KR20230046162A - 광섬유 기반 패러데이 회전거울 및 이를 이용한 광섬유 전류 센싱 시스템 - Google Patents
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Abstract
광섬유 기반 패러데이 회전거울 및 이를 이용한 광섬유 전류 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입사되는 광의 편광 방향을 기 설정된 각도만큼 회전시키는 패러데이 회전부와 상기 패러데이 회전부의 외곽에 배치되며, 자력을 발생시키는 자성부와 상기 패러데이 회전부로 광이 입사하는 위치로 먼 끝단에 형성되어, 입사되는 광을 반사시키는 미러부 및 센싱용 광섬유와 융착되어, 상기 센싱용 광섬유로부터 입사되는 광을 분산시켜 상기 패러데이 회전부로 전달하거나, 상기 미러부로부터 반사되어 상기 패러데이 회전부를 거친 광을 입사받아 상기 센싱용 광섬유로 전달하는 언덕형 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입사되는 광의 편광 방향을 기 설정된 각도만큼 회전시키는 패러데이 회전부와 상기 패러데이 회전부의 외곽에 배치되며, 자력을 발생시키는 자성부와 상기 패러데이 회전부로 광이 입사하는 위치로 먼 끝단에 형성되어, 입사되는 광을 반사시키는 미러부 및 센싱용 광섬유와 융착되어, 상기 센싱용 광섬유로부터 입사되는 광을 분산시켜 상기 패러데이 회전부로 전달하거나, 상기 미러부로부터 반사되어 상기 패러데이 회전부를 거친 광을 입사받아 상기 센싱용 광섬유로 전달하는 언덕형 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울을 제공한다.
Description
본 발명은 광섬유 기반의 패러데이 회전거울 및 이를 이용한 광섬유 전류 센싱 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
전세계적으로, 산업의 고도 성장에 따른 전력수요가 증가되고 있는 추세이다. 이러한 전력수요에 대응하고자, 전력 설비의 초고압화 및 대용량화 작업이 진행중에 있으며, 동시에, 안정적인 전력 공급과 효율적인 전력 사용을 위한 기술이 개발되고 있다.
전력 설비에는 계측, 제어 및 보호 기술의 고도화 작업을 위한 센서 기술이 적용된다. 통상적으로, 전류 센서는 전자식 센서 및 광센서로 분류할 수 있는데, 전자식 센서 기술은 다음과 같은 문제가 있다. 전력 설비에 전자식 센서를 적용할 경우, 고전압이나 대전력 환경에서의 각종 임펄스성 전압이 발생할 수 있으며, 전류 및 기상 현상에 기인한 뇌 서지(Lightning Surge) 등은 정전 유도나 전자 유도를 발생시켜 각종 계측 및 제어장치에 영향을 미친다.
한편, 광센서 기술은 광이 지니는 광대역, 저손실, 방폭성, 고절연성, 무유도성, 소형, 경량성, 보수의 용이성 및 광 응용 기술과의 정합성 등의 장점을 고루 갖추고 있으며, 무엇보다, 전력 설비에 적용하기에 적합한 기술로 평가된다.
보다 구체적으로 설명하면, 광센서는 광섬유를 이용한 전류 센서로서, 광섬유를 전선에 감은 형태를 갖는다. 광센서는 광섬유로 광을 발진시켜, 코어를 통과하는 광의 자기광(磁氣光, Magneto-optic) 특성을 이용하여 전선에 흐르는 전류 세기를 측정하는 광소자이다. 광센서는 전선 주위에 폐곡선 형태로 감싼 센싱용 광섬유로 특정 방향으로 선편광된 광을 발진시킨다. 폐곡선의 끝단면에서 전류를 센싱한 광이 반사되며, 반사광이 센싱용 광섬유를 한번 더 통과하게 된다. 광센서 내 수광부는 센싱용 광섬유를 두 번 거친 반사광를 센싱하여, 전류 세기 변화에 따른 반사광의 편광 회전각을 검출한다. 반사광의 회전각은 전선에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하며, 자기장의 세기는 전선에 흐르는 전류의 세기에 비례한다. 이에 따라, 광센서는 반사광의 회전각을 측정함으로써, 전선에 전류가 흐르는지 여부 및 얼마만큼이 흐르는지를 센싱할 수 있다.
