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KR20170086264A - Twdm 기반 물리량 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Twdm 기반 물리량 측정 장치 및 방법 Download PDF

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KR20170086264A
KR20170086264A KR1020160005885A KR20160005885A KR20170086264A KR 20170086264 A KR20170086264 A KR 20170086264A KR 1020160005885 A KR1020160005885 A KR 1020160005885A KR 20160005885 A KR20160005885 A KR 20160005885A KR 20170086264 A KR20170086264 A KR 20170086264A
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KR
South Korea
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wavelength
light
changed
incident light
input light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020160005885A
Other languages
English (en)
Inventor
박형준
강현서
김거식
김영선
김정은
류지형
허영순
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to KR1020160005885A priority Critical patent/KR20170086264A/ko
Priority to US15/408,260 priority patent/US20170205254A1/en
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Abstract

물리량 측정 장치 및 방법이 개시된다. 물리량 측정 장치는 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하여 입력광을 생성하는 입력광 생성부, 전기적 변화를 통해 상기 입력광의 파장을 변경하는 필터 및 상기 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 입사광을 방출하는 광증폭기를 포함할 수 있다.

Description

TWDM 기반 물리량 측정 장치 및 방법{APARATUS AND METHOD FOR MEASURING PHYSICAL QUANTITIY BASED ON TIME AND WAVELEGNTH DIVISION MULTIPLEXING}
아래의 실시예들은 물리량 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광섬유 격자를 통해 물리량을 측정할 수 있는 물리량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
물리량 측정의 정밀도 향상과 함께 물리량 측정 장치를 단순하고 저렴하게 구현하는 것은 중요하다. 물리량 측정 장치를 저렴하게 구현하기 위한 기술 중 하나로 광섬유 격자로 센서를 구성하는 기술이 있다. 광섬유 격자는 온도 센서, 스트레인 게이지나 가속도계 등에 비해 정밀할 뿐 아니라, 노이즈에 덜 영향 받는 특정을 가지고 있다. 또한, 집적화가 용이하여 준분배형 격자 배열로 구성하기가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 즉, 하나의 광섬유 라인에 여러 개의 광섬유 격자를 형성할 수 있으며, 이를 통하여 단순하고 효율적인 물리량 측정 장치를 구현할 수 있다.
본 발명은 파장 가변 필터와 광 증폭기를 하나의 패키징에 직접화 함으로써 구조가 간단하고 저가이며 대량 생산에 적합한 광원을 구성하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 파장 가변 필터의 트리거 신호를 주기적으로 변경함으로써 시간-파장 분할 다중화를 동시에 구현할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.
일실시예에 따른 입사광 생성 장치는 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하여 입력광을 생성하는 입력광 생성부; 전기적 변화를 통해 상기 입력광의 파장을 변경하는 필터; 및 상기 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 입사광을 방출하는 광증폭기를 포함할 수 있다.
상기 입력광 생성부는, 상기 일정한 주기마다 상기 구동 신호의 세기를 변경함으로써 상기 입력광의 중심 파장을 변경할 수 있다.
상기 필터는, 상기 전기적 변화를 통해 상기 필터의 굴절률을 변경하고, 상기 변경된 굴절률을 통해 상기 입력광의 파장을 변경할 수 있다.
상기 입사광 생성 장치는 상기 파장이 변경된 입력광을 집적하여 상기 광증폭기로 전달하는 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 입사광 생성 장치는 상기 필터에 인접하고 상기 필터의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각기를 더 포함할 수 있다.
물리량 측정 장치는 일정한 주기로 중심 파장이 변경되고 상기 각 주기 내에서 전기적 변화를 통해 파장이 변경되는 입사광을 방출하는 광원부; 상기 입사광 중에서 특정 파장을 가지는 입사광을 반사하는 센서; 상기 반사된 입사광을 전기적 신호로 변환하는 신호변환부; 및 상기 전기적 신호로부터 물리량을 측정하는 데이터처리부를 포함할 수 있다.
상기 광원부는, 상기 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하는 입력광 생성부; 상기 전기적 변화를 통해 상기 입력광의 파장을 변경하는 필터; 및 상기 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 상기 입사광을 방출하는 광증폭기를 포함하고, 상기 입력광의 파장이 변경됨으로써 상기 입사광의 파장이 변경될 수 있다.
상기 입력광 생성부는, 상기 일정한 주기마다 상기 구동 신호의 세기를 변경하여 상기 입력광의 중심 파장을 변경함으로써 상기 입사광의 중심 파장을 변경할 수 있다.
