WO2018169165A1 - 편광 빛살 가르게를 이용한 광섬유 사냑 간섭계 - Google Patents

편광 빛살 가르게를 이용한 광섬유 사냑 간섭계 Download PDF

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WO2018169165A1
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light
optical fiber
polarized
sensing unit
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PCT/KR2017/013876
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조규만
윤승현
잉싱허
박준규
임효섭
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서강대학교 산학협력단
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    • G02B6/29347—Loop interferometers, e.g. Sagnac, loop mirror

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber sagnac interferometer, and more particularly, a polarization-maintaining optical fiber coil wound by one or more times after separating the input light into polarization components perpendicular to each other using a polarizing beam splitter (PBS). Input at both ends of the (coil) and proceed in the opposite direction along the same optical fiber, clockwise (CW) and counter clockwise (CCW). When combined in the PBS, each polarized component outputted from the PBS and proceeded together is separated and outputted at 90 degrees from the input light. Therefore, if they are interfered and demodulated using a typical interferometer signal processing method, they are different in the CW and CCW directions.
  • a sagnac interferometer capable of measuring the phase difference between polarization components.
  • the Sagnac interferometer was first developed by G. Sagnac in 1913.
  • 1 is a block diagram illustrating a conventional Sagnac interferometer.
  • the Sagnac interferometer has two light beams divided in half by a beam splitter (BS) and has a ring structure by two or more mirrors, and proceeds in the CW and CCW directions, respectively.
  • the interferometer is designed to measure the phase difference between two lights traveling in the CW and CCW directions by analyzing the interference signal measured by the photo detector.
  • Sagnac interferometers are applied to measure / observe phenomena that induce optically irreversible changes in the CW and CCW directions.
  • Typical examples include rotation sensors and current sensors.
  • the interferometer rotates in the CW direction, the light traveling in the same direction travels a little farther than when it stops, and the light traveling in the opposite direction travels a shorter distance.
  • a phase difference occurs between the CW light) and the light traveling in the CCW direction (hereinafter referred to as CCW light), and thus the interference signal is changed. Therefore, the rotational angular velocity can be measured by demodulating the interference signal output from the photodetector.
  • the interference signal should be made proportional to the sine of the phase difference ⁇ induced by rotation, but there is no way to make this condition because of the symmetry of the existing Sagnac interferometer. Therefore, conventional Sagnac interferometers are not suitable for measuring rotations with small angular velocities.
  • a phase difference of 90 degrees occurs between the light reflected from the BS and the transmitted light.
  • the CW light is reflected from the BS and output twice to the photo detector, while reflecting twice from the BS. Since light is transmitted twice to reach the photo detector, a 180 degree phase difference occurs between the CW light and the CCW light reaching the photo detector. That is, in the absence of rotation, an extinction interference occurs between the CW and CCW light, so that the intensity of light directed to the detector is zero. Therefore, when the rotational angular velocity is very small, the noise for the light detection is given by the electronics noise given by the electronic devices including the photodetector, so it is not suitable for the measurement of the small rotational angular velocity.
  • a gyroscope is a device for measuring the rotational kinematics of a rotating object, and in particular, provides a measurement of the rotational angular velocity.
  • Applications of gyroscopes are very wide, such as navigation systems used in airplanes, missiles, spacecraft, submarines, attitude control of cameras, robots, and unmanned automated devices, and gyro compasses.
  • Gyroscopes require different levels of precision and stability depending on their application.
  • the aforementioned gyroscope includes a mechanical gyroscope and an optical gyroscope, and in the field of ultra-precision measurement, an optical gyroscope is mostly used.
  • the above-mentioned optical gyroscopes include ring laser gyroscopes, optical fiber gyroscopes, and the like.
  • a ring laser gyroscope allows the laser beams to travel in opposite directions, for example clockwise and counterclockwise, simultaneously in a resonator of three or more reflectors, and the frequency of these laser beams causes the gyroscope to rotate externally. It is a device for measuring the rotational angular velocity by detecting the difference in the frequency, that is, the difference in the effective resonator length in the CW and CCW directions given by the rotation. Ring laser gyroscopes are most commonly used in navigation systems because of their high bias stability, conversion factor linearity, wide measurement range, and low temperature sensitivity.
  • the output of the ring laser gyroscope appears in the form of a sine wave, and the frequency of the sine wave changes according to the magnitude of the rotational angular velocity.
  • the magnitude of the external rotational angular velocity is small, a frequency lock-in effect occurs, in which frequencies of two laser beams oscillating in both directions are equal to each other by reverse scattering occurring in a reflector.
  • the magnitude of the rotational angular velocity is below a certain threshold, there is a problem that the measurement of the gyroscope is impossible.
  • the optical fiber gyroscope basically includes a sensing unit consisting of a light source and a fiber coil wound around the optical fiber in a circular shape.
  • the operation of the optical fiber gyroscope is briefly described as follows. First, the light from the light source passes through the directional coupler and then splits into two lights, passing through the fiber coil, and the two lights passing through the fiber coil in opposite directions meet and interfere in the directional coupler again. When the gyroscope is stationary, both lights experience the same phase shift as they pass through the fiber coil, thus constructively interfering in the directional coupler, and the output of the photodetector is maximized.
  • An object of the present invention for solving the above-mentioned problems is an optical fiber coil in which two beams polarized perpendicularly to each other using a polarized light beam wound the polarization maintaining optical fiber at least once in a circular shape (hereinafter, referred to as 'polarization maintenance optical fiber coil'). It is to provide a Sagnac interferometer of the improved structure configured to proceed in the clockwise and counterclockwise direction, respectively, along the path formed by.
  • an optical fiber sagnac interferometer comprising: a light source for providing linear or circularly polarized light; The light input from the light source is divided into first and second beams polarized perpendicularly to each other, and the first and second beams are input to both ends of the polarization maintaining optical fiber coil so that the respective beams are moved in opposite directions. Detecting unit to combine and output again after; And a demodulator for interfering a first beam and a second beam output from the detector to measure a phase change induced therebetween.
  • the sensing unit receives light linearly or circularly polarized at 45 degrees with respect to the main axis of the polarized light beam from the light source, and divides the input light into vertically polarized first and second beams and outputs different outputs.
  • a polarization maintaining optical fiber coil having both ends connected to output ports of the first beam and the second beam of the polarized light beam to advance the first beam and the second beam output from the polarized light beam in opposite directions to each other
  • a first beam and a second beam output from the polarization maintaining optical fiber coil are polarized perpendicularly to each other, merged in a polarized light beam, and output in the same path to be provided to the demodulator.
  • an optical fiber sagnac interferometer includes: a light source for providing 45 degree linearly or circularly polarized light; A detector for dividing the light input from the light source into a first beam and a second beam that are vertically polarized with each other, moving the first beam and the second beam in opposite polarization directions in a polarization maintaining optical fiber coil, and then combining and outputting the first beam and the second beam; A resonator formed at an input point and an output point of the detector to resonate the first beam and the second beam of the detector; And a demodulator for interfering a first beam and a second beam output from the resonator to measure a phase difference induced between the first beam and the second beam.
  • the sensing unit receives light linearly or circularly polarized by 45 degrees with respect to the main axis of the polarized light beam from the light source, and divides the input light into vertically polarized first and second beams, and different output ports.
  • a polarization maintaining optical fiber coil having both ends connected to output ports of the first beam and the second beam of the polarized light beam to advance the first beam and the second beam output from the polarized light beam in opposite directions to each other
  • a first beam and a second beam output from the polarization maintaining optical fiber coil are polarized perpendicularly to each other, merged in a polarized light beam, and output in the same path to be provided to the demodulator.
  • the resonator includes: first and second mirrors disposed at input and output points of the sensing unit, respectively; A first quarter wave plate (QWP) disposed between the first mirror and the sensing unit; And a second quarter wave plate disposed between the second mirror and the sensing unit. It is preferable to have a.
  • An optical fiber sagnac interferometer comprising: a light source for providing polarized light; A detector for dividing the light provided from the light source into a first beam and a second beam according to a polarization direction, moving the first beam and the second beam in different directions in a polarization maintaining optical fiber coil, and then combining and outputting the first beam and the second beam; A demodulator for interfering a first beam and a second beam output from the detector to measure a phase change induced therebetween; Is disposed between the light source and the sensing unit, and transmits a part of the beam provided from the light source and outputs to the sensing unit, and the light beam to reflect a portion of the beam provided from the sensing unit to output to the demodulator;
  • the sensing unit may be configured to split light provided from the light source into a first beam and a second beam that are vertically polarized with each other, and to output light to different output ports through the light beam;
  • a polarization maintaining optical fiber coil having both ends connected to output ports of the first beam and the second beam of the polarized light beam to advance the first beam and the second beam output from the polarized light beam in opposite directions to each other ;
  • a polarization direction of the first or second beam that is attached to one of the output ports of the polarization light beam and input to the polarization maintaining optical fiber coil, and a second or output that is output from the optical fiber and input to the polarization light beam.
  • a half wave plate (HWP) for rotating the polarization direction of the first beam by 90 degrees, respectively.
  • the first beam and the second beam output from the polarization maintaining optical fiber are combined in the polarized light beam and output, and then reflected or transmitted by the light beam and provided to the demodulator.
  • an optical fiber sagnac interferometer includes: a light source for providing polarized light; A detector for dividing the light provided from the light source into a first beam and a second beam according to a polarization direction, moving the first beam and the second beam in different directions in the polarization maintaining optical fiber, and then combining and outputting the first beam and the second beam; A demodulator for interfering a first beam and a second beam output from the detector to measure a phase change induced therebetween; Is disposed between the light source and the sensing unit, and transmits a part of the beam provided from the light source and outputs to the sensing unit, and the light beam to reflect a portion of the beam provided from the sensing unit to output to the demodulator;
  • the sensing unit may be configured to split light provided from the light source into a first beam and a second beam that are vertically polarized with each other, and to output light to different output ports through the light beam; And both ends connected to the output ports of the first beam and the second beam of the polarized light beam, the polarization maintaining optical fiber for advancing the first beam and the second beam output from the polarized light beam in opposite directions to each other; And a coil, wherein a principal axis of one end of the polarization maintaining optical fiber coil is arranged to be rotated by 90 degrees to rotate the polarization direction of light passing through the polarization maintaining optical fiber by 90 degrees.
  • the first beam and the second beam output from the polarization maintaining optical fiber coil are combined in the polarized light beam and output and then reflected or transmitted by the light beam and provided to the demodulator.
  • the optical fiber sagnac interferometer further includes a resonator between the light beam and the polarizing light beam of the sensing unit.
  • the resonator may include a mirror disposed between the light beam and the polarizing light beam of the sensing unit; And a quarter wave plate (QWP) disposed between the mirror and the sensing unit. It is preferable to have a.