종래의 광센서는 끝단부에서 입사하는 광을 반사시키기 위해, 끝단부에 미러와 렌즈가 배치된다. 광 경로상에 렌즈가 배치되어, 광이 미러로 온전히 진행하도록 한다. 미러는 광소자의 끝단에 배치되어 입사하는 광을 반사시킨다.
다만, 종래의 광센서의 끝단부는 광의 정렬을 위해 렌즈를 포함함에 따라, 다음과 같은 문제를 갖는다. 렌즈를 통과한 광이 모두 미러로 진행하도록 하기 위해, 렌즈와 미러 간 정밀한 광 정렬이 진행되어야 하는 불편이 존재한다. 또한, 광이 광섬유와 같은 매질과 공기의 경계면을 통과할 때, 굴절률의 변화로 인한 반사가 발생하게 되어 광손실이 발생하는 문제가 발생한다.
본 발명의 일 실시예는, 언덕형 광섬유를 포함하여 광손실을 최소화한 광섬유 기반의 패러데이 회전거울 및 이를 이용한 광섬유 전류 센싱 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 입사되는 광의 편광 방향을 기 설정된 각도만큼 회전시키는 패러데이 회전부와 상기 패러데이 회전부의 외곽에 배치되며, 자력을 발생시키는 자성부와 상기 패러데이 회전부로 광이 입사하는 위치로 먼 끝단에 형성되어, 입사되는 광을 반사시키는 미러부 및 센싱용 광섬유와 융착되어, 상기 센싱용 광섬유로부터 입사되는 광을 분산시켜 상기 패러데이 회전부로 전달하거나, 상기 미러부로부터 반사되어 상기 패러데이 회전부를 거친 광을 입사받아 상기 센싱용 광섬유로 전달하는 언덕형 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 미러부는 상기 패러데이 회전부의 끝단에 미러 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 언덕형 광섬유는 코어를 중심으로 포물선 형태의 굴절률을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 언덕형 광섬유를 거치는 광은 분산과 수렴을 반복하며 진행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 언덕형 광섬유는 기 설정된 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 길이는 상기 언덕형 광섬유의 피치(Pitch)에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 길이는 상기 언덕형 광섬유의 피치 길이의 음의 정수를 제외한 정수 배에 상기 언덕형 광섬유의 피치 길이의 절반을 더한 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 반사되어 되돌아오는 입사광의 편광 회전 각도로 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 광섬유 전류 센싱 시스템에 있어서, 입사광을 발진시키는 광원과 입사광을 기 설정된 방향으로 편광시키는 편광자와 자신에 입사되는 광을 두 개의 편광성분으로 분리하는 융착점과 입사하는 광의 위상을 변조하여 편광을 보상하는 위상 변조기와 선편광된 광을 원편광된 광으로, 원편광된 광을 선편광된 광으로 변환하는 위상 지연 광섬유와 상기 전선의 주위에 권취된 센싱용 광섬유와 상기 패러데이 회전 거울 및 상기 패러데이 회전거울로부터 반사된 광을 수광하여 세기를 센싱하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광섬유 전류 센싱 시스템은 상기 광원에서 발진된 입사광은 상기 편광자로 진행하도록 하되, 상기 패러데이 회전거울로부터 반사된 광은 상기 수광부로 진행시키는 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 수광부는 센싱된 세기에 따라, 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 센싱용 광섬유는 상기 광원으로부터 발진된 입사광을 상기 패러데이 회전거울까지 전달하거나, 상기 패러데이 회전거울로부터 반사된 반사광을 상기 수광부로 전달하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 반사되어 되돌아오는 입사광의 편광 회전 각도로 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 광섬유 전류 센싱 시스템에 있어서, 입사광을 발진시키는 광원과 입사광을 기 설정된 방향으로 편광시키는 편광자와 자신에 입사되는 광을 두 개의 편광성분으로 분리하는 융착점과 입사하는 광의 위상을 변조하여 편광을 보상하는 위상 변조기와 선편광된 광을 원편광된 광으로, 원편광된 광을 선편광된 광으로 변환하는 위상 지연 광섬유와 상기 전선의 주위에 권취된 센싱용 광섬유와 입사되는 광을 기 설정된 각도만큼 편광회전시키며 반사시키는 패러데이 회전 거울 및 상기 패러데이 회전거울로부터 반사된 광을 수광하여 세기를 센싱하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 각도는 90°인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 수광부는 센싱된 세기에 따라, 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 센싱과정에서 발생하는 광 손실을 최소화할 수 있으며, 제조가 용이해질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 전류 센싱 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패러데이 회전거울의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 언덕형 광섬유의 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패러데이 회전거울 내 광의 진행을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패러데이 회전거울의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 언덕형 광섬유의 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패러데이 회전거울 내 광의 진행을 예시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 전류 센싱 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 전류 센싱 시스템(100)은 광원(110), 커플러(120), 편광자(130), 융착점(143, 146), 위상 변조기(150), 위상지연 광섬유(160), 패러데이 회전 거울(170), 수광부(180) 및 센싱용 광섬유(195)를 포함한다.
