KR20230125515A - 더블 패스 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자 센서 시스템 - Google Patents

더블 패스 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자 센서 시스템 Download PDF

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KR20230125515A
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김대길
김정은
박시웅
이아람
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명에서는 더블패스 마하젠더 간섭계와 WDM 필터를 이용하여 구조가 간단한 광섬유 격자 다채널 센서 시스템 제작 방법을 제시하였다. 더블패스 마하젠더 능동형 파장필터와 WDM 수동 파장필터를 이용하여 기존의 하나의 광섬유 격자센서만을 파장 복조 하는 시스템을 다채널 광섬유격자 센서어레이 방식으로 확장하는 방법을 제시하였다. 다채널 광섬유 격자 센서어레이 파장검출 솔루션을 제공으로 다양한 형태의 소형 파장측정 기반 광 센서 응용제품 적용에도 용이한 장점이 있다.

Description

더블 패스 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자 센서 시스템{MULTI-CHANNEL FIVER-OPTIC GRATING SENSOR SYSTEM USING DOUBLE PASS INTERFEROMETER}
본 발명은 광섬유 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자센서 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 물리적 변화량에 따라 검출되는 광섬유 격자 센서 어레이의 파장 변화량을 추출하기 위한 다채널 광섬유 격자 파장 복조 시스템 기술에 관한 것이다.
광섬유 격자(Fiber Bragg grating)는 기존의 온도센서, 스트레인 게이지나 가속도계 등에 비하여 고정밀도와 우수한 노이즈 특성과 준분배형 센서 어레이로 구성하기가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 즉, 하나의 광섬유 라인에 여러 개의 광섬유 격자를 연결하고 센서 어레이를 구성할 수 있으며, 단순하고 효율적인 센서시스템 구성이 가능하다.
다수의 광섬유격자 센서를 사용하는 분배형 센서를 구축하기 위해서는 일반적으로 광섬유 격자 배열을 쉽게 복조할 수 있는 파장분할 다중화 기술(WDM: Wavelength Division Multiplexing)이 주로 사용된다.
WDM 기술에서 허용이 가능한 광섬유 격자 센서의 최대수는 입력 광원의 스펙트럼 대역폭과 광섬유격자 센서의 동적 파장범위에 의해 결정된다. 파장분할 다중화와 달리 시간분할 다중화 기술(TDM: Time Division Multiplexing)은 입력 광원의 신호를 펄스 형태로 변조하여 광섬유격자 배열에 보내고 펄스에 의해 반사되는 신호를 측정하는 방법이다.
기존 기술에서는 고가의 FDML 파장가변 레이저를 적용한 광섬유 격자센서 복조 시스템을 제안한 바 있는데, FDML 파장 가변레이저 구조상 고속의 파장 가변 속도에 따른 고가의 디지타이저가 필요하며, 데이터 연산양 증가에 따른 고속신호처리 시스템이 필수적이며 전체 시스템 구조가 복잡하여 시스템을 소형화 하기 힘든 구조로 되어 있는 문제점이 있다.
또 다른 기존 기술에서는 고가의 분광기를 기반으로 하는 광섬유 격자센서 시스템으로 광섬유 격자센서 끝단에 FP 필터를 구성하고, 다른쪽 팔에 광필터를 구성하여 주기적인 파장 스펙트럼으로 파장보정을 하는 광섬유 격자센서 시스템으로 저가형 시스템으로 구성하기가 힘든 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광섬유 격자센서의 파장 검출을 위해 더블패스 광섬유 간섭계를 구현하여 저가형 환경적 외란에 강인한 더블 패스 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자 센서 시스템를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 하나의 광원을 구현하기 위하여 파장필터로 LC(Liquid crystal)와 광폭 광원을 하나의 패키징에 집적화 함으로써 구조가 간단하고 저가격 대량생산이 가능한 광섬유 격자센서 시스템을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 시간-파장 다분화가 동시에 가능하므로 다수 광섬유 격자센서를 온도, 스트레인, 전압, 진동 등 다양한 물리량 측정이 가능한 저가형 광섬유기반 