  • QWP quarter wave plate
  • the optical fiber sanyak interferometer in accordance with the features described above are provided received from the demodulator providing a first phase difference ( ⁇ ⁇ ) of the phase change of the first beam and a second beam, by using the phase difference measuring a rotational angular velocity ( ⁇ ) It is preferable to further provide a control unit.
  • the demodulator comprises: a phase delay device for applying a bias phase between the first beam and the second beam that are perpendicular to each other provided from the sensing unit; Dividing the beam output from the phase delay device into a third beam and a fourth beam, respectively and outputting light; An I signal output unit for detecting and outputting an I output signal from the third beam passing through the light beam; A Q signal output unit for detecting and outputting a Q output signal from the fourth beam reflected by the light beam; It is preferable to have a.
  • the demodulator comprises: a phase delay device for applying a bias phase between the first beam and the second beam that are perpendicular to each other provided from the sensing unit; A polarizer for aligning the first beam and the second beam delayed by the phase delay device by 45 degrees to output an interference signal of the first beam and the second beam; And a photodetector for outputting a detection signal detecting the beam output from the polarizer.
  • the demodulator comprises: a phase delay device for applying a bias phase between a first beam and a second beam that are perpendicular to each other provided from the sensing unit; A polarized light beam that interferes with the first beam and the second beam output from the phase delay device and outputs the divided light according to the polarization state; A first photodetector for detecting a third beam reflected from the polarized light beam and outputting a first detection signal; A second photodetector for detecting a fourth beam transmitted through the polarized light beam and outputting a second detection signal; A differential amplifier detecting and outputting a difference between the first and second detection signals; It is preferable to have a.
  • the sagnac interferometer according to the present invention can be precisely measured even by a rotation with a small angular velocity unlike the conventional sagnac interferometer by using a polarized light filter.
  • the sagnac interferometer according to the second and fourth embodiments of the present invention has a resonant structure, whereby the CW light and the CCW light are output after a plurality of times in the resonator.
  • the rotation can be measured more precisely and always maintain high sensitivity.
  • 1 is a block diagram showing a conventional Sagnac interferometer.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the overall Sagnac interferometer according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the overall Sagnac interferometer according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the overall Sagnac interferometer according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the overall Sagnac interferometer according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a Sagnac Effect used to detect a rotational angular velocity using a phase difference according to a Sagnac interferometer according to the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an embodiment of a demodulation unit in the sagnac interferometer according to the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing another embodiment of the demodulator in the sagnac interferometer according to the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing another embodiment of the demodulation unit in the sagnac interferometer according to the present invention.
  • the Sagnac Interferometer according to the present invention is characterized in that it is configured using an optical fiber and a resonator to separate polarized light.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing the overall improved Sagnac interferometer according to the first embodiment of the present invention.
  • the optical fiber gyroscope 1 includes a light source 10, a detector 20, and a demodulator 30, and further includes a controller 40. can do.
  • the light source 10 receives light that is linearly polarized or circularly polarized by 45 degrees with respect to the main axis of the light polarizing light, and the light that is linearly or circularly polarized by 45 degrees is lightly polarized by the detector 20 (200).
  • the light source is configured to output a linearly or circularly polarized laser beam of 45 degrees with respect to the main axis of the polarized light beam using a single laser beam generator, or by combining the laser beam generator and the polarization rotating device,
  • the laser beam may output a linearly or circularly polarized laser beam at 45 degrees with respect to the main axis of the polarized light beam.
  • the sensing unit 20 includes a polarized light beam (PBS) 200 and a polarization maintaining optical fiber coil (PMF coil) 210 to configure one optical path.
  • PBS polarized light beam
  • PMF coil polarization maintaining optical fiber coil
  • the sensing unit having the above-described structure, detects the rotation or movement of the Sagnac interferometer using the light provided from the light source, and demodulates the first beam and the second beam having a phase difference according to the rotational angular velocity by the rotation or movement ( 30).
  • the polarization maintaining optical fiber coil 210 is formed of a polarization maintaining optical fiber wound in a circle at least once.
  • the sensing unit 20 divides the light incident from the light source into two beams by reflecting S-polarized light and transmitting P-polarized light according to the polarization direction in the PBS 200.
  • Each of the optical paths formed by the coils 210 are processed in opposite directions, respectively, and then merged together in the PBS 200 and output to the demodulator.
  • the demodulator demodulates the beam thus output, thereby measuring the phase difference between the first beam and the second beam, which have advanced in the CW and CCW directions, respectively.
  • the polarized light beam 200 is an optical element that reflects the S-polarized light and passes the P-polarized light according to the polarization direction of the beam provided from the light source. It is separated into a second beam and outputs to both ends of the PMF coil (210). The first beam and the second beam respectively output to both ends of the PMF coil 210 are rotated in opposite directions to be incident to the PBS 200 again, merged, and provided to the demodulator.
  • the polarization maintaining optical fiber coil 210 is arranged such that the beams output from the PBS 200 rotate in opposite directions along the optical path formed by the PMF coil 210 and then enter the PBS 200 again. Will follow the main axis of the PMF coil.
  • the second beam reflected by the polarization maintaining optical fiber coil and reflected from the polarized light beam is proceeded in a clockwise direction CW and re-entered into the polarized light beam, and the first beam transmitted through the polarized light beam is Proceed counterclockwise (CCW) and reenter the polarized light beam.
  • the first beam and the second beam which are in the state of being vertically polarized with each other, move in opposite directions along the polarization maintaining fiber coil 210 and are then re-entered into the polarized light beam 200 to be output to the demodulator.
  • the Sagnac interferometer rotates while the first and second beams move along the PMF Coil 210, the first beam and the second beam have a phase difference according to the rotational angular velocity of the sagnac interferometer.
  • the demodulator 30 interferes with the first beam and the second beam output from the detector 20, and measures and provides a phase difference induced therebetween.
  • the controller 40 calculates a phase difference between the first beam and the second beam from the interference signals of the first beam and the second beam provided from the demodulator, and calculates and outputs a rotational angular velocity of the sagnac interferometer.
  • the sagnac interferometer according to the present invention may include the control unit 40 therein or may be configured without the control unit 40.
  • the sagnac interferometer may provide an external control device or a computer with an interference signal of the first beam and the second beam measured by the sagnac interferometer using an external control device or a computer.
  • the control device or computer may calculate the phase difference between the first beam and the first beam and the rotational angular velocity of the sagnac interferometer using the interference signals of the first beam and the second beam.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the Sagnac Effect used to detect the rotational angular velocity using the phase difference between the first beam and the second beam in the Sagnac interferometer according to the present invention.
  • the Sagnac interferometer rotates, the first and second beams traveling in opposite directions along the polarization maintaining optical fiber 210 have optical path differences ? Will occur. Therefore, the optical path difference is obtained using the phase difference between the first beam and the second beam measured by the Sagnac interferometer, and the rotational angular velocity can be measured based on the optical path difference.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the overall improved Sagnac interferometer according to a second embodiment of the present invention.
  • the gyroscope 2 includes a light source 12, a detector 22, a demodulator 32, and a resonator 52, and a controller 42. ) May be further provided. Since the structure of the sensing unit 22 of the second embodiment is the same as those of the first embodiment, overlapping description is omitted.
  • the light source 12 may use a laser beam light source linearly or circularly polarized at 45 degrees with respect to the main axis of the polarized light beam.
  • the detector 22 is disposed inside the resonator 52, and divides the light input from the light source into a first beam and a second beam polarized perpendicular to each other, and divides the first beam and the second beam into a PMF coil. In the path formed by 210, the motions are moved in opposite directions to each other and then output again to the demodulator.
  • the resonator 52 includes a first mirror 520 and a second mirror 522 disposed at an input point and an output point of the sensing unit 22, respectively.
  • a quarter wave plate (QWP) 521 and a second quarter wave plate 523 are disposed, respectively.
  • the first and second quarter-wave plates are phase delay plates for delaying and outputting the input beam by? / 4.
  • the first and second mirrors 520 and 522 are composed of mirrors having a large reflection coefficient (R).
  • R reflection coefficient
  • the finesse of the resonator is 157, assuming there is no loss in the polarized light beam, and the CW and CCW beams in the resonator are approximately Since it can be repeated 100 times, the induced phase value increases by about 100 times. Even considering the loss in the polarized light beam, the performance of the interferometer can be improved because the CW beam and the CCW beam can be repeatedly returned several dozen times.
  • the detector 22 has the same structure as that of the detector of the first embodiment, but includes a first mirror 520 and a first quarter wave plate of the resonator between the light source and the incident surface of the polarized light beam 200. 521 is disposed, and a second mirror 522 and a second quarter wave plate 523 of the resonator are disposed between the emission surface of the polarized light beam and the demodulator.
  • a part of the linearly polarized light provided from the light source is incident on the first QWP 521 through the mirror, and the polarization state is passed through the first QWP since the polarization direction of the incident light is parallel to the main axis of the first QWP. Is kept in the same state as the incident light. Since the main axis of the first QWP, that is, the polarization direction of the incident light forms an angle of 45 degrees with the main axis of the polarized light beam, the P polarized light component of the incident beam passes through the polarized light beam 200 to form the first beam. The S component is reflected to form a second beam.
  • the first beam transmitted through the polarization light beam travels the path formed by the polarization sustaining fiber coil in the CCW direction
  • the second beam reflected by the polarization light beam travels the path formed by the polarization sustaining fiber coil in the CW direction.
  • the first beam propagated in the CCW direction along the polarization retaining optical fiber coil is P-polarized, re-entered into the polarized light beam and transmitted again to transmit the second QWP, the second mirror, and the second QWP, and then back to the polarized light beam. You will join.
  • the second QWP is transmitted twice, and the polarization direction is rotated by 90 degrees.
  • the polarized light is reflected from the incident light beam again and the PMF is reflected in the CCW direction. You will proceed again.
  • the first beam is repeatedly returned in the CCW direction. Therefore, when the resonator satisfies the standing wave condition, the light incident through the first mirror causes augmented interference, and thus the intensity of the light inside the resonator gradually increases, and some of them are output through the second mirror 522.
  • the number of times the first beam is returned along the polarization maintaining optical fiber coil is given by the reflectance of the mirror.
  • the second beam is output through the second mirror 522 while rotating the same number of times in the CW direction.
  • the reflection coefficients (R) of the first and second mirrors constituting the resonator are 98%
  • the finesse of the resonator is 157
  • the first and second beams are separated from other elements such as polarized light. If the loss is not considered, it will be printed after about 100 times. Therefore, even if the PMF length is reduced to 1/100, the same effect can be obtained and the cost can be reduced.