상기 센서는, 상기 입사광 중에서 격자 조건을 만족하는 파장을 가지는 입사광을 반사하는 광섬유 격자를 포함할 수 있다.
상기 데이터 처리부는 상기 주기를 이용하여 상기 전기적 신호를 동기화함으로써 물리량을 측정할 수 있다.
상기 물리량 측정 장치는 상기 중심 파장의 오차를 보정하는 보정부를 더 포함할 수 있다.
상기 물리량 측정 장치는 상기 광원부로부터 수신된 상기 입사광의 방향을 상기 필터로 변경하고, 상기 필터로부터 수신된 상기 반사된 입사광의 방향을 상기 신호변환부로 변경하는 광 서큘레이터를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 입사광 생성 방법은 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하여 입력광을 생성하는 단계; 전기적 변화를 통해 상기 입력광의 파장을 변경하는 단계; 및 상기 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 입사광을 방출하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 물리량 측정 방법은 일정한 주기로 중심 파장이 변경되고 상기 각 주기 내에서 전기적 변화를 통해 파장이 변경되는 입사광을 방출하는 단계; 상기 입사광 중에서 특정 파장을 가지는 입사광을 반사하는 단계; 상기 반사된 입사광을 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 전기적 신호로부터 물리량을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 파장 가변 필터와 광 증폭기를 하나의 패키징에 직접화 함으로써 구조가 간단하고 저가이며 대량 생산에 적합한 광원을 제공할 수 있다.
일실시예에 따르면, 파장 가변 필터의 트리거 신호를 주기적으로 변경함으로써 시간-파장 분할 다중화를 동시에 구현할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 TWDM 기반 물리량 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 TWDM 기반 물리량 측정 장치 중 광원부의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 트리거 신호에 따라 필터를 투과한 광의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 4는 일실시예에 따른 시간에 따라 중심 파장의 위치가 변화된 광의 스펙트럼에 대응하는 광섬유 격자로부터 반사된 광의 중심 파장 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 TWDM 기반 물리량 측정 방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 일실시예에 따른 TWDM 기반 입사광 생성 방법을 도시한 순서도이다.
아래의 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 특허출원의 범위가 본 명세서에 설명된 내용에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 설명한 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 그 실시예와 관련하여 설명되는 특정한 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미하며, "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급이 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것이라고 이해되어서는 안된다.
본 명세서에 개시되어 있는 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 명세서에 개시되어 있는 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본원의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 설명될 실시예들은 동영상 안에 포함된 객체의 움직임을 식별하고 그 유형을 결정하는데 적용될 수 있다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일실시예에 따른 TWDM 기반 물리량 측정 장치를 도시한 도면이다.
일실시예에 따르면, 물리량 측정 장치(100)는 광원부(110), 광 서큘레이터(120), 센서(130), 신호변환부(140) 및 데이터처리부(150)를 포함할 수 있다. 물리량 측정 장치(100)는 광원부(110)부로부터 시간-파장 분할 다중화(TWDM)에 기반한 입사광을 생성하여 광 서큘레이터(120)로 방출하고, 광 서큘레이터(120)는 입사광의 방향을 변경하여 센서(130)로 전달하고, 센서(130)는 입사광에 측정하고자 하는 물리량이 반영된 반사광을 광 서큘레이터(120)로 전달하고, 광 서큘레이터(120)는 반사광의 방향을 변경하여 신호변환부(140)로 전달하고, 신호변환부(140)는 반사광을 전기적 신호로 변환하고, 데이터처리부(150)는 전기적 신호로부터 물리량을 검출하여 물리량을 측정할 수 있다. 광원부에 의해 방출되는 광은 입사광이라고 지칭될 수 있다.
일실시예에 따르면, 광원부(110)는 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하여 생성된 입력광의 파장을 변경한 후, 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 입사광을 생성하고 이를 방출할 수 있다. 이하 구동 신호는 트리거(trigger) 신호로 지칭될 수 있다. 또한, 광원부(110)는 광원으로 지칭될 수 있다. 입력광은 광원부(110) 내부에서 처리되는 광을 의미하는데 반해, 입사광은 광원부의 출력에 대응된다는 점에서 차이가 있다. 구동 신호는 파장 검출 동기 신호(160)라고 지칭될 수 있다.
