WO2023106687A1 - 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템 - Google Patents

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WO2023106687A1
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optical
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polarized light
polarization
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주성민
이영우
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(주)옵토닉스
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Definitions

  • the present invention relates to a photocurrent sensor, and more particularly, to a photocurrent sensor system based on an integral optical system.
  • an electromagnetic current transformer which is widely used for current measurement, winds a wire around an iron core and generates an induced current in the secondary winding with a magnetic field generated by the current flowing in the primary winding. It is a way of measuring its size.
  • an electromagnetic current meter that detects a magnetic field proportional to current using the Hall effect is also widely used.
  • this electromagnetic current measuring device has a problem in that the accuracy of the measurement signal is lowered due to the influence of the surrounding magnetic field, and the response speed is insufficient to detect a rapidly changing current.
  • the fiber optic current sensor can overcome the hunting phenomenon of the existing electromagnetic field current sensor (a state in which the amount to be suppressed and the action of the restraining device repeatedly increase or decrease and are not stable continuously) and the limitations on the measurement range and current capacity. .
  • the fiber optic current sensor has the advantage of fast response and low power consumption.
  • Light having two linearly polarized states reflected and returned in this way is branched from the first optical splitter to the output unit, and split in half by the second optical splitter.
  • the light traveling along the upper optical fiber is twisted by 90° and passes through the connected polarization maintaining optical fiber to change its polarization state.
  • the light divided by the second optical splitter and traveling along the lower optical fiber passes through the phase modulator and passes through the polarizer, leaving only the same polarization component as the upper specific polarization component. Due to this, they meet at the third optical splitter to cause interference, and when there is a phase difference between the two components, a change in optical power is caused by the interference.
  • a light source for generating reference light for current or magnetic sensing, a beam circulator or beam splitter for guiding the reference light in a selected direction, and
  • a photocurrent sensor system comprising a polarizer for polarizing, a phase modulator for phase-modulating polarized light into a predetermined reference signal, a polarization converter for converting linearly polarized light into circularly polarized light, and a detector for current or magnetic sensing.
  • a light source for generating reference light for current or magnetic sensing, a beam circulator or beam splitter for guiding the reference light in a selected direction, a polarizer for polarizing the reference light, and polarizing the polarized light in a predetermined direction.
  • a photocurrent sensor system comprising a phase modulator for phase modulation with a reference signal, a polarization converter for converting linearly polarized light into circularly polarized light, and a detector for current or magnetic sensing, wherein the polarizer and the beam circulator or the beam splitter are optically mutually compatible with each other.
  • a photocurrent sensor system based on an integrated optical system comprising an integrated optical system composed of a plurality of bonded optical elements and having the phase modulator provided in the integrated optical system is provided.
  • the phase modulator includes a polarization splitter connected to the beam splitter or the beam circulator and a first mirror for reflecting fast polarized light separated from the polarization splitter to a beam combiner or beam splitter via a linear polarizer
  • the slow polarized light separated by the polarization splitter may be reflected from a second mirror to the beam combiner or the beam splitter through a bipartite wave plate and a linear polarizer.
  • optical elements are optically bonded and integrated, so that a separate process of aligning an optical block and optical fibers is unnecessary, and a boundary between optical elements is formed by constructing an integrated optical system. Since no area is formed, it minimizes light loss that occurs in the existing boundary area, and can fundamentally block distortion (misalignment) in response to external shock or vibration, thereby increasing the measurement reliability of the photodetector. there is.
  • phase modulator in the integrated optical system, it is possible to more effectively measure the sensing signal and control the sensor operating point, thereby securing system stability against external vibration and temperature change, minimizing product size, and securing price competitiveness.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a polarization rotation reflection interferometer type photocurrent sensor system having a light source, a sensing unit, and a polarization analyzer;
  • FIG. 3 is a block diagram of a photocurrent sensor system based on an integrated optical system according to a first embodiment of the present invention.
  • a specific polarization component among the blocks B2 and B4 of the photodetector stage may be selected and used.
  • light loss of an output light source may be minimized through smooth transmission of light sources and sensing optical signals.
  • the alignment process for coupling between the optical fiber and the bulk type optical element is eliminated by direct bonding and integration, the conventional alignment process is unnecessary, and the light transmission efficiency can be maximized.
  • the existing bulk-type optical components are mechanically fixed or bonded in an optimal alignment state after light alignment is performed to combine optical components using a mechanical method or adhesive, but in the present invention, separate Distortion (misalignment) in response to external shock or vibration or increase in light loss and noise in response to changes in temperature or humidity can be minimized by mutually adhering to each other using an optical adhesive method without an adhesive.