  • the noise of the polarization maintaining fiber coil is minimized because the main axes of the two polarization maintaining fiber coils are alternately used for each rotation. can do.
  • the first beam and the second beam output from the resonator are provided to the demodulator 32.
  • the demodulator 32 demodulates the first beam and the second beam output from the resonator 52, detects and outputs a phase difference between the first beam and the second beam.
  • the beam may be rotated a plurality of times by the resonator, so that the sensitivity may be improved by the number of times that the beam is returned compared to the sagnac interferometer according to the first embodiment in which the beam returns once along the PMF of the sensing unit.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the overall improved Sagnac interferometer according to a third embodiment of the present invention.
  • the optical fiber sagnac interferometer 3 includes a light source 10, a light beam 250, a detector 23, and a demodulator 30.
  • the control unit 40 may be further provided.
  • the light source 10 provides 45 degrees linearly or circularly polarized light to the detector 23 through the light beam 250.
  • the light source may be configured to output a linear or circularly polarized laser beam by 45 degrees using a single laser beam generator, or may be configured by combining the laser beam generator and a polarization rotating device to produce a linear or circularly polarized laser beam by 45 degrees. You could also print
  • the light beam 250 is disposed between the light source 10 and the sensing unit 23 to transmit a part of the beam provided from the light source and output it to the sensing unit, and reflect and demodulate a part of the beam provided from the sensing unit. Output as negative.
  • the detection unit 23 is provided with a polarized light beam 200, a polarization maintaining optical fiber 210 and a half-wave plate 240, to detect the rotation or movement of the Sagnac interferometer using the light provided from the light source, and rotates
  • the first beam and the second beam having the phase difference according to the rotational angular velocity due to the movement are output to the demodulator 30 through the light beam 250.
  • the polarized light beam 200 divides the light provided from the light source through the light beam and divides the first beam and the second beam polarized perpendicularly to each other and outputs them to different output ports.
  • the polarization maintaining optical fiber coil (PMF Coil) 210 redirects the first beam and the second beam output from the polarized light beam 200 and moves along the optical fiber so that the first beam is output of the second beam. Input to the port and the second beam is input to the output port of the first beam.
  • PMF Coil polarization maintaining optical fiber coil
  • the half-wave plate 240 is attached to or immediately after the polarization light beam 200 connected to the polarization maintaining optical fiber coil 210 to rotate the polarization direction of the beam entering or exiting the polarization maintaining fiber coil 90 degrees. . Therefore, since the polarization states of the light traveling along the polarization maintaining optical fiber coil 210 in the CW direction and the CCW direction are the same, the polarization directions of the first beam and the second beam are parallel to one of the two main axes of the polarization maintaining fiber coil. In this way, since the first beam and the second beam are environmentally equally affected, they are not affected by the birefringent noise that may be applied to the polarization maintaining optical fiber coil.
  • the first beam and the second beam output from the polarization maintaining optical fiber coil 210 are polarized perpendicularly to each other and are merged in the polarization light beam 200 to be output to the light beam 250 along the same path so that the demodulator ( 30).
  • the light incident from the light source is incident to the polarized light beam 200 through the light beam 250, in which the S polarized beam is reflected and the P polarized beam is transmitted according to the polarization direction.
  • the beam is divided into two beams, and the two beams thus divided are advanced in opposite directions along the polarization maintaining optical fiber coil 210, and are then combined and output again in the polarized light beam.
  • the beam transmitted through the polarized light beam 200 is rotated by 90 degrees by the half-wave plate.
  • the first beam which is the P-polarized light transmitted through the polarized light beam
  • the half-wave plate 240 As the polarization direction is rotated by 90 degrees, it is reflected from the re-incided polarized light beam 200 and proceeds to the light beam 250.
  • the second beam of S polarized light reflected by the polarized light beam is rotated 90 degrees by the half-wave plate to move the polarization maintaining optical fiber coil clockwise to pass through the re-injected polarized light beam 200
  • the light will be directed to the light 250.
  • the first beam and the second beam have the same polarization state, and their polarization directions can be aligned with one of the two main axes of the polarization maintaining fiber coil to form a completely symmetrical Sagnac interferometer.
  • the first beam is transmitted through the half-wave plate 240, the polarization is rotated by 90 degrees and reflected in the polarized light beam, the second beam is transmitted through the polarized light beam and combined with the first beam to proceed to the light beam Part of the output is output to the demodulator 30.
  • the demodulator demodulates the beam inputted from the light beam, thereby measuring the phase difference between the second beam and the first beam, which have advanced in the CW and CCW directions, respectively.
  • the first beam and the second beam have a phase difference according to the rotational angular velocity of the sagnac interferometer.
  • the demodulator 30 interferes with the first beam and the second beam output from the detector 20, and measures and provides a phase change induced therebetween.
  • the controller 40 calculates and outputs a rotational angular velocity of the Sagnac interferometer using the phase difference between the first beam and the second beam provided from the demodulator.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an overall improved sagnac interferometer according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the Sagnac interferometer 4 includes a light source 10, a light beam 250, a detector 23, a demodulator 30, and a resonator 54. Is provided, and may further include a control unit 40.
  • the resonator 54 is further disposed between the light beam 250 of the sagnac interferometer according to the third embodiment and the polarization light beam 200 of the sensing unit. It features.
  • the resonator 54 is disposed between the light beam 250 and the polarizing light beam 200 of the sensing unit, and comprises a mirror 530 and a quarter-wave plate (QWP) 531.
  • the quarter wave plate is a phase delay plate which delays the phase difference between principal polarization components of the input light by ⁇ / 4 and outputs the delayed phase difference.
  • the mirror 530 is preferably composed of mirrors having a large reflection coefficient (R).
  • R reflection coefficient
  • the finesse of the resonator is 157, assuming that there is no loss in the polarized light, and the CW and CCW beams in the resonator can be repeated about 100 times. In this case, the induced phase value increases by about 100 times. Even considering the loss in the polarized light beam, the performance of the interferometer can be improved accordingly because the CW beam and the CCW beam can be repeatedly returned several dozen times.
  • the driving method of the resonator 54 is the same as the resonator according to the second embodiment.
  • the configuration and operation of the detector 23 are the same as the configuration and operation of the detector 23 according to the third embodiment.
  • the optical fiber sagnac interferometer 4 rotates the polarization maintaining optical fiber coil 210 until the first beam and the second beam satisfy the resonance condition by the sensing unit and the resonator, and then the demodulator.
  • the demodulator and the controller determine the phase difference and rotational angular velocity induced in the interference signals of the first beam and the second beam.
  • the half-wave plate 240 is disposed in contact with the polarized light beam 200 to transmit the polarized light beam 200
  • the beams that are reflected or reflected are arranged such that the principal axes of one end of the polarization maintaining optical fiber are rotated by 90 degrees, thereby using the same principal axis of the polarization maintaining optical fiber. It is possible to rotate the first beam and the second beam having different polarization components.
  • the optical fiber sagnac interferometers according to the third and fourth embodiments are rotated along the same main axis of the PMF coil, thereby improving measurement accuracy.
  • the demodulator 30 includes a phase delay device 372, a polarizer 375, and a photodetector PD.
  • the phase delay device 372 is for applying a bias phase between the first beam and the second beam that are perpendicular to each other provided from the sensing unit. For optimal demodulation of the first and second beams, it is desirable to use a phase delay device to make the phase bias between the first and second beams an odd multiple of 90 degrees.
  • the polarization state of the first beam and the second beam can be used a quarter wave plate (QWP) that phase-delays the quadrant wavelength between the main polarization component, if the first
  • QWP quarter wave plate
  • the polarizer 375 outputs an interference signal between the first beam and the second beam by aligning the first and second beams phase-delayed by the phase delay device at 45 degrees.
  • the photodetector PD outputs a detection signal that detects a beam output from the polarizer, and is given by Equation 1 below when the bias phase between the first beam and the second beam is 90 degrees.
  • R is the response of the photodetector
  • I 0 is the total intensity of the first beam and the second beam
  • ⁇ is the phase difference induced in the first beam and the second beam by the rotation of the interferometer and the like and has a very small value in ordinary cases.
  • the demodulator 31 includes a phase delay device 398, polarized light beams 392, first and second photodetectors PD1 and PD2, and a differential amplifier 395.
  • the phase delay device 398 is for applying a bias phase corresponding to an odd multiple of 90 degrees or 90 degrees between the first beam and the second beam, which are provided from the sensing unit, in a vertical polarization state. It can be used in various ways according to the phase values of the first and second beams given by the reflection in the mirror. For example, a quarter wave plate (QWP) which phase-delays quadrant wavelengths between the main polarization components can be used. have.
  • QWP quarter wave plate
  • the polarized light beams 392 are aligned at 45 degrees with respect to the polarization directions of the first beam and the second beam output from the phase delay device. Therefore, the S components of the first and second beams are combined to cause interference and polarization. Reflected at the light beam, the P components of the first beam and the second beam combine to cause interference and to pass through the polarized light beam.
  • the first photodetector PD1 detects a third beam reflected from the polarized light beam and outputs a first detection signal
  • the second photodetector PD2 transmits the polarized light beam.
  • the fourth beam is detected and a second detection signal is output.
  • the optical signals output from PD1 and PD2 are given by Equations 2 and 3, respectively.
  • the differential amplifier 395 outputs a difference between the first and second detection signals, and an output signal is given by Equation 4 below.
  • the demodulator of the above-described structure subtracts the interference signals detected from the third and fourth beams by the differential amplifier, thereby eliminating mutually correlated noise contained in each optical signal and doubling the optical signal.
  • the noise ratio can be increased.
  • Such a measurement method is called a balanced detection method.
  • the demodulator 32 includes a phase delay device 300, a light beam 310, an I signal output unit 320, and a Q signal output unit 330, and outputs an I signal.
  • An I-output signal (In-phase Signal; V I ) and a Q-output signal (Quadrature-phase Signal: V Q ) having a phase difference of 90 ° from each other are generated and output from the negative and Q signal output units, respectively.
  • the I output signal (In-phase Signal; V I ) is proportional to cos ⁇
  • the Q output signal Quadadrature-phase Signal: V Q
  • V Q Quadrature-phase Signal
  • the demodulator 32 demodulates the first beam and the second beam output from the detector, and outputs an I-output signal (V I ) signal and a Q output signal for the first beam and the second beam.
  • V I I-output signal
  • Q Q output signal
  • the phase difference according to the rotational angular velocity can be detected from the I output signal and the Q output signal.
  • the phase delay device 300 is for applying a bias phase between the first beam and the second beam that are perpendicular to each other from the sensing unit, and variously selected according to the polarization states of the first and second beams. For example, a half-wave plate that rotates the first beam and the second beam by 45 degrees and outputs the light beam 310 may be used.