전선(190)은 광섬유 전류 센싱 시스템(100)이 설치되는 대상으로서, 전기 제품 등에 전원을 공급하기 위한 전원 케이블이나 전력 계통(Power System)의 전력선(線)일 수 있다. 광섬유 전류 센싱 시스템(100)이 전선(190)에 흐르는 전류의 세기를 측정하기 위해, 전선(190)의 주위(기 설정된 반경 내)를 센싱용 광섬유(195)로 둘러싼 형태로 배치할 수 있다. 전선(190)에 전류가 흐르게 되면, 전선(190) 주위에는 자계(Magnetic Field)가 형성된다. 이때, 센싱용 광섬유(195)는 자계에 의해 유발되는 패러데이 효과(Faraday Effect)를 이용하여, 전선(190)에 흐르는 전류를 광학적 방식으로 검출한다.
광원(110)은 전류 검출을 위한 광(이하에서, '입사광'이라 칭함)을 발진시킨다. 광원(110)은 입사광을 발진시키기 위해 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 도시되어 있지 않으나, 광원(110)의 출력단에 광 아이솔레이터(미도시)가 배치될 수 있다. 광 아이솔레이터(미도시)는 입사광이 패러데이 회전 거울(170)에 반사되어 되돌아올 때, 광원(110)으로 반사광이 입사하는 것을 방지한다.
커플러(120)는 광의 경로를 분기시켜, 입사광은 패러데이 회전 거울(170)로, 패러데이 회전 거울(170)에서 반사된 광(이하에서, '반사광'이라 약칭함)은 수광부(180)로 진행하도록 한다.
광섬유 편광자(130)는 입사되는 광을 기 설정된 방향으로 선편광시킨다. 광섬유 편광자(130)는 (무편광의) 입사광이 입사할 경우, 특정 방향으로 편광을 갖도록 선편광시킨다. 반면, 특정 방향으로 편광된 반사광이 광섬유 편광자(130)로 입사할 경우, 광섬유 편광자(130)의 편광방향에 따라 광섬유 편광자(130)를 통과한 광의 세기가 달라지게 된다. 광섬유 편광자(130)의 편광방향과 동일한 방향의 반사광이 입사하게 되면, 반사광은 세기 감소없이 온전히 광섬유 편광자(130)를 통과할 수 있다. 광섬유 편광자(130)의 편광방향과 각도 차이가 커질수록 통과한 반사광의 세기는 감소하며, 광섬유 편광자(130)의 편광방향과 90°의 각도차이가 발생할 경우 반사광은 광섬유 편광자(130)를 통과하지 못한다.
이와 같이, 광섬유 편광자(130)는 입사광을 기 설정된 방향으로 편광시키며, 특정 편광 방향을 갖는 반사광에 대해서는 편광 방향에 따라 통과되는 광의 세기를 가변시킨다.
융착점(143, 146)은 통상의 융착지점과 달리 두 개의 편광유지 광섬유의 광축이 서로 다르게 융착된 부분으로서, 자신을 통과하는 광을 입사되는 편광유지 광섬유의 두 개의 편광 성분(슬로우 액시스 편광성분과 패스트 액시스 편광성분)으로 분리한다. 융착점(143)은 편광자(130)의 출력단에 적용된 편광유지 광섬유와 위상변조기(150)의 입력단에 적용된 편광유지 광섬유를 연결하는 지점에 위치하며, 융착점(146)은 위상변조기(150)의 출력단과 위상 지연 광섬유(160)의 입력단에 적용된 편광유지 광섬유를 연결하는 지점에 위치한다.