  • the polarization rotation reflection interferometer-type optical fiber current sensor based on this principle transmits the input light of the light source 10 in a selected direction through a beam splitter 20 (or a beam circulator), and then converts the light into linearly polarized light through a linear polarizer 30. After converting, the incident is incident at 45° to the optical axis of the polarization maintaining optical fiber (PMF) through the 45 degree polarizer 40, and the polarization proceeds in the direction of the fast optical axis and the slow optical axis of the polarization maintaining optical fiber (PMF). Compensate for the initial phase difference so that the light beams each have the same size.
  • a beam splitter 20 or a beam circulator
  • phase modulator 60 should be able to modulate the phases of the light incident from the light source 10 to the optical fiber coil and the reflected light differently from each other.
  • a long optical fiber delay line is essential, and a high-speed phase modulator A modulator may be used primarily.

Abstract

본 발명은 일체형 광학계를 기반으로 한 광전류 센서 시스템을 개시한다. 본 발명은 전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원과, 상기 기준 광을 편광시키는 편광기와, 상기 편광된 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기와, 광섬유의 말단에서 광 경로를 도파한 광을 반사시키는 페러데이 회전 반사자를 포함하고, 상기 광섬유가 내부에 수용된 상태로 내재된 복수의 광섬유 피그테일 블럭; 및 상기 피그테일 블럭과의 경계면이 서로 광학적으로 접착된 다수의 광학소자로 이루어진 일체형 광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템
본 발명은 광전류 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일체형 광학계를 기반으로 한 광전류 센서 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전류 측정을 위하여 널리 사용되고 있는 전자기식 전류측기(current transformer, CT)는 철심코어 주위에 전선을 감아서 1차 권선에 흐르는 전류로 인해 발생하는 자기장으로 2차 권선에 유도전류를 발생시키고 그 크기를 측정하는 방식이다.
이 방식을 이용하여 대전류를 측정하는 경우에 누설전류나 자기포화 현상이 발생하면 측정의 정확성이 떨어진다. 또한 홀(Hall) 효과를 이용하여 전류에 비례하는 자기장을 검출하는 전자기식 전류측정기(CT)도 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 전자기식 전류측정기는 주변 자기장의 영향으로 인해 측정신호의 정확도가 떨어지는 문제점이 있으며, 순간적으로 급격히 변화하는 전류를 감지하기에는 응답속도가 부족한 단점이 있다.
아울러 기존 전자계 방식의 전류 센서도 측정 범위가 좁고, 전류 용량에 대한 사용의 한계가 있으며, 외부 자기 및 고전류에서의 환경 의존도가 크다. 그리고 적용 전류 범위가 좁아 실용성이 낮으며, 고주파 생성으로 인한 발열 특성으로 열적 안정확보의 필요성이 있다.
최근 이러한 전자계 방식 전류 센서의 단점을 보완하기 위해 광섬유형 전류 센서 기술이 각광받고 이다. 특히 시스템 안정성 측면에서 편광 회전 반사 간섭계형 전류 센서가 주목받고 있다.
광섬유 기반의 전류 센서는 전류가 흐르는 도체 주위에 광섬유를 감아 자기장 방향과 동일하게 구성하여 페러데이(Faraday) 효과를 사용하여 검출하는 방식으로서, 측정 대상의 규모 및 장거리 전송에 대한 한계를 극복할 수 있으며, 우수한 정밀도를 나타낸다.
그리고 광섬유형 전류 센서는 기존의 전자계 전류 센서의 헌팅현상(피억제량과 억제 장치의 작용이 서로 증감을 반복하여 계속해서 안정되지 않는 상태)과 측정 범위 및 전류용량에 대한 한계를 극복할 수 있다. 특히, 광섬유형 전류 센서는 빠른 응답 특성을 가지며 전력 소비량이 적은 장점이 있다.
도 1은 광원, 센싱부, 편광 분석부를 구비한 편광 회전 반사 간섭계형 광전류 센서 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 편광 회전 반사 간섭계형 광전류 센서 시스템은 광원, 센싱부, 편광 분석부를 포함하여 구성된다.
구체적으로 광원에서 나오는 입력광을 편광조절기와 편광기를 이용하여 선편광으로 만들어 준 후, 편광유지광섬유(PMF)의 광축에 45°로 입사시켜 편광유지광섬유(PMF)의 패스트 축과 슬로우 축 방향으로 편광되어 진행하는 빛이 각각 동일한 크기만큼 존재하게 한다. 이 빛은 코일의 바로 앞에 연결된 λ/4 파장판(quarter wave plate: QWP)에 의해서 좌원편광된 빛과 우원편광된 빛으로 변환되어 광섬유센서코일을 따라 진행하게 된다. 이때 전선에 전류가 흐르게 되면 페러데이 효과에 의해서 좌원편광과 우원편광 간에 복굴절이 발생하게 되며 두 빛의 위상 차이를 일으키게 된다.