  • the light beam 310 is provided with a first beam and a second beam rotated by 45 degrees from the phase delay device, and the first and second beams are 50:50 to the third and fourth beams. Divided and transmitted respectively.
  • the third beam transmitted through the light beam is provided to the I signal output unit, and the fourth beam reflected from the light beam is provided to the Q signal output unit.
  • the I signal output unit 320 is configured to detect and output an I output signal from the third beam transmitted through the light beam.
  • the I signal output unit 320 detects the beam reflected from the second polarized light beam 322 and the second polarized light beam disposed on the traveling path of the third beam passing through the light beam. Detects the difference between the first detection element 323, the second detection element 324 for detecting the beam transmitted through the second polarized light beam, and the beams output from the first detection element and the second detection element And a first differential amplifier 325 for amplifying and outputting the same.
  • the first and second detection elements may be composed of photodiodes.
  • the Q signal output unit 330 is configured to detect and output a Q output signal from the fourth beam passing through the light beam.
  • the Q signal output unit 330 is configured to detect and output a Q output signal from the fourth beam reflected by the light beam.
  • the Q signal output unit 330 may be a QWP (Quarter Wave Plate) 331 for rotating the fourth beam reflected by the light beam by 45 degrees and outputting the fourth beam.
  • a fourth detection element 334 for detecting the beam and a second differential amplifier 335 for detecting, amplifying and outputting a difference between the beams output from the third and fourth detection elements.
  • the first differential amplifier of the I-signal output section and the second differential amplifier of the Q-signal output section having the above-described configuration are respectively an in-phase signal (V I ) signal and a Q output signal for the first beam and the second beam. Outputs (Quadrature-phase Signal: V Q ).
  • the controller 40 receives an I output signal and a Q output signal from a demodulator, and detects and outputs a rotational angular velocity using the I output signal and the Q output signal.
  • rotational angular velocity (ohm)
  • Equation 6 The time ( t +) for the second beam rotating clockwise in the sensing unit to circulate the optical rotating unit can be obtained by Equation 6, and the time taken for the first beam rotating in the counterclockwise direction to circling the optical rotating unit. ( t- ) can be obtained by Equation 7.
  • the optical path difference ⁇ L between the first beam and the second beam according to the rotation of the object may be obtained from Equation 8.
  • an optical path difference ⁇ L is generated between the first beam and the second beam that travel in opposite directions.
  • the interference signal can be obtained by interfering the first beam and the second beam. Since the phase change in the interference signal is given as a linear function of the rotational angular velocity, the phase angular velocity can be measured and the rotational angular velocity can be accurately measured using this. It becomes possible.
  • a phase difference ( ⁇ ⁇ ) of the first beam with a first beam and a second beam using the optical path difference ( ⁇ L) of the second beam in accordance with the rotation of the object can be determined in Equation (9).
  • Rotational angular velocity ( ⁇ ) according to the rotation of the object from Equation (9) can be expressed by Equation 10, the first obtained by using the I output signal ( V I ) and Q output signal (V Q ) through the equation (4) by using the phase difference ( ⁇ ⁇ ) of the beam and the second beam it is able to obtain the rotational angular velocity ( ⁇ ) according to the rotation of the object.
  • ⁇ is the wavelength of light
  • t- is the time it takes for the first beam to rotate in the counterclockwise direction
  • t + is the time it takes for the second beam to rotate in the clockwise direction
  • ⁇ is the rotational angular velocity
  • C is the speed of light
  • R is the radius of the ring constituting the optical rotation
  • A is the area of the ring
  • ⁇ L is the first and second beams traveling in opposite directions
  • ⁇ is a phase change value induced by the angular velocity.
  • the chagnac interferometer according to the present invention having the above-described configuration is constructed in a new structure using polarized light beams, and then, after two beams in a vertical polarization state are advanced in opposite directions along a closed path, the phase difference is obtained. By using the rotation angle of the object can be measured by the rotation.
  • the sagnac interferometer according to the present invention can be widely used in equipment for measuring rotational dynamic information, such as a gyroscope.

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Abstract

본 발명은 개선된 사냑 간섭계에 관한 것이다. 상기 사냑 간섭계는, 광원; 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 하나의 닫힌 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;를 구비한다. 상기 감지부는, 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시켜 서로 반대 방향을 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며, 상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공한다. 상기 사냑 간섭계는 제1 빔과 제2 빔의 위상차를 이용하여 회전 각속도를 검출하여 제공한다.

Description

편광 빛살 가르게를 이용한 광섬유 사냑 간섭계
본 발명은 광섬유 사냑 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 편광 빛살 가르게(polarizing beam splitter, PBS)를 이용하여 입력 빛을 서로 수직인 편광 성분으로 분리시킨 후 각각을 한 번 이상 감긴 편광유지 광섬유 코일(coil)의 양쪽 끝에 입력시켜 동일한 광섬유를 따라 서로 반대 방향, 즉 시계방향(clockwise, 이하 'CW'라 한다.)과 반시계 방향(counter clockwise, 이하 'CCW'라 한다.)으로 진행시켜 다시 PBS에서 합쳐주면, PBS에서 출력되어 함께 진행하는 각각의 편광성분은 입력 빛과 90도로 분리되어 출력되기 때문에 이들을 간섭시켜 전형적인 간섭계 신호처리 방법을 이용하여 복조시키면 CW 방향과 CCW 방향으로 진행한 서로 다른 편광성분들 사이의 위상 차이를 측정할 수 있는 사냑 간섭계에 관한 것이다.
Sagnac 간섭계는 1913년에 G. Sagnac에 의하여 처음으로 개발되었다. 도 1은 종래의 Sagnac 간섭계를 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 사냑 간섭계는 빛살 가르게(beam splitter, BS)에 의해 반으로 나누어진 두 빛살이 두 개 이상의 거울에 의해 고리(ring) 구조를 갖고 각각 CW 및 CCW 방향으로 진행하여 다시 BS에 의해 합쳐져 간섭을 일으키게 하는 구조를 가지며 광 검출기로 측정된 간섭신호를 분석하여 CW와 CCW 방향으로 진행한 두 빛 사이의 위상 차이를 측정할 수 있도록 고안된 간섭계이다.
Sagnac 간섭계는 CW와 CCW 방향에 대하여 광학적으로 비가역적인 변화를 유도시키는 현상을 측정/관측하는데 응용되며 그 대표적인 예로 회전센서와 전류센서 등이 있다. 예를 들어, 간섭계가 CW 방향으로 회전할 경우 같은 방향으로 진행하는 빛은 정지했을 때 보다 조금 먼 거리를 이동하고 반대 방향으로 진행하는 빛은 조금 짧은 거리를 이동하기 때문에 CW 방향으로 진행하는 빛(이하 CW 광이라고 함)과 CCW 방향으로 진행하는 빛(이하 CCW 광이라고 함) 사이에 위상차이가 발생하여 간섭신호가 달라진다. 따라서 광 검출기에서 출력되는 간섭신호를 복조시킴으로써 회전 각속도를 측정할 수 있다.
기존의 Sagnac 간섭계는 도 1에서 볼 수 있듯이 CW와 CCW 경로가 정확히 일치하기 때문에 이들 사이의 위상 차이가 0이며, 따라서 간섭계의 회전에 의해 작은 위상 차이 △φ가 유도될 경우 간섭신호는 cos△φ에 비례하게 된다. 그러나 cosine 함수는 매우 작은 위상 변화 △φ에 대하여 민감하게 변하지 않기 때문에 Sagnac 간섭계는 CW와 CCW 경로 사이의 아주 작은 위상변화를 측정하는데 적절치 못하다. 간섭신호가 작은 위상 차이에 대하여 민감하게 반응하기 위해서는 CW와 CCW 경로 사이에 정지 상태에서 위상 차이가 (2n+1)π/2 가 되게 해야 하는데, 여기서 n = 0, ±1, …, 즉 간섭신호가 회전에 의해 유도된 위상 차이 △φ의 sine에 비례하게 만들어 주어야 하는 데 기존의 Sagnac 간섭계의 대칭성 때문에 이 조건을 만들어 줄 수 있는 방법이 없다. 따라서 기존의 Sagnac 간섭계는 각속도가 작은 회전을 측정하는 데는 적합하지 않다.
또한 BS에서 반사된 빛과 투과된 빛 사이에는 90도 만큼 위상 차이가 발생하는데, 도 1의 Sagnac 간섭계에서 CW 광은 BS에서 반사되어 광 검출기로 출력되면서 BS에서 두 번 반사를 하고, 반면에 CCW 광은 광 검출기에 도달하기 위해서 두 번 투과하기 때문에 광 검출기에 도달하는 CW 광과 CCW 광 사이에는 180도 위상차이가 발생한다. 즉, 회전이 없는 경우 CW와 CCW 광 사이에 소멸 간섭이 발생하여 검출기로 향하는 빛의 세기가 0이다. 따라서 회전 각속도가 매우 작을 경우 광 검출에 대한 잡음은 광검출기를 포함한 전자 소자들에 의해 주어지는 전자적인 잡음(electronics noise)에 의해 주어지기 때문에 작은 회전 각속도에 대한 측정에 적합하지 않다.
자이로스코프(gyroscope)는 회전 물체의 회전 운동 역학을 측정하는 장치로서, 특히 회전 각속도를 측정하여 제공한다. 자이로스코프의 응용분야로는 비행기, 미사일, 우주선, 잠수함 등에 사용되는 항법장치, 카메라, 로봇, 무인 자동화 기기 등의 자세 제어, 그리고 자이로 콤파스 등으로 매우 넓다. 자이로스코프는 그 응용에 따라서 요구되는 정밀도와 안정도가 다르다. 전술한 자이로스코프에는 기계식 자이로스코프와 광학식 자이로스코프가 있으며, 초정밀 계측 분야에서는 대부분 광학식 자이로스코프가 사용된다. 전술한 광학식 자이로스코프에는 링(ring) 레이저 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프 등이 있다.
링 레이저 자이로스코프는 3개 또는 그 이상의 반사경으로 이루어진 공진기 안에 서로 반대 방향, 예컨대 시계 방향과 반시계 방향으로 진행하는 레이저 빔이 동시에 발진하도록 하고, 이 레이저 빔의 진동수는 외부에서 자이로스코프를 회전시킬 때의 회전 각속도에 따라 달라지게 되며, 이 진동수의 차이 즉, 회전에 의해 주어지는 CW 및 CCW 방향으로의 유효 공진기 길이 차이를 검출하여 회전각속도를 측정하는 장치이다. 링 레이저 자이로스코프는 바이어스 안정성과 환산계수 선형성이 높고, 측정범위가 넓고, 온도 민감도가 낮기 때문에 항법 장치에 대부분 적용된다.