한편, 센서(130)는 분배형 센서를 포함할 수 있다. 분배형 센서란 다수의 광섬유 격자를 사용하는 센서를 의미한다. 분배형 센서를 사용하기 위해 일반적으로 광섬유 격자 배열을 쉽게 복조할 수 있는 파장 분할 다중화 기술(WDM: Wavelength Division Multiplexing)이 사용된다. WDM 기술에서 허용 가능한 광섬유 격자의 최대수는 입력광의 스펙트럼 대역폭과 광섬유 격자 센서의 동적 파장범위에 의해 결정된다. WDM 기술은 격자간 지연시간과 상관 없이 TDM 기술에 비하여 신호 처리 시간이 더 적게 소요될 수 있다. 이하, 광섬유 격자는 광섬유 격자 센서로 지칭될 수 있다.
파장분할 다중화와 달리 시간 분할 다중화 기술(TDM: Time Division Multiplexing)은 입력광을 펄스 형태로 변조한 입사광을 분배형 센서에 보내고 분배형 센서에 포함된 광섬유 격자로부터 반사되는 신호를 측정하는 방법이다. 각 광섬유 격자로부터 반사되어 검출되는 반사광 간의 지연시간을 이용하여 물리량이 측정될 수 있다.
TDM 기술은 입사광의 스펙트럼 대역폭에 제한 받지 않고 동일한 브래그 파장을 갖는 광섬유 격자를 사용할 수 있어 다수의 광섬유 격자를 광섬유 격자 배열로서 광섬유 내에 다중화 할 수 있다. 예를 들어, TDM 기술은 광섬유 내에 100개 이상의 광섬유 격자를 광섬유 격자 배열로서 다중화할 수 있다. 다만, TDM 기술은 격자간 지연시간의 제약으로 WDM에 비하여 신호 처리 시간이 더 많이 소요될 수 있다.
일실시예에 따른 광원부(110)는 광섬유 격자로부터 반사된 반사광의 파장을 검출하기 위한 광원을 구현하기 위한 것이다. 광원부(110)는 필터(210)와 광 증폭기를 하나의 패키징에 직접화 함으로써 구조가 간단하고 저가이며 대량 생산에 적합한 광원을 제공할 수 있다. 또한, 광원부(110)는 필터(210)의 트리거 신호를 주기적으로 변경함으로써 시간-파장 분할 다중화(TWDM)를 동시에 구현할 수 있다. TWDM 기반 입사광을 이용하여 센서(130)에 포함된 광섬유 격자 센서로부터 반사된 반사광을 분석하여, 물리량 측정 장치(100)는 온도, 스트레인과 같은 저속의 물리량뿐만 아니라, 전압, 진동과 같은 고속의 물리량을 포함한 다양한 물리량을 측정할 수 있다. 결론적으로, TWDM 기반 광원을 이용하여 저가형 광섬유 기반 준분배형 센서 장치가 제공될 수 있다.
일실시예에 따르면, 광 서큘레이터(120)는 입사광의 경로를 변경할 수 있다. 구체적으로, 광 서큘레이터(120)는 광원부(110)로부터 수신된 입사광의 방향을 센서(130)로 변경하고, 센서(130)로부터 수신된 반사광의 방향을 신호변환부(140)로 변경할 수 있다. 여기서 반사광은 필터(210)로부터 수신된 반사된 입사광을 지칭할 수 있다.
예를 들어, 광 서큘레이터(120)는 한 단자에 입력되어 바로 옆 단자로 신호를 출력시켜주는 원형구조의 수동 비가역 장치(passive non-reciprocal device)를 포함할 수 있다. 원형구조의 수동 비가역 장치는 1, 2, 3의 세 포트가 원형으로 배치되어있는 구조(3-port 수동소자)일 수 있다. 여기서, 각 포트는 포트 번호 1->2, 2->3, 3->1로 순방향 결합은 가능하지만, 1->3, 3->2, 2->1로의 역방향 결합은 금지된 것일 수 있다.
일실시예에 따르면, 센서(130)는 입사광 중에서 특정 파장을 가지는 입사광을 반사할 수 있다. 구체적으로, 센서(130)는 광섬유 격자를 포함할 수 있고, 광섬유 격자의 격자 조건을 만족하는 파장을 반사할 수 있다. 여기서 격자 조건을 만족하는 복수의 파장은 공진하므로 공진 파장이라고 지칭될 수 있고, 광섬유 격자로부터 반사되므로 반사광이라고 지칭될 수 있다.