이후 코일의 끝부분에 위치한 미러에 의해 반사된 빛은 좌원편광과 우원편광이 서로 뒤바뀌게 되며 광파의 진행방향이 바뀌어서 전류로 인한 자계의 방향에 대해 역방향이 됨으로써 두 개의 원편광이 겪게 되는 위상 차이는 입사할 때와 동일한 크기만큼 커지게 된다. 광섬유 센서 코일을 빠져 나온 빛은 λ/4 파장판(QWP)에 의해 각각의 선편광된 빛으로 변환되어 편광 유지 광섬유의 패스트 축과 슬로우 축 방향의 편광상태를 가지면서 되돌아오게 된다.
이렇게 반사되어 돌아온 두 개의 선편광 상태를 가진 빛은 첫번째 광분배기에서 출력부로 분기시키고, 두번째 광분배기에서 반반씩 나뉘어진다. 나뉘어진 빛 중 상부 광섬유를 따라 진행하는 빛은 90°틀어져서 연결된 편광유지광섬유를 통과하여 편광상태가 바뀌게 되며, 다음 단에 연결된 편광기를 거치게 되면 코일에서 반사되어 돌아온 편광성분 중에서 특정 편광 성분만 남기게 된다. 두번째 광분배기에서 나뉘어져서 아래쪽 광섬유를 따라 진행하는 빛은 위상 변조기를 지나게 되며 편광기를 통과하면서 상부의 특정 편광성분과 동일한 편광 성분만 남기게 된다. 이로 인해 세번째 광분배기에서 만나서 간섭을 일으키며, 두 성분 간의 위상 차이가 존재하게 되면 간섭에 의해 광파워의 변화를 일으키게 된다.
이때 위상 변조기는 두 편광 성분이 갖게 되는 초기 위상 차이를 보상하고 출력신호 응답 특성이 최대가 되는 동작점을 잡기 위해서 이용된다. 한편 이외에도 PD단(광검출기 단부)에서의 광신호를 받아서 신호 처리하는 방식의 차이를 갖는 다양한 편광 회전 반사 간섭계형 전류 센서가 개시되어 있다.
그러나 종래의 편광 회전 반사 간섭계형 전류 센서는 다음과 같은 개선에 대한 요구가 제기되고 있다.
즉, 광섬유를 통해 전송된 편광 빛에 대한 외부 진동 및 온도 변화에 따른 검출 신호의 왜곡을 최소화하여 센서 시스템의 신뢰성을 확보하기 위한 요구가 있다. 그리고 보다 효과적으로 편광 신호 제어를 위한 광학계 구성을 통해 시스템의 안정성을 확보하기 위한 요구도 있다.
다시 말해 외부 진동이나 온도 변화에 따른 광특성 변화를 최소화하고, 광손실을 최소화하며 광전송 효율을 극대화하기 위한 요구가 제기되고 있다.
또한 최근 들어 일체형 광학계에 위상 변조기의 일체화를 통해 보다 효과적으로 센싱 신호 계측 및 센서 동작점 제어를 할 수 있는 기술에 대한 개발의 요구도 지속적으로 제기되고 있다.
<선행문헌 1> : 대한민국 공개특허 제2017-0141150호(공개일자: 2017년 12월 22일)
본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 외부 진동에 따른 신호 장애를 최소화하고, 외부 온도 변화에 따른 광학계 변화를 최소화할 수 있는 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원, 상기 기준 광을 선택된 방향으로 도파하기 위한 빔 써큘레이터 또는 빔 분배기, 상기 기준 광을 편광시키는 편광기, 편광된 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기, 선편광을 원편광으로 변환는 편광변환기, 및 전류 또는 자기 센싱을 위한 검출기를 포함하는 광전류 센서 시스템에 있어서, 광섬유의 말단에서 광 경로를 도파한 광을 반사시키는 페러데이 회전 반사자를 더 포함하고, 상기 편광기와 상기 빔 써큘레이터 또는 상기 빔 분배기는 서로 광학적으로 접착된 다수의 광학소자로 이루어진 일체형 광학계로 구성되는 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템이 제공된다.
상기 일체형 광학계는 상기 광섬유가 내부에 수용된 상태로 내재된 복수의 광섬유 피그테일 블럭을 더 포함하고, 상기 광섬유 피그테일 블럭 및 상기 광학소자는, 저열팽창 유리재질로 이루어지며, 상기 광섬유가 안착되는 V형 또는 U형의 가공홈이 각각 구비된 복수의 블럭이 서로 맞물리게 제공될 수 있다.