이를 위해서, 융착점(143, 146)의 양단에 융착되는 편광유지 광섬유들은 서로의 슬로우 액시스(Slow Axis) 또는 패스트 액시스(Fast Axis)가 45°각도를 갖도록 배치된다. 이에 따라, 입사광 또는 반사광은 두 개의 편광 성분(슬로우 액시스 편광성분과 패스트 액시스 편광성분)으로 분리된다.
전선(190)에 전류가 흐르지 않을 때 편광자(130)를 거치며 입사된 선편광된 광이 융착점(143, 146)과 위상 변조기(150)을 포함해서 위상 지연 광섬유(160)와 센싱용 광섬유(195)를 거치게 된다. 이때, 선편광된 광은 패러데이 회전 거울(170)에서 반사되고 다시 센싱용 광섬유(195), 위상 지연 광섬유(160), 융착점(143, 146) 및 위상 변조기(150)를 거쳐 선편광자(130)로 되돌아오게 된다. 위상 변조기(150)는 선편광된 광이 센싱용 광섬유(195)를 거치며 반사되어 선편광자(130)로 되돌아올 때까지 겪는 두 개의 편광 성분 간의 위상 변화를 보상한다. 위상 변조기(150)는 전선(190)에 흐르는 전류에 따른 광 세기 변화가 선형적으로 변하는 최적점을 수광부(180)에서 선정할 수 있도록 한다. 이는 광섬유 전류 센싱 시스템(100)의 측정범위와 신뢰도에 영향을 줄 수 있다. 위상 변조기(150)는 입사하는 선편광된 광의 편광 성분의 위상을 변조할 수 있도록 융착점(143,146)에서 45°각도를 갖도록 융착하여 연결된다. 패러데인 회전 거울(170)에 의해 전류 센싱용 광섬유(195)를 두 번 거친 반사광이 편광자(130)를 거치며 수광부(180)에 도달할 때, 반사광의 세기는 전류 세기에 따라서 사인파 특성을 갖는다. 위상 변조기(150)는 전류 세기에 따른 광 세기 변화가 최대한 넓은 범위에서 선형성을 갖도록 편광 성분 간 기본 위상을 보상한다.
위상 지연 광섬유(160)는 입사하는 광의 편광을 변환한다. 위상 지연 광섬유(160)는 λ/4 위상 지연 광섬유로 구현될 수 있으며, 선편광을 갖는 광은 원편광으로, 원편광을 갖는 광은 선편광으로 변환한다.
입사광은 융착점(143, 146)을 지나며 선편광된 x축 편광성분(슬로우 액시스 및 패스트 액시스 중 어느 하나)과 y축 편광성분(슬로우 액시스 및 패스트 액시스 중 나머지 하나)으로 분리되며, 위상 지연 광섬유(160)를 거치며 원편광으로 변환된다. 이때, 위상 지연 광섬유(160)을 거치며 원편광되는 각 편광성분은 서로 다른 방향으로 회전하게 된다. 예를 들어, x축 편광성분은 위상 지연 광섬유(160)에 의해 좌선회(Left-Handed) 방향으로 원편광으로 변환될 수 있으며, y축 편광성분은 위상 지연 광섬유(160)에 의해 우선회(Right-Handed) 방향으로 원편광으로 변환될 수 있다.
반대로, 각 방향으로의 원편광된 반사광이 위상 지연 광섬유(160)로 입사하는 경우, 위상 지연 광섬유(160)는 각 원편광된 반사광을 선편광으로 변환한다.
위상 지연 광섬유(160)를 거친 입사광은 센싱 광섬유(195)를 거치며 진행하고, 패러데이 회전 거울(170)에서 반사된다. 반사되는 과정에서 전선(190)에 전류가 흐를 경우, 전류에 의해 자기장이 생성된다. 센싱 광섬유(195)를 거쳐 진행하는 광은 발생하는 자기장의 세기(B), 센싱 광섬유(195)의 베르데 상수(υ) 및 광섬유의 길이에 따라, 위상 지연이 발생하게 된다. 특히, 전류에 의해 발생하는 자기장은, 좌선회 방향으로 원편광된 광 또는 우선회 방향으로 원편광된 광 중 어느 하나에만 위상 지연을 유발시킨다. 이에 따라, 양 광 사이에 위상차가 발생하며, 결과적으로, 두 개의 원편광된 광의 벡터 합인 선편광된 광이 회전하게 된다.