하지만, 링 레이저 자이로스코프의 출력은 사인파(sine wave)의 형태로 나타나며, 회전 각속도의 크기에 따라 사인파의 주파수가 바뀌게 된다. 그런데, 외부 회전 각속도의 크기가 작은 경우, 반사경에서 일어나는 역 산란에 의하여 양방향으로 발진하는 두 레이저 빔의 진동수가 서로 같아지려고 하는 현상인 주파수 잠김 현상(Lock-in Effect)이 발생하게 되며, 이로 인하여 회전 각속도의 크기가 어느 한계치 이하일 때는 자이로스코프의 측정이 불가능하게 되는 문제점이 있다.
한편, 광섬유 자이로스코프는 기본적으로 광원과 광섬유를 원형으로 감아놓은 광섬유 코일로 구성된 감지부를 구비한다. 광섬유 자이로스코프의 동작을 간단하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 광원에서 나온 빛이 방향성 결합기를 지난 후 두 개의 빛으로 나뉘어서 광섬유 코일을 지나게 되며, 서로 반대 방향으로 광섬유 코일을 지난 두 빛은 다시 방향성 결합기에서 만나서 간섭한다. 자이로스코프가 정지 상태에 있는 경우, 두 빛은 광섬유 코일을 지나는 동안 똑같은 위상 변화를 경험하므로, 방향성 결합기에서 보강 간섭하고, 광검출기의 출력은 최대가 된다. 반면, 자이로스코프가 회전하고 있는 경우, Sagnac 효과에 의하여 두 빛 사이에는 회전각속도에 비례하는 위상차가 발생하고, 광검출기의 출력이 변화된다. 그러므로 광검출기의 출력 세기 변화를 측정함으로써 회전각속도를 검출할 수 있다. 이러한 광섬유 자이로스코프는 다른 형태의 자이로스코프에 비하여 가격, 안정도, 내구성, 빠른 기동 시간 등에서 큰 이점을 가지고 있다. 하지만, 광섬유 자이로스코프는 회전에 의해 유도된 위상 차이를 측정하기 위해 고가이고 복잡한 신호처리 과정을 필요로 하는 복조장치를 사용하여야 하며, 온도에 민감한 바이어스 특성을 갖고, 측정 감도를 높이기 위해 광섬유 길이를 확장하는 경우 비선형성이 증가하게 되는 문제점이 발생한다.
전술한 바와 같이, 사냑 간섭계를 이용하여 자이로스코프를 구성하는 경우, 종래의 사냑 간섭계의 문제점들로 인하여 자이로스코프의 측정 성능이 제한되는 문제점이 발생된다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 편광 빛살 가르게를 사용하여 서로 수직으로 편광된 2개의 빔이 편광유지 광섬유를 한 번 이상 원형으로 감아 준 광섬유 코일(이하, '편광 유지 광섬유 코일'이라 함) 에 의해 형성된 경로를 따라 시계 및 반시계 방향으로 각각 진행하도록 구성되어 측정 성능을 향상시킨 개선된 구조의 Sagnac 간섭계를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계는, 선형 또는 원형 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유 코일의 양쪽 끝에 입력시킴으로써 각각의 빔을 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;를 구비하며,
상기 감지부는, 상기 광원으로부터 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 또는 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며, 상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계는, 45도 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유 코일에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 형성되어 감지부의 제1 빔과 제2 빔을 공진시키는 공진기; 및 상기 공진기로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 제1 빔과 제2 빔의 사이에 유도된 위상 차이를 측정하는 복조부;를 구비하며,
상기 감지부는 상기 광원으로부터 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며, 상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공된다.
전술한 제2 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 공진기는 상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 및 제2 거울; 상기 제1 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 및 상기 제2 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제2 사분파장판; 을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유 코일에서 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부; 상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게;를 구비하며,
상기 감지부는, 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일; 및 상기 편광 빛살 가르게의 출력 포트 중 하나에 붙여서 배치되어, 상기 편광 유지 광섬유 코일로 입력되는 제 1 또는 제2 빔의 편광 방향과 상기 광섬유로부터 출력되어 상기 편광 빛살 가르게로 입력되는 제2 또는 제1 빔의 편광 방향을 각각 90도씩 회전시키는 반파장판(Half Wave Plate; HWP);를 구비하며,
상기 편광 유지 광섬유로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공된다.
본 발명의 제4 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계는, 편광된 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에서 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부; 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부; 상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게;를 구비하며,
상기 감지부는, 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 및 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하고, 상기 편광 유지 광섬유 코일의 일단의 주축(principal axes)은 90도 회전되도록 배치하여, 상기 편광 유지 광섬유를 투과하는 광의 편광 방향을 90도 회전시키는 것을 특징으로 하며,
상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공된다.
본 발명의 제3 및 제4 특징에 따른 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 광섬유 사냑 간섭계는 상기 빛살 가르게와 상기 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 공진기를 더 구비하며,
상기 공진기는, 상기 빛살 가르게와 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 배치된 거울; 및 상기 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 을 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징들에 따른 상기 광섬유 사냑 간섭계는, 복조부로부터 제1 빔과 제2 빔의 위상 변화에 따른 위상차(△φ)를 제공받고, 상기 위상차를 이용하여 회전 각속도(Ω)를 측정하여 제공하는 제어부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징들에 따른 상기 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는, 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 빔을 제3빔과 제4빔으로 나누어 각각 출력하는 빛살 가르게; 상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하는 I 신호 출력부; 상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하는 Q 신호 출력부; 를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징들에 따른 상기 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는, 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔을 45도로 정렬시켜 제1빔과 제2빔의 간섭 신호를 출력하는 편광자(Polarizer); 및 상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하는 광검출소자;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징들에 따른 상기 광섬유 사냑 간섭계에 있어서, 상기 복조부는 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치; 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고 편광 상태에 따라 나누어 출력하는 편광 빛살 가르게; 상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하는 제1 광검출소자; 상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력하는 제2 광검출소자; 상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 검출하여 출력하는 차동 증폭기; 를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 사냑 간섭계는 편광 빛살 가르게를 이용하여 구성함으로써, 종래의 사냑 간섭계와는 달리 각속도가 작은 회전까지도 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예와 제4 실시예에 따른 사냑 간섭계는 공진 구조를 구성함으로써, CW광과 CCW광이 공진기내에서 다수 회를 진행된 후 출력된다. 그 결과, 회전을 보다 정밀하게 측정할 수 있으며 항상 높은 감도를 유지할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 사냑 간섭계를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 따른 위상차를 이용하여, 회전 각속도를 검출하기 위하여 사용되는 사냑 효과(Sagnac Effect)를 설명하기 위하여 도시한 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 일실시 형태를 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다른 실시 형태를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 또 다른 실시 형태를 도시한 구성도이다.
본 발명에 따른 사냑 간섭계(Sagnac Interferometer)는 편광 빛살 가르게, 광섬유 및 공진기를 이용하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 새로운 구조의 사냑 간섭계의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
< 제1 실시예 >
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광섬유 자이로스코프(1)는, 광원(10), 감지부(20) 및 복조부(30)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다.
상기 광원(10)은 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 또는 원형 편광된 광을 입력받고, 45도로 선형 또는 원형 편광된 광을 상기 감지부(20)의 편광 빛살 가르게(200)로 제공한다. 상기 광원은 단일의 레이저 빔 발생장치를 사용하여 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 레이저 빔을 출력하도록 구성하거나, 레이저 빔 발생장치와 편광 회전 장치를 결합하여 구성함으로써, 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력할 수도 있을 것이다.
상기 감지부(20)는 편광 빛살 가르게(PBS; 200) 및 편광 유지 광섬유 코일(PMF Coil; 210)을 구비하여, 하나의 광 경로를 구성하게 된다. 전술한 구조를 갖는 상기 감지부는, 상기 광원으로부터 제공된 광을 이용하여 사냑 간섭계의 회전이나 이동을 감지하고, 회전이나 이동에 의한 회전 각속도에 따른 위상차를 갖는 제1 빔과 제2 빔을 복조부(30)로 출력한다.
상기 편광 유지 광섬유 코일(210)은 적어도 1회 이상 원형으로 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어진다.
특히, 상기 감지부(20)는 광원으로부터 입사된 광을 PBS(200)에서 편광 방향에 따라 S 편광은 반사되고 P 편광은 투과됨으로써 2개의 빔으로 나누고, 이렇게 나뉘어진 2개의 빔이 편광 유지 광섬유 코일(210)에 의해 형성된 하나의 광경로를 따라 서로 반대 방향으로 각각 진행된 후 PBS(200)에서 다시 합쳐져 복조부로 출력된다. 상기 복조부는 이렇게 출력된 빔을 복조함으로써, CW 방향과 CCW 방향으로 각각 진행한 제1빔과 제2빔의 위상차를 측정할 수 있게 된다.
상기 편광 빛살 가르게(200)는 상기 광원으로부터 제공된 빔을 편광 방향에 따라 S 편광은 반사시키고 P 편광은 통과시키는 광학 소자로서, 편광 방향에 따라 반사시키거나 통과시킴으로써 편광 방향이 서로 다른 제1빔과 제2빔으로 분리하여 PMF Coil(210)의 양단으로 각각 출력시킨다. 상기 PMF Coil(210)의 양단으로 각각 출력된 제1빔과 제2빔은 서로 반대 방향으로 회전하여 PBS(200)로 다시 입사되어 합쳐진 후 상기 복조부로 제공된다.
상기 편광 유지 광섬유 코일(210)은 상기 PBS(200)로부터 출력된 빔들이 PMF Coil(210)에 의해 형성된 광경로를 따라 서로 반대 방향으로 회전한 후 다시 PBS(200)로 입사되도록 배치되며, 빔들이 PMF Coil의 주축을 따라 진행하게 된다. 상기 편광 유지 광섬유 코일에 의하여, 상기 편광 빛살 가르게에서 반사되어 출력된 제2빔은 시계 방향(CW)으로 진행하여 편광 빛살 가르게로 재입사되며, 편광 빛살 가르게를 투과한 제1빔은 시계 반대 방향(CCW)으로 진행하여 편광 빛살 가르게로 재입사된다. 따라서, 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔이 편광 유지 광섬유 코일(210)를 따라 서로 반대 방향으로 이동한 후 편광 빛살 가르게(200)로 재입사하여 복조부로 출력된다.
상기 제1빔과 제2빔이 PMF Coil(210)를 따라 이동하는 동안, 사냑 간섭계가 회전하게 되면, 제1빔과 제2빔은 사냑 간섭계의 회전 각속도에 따라 위상차를 갖게 된다.
상기 복조부(30)는 감지부(20)로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고, 이들 사이에 유도된 위상차를 측정하여 제공한다.