상기 일체형 광학계는 상기 빔 분배기 또는 상기 빔 써큘레이터가 상기 광원의 입력광을 선택된 방향으로 전송하고, 상기 빔 분배기 또는 상기 빔 써큘레이터로부터 전송된 빛을 선편광시키는 선형편광기와, 선편광된 광을 편광유지 광섬유의 광축에 대해 45도로 입사시키는 45도 편광기를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원, 상기 기준 광을 선택된 방향으로 도파하기 위한 빔 써큘레이터 또는 빔 분배기, 상기 기준 광을 편광시키는 편광기, 편광된 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기, 선편광을 원편광으로 변환는 편광변환기, 및 전류 또는 자기 센싱을 위한 검출기를 포함하는 광전류 센서 시스템에 있어서, 상기 편광기와 상기 빔 써큘레이터 또는 상기 빔 분배기는 서로 광학적으로 접착된 다수의 광학소자로 이루어진 일체형 광학계로 구성하고, 상기 일체형 광학계 내에 상기 위상 변조기가 마련된 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템이 제공된다.
상기 일체형 광학계는, 상기 광원으로부터 전송된 빛을 선편광시키는 선형편광기, 선편광된 광을 편광유지 광섬유의 광축에 대해 45도로 입사시키는 45도 편광기, 및 입력광을 선택된 방향으로 전송하는 빔 분배기 또는 빔 써큘레이터를 포함하고, 상기 위상 변조기는, 상기 빔 분배기 또는 상기 빔 써큘레이터에 연결된 편광 분배기와 상기 편광 분배기에서 분리된 패스트 편광을 선형 편광기를 거쳐 빔 결합기 또는 빔 분배기로 반사시키는 제1 미러(mirror) 사이에 배치되고, 상기 편광 분배기에서 분리된 슬로우 편광은 이분 파장판과 선형 편광기를 거쳐 제2 미러에서 상기 빔 결합기 또는 상기 빔 분배기로 반사될 수 있다.
본 발명에 따르면, 편광 회전 반사 간섭계형 전류 센서 시스템을 제작함에 있어 광학소자들을 광학적으로 접착하여 일체화함으로써, 광학 블럭 및 광섬유를 별도로 정렬하는 공정이 불필요하며, 또한 일체형 광학계를 구성함으로써 광학소자 간에 경계 영역이 형성되지 않아 기존에 경계 영역에서 발생되는 광손실을 최소화하며, 외부 충격이나 진동에 반응하여 틀어지는 것(오정렬)을 원천적으로 차단할 수 있으며, 이를 통해 광검출기의 측정 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 광원 및 센싱 광신호의 원활한 전송을 구현함으로써 출력되는 광원의 광손실을 최소화하여 안정적인 광검출이 이루질 수 있으며, 저열팽창 유리소재의 일체형 광학계를 기반으로 온도변화에 따른 광특성 변화를 최소화할 수 있는 효과 가 있다.
그리고 일체형 광학계 내에 위상 변조기를 일체화함으로써 보다 효과적으로 센싱 신호 계측 및 센서 동작점 제어를 할 수 있도록 구성함으로써, 외부 진동 및 온도 변화에 따른 시스템 안정성 확보 및 제품 사이즈 최소화, 및 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
아울러, 기존에는 위상 변조기를 적용함으로써 긴 길이의 지연 광섬유를 사용하고 고속의 위상 변조기를 사용해야 하는데 반해, 본 발명에 따르면 일체형 광학계 내에 SNRPM(Spatial Non-Reciprocal Phase Modulation)을 구성하여 일체화시킬 수 있어, 기존의 광학 부품들의 적용을 최소화하고 제품 사이즈를 최소화할 수 있으며, 이를 통해 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 광원, 센싱부, 편광 분석부를 구비한 편광 회전 반사 간섭계형 광전류 센서 시스템의 개략적인 구성도,
도 2는 광자 직접 회로(Photonic integrated circuit)기반의 편광 회전 반사 간섭계형 광전류 센서 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템의 구성도, 및
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 첨부된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
<제1 실시예>
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 다수의 광섬유 피그테일 블럭(B1~B4)들이 제공된다. 여기서 광섬유 피그테일 블럭(B1~B4)들은 각각 저열팽창 유리소재로 이루어진 하단블럭과 상단블럭 사이에 V형 또는 U형 등의 가공홈을 형성하고, 이 V형 또는 U형 가공홈에 광섬유(11)가 피그테일된 상태로 서로 맞물린 블럭의 형태로 제공된다.
한편 도 3에 도시된 다수의 광섬유 피그테일 블럭(B1~B4)을 대체하여 평행광 제어 및 집광 렌즈, 또는 콜리메이터 렌즈가 결합된 광섬유가 적용되어도 좋다.
