해 광학 대역통과 필터의 캐스케이드의 마지막 광학 대역통과 필터(BPFn)의 제2 투과 포트(2)에 동작 가능하게 연결된 제2 광전자 수신기(PDT);를 포함하며,
    상기 전자 프로세싱 수단(4)은, 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n), 및 검출된 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 상기 광범위한 파장에서, FBG 센서의 반사 또는 투과 파장의 피크를 결정하도록 구성되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  16. 청구항 8 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    조정 가능한 광학 필터(BPF)의 업스트림에 배열된 광학 대역 스플리터(D) 및 제3 광전자 수신기(PDD)를 더욱 포함하고,
    상기 광학 대역 스플리터(D)는 전체 광학 파워를 분할하고 그 일부를 제3 광전자 수신기(PDD)로 전송하도록 구성되며, 그리고 상기 제3 광전자 수신기(PDD)는 추가 보상을 지원하기 위해 구성된 제3 전기 신호(E3)를 얻도록 구성되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  17. 청구항 8 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광전자 수신기(PD1) 및/또는 상기 제2 광전자 수신기(PDT) 및/또는 상기 제3 광전자 수신기(PDD) 각각은, 고려된 파장에서, 광학 신호를 검출하고 상기 광학 신호를 전기 신호로 변환하도록 구성된 적어도 하나의 반도체 포토다이오드 각각을 포함하는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  18. 청구항 8 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광대역 광학 복사 소스(S)에 연결된 제1 포트, 상기 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)를 포함한 광 섬유(F)에 연결된 제2 포트, 및 적어도 하나의 광학 대역통과 필터(BPF)에 연결된 제3 포트를 가진 광학 순환기(5)를 더욱 포함하며,
    상기 광학 순환기(5)는 제1 포트로부터 수신된 광대역 광학 복사(OA)를 제2 포트를 통해 광섬유 센서(FBG)를 포함한 광섬유(F)로 전송하도록 구성되고, 제2 포트로부터 수신된 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)에 의해 반사된 스펙트럼을, 제3 포트를 통해, 적어도 하나의 광학 대역통과 필터(BPF)로 전송하도록 더욱 구성되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 광학 순환기(5)는 상기 광자 집적 회로(PIC)에 집적화되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  20. 청구항 8 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    캐스케이드 방식의 광섬유 브래그 격자 타입의 복수의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn) - 상기 광 섬유 센서 각각은 각각의 공칭 동작 파장(λ1-λn)에 의해 특징어짐;
    광섬유 브래그 격자 타입의 복수의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn)에 의해 투과 또는 반사된 스펙트럼을 디멀티플렉싱하고, 각각의 i 번째 출력 포트 상에 파장(λi) 이 서로 다른 광학 신호를 각각 제공하도록 구성된 CWDM(Coarse WDM) 파장 분할 디-멀티플렉서;
    복수의 각 조정 가능한 광학 대역통과 필터(BPF1-BPFn) - 상기 광학 대역통과 필터 각각은 각각의 파장(λi)에서 각각의 광학 신호를 수신하기 위해 CWDM 파장 분할 디멀티플렉서의 출력에 연결되고, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)의 공칭 동작 파장 각각에 대응하는 각각의 파장(λi) 주위에서 조정 가능함;
    복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 수신하고 상기 복수의 제1 광학 신호(L11-L1n)를 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n) 각각으로 변환하도록 구성된 복수의 제1 광전자 수신기(PD1-PDn);
    각각의 제2 광학 신호(L2)를 수신하고 상기 제2 광학 신호를 각각의 제2 전기 신호(E2)로 변환하기 위해, CWDM 파장 분할 디멀티플렉서의 i-번째 출력 각각에 연결된 각각의 i-번째 광학 대역통과 필터(BPFi)의 제2 투과 포트(2)에 동작 가능하게 각각 연결된 복수의 제2 광전자 수신기(PDT);를 포함하며,
    상기 전자 프로세싱 수단(4)은, 검출된 복수의 제1 전기 신호(E11-E1n), 및 제2 전기 신호(E2)에 기초하여, 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG1-FBGn) 각각에 의해 반사 또는 투과된 스펙트럼 각각의 파장 시프트(Δλ)를 공칭 동작 파장에 대해 결정하도록 구성되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  21. 청구항 8 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG) 각각은 상기 센서가 있는 위치에서 작용하는 변형률을 검출하도록 구성되는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 광섬유 브래그 격자 타입의 광 섬유 센서(FBG)는 브레이크 패드 내에서 동작하거나 브레이크 캘리퍼에 통합 또는 결합되거나 브레이크 캘리퍼 지지부와 브레이크 캘리퍼 사이에 배치되도록 구성된 와셔 디바이스에 통합되도록 구성되며, 그리고
    상기 광섬유 브래그 격자 타입의 적어도 하나의 광 섬유 센서(FBG)에 의해 검출된 적어도 하나의 변형률은 브레이크 캘리퍼 상에 작용하는 조임력(tightening force) 및/또는 제동 토크를 나타내는, 광 섬유 센서(FBG) 인터로게이팅 시스템(10).
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