준분배형 센서시스템을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 더블 패스 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자 센서 시스템은 입사된 광원을 분배 및 결합하기 위한 제1 및 제2 광섬유 커플러, 상기 제1 및 제2 광섬유 커플러 사이의 제1 암에 설치된 편광 제어부 및 상기 제1 및 제2 광섬유 커플러 사이의 제2 암에 설치된 위상 변조부를 포함하는 마하젠더 간섭계; 상기 마하젠더 간섭계로부터 간섭 신호를 추출하기 위해 상기 제1 광섬유 커플러에 연결되는 광 검출기; 상기 제2 광섬유 커플러로부터 분기되는 기준 암에 설치된 기준 광섬유 격자; 상기 제2 광섬유 커플러와 제3 광섬유 커플러 사이의 제3 암; 상기 제3 광섬유 커플러로부터 연장되는 센서 암에 설치된 복수의 광섬유 격자 센서 어레이; 상기 제3 광섬유 커플러로부터 분기되는 제4 암에 설치된 WDM(wavelength-division multiplexing) 필터; 및 상기 WDM 필터에 연결된 복수의 센서 어레이 광검출기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 마하젠더 간섭계와 WDM 필터를 이용하여 구조가 간단한 광섬유 격자 다채널 센서 시스템을 제안하고, 더블패스 마하젠더 능동형 파장필터와 WDM 수동 파장필터를 이용하여 기존의 하나의 광섬유 격자센서만을 파장 복조 하는 시스템을 다채널 광섬유격자 센서 어레이 방식으로 확장하는 방법을 제안함으로써, 다채널 광섬유 격자 센서 어레이 파장 검출 솔루션을 제공으로 다양한 형태의 소형 파장측정 기반 광 센서 응용제품 적용에도 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 광섬유 격자 센서 시스템의의 기본 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 더블 패스 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자 센서 시스템의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 광섬유 격자 센서별 스트레인 파장 복조를 예시한 파형도이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 더블패스 마하젠더 간섭계의 개략적인 구조 및 원리를 설명하기 위한 기본 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 적용되는 더블패스 마하젠더 간섭계(double-pass　Mach-Zehnder　Interferometer: double-pass MZI)는 기본적으로 제1 광섬유 커플러(101), 제2 광섬유 커플러(103), 위상 변조부(107: Phase Modulator), 제1 광 검출기(Photo Diode 1: PD1)(121), 제2 광검출기(Photo Diode 2: PD2)(123), 제1 암(130), 제2 암(140) 및 기준 광섬유 격자(Fiber Bragg grating: FBG)(150)를 포함하도록 구성될 수 있다.
제1 및 제2 광섬유 커플러(101, 103)은 입사된 광원을 분배 및 결합한다.
제1 및 제2 암(130, 140)은 제1 및 제2 광섬유 커플러(101, 103) 사이에 배치되며, 제2 암(140)에는 위상 변조부(107)가 장착된다.
위상 변조부(107)는 제2 광섬유 커플러(103)를 통해 입력되는 광원(기준 광섬유 격자(150)에 의해 반사된 광원)에 대한 위상 변조(예, 2배의 위상 변조)를 수행한다.
기준 광섬유 격자(150)는 제1 광 검출기(Photo Diode 1: PD1)(121)에 의해 검출되도록 제1 광섬유 커플러(101), 제1 암(130) 및 제2 광섬유 커플러(103)를 경유하여 입력된 파장 변조된 광원의 일부 광원을 반사한다.
파장 변조된 광원은 MZI를 거쳐서 제2 광검출기(PD2)(123)에서 검출된다. 고정된 파장 λ의 광원은 MZI를 통과한 후 기준 광섬유 격자(150)에서 반사되고 MZI를 다시 한번 거쳐서 제1 광검출기(PD1: 121)에서 검출된다. 제1 광검출기(PD1)와 제2 광검출기(PD2)의 신호를 다음 수학식 1 및 2와 같이 표현할 수 있다.
위 식에서, I dc1 과 I dc2 는 간섭신호의 직류 성분이고, A 와 B는 입력광의 광세기와 손실에 비례하는 크기이다. ω는 MZI의 한쪽 팔에 위상 변조기를 두어 광경로를 변조한 주파수이다.
와 는 광경로차에 따른 입력파장의 위상 성분이며, 는 환경적 외란에 의한 위상 변화량이다. 입력광의 파장 변화가 크지 않은 경우에 간섭계 출력의 위상 변화량 는 다음 식과 같이 근사할 수 있다.