또한 목적에 따라 광검출기 단의 블럭(B2 및 B4) 중 특정 편광 성분만 선택하여 사용하여도 좋다.
또한 광섬유 피그테일 블럭(B1 및 B3)의 사이에는 빔 분배기(20), 선형 편광기(30), 45도 편광기(40)가 일렬로 배치되어 광학적 접착에 의해 일체화된다. 이때 45도 편광기(40) 대신에 블럭(B3)의 편광유지광섬유의 편광축을 45도 회전시켜 입사시켜도 무방하다. 빔 분배기(20)의 하부에는 편광 분배기(50)가 배치되고, 이 편광 분배기(50)의 좌측면과 하부면에는 각각 광섬유 피그테일 블럭(B2 및 B4)들이 배치된 상태에서 광학적으로 접착되어 일체화되며, 신호 분석을 위한 광검출기(PD1,PD2)도 연결된다. 여기서 각각의 광학 소자들은 저열팽창 유리소재를 적용함으로써 외부 온도 변화에 대한 저항성을 가져 온도 의존성을 최소화할 수 있다.
한편 광학적 접착을 위해, 일체형 광학계를 구성하는 각 광학소자의 일면은 거의 같은 표면형상으로 형성되고, 연마작업을 통해 표면조도 및 표면질(surface quality) 성능을 높이고 세척을 통해 이물질을 제거하도록 한다.
이러한 광학적 접착은 분자간 인력(Van der Waal'Force)에 의한 접합으로서 접착 경계영역이 사라지는 효과가 있기 때문에 광학 부품을 통과한 광신호가 경계영역에서 손상이나 손실 없이 안정적으로 전달할 수 있다.
이러한 광학적 접착은 공지의 접착방식으로서, 접착하려고 하는 재료를 서로 거의 같은 곡률로 마무리 처리하고, 표면을 세정한 후 그대로 또는 물, 벤젠을 적셔서 압착하는 공정으로 이루어진다. 표면 상태에서의 부착력은 부착 후 시간이 경과함에 따라서 점차 증가하며, 접합으로 인한 각도 오차가 거의 생기지 않는다. 또 접착 후 뒤틀림이 생기지 않는 특성도 있다.
또한 본 발명에서는 광학 소자간의 손실없이 안정적으로 광신호를 전달하여 검출할 수 있도록 저열팽창 유리 소재를 기반으로 하며, 굴절률이 동일한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 광학 소자들의 일체화는 적용되는 각각의 광학 블럭이 직각도를 갖도록 가공하여 가공면 간의 별도의 접착제 없이 광학적 접착 방식으로 상호 접착시킴으로써 경계면이 사라지는 효과를 발생시켜 경계면에서 발생되는 광손실을 최소화할 수 있다.
또한 광원 및 센싱 광신호 원활한 전송을 통해 출력되는 광원의 광손실을 최소화할 수 있다. 또한 광섬유와 벌크형 광학 소자 간의 커플링을 위한 정렬 공정을 배제하도록 직접 접착하여 일체화함으로써 기존의 정렬 공정이 불필요하여 광전송 효율을 극대화할 수 있다.
그리고 기존 벌크형 광학 부품들의 기계적 방식이나 접착제를 이용한 결합은 광학 부품간의 광 정렬을 수행한 후 최적 정렬 상태에서 기계적으로 고정(fix)시키거나 접착시키는 방식을 적용하였지만, 본 발명에서는 가공면간의 별도의 접착제 없이 광학적 접착 방식으로 상호 접착시킴으로써 외부 충격이나 진동에 반응하여 틀어지거나(오정렬되거나), 온도나 습도의 변화에 반응하여 광손실 및 노이즈 증대되는 것을 최소화할 수 있다.
한편 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템은, 전류 발생에 따른 자기장의 방향과 동일한 방향으로 감겨진 광섬유 내의 빛이 진행함에 있어 인가되는 전류에 의한 자기장의 세기에 비례하여 나타나는 광섬유의 원형복굴절(circular birefringence) 변화를 통해 광섬유 도파광의 편광변화를 측정하는 원리로 제공된다.