패러데이 회전 거울(170)에서 반사된 반사광은 융착점(143, 146), 위상 지연 광섬유(160) 및 위상 변조기(150)를 거치며 선편광되어 진행한다. 선편광된 반사광은 편광자(130)를 거치며, 회전 각도에 따라 세기가 변하게 되고, 커플러(120)를 거치며 수광부(180)로 입사하게 된다.
수광부(180)는 반사광의 세기 변화를 센싱함으로써, 전선(190)에 전류가 흐르는지 여부를 감지한다. 전선(190)에 전류가 흐를 경우, 반사광은 자기장의 영향을 받아 편광 방향이 달라지며, 편광자(130)에 의해 세기가 변하게 된다. 즉, 수광부(180)는 반사광의 세기 및 세기의 변화 정도를 판단하여, 전선(190)에 전류가 흐르는지 여부 및 전류의 세기를 판단할 수 있다.
센싱용 광섬유(195)는 전선(190) 주변에 권취되어 전선(190)에 전류가 흐르는지 여부 및 흐르는 전류양을 센싱할 수 있도록 한다. 센싱용 광섬유(195)는 (서로 다른 방향으로 회전하는) 입사광의 두 개의 원형 편광빔에 위상 지연을 발생시킨다. 발생하는 위상 지연은 전선(190)에 흐르는 전류에 의해 발생한 진행 방향의 자기장 세기(B), 센싱용 광섬유(195)의 베르데 상수(υ) 및 길이에 따라 가변한다. 센싱용 광섬유(195)는 위상 지연 광섬유(160)와 패러데이 회전거울(170) 사이에 배치되어, 입사광과 반사광이 각각 센싱용 광섬유(195)을 지나가도록 구성된다. 이로 인해서, 전류에 의해서 발생하는 자기광의 편광 회전은 두 배가 된다.
광섬유의 위상이나 편광 등은 외부 환경에 민감하게 영향을 받지만, 광섬유 전류 센싱 시스템(100)은 입사광과 패러데이 회전거울(170)에 의해 90° 편광회전된 반사광을 센싱하기 때문에, 이로부터 자유로울 수 있다. 입사광과 반사광의 편광 성분(일례로, 좌(左)원편광 성분과 우(右)원편광 성분)이 패러데이 회전 거울에 의해 기본적으로 서로 바뀌게 되므로, 외부 환경 요인에 의한 입사광의 편광 변화가 반사광의 편광 상태에서는 상쇄될 수 있다. 이에, 광섬유 전류 센싱 시스템(100)은 측정값에 외부 환경에 따른 보상을 별도로 진행하지 않더라도 결과를 정확히 센싱할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패러데이 회전거울의 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패러데이 회전거울 내 광의 진행을 예시한 도면이다.
도 2 및 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 패러데이 회전거울(170)은 언덕형 광섬유(210), 자성부(220), 패러데이 회전부(230) 및 미러부(240)를 포함한다.
언덕형 광섬유(210)는 센싱용 광섬유(195)와 융착되어, 입사되는 광을 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)까지 분산시켜 전달한다. 언덕형 광섬유(210)는 도 3에 도시된 특성을 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 언덕형 광섬유의 특성을 도시한 도면이다.
언덕형 광섬유(210)는 도 3a에 도시된 바와 같이 코어를 중심으로 반경에 따라 언덕 형태 또는 포물선 형태의 굴절률을 갖는다. 여기서, 굴절률은 다음과 같은 수식에 따라 결정된다.
를 만족하며,
를 만족한다.
여기서, n1은 최대 굴절률을, n2는 최소 굴절률을, r은 코어의 중심을 기준으로 한 반지름을, a는 최소 굴절률을 갖는 (최소) 반지름을, NA는 개구수를 의미한다.
언덕형 광섬유가 전술한 바와 같이 언덕 형태의 굴절률 특징을 갖기 때문에, 언덕형 광섬유(210) 내를 거치는 광은 도 3b에 도시된 바와 같이 진행하게 된다.
광섬유의 굴절률이 언덕 형태를 가질 경우, 광섬유 내로 복수의 광은 상호간에 분산과 수렴을 반복하며 진행하게 된다. 특정 위치에서 수렴이 발생하였을 경우, 해당 위치로부터 다시 수렴이 발생한 다음 위치까지의 거리를 피치(Pitch)라 정의할 수 있다. 또는, 피치는 각 광이 가장 많이 분산된 위치와 해당 위치로부터 다시 분산이 발생한 다음 위치까지의 거리를 의미할 수도 있다.