여기서, n은 광섬유 코어의 굴절률이고, d는 간섭계의 광경로 차이이고, λ는 입력 광원의 초기 파장이다. 그리고, Δλ는 광원의 파장 변조량이다.
수학식 1에서 을 추출하기 위해 더블패스 MZI에서 생성되는 내부 트리거를 이용하여 Quadrature 샘플링 기법이 사용된다.
구체적으로, 먼저 입사 광원의 초기 파장을 λ
Figure pat00009
λR으로 근사할 수 있다면, 수학식 2에 따른 제1 광검출기(PD1)의 출력을 AC 커플링하고(S10), AC 커플링된 제1 광검출기(PD1)의 출력에 대해 제로-크로싱 검출 기법에 따라 검출하면(S20), AC 커플링된 제1 광검출기(PD1)의 출력은 코사인 함수이므로 연속하는 영점에서 주기는 항상, π 위상차를 만족하며 아래의 수학식 4로 표현된다.
이때, 영점 주기를 신호취득 내부 트리거로 사용하면, 제2 광검출기(PD2)의 간섭신호에서 90도 위상차를 가지는 2개의 샘플데이터를 얻을 수 있다.
샘플링된 2개의 데이터를 서로 나누고, 탄젠트(tangent)의 역함수를 가하면, 제한된 구간(±π/2)안에서 위상이 복원된다. 한정된 구간에서 반복되는 위상을 이어주기 위해 위상풀기(phase unwrapping) 알고리즘을 적용하면(S30), 코사인 함수의 위상 변화량을 얻을 수 있으며, 수학식 3의 이용하여 정확한 파장 복조량을 계산할 수 있다.
이하, 도 1의 설명을 기초로 하여, 본 발명의 실시 예에 따른 더블 패스 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자 센서 시스템에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 광섬유 격자센서의 파장검출하기 위해서 더블패스 광섬유 간섭계를 구현하여 저가형 환경적 외란에 강인한 센서 시스템을 만들고, 하나의 광원을 구현하기 위하여 파장필터로 LC(Liquid crystal)와 광폭광원을 하나의 패키징에 집적화 함으로써 구조가 간단하고 저가격 대량생산이 가능한 광섬유 격자센서 시스템 구성에 관한 것이다.
시간-파장 다중화가 동시에 가능하므로 다수 광섬유 격자센서를 온도, 스트레인, 전압, 진동 등 다양한 물리량 측정이 가능한 저가형 광섬유기반 준분배형 센서시스템 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 더블 패스 간섭계를 이용한 다채널 광섬유 격자 센서 시스템의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 다채널 광섬유 격자 센서 시스템은 광원(201), 제1 광섬유 커플러(202), 제2 광섬유 커플러(203), 제1 암(204), PC(205), 제2 암(207), 위상 변조부(208), 기준 격자(Reference fiber bragg Grating: RG)(209), 기준 암(210), 제3 암(211), 광차단기(IS0lator: ISO)(212), 제3 광섬유 커플러(213), 제4 암(214), WDM 필터(215), 센서 암(215) 및 광섬유 격자 센서 어레이(SG_1, SG_2, ...SG_N, SG_N+1)을 포함하며, 추가로, 제1 광검출기(PD1)와 다수의 광섬유 격자 센서 광검출기들(PD_2, PD_3 ~ PD_N+2, PD_N+3)을 더 포함한다.
광원(201)은 에르븀(Erbium) 첨가 광섬유를 이용하여 구성한 광대역 파장 광원(Broadband Source: BBS)일 수 있다.
제1 광섬유 커플러(202), 제2 광섬유 커플러(203) 및 제3 광섬유 커플러(211)는 입사된 광원을 분배 및 결합한다.
제1 광섬유 커플러(202) 및 제2 광섬유 커플러(203) 사이의 제1 암(204)에는 상기 광원(201)의 편광을 제어하기 위한 편광 제어부(PC: Polarization Controller)(205)가 설치된다.
제1 광섬유 커플러(202) 및 제2 광섬유 커플러(203) 사이의 제2 암(207)에는 위상 변조를 수행하는 위상 변조부(PM: Phase Modulator)(208)가 설치된다.
상기의 구성들, 즉, 제1 및 제2 광섬유 커플러(202, 203), 제1 및 제2 암(204, 207), 편광 제어부(205), 위상 변조부(208)들을 포함하여, 마하젠더 간섭계라 지칭할 수 있다.