광섬유 격자는 기존의 온도 센서, 스트레인 게이지나 가속도계 등에 비하여 정밀하고, 우수한 노이즈 특성을 가지며, 준분배형 격자 배열로 구성하기가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 즉, 하나의 광섬유 라인에 여러 개의 광섬유 격자가 연결되어 격자 배열이 구성될 수 있으며, 결과적으로 단순하고 효율적인 센서의 구성이 가능하다. 실제로 한 가닥의 광섬유에 수백 개의 광섬유 격자가 새겨질 수 있다. 광섬유 격자는 몇 mm 이내로 가까이 둘 수도 있고 몇 km씩 떨어져 있게 제조될 수 있다. 광섬유 격자의 미세구조(microstructure)들을 적절히 패키지화되어 온도나 스트레인은 물론, 압력, 가속도, 변위 등의 파라미터에도 민감도를 가지도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 센서(130)는 광섬유 브래그 격자(FBG, Fiber Bragg grating)를 포함할 수 있다. 광섬유 브래그 격자는 일반적으로 길이가 밀리미터 단위에 불과한 미세구조일 수 있다. 이러한 미세구조의 표준 단일 모드의 광섬유에 빔이 조사되어 광섬유의 코어에 격자가 새겨질 수 있다. 구체적으로, 광섬유 위에 위상 마스크가 배치되고, UV 레이저 빔이 횡방향으로 조사됨으로써 광섬유 코어에 간접 패턴, 즉 격자 배열이 광섬유를 따라 형성될 수 있다. 광섬유 코어의 굴절률 변화에 따른 공간-주기 변조(spatial periodic modulation)를 응용하여 광섬유가 공명 구조로 변경될 수 있다. 이를 통하여 실리카 매트릭스에 영구적인 물성 변화가 발생할 수 있다.
공명 구조가 된 광섬유 브래그 격자는 파장 선택 미러(wavelength selective mirror)가 될 수 있다. 다시 말하면, 광섬유 브래그 격자는 특정 파장을 반사할 수 있다. 여기서 특정 파장이란 브래그 격자 조건을 만족하는 파장을 의미할 수 있다. 다른 관점에서 본다면, 광섬유 브래그 격자는 특정 파장만을 통과시키는 협대역 필터(narrow band filter)의 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 광대역의 입력광이 광섬유 브래그 격자로 조사되는 경우, 협대역인 브래그 대역에 포함되는 파장을 가지는 입력광은 반사되고, 나머지 파장을 가지는 입력광은 다음의 광섬유 브래그 격자까지 광손실 없이 광섬유를 따라 진행할 수 있다. 또한, 광섬유 브래그 격자는 대칭 구조이므로, 조사되는 방향과 상관 없이 브래그 대역의 입력광은 광섬유 브래그 격자에 의해 반사될 수 있다.
광섬유 브래그 격자의 미세구조의 주기는 광섬유에 가해지는 물리량의 변화에 의해 변화될 수 있다. 브래그 대역은 미세구조의 주기와 코어의 굴절률에 의해 결정될 수 있으므로, 물리량의 변화에 의해 브래그 대역을 만족하는 입력광의 선택이 달라질 수 있다. 즉, 물리량의 변화에 의해 반사광의 파장이 변경될 수 있다. 데이터처리부(150)는 반사광의 파장의 변화를 통해 물리량의 변화를 측정할 수 있다.
예를 들어, 광섬유 브래그 격자는 온도에 민감한 특성을 가진다. 온도의 변화에 따라 미세구조가 열팽창하면 미세구조의 주기에 변동이 발생하여 반사광의 파장 변화가 초래될 수 있다. 따라서 데이터처리부(150)는 반사광의 파장의 변화를 통해 온도의 변화를 측정할 수 있다. 또한, 광섬유에 가해지는 스트레인의 강도가 변경되면 미세구조의 주기가 변화되므로, 데이터처리부(150)는 반사광의 파장의 변화를 통해 스트레인의 변화를 측정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 신호변환부(140)는 반사광을 광 신호에서 전기 신호로 변환할 수 있다. 구체적으로, 광 서큘레이터(120)는 센서(130)로부터 수신된 반사광의 방향을 신호변환부(140)로 변경할 수 있고, 신호변환부(140)는 반사광을 수신할 수 있다. 신호변환부(140)는 광검출기와 노이즈 필터를 통해, 반사광을 전기 신호로 변환할 수 있다.