피치는 다음과 같이 연산될 수 있다.
를 만족한다.
여기서, d=2a에 해당한다.
다시 도 2 및 4를 참조하면, 언덕형 광섬유(210)는 센싱용 광섬유(195)와 융착되어, 센싱용 광섬유(195)를 통과하는 광(입사광)이 외부환경에 노출되지 않고 언덕형 광섬유(210)로 진행할 수 있다. 이에 따라, 광손실이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 융착에 의해 센싱용 광섬유(195), 패러데이 회전부(230) 및 미러부(240) 간에 별도의 광 정밀 조정을 위한 배치가 필요치 않아, 배치에 있어서도 편리함을 확보할 수 있다.
언덕형 광섬유(210)는 입사되는 광을 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)까지 분산시켜 전달한다. 언덕형 광섬유(210)가 광을 분산시켜 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)로 전달하기 위해, 언덕형 광섬유(210)가 갖는 피치를 고려하여 길이(410)가 결정된다. 언덕형 광섬유(210)의 길이(410)는 자신이 전달하는 광이 가장 분산된 상태로서 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)로 전달되도록 결정된다. 이에 따라, 언덕형 광섬유(210)의 길이(410)는 언덕형 광섬유(210)의 피치가 고려되며, 보다 구체적으로는, 코어의 직경과 굴절률이 고려되어 결정된다. 일반적으로, 언덕형 광섬유(210)의 길이(410, L)는 피치 길이의 정수 배에 피치의 절반 길이를 더한 길이로 설정된다. 즉, 언덕형 광섬유(210)의 길이는 다음과 같이 설정된다.
여기서, N은 0 또는 양의 정수를 의미한다.
이처럼, 언덕형 광섬유(210)는 입사되는 광을 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)까지 분산시켜 전달하기에, 마치, 종래의 센서 내 포함된 렌즈의 역할을 대체할 수 있다.
센싱용 광섬유(195)는 단일모드 광섬유(Single Mode Fiber)로 구현될 수 있는 반면, 언덕형 광섬유(210)는 멀티모드 광섬유(Multi Mode Fiber)로 구현될 수 있다.
자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)는 자신에 입사되는 광을 편광 회전시킨다.
패러데이 회전부(230)는 자기광(Magneto-Optic) 소재로 구현될 수 있으며, 원기둥 형태으로 구현되어 언덕형 광섬유(210)와 융착된다. 자성부(220)는 페러데이 회전부(230)의 외곽에 배치되어, 자력을 발생시킨다. 예를 들어, 자성부(220)는 영구자석으로 구현될 수 있다. 이에 따라, 언덕형 광섬유(210)를 지나 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)로 입사된 광은 편광 방향이 회전하게 된다. 이때, 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)의 길이(420)는, 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)의 유입부로 유입된 광이 미러부(240)까지 진행할 동안 45°의 편광 회전이 발생할 수 있도록 결정된다. 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)가 전술한 길이(420)를 가질 경우, 언덕형 광섬유(210)를 지나 자성부(220) 및 패러데이 회전부(230)로 입사된 광은 미러부(240)에서 반사되어 다시 언덕형 광섬유로 입사되며 90°의 회전이 발생한다. 이에 따라, 좌선회 방향으로 원편광된 입사광은 반사되어 우선회 방향으로 원편광되고, 우선회 방향으로 원편광된 입사광은 반사되어 좌선회 방향으로 원편광된다.
전술한 길이(420)는 패러데이 회전부(230)의 성분에 따라 상이해질 수 있다.
미러부(240)는 패러데이 회전부(230) 내 패러데이 회전부(230)로 입사광이 입사하는 위치로부터 먼 끝단에 위치하여, 입사되는 광을 반사시킨다. 미러부(240)는 패러데이 회전부(230)의 끝단에 미러 코팅되는 방식으로 구현될 수 있으며, 별도의 반사소재로 융착될 수도 있다.