제1 광검출기(PD1)는 상기 마하젠더 간섭계로부터 간섭 신호를 추출하기 위해 상기 제1 광섬유 커플러에 연결된다.
제2 광섬유 커플러(203)로부터 분기되는 기준 암(210)에는 기준 광섬유 격자(209, RG)가 장착된다.
제2 광섬유 커플러(203)와 제3 광섬유 커플러(213) 사이의 제3 암(211)에는 광 차단기(212, ISO)가 설치된다.
광차단기(212)는 광섬유 격자 센서 어레이(SG_1, SG_2, ... SG_N, SG_N+1)의 반사 파장이 기준 격자(209)의 반사 파장과 섞여서 신호가 왜곡되는 것을 방지하는 역할을 한다.
제3 광섬유 커플러(213)로부터 연장되는 센서 암(215)에는 광섬유 격자 센서 어레이(SG_1, SG_2, ...SG_N, SG_N+1)가 장착된다.
제3 광섬유 커플러(213)로부터 분기되는 제4 암(214)에는 WDM 필터(216)가 장착된다.
마하젠더 간섭계의 한쪽 팔을 원통형 압전 소자에 감은 후 함수 발생기(216)로 구동신호를 인가한다. 구동신호의 크기는 센서 어레이 광검출기들(PD_2 ~ PD_N+3)에서 2π의 위상 변조를 얻을 수 있도록 조절된다.
기준 격자(209)에서 반사된 광원은 마하젠더 간섭계를 다시 통과하면서 위상 변조부(208)에 의해 2배의 위상 변조를 겪게 되므로, 제1 광검출기(PD1)의 간섭 신호는 복수의 광검출기들(PD 2 ~ PD N+3)의 신호보다 2배 크기의 위상을 가진다.
따라서 WDM(Wavelength-Division Multiplexing 또는 Coarse WDM) 필터(215)를 통과해서 얻은 광검출기들(PD 2~PD N+3)의 신호중 하나를 선택해서 AC 커플링하면, 영점의 위치마다 항상 π 위상차를 만족하게 되므로 이를 광섬유 격자 센서 광검출기들(PD 2 ~ PD N+3) 출력에 대한 기준 트리거로 이용하면 주기적으로 90° 위상차를 가지는 2개의 샘플을 얻는다.
압전소자와 같이 기계적인 움직임을 이용하여 위상을 변조하는 경우에는 압전 소자의 기계적인 진동특성에 의하여 램프신호를 이용한 위상변조에 어려움이 있고, 또 달성할 수 있는 최대 변조주파수가 제한되는 경우가 많다.
따라서 램프 이외의 구동신호를 이용하여 높은 속도로 위상 변조를 할 수 있다면, 효율적인 시스템을 구성할 수 있는데, 더블패스 간섭 구조에서 생성되는 내부 트리거를 이용하면, 위상변조 구동신호의 형태와 속도에 관계없이 90° 위상차를 유지할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 광섬유 격자 센서별 스트레인 파장 복조를 예시한 파형도로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유 격자 센서별 스트레인 파장 복조에 의해 사인파, 구형파, 톱니파 및 삼각 펄스 형태의 파형을 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

  1. 입사된 광원을 분배 및 결합하기 위한 제1 및 제2 광섬유 커플러, 상기 제1 및 제2 광섬유 커플러 사이의 제1 암에 설치된 편광 제어부 및 상기 제1 및 제2 광섬유 커플러 사이의 제2 암에 설치된 위상 변조부를 포함하는 마하젠더 간섭계;
    상기 마하젠더 간섭계로부터 간섭 신호를 추출하기 위해 상기 제1 광섬유 커플러에 연결되는 광 검출기;
    상기 제2 광섬유 커플러로부터 분기되는 기준 암(210)에 설치된 기준 광섬유 격자;
    상기 제2 광섬유 커플러와 제3 광섬유 커플러 사이의 제3 암;
    상기 제3 광섬유 커플러로부터 연장되는 센서 암에 설치된 복수의 광섬유 격자 센서 어레이;
    상기 제3 광섬유 커플러로부터 분기되는 제4 암에 설치된 WDM(wavelength-division multiplexing) 필터; 및
    상기 WDM 필터에 연결된 복수의 센서 어레이 광검출기
    를 포함하는 다채널 광섬유 격자 센서 시스템.
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