예를 들어, 광 검출기는 포토 다이오드일 수 있으며, 포토 다이오드는 반사광을 검출하여 이에 대응하는 전류를 발생시켜 전기 신호로 변환할 수 있다. 이 과정에서 회로나 전선에서 발생하는 노이즈 성분이 노이즈 필터를 통해 제거될 수 있다.
일실시예에 따르면, 데이터처리부(150)는 변환된 전기 신호로부터 데이터를 추출하고 분석하여 사용자에게 측정된 물리량을 제공할 수 있다. 데이터처리부(150)는 아날로그 형태의 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 신호 변환부와 디지털 신호로부터 물리량을 도출하는 물리량 측정부를 포함할 수 있다.
디지털 신호 변환부는 물리량 측정부와 신호변환부(140) 사이의 인터페이스 역할을 할 수 있다. 다시 말하면, 디지털 신호 변환부는 전기 신호를 물리량 측정부가 해독할 수 있도록 디지털 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 디지털 신호 변환부는 신호 컨디셔닝 회로, 아날로그-디지털 변환기 (ADC), 컴퓨터 버스를 포함할 수 있다. 또한, 디지털 신호 변환부는 측정 장치와 프로세스를 자동화하기 위한 함수도 포함될 수 있다. 예를 들어, 디지털-아날로그 변환기 (DAC)는 아날로그 신호와 디지털 I/O 라인 입출력 디지털 신호를 출력하고, 카운터/타이머는 디지털 펄스를 카운팅하고 생성할 수 있다. 예를 들어, 디지털 신호 변환부는 DAQ 보드를 포함할 수 있다.
또한 도시되지 않았으나, 물리량 측정 장치(100)는 파장이 변하는 입사광의 중심 파장의 오차를 보상하는 보정부를 포함할 수 있다. 보정부는 예를 들어 레퍼런스 광섬유 격자나, Wavelength Locker와 같은 광학소자를 포함할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 TWDM 기반 물리량 측정 장치 중 광원부의 구조를 도시한 도면이다.
일실시예에 따르면, 광원부(110)는 입력광 생성부, 필터(210), 광증폭기(220), 렌즈(230) 및 냉각기(240)를 포함할 수 있다. 입력광 생성부는 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하여 생성된 입력광을 필터(210)로 전달하고, 필터(210)는 입력광의 파장을 변경하여 렌즈(230)로 전달하고, 렌즈(230)는 파장이 변경된 입력광을 집적하여 광증폭기(220)로 전달하고, 광증폭기(220)는 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 광 서큘레이터(120)로 입사광을 방출할 수 있다.
일실시예에 따르면, 입력광 생성부는 일정한 주기로 구동신호의 세기를 변경하여 입력광을 생성하고 이를 필터(210)에 전달할 수 있다. 일정한 주기로 구동 신호의 세기가 변경됨으로써 필터(210)에 입사되는 입력광의 중심 파장은 일정한 간격으로 이동할 수 있다. 따라서, 구동 신호의 세기의 주기적인 변화와 함께 파장 가변 필터(210)에 인가되는 전기적 변화를 통하여 시간-파장 분할 다중화에 기반한 광원이 형성될 수 있다.
일실시예에 따르면, 필터(210)는 파장 가변 필터를 포함할 수 있다. 파장 가변 필터는 필터로 입사되는 광의 파장을 변경하는 필터를 의미할 수 있다. 파장 가변 필터는 액정(Liquid crystal, LC) 파장 가변 필터를 포함할 수 있다. 액정 파장 가변 필터는 액정 파장 가변 필터에 인가되는 전기적 변화를 통해 액정의 굴절률을 변경할 수 있고, 변경된 굴절률에 따라 액정은 액정 파장 가변 필터에 입사되는 광의 파장을 변경할 수 있다.
일실시예에 따르면, 광증폭기(220)는 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭할 수 있다. 광증폭기는 반사를 통해 광을 증폭할 수 있다. 예를 들어, 광증폭기는 RSOA (Reflective Semiconductor Optical Amplifeir)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 렌즈(230)는 파장이 변경된 입력광을 집적하여 광증폭기(220)로 전달할 수 있다. 일실시예에 따르면, 냉각기(240)는 온도 변화에 따른 필터(210)의 변화를 완화할 수 있다. 구체적으로, 액정 파장 가변 필터는 온도 변화에 따라 액정의 굴절률이 변화되는 특성을 가지기 때문에, 냉각기(240)는 액정 가변 필터의 온도를 일정 범위 내로 유지할 수 있다. 냉각기(240)는 열 펌프(Heat pump)를 포함할 수 있다. 즉, 냉각기(240)는 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 줄 수 있다. 예를 들어, 냉각기(240)는 TEC(ThermoElectric Cooler)를 포함할 수 있다. 여기서, TEC는 열전소자 원리 열전 모듈, Peltier Module, TEM(Thermoe Electric Module)로 지칭될 수 있다.