상기 제어부(40)는 상기 복조부로부터 제공된 제1빔과 제2빔의 간섭신호로부터 제1빔과 제2빔 사이의 위상 차이를 산출하고 이를 이용하여 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산하여 출력한다. 본 발명에 따른 사냑 간섭계는 상기 제어부(40)를 내부에 포함할 수도 있으며, 제어부(40) 없이 구성될 수도 있다. 사냑 간섭계를 제어부 없이 구성하는 경우, 사냑 간섭계는 외부의 제어 장치 또는 컴퓨터 등으로 사냑 간섭계에 의해 측정된 제1 빔과 제2 빔의 간섭신호를 외부의 제어 장치 또는 컴퓨터로 제공할 수 있다. 상기 제어 장치 또는 컴퓨터는 제1 빔과 제2 빔의 간섭신호를 이용하여 제1 빔과 제1 빔의 위상차와 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 제1 빔과 제2 빔의 위상차를 이용하여 회전 각속도를 검출하기 위하여 사용되는 사냑 효과(Sagnac Effect)를 설명하기 위하여 도시한 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 사냑 간섭계가 회전을 하면, 편광 유지 광섬유(210)를 따라 서로 반대 방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔은 회전 각속도에 따라 서로 광경로차(△L)가 발생하게 된다. 따라서, 사냑 간섭계에 의해 측정된 제1빔과 제2빔의 위상차를 이용하여 광경로차를 구하고, 상기 광경로차를 기반으로 하여 회전 각속도를 측정할 수 있게 된다.
< 제2 실시예 >
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자이로스코프(2)는, 광원(12), 감지부(22), 복조부(32) 및 공진기(52)를 구비하며, 제어부(42)를 더 구비할 수 있다. 제2 실시예의 감지부(22)의 구조는 제1 실시예의 그것들의 구조와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
상기 광원(12)은 편광 빛살 가르게의 주축에 대하여 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 레이저빔 광원을 사용할 수 있다.
상기 감지부(22)는 공진기(52)의 내부에 배치되며, 상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1빔과 제2빔으로 나누고, 상기 제1빔과 제2빔을 PMF Coil(210)에 의해 형성된 경로에서 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 복조부로 출력한다.
상기 공진기(52)는 상기 감지부(22)의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 거울(520) 및 제2 거울(522)로 구성되며, 상기 제1 및 제2 거울에는 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP ; 521) 및 제2 사분파장판(523)이 각각 배치된다. 제1 및 제2 사분파장판은 입력된 빔을 λ/4 만큼 위상 지연시켜 출력하는 위상지연판이다.
상기 제1 및 제2 거울(520, 522)는 반사계수(R)가 큰 거울들로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 및 제2 거울을 반사계수가 98%인 거울들로 구성하는 경우 편광 빛살 가르게에서의 손실이 없다고 가정하면 공진기의 Finesse 가 157이며, 공진기내의 CW 빔 및 CCW 빔은 약 100회 정도 반복하여 돌아갈 수 있기 때문에 유도되는 위상 값은 약 100배 만큼 증가한다. 편광 빛살 가르게에서의 손실을 고려하더라도 CW 빔 및 CCW 빔이 수십 회 이상 반복하여 돌아갈 수 있기 때문에 그만큼 간섭계의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 감지부(22)는 제1 실시예의 감지부와 동일한 구조로 이루어지되, 광원과 편광 빛살 가르게(200)의 입사면의 사이에 공진기의 제1 거울(520) 및 제1 사분 파장판(521)이 배치되며, 편광 빛살 가르게의 출사면과 복조부의 사이에 공진기의 제2 거울(522) 및 제2 사분파장판(523)이 배치된다.
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 감지부(22) 및 공진기(52)에서의 제1빔과 제2빔의 진행 경로를 구체적으로 설명한다.
먼저, 광원으로부터 제공된 선형 편광된 빛의 일부가 거울을 거쳐 제1 QWP(521)에 입사되는데, 이때 입사된 빛의 편광 방향이 제1 QWP의 주축과 평행하기 때문에 제1 QWP를 거치면서 편광상태는 입사된 빛과 같은 상태로 유지된다. 제1 QWP의 주축, 즉 입사된 빛의 편광 방향이 편광 빛살 가르게의 주축과 45도의 각을 이루기 때문에 입사된 빔의 P 편광 성분은 편광 빛살 가르게(200)를 투과하여 제1 빔을 이루고 S 성분은 반사되어 제2 빔을 이룬다. 편광 빛살 가르게를 투과한 제1 빔은 편광 유지 광섬유 코일에 의해 형성된 경로를 CCW 방향으로 진행하며, 편광 빛살 가르게에서 반사된 제2 빔은 편광 유지 광섬유 코일에 의해 형성된 경로를 CW 방향으로 진행하게 된다. 편광 유지 광섬유 코일을 따라 CCW 방향으로 진행한 제1빔은 P 편광으로서 편광 빛살 가르게로 재입사되어 다시 투과되어 제2 QWP, 제2 거울, 제2 QWP를 투과한 후 편광 빛살 가르게로 다시 입사하게 된다. 이때, 제1 빔의 편광 방향은 QWP 주축에 대하여 45도로 정렬되어 있으므로 제2 QWP를 두번 투과하게 되어 편광 방향이 90도 회전하며, 그 결과 다시 입사한 편광 빛살 가르게에서 반사되어 PMF를 CCW 방향으로 다시 진행하게 된다. 이러한 과정이 반복됨으로써, 제1 빔은 CCW 방향으로 반복해서 돌아가게 된다. 따라서 공진기가 정상파 조건을 만족하면 제1 거울을 통해 입사되는 빛이 증강간섭을 일으켜 공진기 내부에서 빛의 세기는 점점 커지고 이들 중 일부가 제2 거울(522)을 통해 출력된다. 이 때 제1 빔이 편광 유지 광섬유 코일을 따라 돌아가는 횟수는 거울의 반사율에 의해 주어진다. 한편, 제2 빔은, 제1 빔과 마찬가지로 CW 방향으로 같은 횟수만큼 돌아가며 제2 거울(522)을 통해 출력된다.
예를 들어, 상기 공진기를 구성하는 제1 및 제2 거울의 반사 계수(R)가 98% 인 경우 공진기의 finesse가 157이 되며 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게 등 다른 소자에서의 손실을 고려하지 않을 경우 약 100회 돌아간 후에 출력된다. 따라서 PMF 길이를 1/100로 줄여 주어도 동일한 효과를 얻을 수 있어 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 매 회전마다 두 개의 편광 유지 광섬유 코일의 주축을 번갈아 가면서 사용하기 때문에 편광 유지 광섬유 코일에 의한 잡음을 최소화 할 수 있다.
상기 공진기로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 복조부(32)로 제공된다. 상기 복조부(32)는 상기 공진기(52)로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 복조하여, 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상차를 검출하여 출력한다.
제2 실시예에 따른 사냑 간섭계는 공진기에 의해 빔이 다수 회 돌아가게 함으로써, 빔이 감지부의 PMF를 따라 1회 돌아가는 제1 실시예에 따른 사냑 간섭계에 비하여 돌아간 횟수만큼 감도를 향상시킬 수 있다.
< 제3 실시예 >
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계(3)는, 광원(10), 빛살 가르게(250), 감지부(23) 및 복조부(30)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다.
상기 광원(10)은 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 빛살 가르게(250)를 통해 감지부(23)로 제공한다. 상기 광원은 단일의 레이저 빔 발생장치를 사용하여 45도로 선형 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력하도록 구성하거나, 레이저 빔 발생장치와 편광 회전 장치를 결합하여 구성함으로써 45도로 선형 또는 원형 편광된 레이저 빔을 출력할 수도 있을 것이다.
상기 빛살 가르게(250)는 상기 광원(10)과 감지부(23)의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력한다.
상기 감지부(23)는 편광 빛살 가르게(200), 편광 유지 광섬유(210) 및 반파장판(240)을 구비하여, 상기 광원으로부터 제공된 광을 이용하여 사냑 간섭계의 회전이나 이동을 감지하고, 회전이나 이동에 의한 회전 각속도에 따른 위상차를 갖는 제1 빔과 제2 빔을 빛살 가르게(250)를 통해 복조부(30)로 출력한다.
상기 편광 빛살 가르게(200)는 빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력한다.
상기 편광 유지 광섬유 코일(PMF Coil;210)은 상기 편광 빛살 가르게(200)로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔의 방향을 전환시키고 광섬유를 따라 이동시켜 제1 빔은 제2 빔의 출력포트로 입력시키고 제2 빔은 제1 빔의 출력 포트로 입력시키게 된다.
상기 반파장판(240)은 상기 편광 유지 광섬유 코일(210)과 연결된 편광 빛살 가르게(200)와 붙어서, 혹은 바로 뒤에 배치되어 상기 편광 유지 광섬유 코일로 들어가거나 나오는 빔의 편광방향을 90도 회전시킨다. 따라서, 편광 유지 광섬유 코일(210)을 따라 CW 방향과 CCW 방향으로 진행하는 빛의 편광상태가 동일하기 때문에 제1 빔과 제 2빔의 편광방향이 편광 유지 광섬유 코일의 두 개의 주축 중 하나와 평행하게 진행하므로 제1 빔과 제2 빔의 환경적으로 같은 영향을 받으므로 편광 유지 광섬유 코일에 인가될 수 있는 복굴절 잡음 등에 영향을 받지 않는다.
상기 편광 유지 광섬유 코일(210)로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게(200)에서 합쳐져 동일한 경로를 따라 빛살 가르게(250)로 출력되어 상기 복조부(30)로 제공된다.
이하, 본 발명의 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 상기 감지부(23)에서의 제1빔과 제2빔의 진행 경로를 구체적으로 설명한다.
먼저, 광원으로부터 입사된 광을 빛살 가르게(250)를 통해 편광 빛살 가르게(200)로 입사되며, 편광 빛살 가르게에서 편광 방향에 따라 S 편광빔은 반사되고 P 편광빔은 투과됨으로써 2개의 빔으로 나누고, 이렇게 나뉘어진 2개의 빔이 편광 유지 광섬유 코일(210)을 따라 서로 반대 방향으로 진행된 후 편광 빛살 가르게에서 다시 합쳐져 출력된다.