이러한 원리의 편광 회전 반사 간섭계형 광섬유 전류 센서는 광원(10)의 입력광을 빔 분배기(20; 또는 빔 써큘레이터)를 통해 선택된 방향으로 광원을 전송한 후, 선형 편광기(30)를 거쳐 선편광으로 전환시킨 후, 45도 편광기(40)를 통해 편광유지광섬유(PMF)의 광축에 대해 45°로 입사시켜 편광유지광섬유(PMF)의 패스트(fast) 광축과 슬로우(slow) 광축 방향으로 편광되어 진행하는 빛이 각각 동일한 크기를 갖도록 초기 위상 차이를 보상한다. 이어 출력 신호 응답 특성이 최대가 되는 동작점을 조절하기 위해 위상 변조기(60)를 통과하여 편광유지광섬유(PMF)를 통해 지연 목적으로 전송된 후, 이 빛은 센서 프로브(70)의 전단에 연결된 λ/4 파장판(quarter wave plate: QWP)에 의해서 좌원편광된 빛과 우원편광된 빛으로 변환되어 광섬유 센서 프로브(70)를 따라 진행하게 된다.
여기서 위상 변조기(60)는 광원(10)에서부터 광섬유 코일에 입사하는 빛과 반사되어 돌아오는 빛의 위상을 서로 다르게 변조시킬 수 있어야 하며, 이를 위하여 긴 길이의 광섬유 지연선이 필수적이며, 고속의 위상 변조기가 주로 이용될 수 있다.
이러한 위상 변조방식을 비반복 위상 변조 모듈(NRPM; non-reciprocal phase modulation)이라고 하는데, 고속 위상 변조기가 필수적이므로 고가의 리튬나이오베이트(LiNbO3) 전기광학 위상 변조기나 고속 압전(piezo-electric) 위상 변조기가 이용된다.
그리고 광섬유의 전송 시간에 의존하는 바이어스 위상과 센싱 처리된 위상의 생성은 변조를 위한 시간 지연을 확보하기 위해 추가적으로 지연 광섬유가 필수적이다. 따라서 이런 지연 광섬유는 내외부 스트레스 장애에 의해 선형 복굴절이 필연적으로 존재하여 시스템의 안정성을 저해하며, 제품 크기 증대함으로써 단가 상승의 원인이 된다.
반면에 지연 광섬유 길이와 변조기 사이클 주파수(circle frequency)가 일치하지 않으면 위상 변조기 출력단의 위상 이동의 장애 원인이 되어 시스템의 정확성을 저해한다. 그리고 신호 감지를 하는 동안, 샘플링 주파수는 전송 시간에 영향을 줄 것이며, 짧은 전송 시간은 높은 샘플링 주파수가 요구되며, 이는 시스템의 노이즈 대역폭을 증대시키고 간섭에 더욱 취약하여 센싱 특성을 저하하는 원인이 된다.
이러한 단점을 극복하기 위한 방안으로 본 발명에서는 공간 비반복 위상 변조 모듈(SNRPM; Spatial non-reciprocal phase modulation)이 제안되었다. 이는 전기 광학적 결정(Electro-optical crystal)을 기반으로 한 굴절율 타원체(Refractive index ellipsoid) 이론을 통해 구현되는 것으로서, 동시에 서로 다른 축방향들의 광의 위상을 조절하는 방식으로 변조 전압을 통해 간섭된 빛들 사이의 위상 지연을 직접적으로 수행한다.
이로 인해 변조 주파수를 위한 내재 주파수의 한계를 회피할 수 있고, 변조 민감도 및 동적 작동 범위를 보다 자유롭게 설정할 수 있다. 따라서, 지연 광섬유가 필요 없어 위상 오차를 최소화할 수 있고, 시스템의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이렇게 λ/4 파장판(QWP)을 통과하여 센서 프로브(70)로 입광된 광신호는 전선에 전류가 흐르게 되면 자기장에 따른 페러데이 효과로 좌원편광과 우원편광 간에 복굴절이 발생하여 두 빛의 위상차가 존재한다. 그리고 광섬유 센서 프로브(70)의 종단에 위치한 미러(페러데이 회전 반사자; FRM)에 의해 반사된 빛은 좌원편광과 우원편광이 서로 뒤바뀌고, 광파의 진행방향이 바뀌어서 전류로 인한 자계의 방향에 대해 역방향이 됨으로써, 두 개의 원편광이 겪게 되는 위상 차이는 입사할 때와 동일한 크기만큼 커져 배수화되어 정밀도를 높이게 된다.
편광 변화가 발생된 센싱 신호, 즉 광섬유 센서 프로브(70)에서 나온 빛은 다시 λ/4 파장판(QWP)에 의해 각각의 선편광된 빛으로 변환되어 편광 유지 광섬유의 패스트축과 슬로우축 방향의 편광상태를 유지하여 되돌아온다. 이렇게 반사되어 돌아온 두 개의 선편광 상태를 가진 빛은 전류 값에 따른 위상 차이를 가지며 광신호의 파워 값은 비례한다(페러데이 효과).