일실시예에 따르면, 광원부(110)의 각 구성요소는 특정 패키지 안에 집적될 수 있다. 예를 들어, 광원부(110)의 각 구성요소는 TO-can 패키지 내에 집적될 수 있다. TO-can 패키지의 방열 특성을 고려하여, 액정 파장 가변 필터의 온도 의존성을 낮추기 위하여 필터(210)를 포함하는 광원부(110)의 각 구성요소는 도 2에 도시된 바와 같이 TO-can 패키지의 헤더 부분에 집적될 수 있다. 도 2의 TO-can 패키지의 우측 막대 구성은 기판에 TO-can 패키지를 고정하는 리드핀 역할을 할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 트리거 신호에 따라 필터를 투과한 광의 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3에서 사인파 형태의 그래프는 필터(210)를 투과한 입력광의 시간에 따른 세기를 나타낸 것이며, 계단 형태의 그래프는 필터(210)에 인가되는 구동 신호의 시간에 따른 전압을 나타낸 그래프이다.
구동 신호는 일정 주기 마다 일정한 크기의 전압만큼 상승할 수 있다. 상승된 전압에 따라 필터(210)의 액정의 굴절률은 일정 크기만큼 변화될 수 있다. 변화된 굴절률에 따라 필터(210)를 통과한 입력광의 중심 파장은 일정 간격만큼 이동할 수 있다. 여기서 시간 분할 다중화가 이루어지며, 시간 분할의 기준은 구동 신호의 상승 시간이 될 수 있다.
필터(210)를 투과한 입력광의 파장 범위는 액정 파장 가변 필터의 경우, 액정의 두께와 액정의 특성에 따라 조절될 수 있으며, 센서(130)에 포함된 광섬유 격자의 파장 범위를 제한한다. 광섬유 브래그 격자의 경우, 파장 범위는 브래그 대역에 대응될 수 있다.
한편, 도 1의 데이터처리부(150)는 신호변환부(140)로부터 수신된 전기적 신호로부터 반사광의 파장 변화를 검출할 수 있다. 반사광의 파장 변화는 센서(130)가 감지한 물리량의 변화를 반영하고 있으므로, 데이터처리부(150)는 반사광의 파장 변화로부터 물리량을 측정할 수 있다. 여기서, 반사광의 파장과 입력광의 파장을 동기화하기 위하여, 광원부(110)의 구동 신호가 사용될 수 있다. 즉, 입력광의 시간 분할 기준이 동기화에 사용될 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 시간에 따라 중심 파장의 위치가 변화된 광의 스펙트럼에 대응하는 광섬유 격자로부터 반사된 광의 중심 파장 변화를 도시한 그래프이다.
도 1의 데이터처리부(150)는 신호변환부(140)로부터 수신된 전기적 신호로부터 반사광의 파장 변화를 검출할 수 있다. 반사광의 파장 변화는 센서(130)가 감지한 물리량의 변화를 반영하고 있으므로, 데이터처리부(150)는 반사광의 파장 변화로부터 물리량을 측정할 수 있다. 구체적으로, 반사광의 파장 변화로부터 반사광의 세기가 검출될 수 있고, 이로부터 물리량이 측정될 수 있다.
광섬유 브래그 격자는 특정 물리량에 민감하도록 형성될 수 있다. 물리량이 변화되는 경우 광섬유 브래그 격자의 미세구조의 주기가 변경될 수 있고, 이에 따라 반사광에 대응되는 브래그 대역이 변경될 수 있다. 따라서 반사광의 파장 변화를 통해 물리량이 측정될 수 있는 것이다.
도 2의 필터(210)를 투과한 입력광의 스펙트럼들은 도 4에서 각각 t0와 t1 시각의 구동 신호에 대응된다. 도 4는 도 1의 센서(130)가 광섬유 브래그 격자를 포함하는 경우를 가정한 것이며, FBG1은 t0 시각에 대응하는 반사광에 대한 스펙트럼이며, FBG2는 t1 시각에 대응하는 반사광에 대한 스펙트럼이다. 그래프의 가로축은 파장을 나타내며, 세로축은 진폭을 나타내므로, 도 4는 필터를 투과한 광 및 반사광의 파장에 따른 진폭의 변화를 나타낸다. 여기서 필터를 투과한 광이란 도 1의 광원부(110) 내에서 필터를 투과한 후의 입력광을 지칭할 수 있다.