한편, 편광 빛살 가르게(200)와 붙어서 반파장판(240)을 배치함으로써, 상기 편광 빛살 가르게(200)를 투과한 빔은 반파장판에 의해 90도만큼 편광이 회전한다. 그 결과, 편광 빛살 가르게를 투과한 P 편광인 제1빔은 편광 유지 광섬유 코일(210)을 시계 반대 방향을 따라 이동하여 편광 빛살 가르게로 재입사하게 되며, 이때 반파장판(240)에 의해 편광 방향이 90도 회전함에 따라 재입사된 편광 빛살 가르게(200)에서 반사되어 빛살 가르게(250)로 진행하게 된다. 한편, 편광 빛살 가르게에서 반사된 S 편광인 제2빔은 반파장판에 의해 편광방향이 90도 회전하여 편광 유지 광섬유 코일을 시계 방향으로 이동하여 재입사된 편광 빛살 가르게(200)를 투과하여 빛살 가르게(250)로 진행하게 된다. 따라서 제1 빔과 제2 빔은 동일한 편광 상태를 가지며 이들의 편광방향을 편광 유지 광섬유 코일의 두 개의 주축 중 하나와 동일하게 정렬시킴으로써 완전히 대칭적인 사냑 간섭계를 구성할 수 있으며, 이렇게 진행하여 재입사된 제1빔은 반파장판(240)을 투과하면서 편광이 90도 회전하여 편광 빛살 가르게에서 반사하고, 제2빔은 편광 빛살 가르게를 투과하여 제1 빔과 합쳐져 빛살 가르게로 진행된 후 빛살 가르게에서 일부가 복조부(30)로 출력된다.
상기 복조부는 이렇게 빛살 가르게로부터 입력된 빔을 복조함으로써, CW 방향과 CCW 방향으로 각각 진행한 제2빔과 제1빔의 위상차를 측정할 수 있게 된다.
상기 제1빔과 제2빔이 편광 유지 광섬유 코일을 따라 이동하는 동안, 사냑 간섭계가 회전하게 되면, 제1빔과 제2빔은 사냑 간섭계의 회전 각속도에 따라 위상차를 갖게 된다.
상기 복조부(30)는 감지부(20)로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고, 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하여 제공한다.
상기 제어부(40)는 상기 복조부로부터 제공된 제1빔과 제2빔의 위상차를 이용하여, 사냑 간섭계의 회전 각속도를 계산하여 출력한다.
< 제4 실시예 >
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 개선된 사냑 간섭계를 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 사냑 간섭계(4)는, 광원(10), 빛살 가르게(250), 감지부(23), 복조부(30) 및 공진기(54)를 구비하며, 제어부(40)를 더 구비할 수 있다. 본 실시예에 따른 사냑 간섭계(4)는 전술한 제3 실시예에 따른 사냑 간섭계의 빛살 가르게(250)와 감지부의 편광 빛살 가르게(200)의 사이에 공진기(54)가 더 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 공진기(54)는 빛살 가르게(250)와 감지부의 편광 빛살 가르게(200)의 사이에 배치되며, 거울(530) 및 사분파장판(QWP; 531)으로 이루어진다. 사분파장판은 입력된 빛의 주 편광성분들(principal polarization components) 사이의 위상 차이를 λ/4 만큼 지연시켜 출력하는 위상지연판이다. 상기 거울(530)은 반사계수(R)가 큰 거울들로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 반사계수가 98%인 거울로 구성하는 경우 편광 빛살 가르게에서의 손실이 없다고 가정하면 공진기의 Finesse 가 157이며, 공진기내의 CW 빔 및 CCW 빔은 약 100회 정도 반복하여 돌아 갈 수 있기 때문에 유도되는 위상 값은 약 100배 만큼 증가한다. 편광 빛살 가르게에서의 손실을 고려하더라도 CW 빔 및 CCW 빔이 수십 회 이상 반복하여 돌아 갈 수 있기 때문에 그만큼 간섭계의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 공진기(54)의 구동 방식은 제2 실시예에 따른 공진기와 동일하다.
상기 감지부(23)의 구성 및 동작은 제3 실시예에 따른 감지부(23)의 구성 및 동작과 동일하다.
전술한 구성을 갖는 본 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계(4)는 감지부와 공진기에 의하여 제1 빔과 제2 빔이 공진 조건을 만족할 때까지 편광 유지 광섬유 코일(210)을 회전한 후 복조부로 출력하게 되며, 복조부 및 제어부에 의해 제1 빔과 제2 빔의 간섭 신호에 유도된 위상차 및 회전 각속도를 구하게 된다.
한편, 전술한 제3 및 제4 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계의 다른 실시 형태에 있어서, 편광 빛살 가르게(200)와 붙어서 반파장판(240)을 배치하여 상기 편광 빛살 가르게(200)를 투과하거나 반사한 빔은 반파장판에 의해 90도만큼 편광이 회전되도록 하는 것을 대신하여, 편광 유지 광섬유의 일단의 주축(Principal axes)이 90도 회전되도록 배치함으로써, 편광 유지 광섬유의 동일한 주축을 이용하여 서로 다른 편광 성분을 갖는 제1 빔과 제2 빔을 회전시킬 수 있게 된다. 그 결과, 굴절율이 서로 다른 주축을 통해 제1 빔과 제2 빔이 회전하게 되는 제1 및 제2 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계와는 달리, 제3 및 제4 실시예에 따른 광섬유 사냑 간섭계는 PMF Coil의 동일한 주축을 따라 제1 빔과 제2 빔이 회전됨으로써 측정 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 전술한 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다양한 실시 형태들에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 일 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 7을 참조하면, 복조부(30)는 위상 지연 장치(372), 편광자(375) 및 광 검출소자(PD)를 구비한다.
상기 위상 지연 장치(372)는 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것이다. 제1 빔과 제2 빔의 최적의 복조를 위하여, 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상 바이어스를 90도의 홀수 배로 만들기 위하여 위상 지연 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 제1빔과 제2빔의 편광 상태에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일예로 주 편광성분 사이에 사분파장을 위상지연시키는 사분파장판(QWP)을 사용할 수 있으며, 만약 제1 빔과 제2 빔의 위상이 편광 빛살 가르게에서의 반사 등에 의해 바뀌는 경우, QWP 가 아닌 다른 위상 지연 장치를 사용하여 제1 빔과 제2 빔의 위상차를 90도의 홀수 배로 만드는 것이 바람직하다.
상기 편광자(Polarizer; 375)는 상기 위상지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔에 45도로 정렬시켜 제1 빔과 제2 빔 사이의 간섭신호를 출력한다.
상기 광 검출소자(PD)는 상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하며, 제1 빔과 제2 빔 사이의 바이어스 위상이 90도인 경우 다음과 같은 수학식 1로 주어진다.
Figure PCTKR2017013876-appb-M000001
여기서 R은 광검출기의 감응도(responsivity), I0는 제1 빔과 제2 빔의 총 세기, 그리고 △φ는 간섭계의 회전 등에 의해 제1 빔과 제2 빔에 유도된 위상차이이며 일상적인 경우 매우 작은 값을 갖는다.
도 8은 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 다른 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 8을 참조하면, 복조부(31)는 위상 지연 장치(398), 편광 빛살 가르게(392), 제1 및 제2 광 검출소자(PD1, PD2) 및 차동 증폭기(395)를 구비한다.
상기 위상 지연 장치(398)는 상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 90도 혹은 90도의 홀수 배에 해당하는 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것으로서, 편광 빛살 가르게, 거울에서의 반사 등에 의해 주어진 제1빔과 제2빔의 위상 값에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 주 편광 성분 사이에 사분파장을 위상지연시키는 사분파장판(QWP)을 사용할 수도 있다.
상기 편광 빛살 가르게(392)는 상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔의 편광방향에 대하여 45도로 정렬시키며, 따라서 제1 빔과 제2 빔의 S성분이 합쳐져서 간섭이 일어나며 편광 빛살 가르게에서 반사하고, 제1 빔과 제2 빔의 P 성분은 합쳐져서 간섭이 일어나며 편광 빛살 가르게를 투과한다.
상기 제1 광 검출소자(PD1)는 상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하며, 상기 제2 광 검출소자(PD2)는 상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력한다. 제1 빔과 제2 빔 사이의 위상 바이어스가 90도인 경우 PD1과 PD2로부터 출력된 광신호는 각각 다음과 같은 수학식 2 및 수학식 3으로 주어진다.
Figure PCTKR2017013876-appb-M000002
Figure PCTKR2017013876-appb-M000003
상기 차동 증폭기(395)는 상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 출력하며 출력신호는 다음과 같은 수학식 4로 주어진다.
Figure PCTKR2017013876-appb-M000004
따라서, 전술한 구조의 복조부는 제3 빔과 제4빔으로부터 검출된 간섭신호를 차동 증폭기로 빼어 줌으로써 각각의 광신호에 실려있는 서로 상관된 잡음은 제거되고 광신호는 두 배로 커지게 되어 신호 대 잡음비를 높일 수 있게 된다. 이와 같은 측정 방법을 Balanced Detection 방법이라고 한다.
도 9는 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 있어서, 복조부의 또 다른 실시형태를 도시한 구성도이다. 도 9를 참조하면, 상기 복조부(32)는, 위상 지연 장치(300), 빛살 가르게(310), I 신호 출력부(320) 및 Q 신호 출력부(330)를 구비하며, I 신호 출력부 및 Q 신호 출력부로부터 각각 서로 위상차가 90°인 I 출력 신호(In-phase Signal ; VI) 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :VQ) 를 생성하여 출력한다. I 출력 신호 (In-phase Signal ; VI)는 cos △φ 에 비례하고, Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :VQ)는 sin △φ에 비례한다.
상기 복조부(32)는 상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 복조하여, 제1 빔과 제2 빔에 대한 I 출력 신호 (In-phase Signal ; VI) 신호 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :VQ) 를 검출하여 출력한다. 상기 I 출력 신호 및 Q 출력 신호로부터 회전 각속도에 따른 위상차를 검출할 수 있게 된다.
상기 위상 지연 장치(300)는 상기 감지부로부터 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 것으로서, 제1빔과 제2빔의 편광 상태에 따라 다양하게 선택하여 사용될 수 있으며, 그 일 예로 상기 제1빔과 제2빔을 45도 편광 회전시켜 빛살 가르게(310)로 출력하는 반파장판을 사용할 수 있다.
상기 빛살 가르게(310)는 상기 위상 지연 장치로부터 45도 편광 회전된 제1빔과 제2빔을 제공받고, 상기 제1빔과 제2빔을 50:50으로 제3빔 및 제4빔으로 나누어 각각 투과 및 반사시켜 출력한다. 빛살 가르게를 투과한 제3빔은 I 신호 출력부로 제공되고, 빛살 가르게에서 반사된 제4빔은 Q 신호 출력부로 제공된다.
상기 I 신호 출력부(320)는 상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 I 신호 출력부(320)는 빛살 가르게를 투과한 제3빔의 진행 경로상에 배치된 제2 편광 빛살 가르게(322), 제2 편광 빛살 가르게로부터 반사되어 출력된 빔을 검출하는 제1 검출소자(323), 제2 편광 빛살 가르게를 투과하여 출력된 빔을 검출하는 제2 검출소자(324), 및 상기 제1 검출소자 및 제2 검출소자로부터 출력된 빔들의 차이를 검출하여 증폭시켜 출력하는 제1 차동증폭기(325)를 구비한다. 제1 및 제2 검출소자는 포토 다이오드로 구성될 수 있다.