한편, 되돌아온 선형 편광 성분은 45도 융착 지점에서 회전하여 선형 편광기(30)를 거쳐 두개의 선편광 성분이 결합되어 선형 편광기(30)의 성분으로 필터링 되고, 빔 분배기(20) 또는 빔 셔큘레이터를 거쳐 광검출기(PD1 또는 PD2)를 통해 광파워를 측정하여 인가된 전류 값을 측정하거나, 또는 편광 분배기(50)를 통해 P편광과 S편광으로 나눠져 각각의 성분의 광파워 값을 측정하여 인가 전류의 변화를 모니터링할 수 있다.
<제2 실시예>
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템의 구성도이다.
본 실시예는 앞서 설명한 제1 실시예에서 제안된 전류 센서의 광 회로에서의 구성적 차이를 갖는다. 구체적으로 앞서 제안된 구조와 같이 다양한 광부품들을 광학적 결합을 통한 일체형 광학계를 구성하여 외부 진동 및 온도 변화에 따른 장애를 최소화하여 신뢰성을 확보하는 것은 동일하나, 일체형 광학계 내에 위상 변조기 를 일체화시켜 보다 효과적으로 센싱 신호를 계측하고, 센서의 동작점 제어를 할 수 있도록 구성한다.
먼저, 광원(10)은 피그테일 광섬유 블록(B1)과 융착을 통해 접속되고, 이를 통해 전송되는 광은 선형 편광기(30)와 45도 편광회전기(40)를 거쳐 빔 셔큘레이터(25; 또는 빔 분배기)를 통과하고, 편광유지 광섬유(PMF)를 거쳐 광섬유 코일의 전단부에 위치한 λ/4 파장판(QWP)을 통과하여 센서 프로브(70)에 전달된다.
이때, 앞서 편광유지 광섬유(PMF)의 전단에서 적용된 위상 변조기(60)를 사용하는 대신에 일체형 광학계 내에 위상 변조기(60)를 적용함으로써 외부 진동 및 온도 변화에 따른 시스템 안정성 확보 및 제품 사이즈 최소화, 그리고 가격 경쟁력을 갖는 광섬유 전류 센서 시스템을 구성할 수 있게 한다. 즉, 편광 분배기(50)와 선형 편광기(35) 사이에 위상 변조기(60)를 배치하여 광학적 접착에 의해 일체화시킬 수 있다.
이에 편광유지 광섬유(PMF)에 입광되기 전, 45도로 회전된 선형편광 성분은 편광유지 광섬유(PMF)를 거치면서 패스트축과 슬로우축으로 각각 분리되고, 분리된 두 편광의 빛이 각각 동일한 크기를 갖도록 초기 위상 차이를 보상하고, 출력 신호 응답 특성이 최대가 되는 동작점의 조절은 일체형 광학계에 포함된 위상 변조기(60)를 통해 제어한다.
여기서 두 편광 빛들은 λ/4 파장판(quarter wave plate: QWP)의 앞단에서 45° 회전 융착을 통해 +45°와 -45°를 갖는 편광 특성을 갖도록 λ/4 파장판(QWP)을 통과시켜 좌원편광된 빛과 우원편광된 빛으로 변환되어 광섬유 센서 프로브(70)에 전송된다.
광섬유 센서 프로브(70)를 통해 전송된 광 신호들은 앞서 설명한 페러데이 효과를 통해 좌원편광과 우원편광 간에 복굴절이 발생하여 두 빛의 위상차가 존재한다. 센싱을 통해 원편광 회전된 신호들은 광섬유 센서 프로브(70)에서 나와 다시 λ/4 파장판(QWP)에 의해 각각의 선편광된 빛으로 변환되어 편광 유지 광섬유(PMF)의 패스트축과 슬로우축 방향의 편광상태를 유지하면서 회기한다. 회기된 선형 편광 성분은 45°융착 지점에서 회전하여 슬로우축와 패스트축의 편광 성분을 가지며, 빔 써큘레이터(25)를 거쳐 편광 분배기(50)로 연결되며, 편광 분배기(50)에서 각각 편광 성분들은 분리되어 패스트축 편광은 위상변조기(60)를 통해 선형편광기(35)를 거쳐 미러(M1)를 통해 반사되어 빔 결합기(95; 또는 빔 분배기)를 통해 각각의 광검출기(PD1,PD2)로 입사된다.
그리고 나머지 슬로우축 편광은 이분파장판(90)을 거쳐 90°회전하여 선형편광기(36)를 통해 미러(M2)와 빔 결합기(95)를 거쳐 각각의 광검출기(PD1,PD2)로 입사되어 빔 결합기(95)에서 형성된 간섭(interferometer)을 통해 광파워 변화를 측정한다.