도 1의 데이터처리부(150)는 t0 시각에서 FBG1의 파장 변화로부터 반사광의 세기를 검출할 수 있으며, t1 시각에서 FBG2의 파장 변화로부터 반사광의 세기를 검출할 수 있다. 이때, t0와 t1은 광원부(110)의 구동 신호의 임의의 인접한 주기에서의 상승 시각에 대응할 수 있고, 데이터처리부(150)는 구동 신호를 이용하여 반사광의 스펙트럼을 필터를 투과한 입력광에 동기화할 수 있다. 도 4의 검출된 광의 스펙트럼은 검출된 반사광의 세기에 대응될 수 있다.
구체적으로, 도 1의 데이터처리부(150)는 필터를 투과한 입력광의 기울기에서 특정 위치 및 범위에서 존재하는 광섬유 격자센서의 파장의 변화를 광 세기 변화로 변환할 수 있다. 도 1의 광원부(110)에 의해 파장 분할 다분화뿐만 아니라 시간 분할 다분화도 구현되므로, 데이터처리부(150)는 반사광의 파장 변화로부터 온도변화와 같은 저속의 물리량 변화뿐만 아니라, 진동이나 충격량 같은 고속의 물리량 변화도 쉽게 검출할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 TWDM 기반 물리량 측정 방법을 도시한 순서도이다.
단계(510)에서, 도 1의 물리량 측정 장치(100)는 일정한 주기로 중심 파장이 변경되고 각 주기 내에서 전기적 변화를 통해 파장이 변경되는 입사광을 방출할 수 있다. 구체적으로, 물리량 측정 장치(100)는 도 2의 필터(210)의 트리거 신호를 주기적으로 변경함으로써 시간-파장 분할 다중화(TWDM)를 동시에 구현할 수 있다. TWDM 기반 입사광을 이용하여 도 1의 센서(130)에 포함된 광섬유 격자 센서로부터 반사된 반사광을 분석하여, 물리량 측정 장치(100)는 온도, 스트레인과 같은 저속의 물리량뿐만 아니라, 전압, 진동과 같은 고속의 물리량을 포함한 다양한 물리량을 측정할 수 있다.
단계(520)에서, 물리량 측정 장치(100) 입사광 중에서 특정 파장을 가지는 입사광을 반사할 수 있다. 구체적으로, 도 1의 센서(130)는 광섬유 격자를 포함할 수 있고, 광섬유 격자의 격자 조건을 만족하는 파장을 반사할 수 있다. 광섬유 브래그 격자의 미세구조의 주기는 광섬유에 가해지는 물리량의 변화에 의해 변화될 수 있다. 브래그 대역은 미세구조의 주기와 코어의 굴절률에 의해 결정될 수 있으므로, 물리량의 변화에 의해 브래그 대역을 만족하는 입력광의 선택이 달라질 수 있다. 즉, 물리량의 변화에 의해 반사광의 파장이 변경될 수 있다.
단계(530)에서, 물리량 측정 장치(100)는 반사된 입사광을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 즉, 물리량 측정 장치(100)는 도 1의 데이터처리부(150)가 해석할 수 있는 형태인 전기적 신호로 광 신호를 변환하기 위하여 반사광을 광전변환할 수 있다.
단계(540)에서, 물리량 측정 장치(100)는 전기적 신호로부터 물리량을 측정할 수 있다. 구체적으로, 물리량 측정 장치(100)는 전기 신호를 해독하기 위하여 디지털 신호로 변환한 후, 디지털 신호로부터 물리량을 측정할 수 있다. 이때, 물리량 측정 장치(100)는 반사광의 파장 변화로부터 반사광의 세기가 검출할 수 있고, 이로부터 물리량을 측정할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 TWDM 기반 입사광 생성 방법을 도시한 순서도이다.
단계(610)에서 도 1의 광원부(110)는 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하여 입력광을 생성할 수 있다. 구체적으로, 일정한 주기로 구동 신호의 세기가 변경됨으로써 도 2의 필터(210)에 입사되는 입력광의 중심 파장은 일정한 간격으로 이동할 수 있다. 따라서, 구동 신호의 세기의 주기적인 변화와 함께 파장 가변 필터(210)에 인가되는 전기적 변화를 통하여 시간-파장 분할 다중화에 기반한 광원이 형성될 수 있다.