패러데이 회전 거울(170)은 전술한 구조를 가짐에 따라, 용이하게 제조될 수 있으면서도 광손실을 최소화할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 광섬유 전류 센싱 시스템
110: 광원
120: 커플러
130: 편광자
143, 146: 융착점
150: 위상 변조기
160: 위상지연 광섬유
170: 패러데이 회전 거울
180: 수광부
190: 전선
195: 센싱용 광섬유
210: 언덕형 광섬유
220: 자성부
230: 패러데이 회전부
240: 미러부
110: 광원
120: 커플러
130: 편광자
143, 146: 융착점
150: 위상 변조기
160: 위상지연 광섬유
170: 패러데이 회전 거울
180: 수광부
190: 전선
195: 센싱용 광섬유
210: 언덕형 광섬유
220: 자성부
230: 패러데이 회전부
240: 미러부
Claims (14)
- 입사되는 광의 편광 방향을 기 설정된 각도만큼 회전시키는 패러데이 회전부;
상기 패러데이 회전부의 외곽에 배치되며, 자력을 발생시키는 자성부;
상기 패러데이 회전부로 광이 입사하는 위치로 먼 끝단에 형성되어, 입사되는 광을 반사시키는 미러부; 및
센싱용 광섬유와 융착되어, 상기 센싱용 광섬유로부터 입사되는 광을 분산시켜 상기 패러데이 회전부로 전달하거나, 상기 미러부로부터 반사되어 상기 패러데이 회전부를 거친 광을 입사받아 상기 센싱용 광섬유로 전달하는 언덕형 광섬유
를 포함하는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울. - 제1항에 있어서,
상기 미러부는,
상기 패러데이 회전부의 끝단에 미러 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울. - 제1항에 있어서,
상기 언덕형 광섬유는,
코어를 중심으로 포물선 형태의 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울. - 제1항에 있어서,
상기 언덕형 광섬유를 거치는 광은,
분산과 수렴을 반복하며 진행하는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울. - 제1항에 있어서,
상기 언덕형 광섬유는,
기 설정된 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울. - 제5항에 있어서,
상기 기 설정된 길이는,
상기 언덕형 광섬유의 피치(Pitch)에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울. - 제6항에 있어서,
상기 기 설정된 길이는,
상기 언덕형 광섬유의 피치 길이의 음의 정수를 제외한 정수 배에 상기 언덕형 광섬유의 피치 길이의 절반을 더한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 패러데이 회전거울. - 반사되어 되돌아오는 입사광의 편광 회전 각도로 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 광섬유 전류 센싱 시스템에 있어서,
입사광을 발진시키는 광원;
입사광을 기 설정된 방향으로 편광시키는 편광자;
자신에 입사되는 광을 두 개의 편광성분으로 분리하는 융착점;
입사하는 광의 위상을 변조하여 편광을 보상하는 위상 변조기;
선편광된 광을 원편광된 광으로, 원편광된 광을 선편광된 광으로 변환하는 위상 지연 광섬유;
상기 전선의 주위에 권취된 센싱용 광섬유;
제1항 내지 제7항 중 어느 한항의 패러데이 회전 거울; 및
상기 패러데이 회전거울로부터 반사된 광을 수광하여 세기를 센싱하는 수광부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 광원에서 발진된 입사광은 상기 편광자로 진행하도록 하되, 상기 패러데이 회전거울로부터 반사된 광은 상기 수광부로 진행시키는 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 수광부는,
센싱된 세기에 따라, 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 센싱용 광섬유는,
상기 광원으로부터 발진된 입사광을 상기 패러데이 회전거울까지 전달하거나, 상기 패러데이 회전거울로부터 반사된 반사광을 상기 수광부로 전달하도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템. - 반사되어 되돌아오는 입사광의 편광 회전 각도로 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 광섬유 전류 센싱 시스템에 있어서,
입사광을 발진시키는 광원;
입사광을 기 설정된 방향으로 편광시키는 편광자;
자신에 입사되는 광을 두 개의 편광성분으로 분리하는 융착점;
입사하는 광의 위상을 변조하여 편광을 보상하는 위상 변조기;
선편광된 광을 원편광된 광으로, 원편광된 광을 선편광된 광으로 변환하는 위상 지연 광섬유;
상기 전선의 주위에 권취된 센싱용 광섬유;
입사되는 광을 기 설정된 각도만큼 편광회전시키며 반사시키는 패러데이 회전 거울; 및
상기 패러데이 회전거울로부터 반사된 광을 수광하여 세기를 센싱하는 수광부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 기 설정된 각도는,
90°인 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 수광부는,
센싱된 세기에 따라, 전선에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 전류 센싱 시스템.
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