상기 Q 신호 출력부(330)는 상기 빛살 가르게를 투과한 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 Q 신호 출력부(330)는 상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하도록 구성된다. 상기 Q 신호 출력부(330)는, 빛살 가르게에서 반사된 제4빔을 45도 편광회전시켜 출력하는 QWP(Quarter Wave Plate;331), 상기 QWP를 투과하여 45도 편광 회전된 제4빔의 진행 경로상에 배치된 제3 편광 빛살 가르게(332), 제3 편광 빛살 가르게에서 반사되어 출력된 빔을 검출하는 제3 검출소자(333), 제3 편광 빛살 가르게를 투과하여 출력된 빔을 검출하는 제4 검출소자(334), 및 상기 제3 검출소자 및 제4 검출소자로부터 출력된 빔들의 차이를 검출하여 증폭시켜 출력하는 제2 차동증폭기(335)를 구비한다.
전술한 구성을 갖는 I 신호 출력부의 제1 차동 증폭기 및 Q 신호 출력부의 제2 차동 증폭기는 각각 제1 빔과 제2 빔에 대한 I 출력 신호 (In-phase Signal ; VI) 신호 및 Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :VQ) 를 출력한다.
상기 제어부(40)는 복조부로부터 I 출력 신호 및 Q 출력 신호를 제공받고, 상기 I 출력 신호 및 Q 출력 신호를 이용하여, 회전 각속도를 검출하여 출력한다. 이하, 본 실시 형태에 따른 복조부의 출력 신호를 이용하여, 제어부(40)가 회전 각속도(Ω)를 검출하는 과정을 구체적으로 설명한다.
먼저, 복조부(32)로부터 얻은 I 출력 신호 (In-phase Signal ; VI)는 cos △φ 에 비례하고, Q 출력 신호(Quadrature-phase Signal :VQ)는 sin △φ 에 비례하므로, I 출력 신호(VI) 및 Q 출력 신호(VQ) 를 이용하여 물체의 회전에 따른 위상차(△φ)를 수학식 5에 의해 구할 수 있다.
Figure PCTKR2017013876-appb-M000005
감지부에서 시계 방향으로 회전하는 제2빔이 광 회전부를 일주하는데 걸리는 시간(t+)는 수학식 6에 의해 구할 수 있으며, 시계 반대 방향으로 회전하는 제1빔이 광 회전부를 일주하는데 걸리는 시간(t-)는 수학식 7에 의해 구할 수 있다.
Figure PCTKR2017013876-appb-M000006
Figure PCTKR2017013876-appb-M000007
물체의 회전에 따른 제1빔과 제2빔의 광 경로차(△L )는 수학식 8에 구할 수 있다.
Figure PCTKR2017013876-appb-M000008
물체의 회전에 의해, 서로 반대 방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔의 사이에 광 경로차(△L )가 발생하게 된다. 이러한 제1빔과 제2빔을 간섭시켜 간섭 신호를 얻을 수 있는데, 간섭신호에서의 위상 변화는 회전 각속도의 선형적인 함수로 주어지게 되므로, 위상 변화를 측정하고 이를 이용하여 회전 각속도를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
물체의 회전에 따른 제1빔과 제2빔의 광 경로차(△L )를 이용하여 제1빔과 제2빔의 위상차(△φ)는 수학식 9에 구할 수 있다.
Figure PCTKR2017013876-appb-M000009
수학식 9로부터 물체의 회전에 따른 회전 각속도(Ω)는 수학식 10로 표현될 수 있으며, 수학식 4을 통해 I 출력 신호(V I) 및 Q 출력 신호(VQ)를 이용하여 구한 제1빔과 제2빔의 위상차(△φ)를 이용하여 물체의 회전에 따른 회전 각속도(Ω)를 구할 수 있게 된다.
Figure PCTKR2017013876-appb-M000010
여기서, λ는 빛의 파장이며, t-는 반시계 방향으로 회전하는 제1빔이 고리를 일주하는 데 걸리는 시간이며, t+는 시계 방향으로 회전하는 제2빔이 고리를 일주하는 데 걸리는 시간이며, Ω는 회전 각속도이며, C 는 빛의 속도이며, R은 광 회전부를 구성하는 고리의 반경이며, A 는 고리의 면적이며, △L 은 서로 반대방향으로 진행하는 제1빔과 제2빔의 광 경로차이며, △φ 는 각속도에 의해 유도되는 위상변화값이다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 샤냑 간섭계는 편광 빛살 가르게를 이용하여 새로운 구조로 구성함으로써, 서로 수직 편광 상태인 2개의 빔을 닫힌 경로를 따라 서로 반대 방향으로 진행시킨 후 위상차를 구하고, 이를 이용하여 물체의 회전에 따른 회전 각속도를 측정할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 사냑 간섭계는 자이로스코프 등과 같이 회전 역학 정보를 측정하는 장비에 널리 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 선형 또는 원형 편광된 광을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에 의해 형성된 경로를 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
    상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;
    를 구비하며, 상기 감지부는,
    상기 광원으로부터 45도로 선형 편광되거나 또는 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게;
    1회 또는 2회 이상 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어지고, 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며,
    상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  2. 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 입력된 광을 서로 수직 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에 의해 형성된 경로를 서로 반대 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
    상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 형성되어 감지부의 제1 빔과 제2 빔을 공진시키는 공진기; 및
    상기 공진기로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 제1 빔과 제2 빔의 사이에 유도된 위상 차이를 측정하는 복조부;
    를 구비하며, 상기 감지부는
    상기 광원으로부터 45도로 선형 편광되거나 원형 편광된 광을 입력받고, 상기 입력된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게;
    1회 또는 2회이상 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어지고, 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;을 구비하며,
    상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 서로 수직으로 편광되어 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 동일한 경로로 출력되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 공진기는
    상기 감지부의 입력지점 및 출력지점에 각각 배치된 제1 및 제2 거울;
    상기 제1 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제1 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP); 및
    상기 제2 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 제2 사분파장판;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  4. 편광된 광을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에 의해 형성된 경로를 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
    상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;
    상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게;
    를 구비하며, 상기 감지부는
    빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게;
    1회 또는 2회 이상 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어지고, 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일; 및
    상기 편광 빛살 가르게의 출력 포트 중 하나에 붙여서 배치되어 상기 편광 유지 광섬유를 투과하는 광의 편광 방향을 90도 회전시키는 반파장판(Half Wave Plate; HWP);
    를 구비하며, 상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  5. 편광된 광을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 제공된 광을 편광 방향에 따라 제1 빔과 제2 빔으로 나누고, 상기 제1 빔과 제2 빔을 편광 유지 광섬유에 의해 형성된 경로를 서로 다른 방향을 따라 이동시킨 후 다시 합쳐서 출력하는 감지부;
    상기 감지부로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔을 간섭시켜 이들 사이에 유도된 위상 변화를 측정하는 복조부;
    상기 광원과 감지부의 사이에 배치되어, 광원으로부터 제공된 빔의 일부는 투과시키고 감지부로 출력하고, 감지부로부터 제공된 빔의 일부는 반사시켜 복조부로 출력하는 빛살 가르게;
    를 구비하며, 상기 감지부는
    빛살 가르게를 통해 상기 광원으로부터 제공된 광을 서로 수직으로 편광된 제1 빔과 제2 빔으로 나누어 서로 다른 출력 포트로 각각 출력하는 편광 빛살 가르게; 및
    1회 또는 2회 이상 감긴 편광 유지 광섬유로 이루어지고, 상기 편광 빛살 가르게의 상기 제1 빔과 제2 빔의 출력 포트에 양단이 연결되어, 상기 편광 빛살 가르게로부터 출력된 상기 제1 빔과 제2 빔을 서로 반대 방향으로 진행시키는 편광 유지 광섬유 코일;
    을 구비하고, 상기 편광 유지 광섬유 코일의 일단의 주축(Principal axes)은 90도 회전되도록 배치하여, 상기 편광 유지 광섬유 코일을 투과하는 광의 편광 방향을 90도 회전시키는 것을 특징으로 하며,
    상기 편광 유지 광섬유 코일로부터 출력된 제1 빔과 제2 빔은 편광 빛살 가르게에서 합쳐져 출력된 후 상기 빛살 가르게에 의해 반사되거나 투과되어 상기 복조부로 제공되는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  6. 제4항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유 공간 사냑 간섭계는 상기 빛살 가르게와 상기 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 공진기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공진기는
    상기 빛살 가르게와 감지부의 편광 빛살 가르게의 사이에 배치된 거울; 및
    상기 거울과 상기 감지부의 사이에 배치된 사분파장판(Quarter Wave Plate : QWP);
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유 사냑 간섭계는,
    복조부로부터 제1 빔과 제2 빔의 위상 변화에 따른 위상차(△φ)를 제공받고, 상기 위상차를 이용하여 회전 각속도(Ω)를 측정하여 제공하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복조부는,
    상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
    상기 위상 지연 장치로부터 출력된 빔을 제3빔과 제4빔으로 나누어 각각 출력하는 빛살 가르게;
    상기 빛살 가르게를 투과한 제3빔으로부터 I 출력신호를 검출하여 출력하는 I 신호 출력부;
    상기 빛살 가르게에서 반사된 제4빔으로부터 Q 출력신호를 검출하여 출력하는 Q 신호 출력부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복조부는,
    상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔의 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
    상기 위상 지연 장치에 의해 위상 지연된 제1빔과 제2빔을 45도로 정렬시켜 제1빔과 제2빔의 간섭 신호를 출력하는 편광자(Polarizer); 및
    상기 편광자로부터 출력된 빔을 검출한 검출 신호를 출력하는 광검출소자;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 자유 공간 사냑 간섭계.
  11. 제1항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복조부는,
    상기 감지부로부터 제공된 서로 수직 편광상태인 제1빔과 제2빔 사이에 바이어스 위상을 인가시키기 위한 위상 지연 장치;
    상기 위상 지연 장치로부터 출력된 제1빔과 제2빔을 간섭시키고 편광 상태에 따라 나누어 출력하는 편광 빛살 가르게;
    상기 편광 빛살 가르게로부터 반사된 제3 빔을 검출하여 제1 검출신호를 출력하는 제1 광검출소자;
    상기 편광 빛살 가르게를 투과한 제4 빔을 검출하여 제2 검출신호를 출력하는 제2 광검출소자;
    상기 제1 및 제2 검출신호의 차를 검출하여 출력하는 차동 증폭기;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 사냑 간섭계.
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