단계(620)에서 광원부(110)는 전기적 변화를 통해 입력광의 파장을 변경할 수 있다. 구체적으로, 광원부(110)는 파장 가변 필터를 포함할 수 있고, 예를 들어 액정(Liquid crystal, LC) 파장 가변 필터를 포함할 수 있다. 액정 파장 가변 필터는 액정 파장 가변 필터에 인가되는 전기적 변화를 통해 액정의 굴절률을 변경할 수 있고, 변경된 굴절률에 따라 액정은 액정 파장 가변 필터에 입사되는 광의 파장을 변경할 수 있다.
단계(630)에서 광원부(110)는 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 입사광을 방출할 수 있다. 구체적으로, 광원부(110)는 반사를 통해 광을 증폭할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 장치, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 물리량 측정 장치
110: 광원부
120: 광 서큘레이터
130: 센서
140: 신호변환부
150: 데이터처리부
160: 파장 검출 동기 신호

Claims (14)

  1. 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하여 입력광을 생성하는 입력광 생성부;
    전기적 변화를 통해 상기 입력광의 파장을 변경하는 필터; 및
    상기 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 입사광을 방출하는 광증폭기
    를 포함하는 입사광 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력광 생성부는,
    상기 일정한 주기마다 상기 구동 신호의 세기를 변경함으로써 상기 입력광의 중심 파장을 변경하는 입사광 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 전기적 변화를 통해 상기 필터의 굴절률을 변경하고, 상기 변경된 굴절률을 통해 상기 입력광의 파장을 변경하는 입사광 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파장이 변경된 입력광을 집적하여 상기 광증폭기로 전달하는 렌즈
    를 더 포함하는 입사광 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 필터에 인접하고 상기 필터의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각기
    를 더 포함하는 입사광 생성 장치.
  6. 일정한 주기로 중심 파장이 변경되고 상기 각 주기 내에서 전기적 변화를 통해 파장이 변경되는 입사광을 방출하는 광원부;
    상기 입사광 중에서 특정 파장을 가지는 입사광을 반사하는 센서;
    상기 반사된 입사광을 전기적 신호로 변환하는 신호변환부; 및
    상기 전기적 신호로부터 물리량을 측정하는 데이터처리부
    를 포함하는 물리량 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광원부는,
    상기 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하는 입력광 생성부;
    상기 전기적 변화를 통해 상기 입력광의 파장을 변경하는 필터; 및
    상기 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 상기 입사광을 방출하는 광증폭기를 포함하고,
    상기 입력광의 파장이 변경됨으로써 상기 입사광의 파장이 변경되는,
    물리량 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입력광 생성부는,
    상기 일정한 주기마다 상기 구동 신호의 세기를 변경하여 상기 입력광의 중심 파장을 변경함으로써 상기 입사광의 중심 파장을 변경하는 물리량 측정 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 입사광 중에서 격자 조건을 만족하는 파장을 가지는 입사광을 반사하는 광섬유 격자를 포함하는 물리량 측정 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는 상기 주기를 이용하여 상기 전기적 신호를 동기화함으로써 물리량을 측정하는 물리량 측정 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 중심 파장의 오차를 보정하는 보정부
    를 더 포함하는 물리량 측정 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 광원부로부터 수신된 상기 입사광의 방향을 상기 필터로 변경하고, 상기 필터로부터 수신된 상기 반사된 입사광의 방향을 상기 신호변환부로 변경하는 광 서큘레이터
    를 더 포함하는 물리량 측정 장치.
  13. 일정한 주기로 구동 신호의 세기를 변경하여 입력광을 생성하는 단계;
    전기적 변화를 통해 상기 입력광의 파장을 변경하는 단계; 및
    상기 파장이 변경된 입력광의 세기를 증폭하여 입사광을 방출하는 단계
    를 포함하는 입사광 생성 방법.
  14. 일정한 주기로 중심 파장이 변경되고 상기 각 주기 내에서 전기적 변화를 통해 파장이 변경되는 입사광을 방출하는 단계;
    상기 입사광 중에서 특정 파장을 가지는 입사광을 반사하는 단계;
    상기 반사된 입사광을 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 전기적 신호로부터 물리량을 측정하는 단계
    를 포함하는 물리량 측정 방법.
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