이처럼 일체형 광학계 기반의 편광회전 반사 간섭계형 광섬유 전류 센서는 기존의 광섬유를 기반으로 한 광학계에서 구성 요소인 광섬유 광분배기, 광섬유 편광기, 위상 변조기, 광섬유 위상 지연기 등의 다양한 광부품을 필요로 하게 된다. 그로 인해 센서의 가격 인상 및 적용 범위 한계의 단점이 있으며, 또한 위상 변조기를 적용함으로써 긴 길이의 지연 광섬유가 사용하고 고속의 위상 변조기를 이용해야 하는 문제점이 있다.
반면 본 발명과 같이 일체형 광학계 내에 SNRPM(Spatial non-reciprocal phase modulation)을 구성하여 일체화 한다면, 기존의 광학 부품들의 활용을 최소화하여 제품 사이즈를 최소화할 수 있으며, 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
아울러 도 2에 도시한 광자 직접회로(Photonic integrated circuit)기반 편광 회전 반사 간섭계형 광전류 센서의 폴리머 광도파형 소자와는 달리, 본 발명은 저열팽창 유리를 기반으로 광학적 접착을 통해 일체형 광학계를 구성함으로써, 외부 진동 및 온도 변화에 따른 시스템 안정성을 확보할 수 있어 센서 시스템 신뢰성 및 정확성을 획기적으로 개선할 수 있다.
또한 지연 광섬유를 제거함으로써 광섬유 내외부 스트레스 장애에 의해 선형 복굴절을 원천적으로 최소화하여 시스템 신뢰성을 확보할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원, 상기 기준 광을 선택된 방향으로 도파하기 위한 빔 써큘레이터 또는 빔 분배기, 상기 기준 광을 편광시키는 편광기, 편광된 상기 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기, 선편광을 원편광으로 변환는 편광변환기, 및 전류 또는 자기 센싱을 위한 검출기를 포함하는 광전류 센서 시스템에 있어서,
    광섬유의 말단에서 광 경로를 도파한 광을 반사시키는 페러데이 회전 반사자를 더 포함하고,
    상기 빔 써큘레이터 또는 상기 빔 분배기와 상기 편광기는 서로 광학적으로 접착된 다수의 광학소자로 이루어진 일체형 광학계로 구성되는 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 광학계는 상기 광섬유가 내부에 수용된 상태로 내재된 복수의 광섬유 피그테일 블럭을 더 포함하고,
    상기 광섬유 피그테일 블럭 및 상기 광학소자는, 저열팽창 유리재질로 이루어지며, 상기 광섬유가 안착되는 V형 또는 U형의 가공홈이 각각 구비된 복수의 블럭이 서로 맞물리게 구성되는 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 일체형 광학계는 상기 빔 분배기 또는 상기 빔 써큘레이터를 통해 상기 광원의 입력광을 선택된 방향으로 전송하고,
    상기 빔 분배기 또는 상기 빔 써큘레이터로부터 전송된 광을 선편광시키는 선형편광기, 및
    선편광된 상기 광을 편광유지 광섬유의 광축에 대해 45도로 입사시키는 45도 편광기를 더 포함하는 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템.
  4. 전류 또는 자기 센싱을 위한 기준 광을 생성하는 광원, 상기 기준 광을 선택된 방향으로 도파하기 위한 빔 써큘레이터 또는 빔 분배기, 상기 기준 광을 편광시키는 편광기, 편광된 광을 소정의 기준 신호로 위상 변조하는 위상 변조기, 선편광을 원편광으로 변환는 편광변환기, 및 전류 또는 자기 센싱을 위한 검출기를 포함하는 광전류 센서 시스템에 있어서,
    상기 빔 써큘레이터 또는 상기 빔 분배기와 상기 편광기는 서로 광학적으로 접착된 다수의 광학소자로 이루어진 일체형 광학계로 구성하고, 상기 일체형 광학계 내에 상기 위상 변조기가 마련된 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 일체형 광학계는,
    상기 광원으로부터 전송된 빛을 선편광시키는 선형편광기, 및
    선편광된 광을 편광유지 광섬유의 광축에 대해 45도로 입사시키는 45도 편광기를 더 포함하고,
    상기 위상 변조기는, 상기 빔 분배기 또는 상기 빔 써큘레이터에 연결된 편광 분배기와 상기 편광 분배기에서 분리된 패스트 편광을 선형 편광기를 거쳐 빔 결합기 또는 빔 분배기로 반사시키는 제1 미러(mirror) 사이에 배치되고,
    상기 편광 분배기에서 분리된 슬로우 편광은 이분 파장판과 선형 편광기를 거쳐 제2 미러에서 상기 빔 결합기 또는 상기 빔 분배기로 반사되는 일체형 광학계 기반의 광전류 센서 시스템.
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