KR100335244B1 - An apparatus and a method for the measurement of phase fluctuation of optical fiber - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유에 특정 교류 물리량이 인가되는 경우 광섬유에서 발생되는 광의 위상 변화를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 종래의 기술에서 광섬유에 인가되는 물리량에 따라 발생되는 광의 위상 변화를 측정하는 방법으로서는 'Mach-Zehnder 간섭계'를 사용하는 방법으로 한쪽 경로에 교류 물리량을 광섬유에 가하고 다른쪽 경로를 기준 형태로 사용하는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 시스템의 민감도 향상을 위해서는 능동적인 피드백에 의한 양팔의 경로를 항시 갖게 해야할 필요성이 있는 불편한 점이 있다. 본 발명에서는 광섬유(51)의 일 단에 변환부(48)를 설치하여 인가되는 교류 물리량에 따라 광섬유에서 광이 위상 변화를 일으키도록 해서 이를 주파수 스펙트럼 분석해서 광의 위상 변화를 측정하도록 한다. 따라서, 광섬유(51)의 위상 변화를 간단하고 정확하게 측정할 수 있는 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring a phase change of light generated in an optical fiber when a specific alternating current physical quantity is applied to the optical fiber. In the conventional technology, a method of measuring the phase change of light generated according to the physical quantity applied to an optical fiber is a method using a 'Mach-Zehnder interferometer', in which an AC physical quantity is applied to one optical fiber and the other path is used as a reference form. Way. However, this method is inconvenient in that it is necessary to always have the path of both arms by active feedback to improve the sensitivity of the system. In the present invention, the conversion unit 48 is installed at one end of the optical fiber 51 to cause the phase change of the light in the optical fiber according to the applied AC physical quantity so as to measure the phase change of the light by frequency spectrum analysis. Therefore, the phase change of the optical fiber 51 can be measured simply and accurately.
Description
본 발명은 광섬유(optical fiber)의 위상 변화 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 광섬유에 특정 교류 물리량이 인가되는 경우 광섬유에서 발생되는 광의 위상 변화를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring a phase change of an optical fiber, and more particularly, to an apparatus and a method for measuring a phase change of light generated in an optical fiber when a specific AC physical quantity is applied to the optical fiber.
종래의 기술에서 광섬유에 인가되는 물리량에 따라 발생되는 광의 위상 변화를 측정하는 방법으로서는 'Mach-Zehnder 간섭계'를 사용하는 방법으로 한쪽 경로에 교류 물리량을 광섬유에 가하고 다른쪽 경로를 기준 형태로 사용하는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 시스템의 민감도 향상을 위해서는 능동적인 피드백에 의한 양팔의 경로를 항시 갖게 해야할 필요성이 있는 불편한 점이 있다.In the conventional technology, a method of measuring the phase change of light generated according to the physical quantity applied to an optical fiber is a method using a 'Mach-Zehnder interferometer', in which an AC physical quantity is applied to one optical fiber and the other path is used as a reference form. Way. However, this method is inconvenient in that it is necessary to always have the path of both arms by active feedback to improve the sensitivity of the system.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 결점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 광섬유의 일 단에 변환부(transducer)를 설치하여 인가되는 교류 물리량에 따라 광섬유에서 광이 위상 변화를 일으키도록 해서 이를 주파수 스펙트럼 분석해서 광의 위상 변화를 측정하도록하는 광섬유의 위상 변화 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the drawbacks of the prior art, by installing a transducer at one end of the optical fiber to cause the phase change in the optical fiber according to the applied AC physical quantity to analyze the frequency spectrum It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for measuring a phase change of an optical fiber to measure a phase change of light.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광섬유의 위상 변화 측정 장치에 있어서: 검출 광원을 제공하는 검출 광원 발생부; 후단의 두 단이 상기 광섬유의 두 단에 각각 연결되어 고리(loop)를 형성하고 상기 검출 광원 발생부로부터 제공되는 검출 광원을 전단의 일 단으로 받아 반으로 나누어 상기 광섬유의 두 단으로 각각 제공하여 상기 나누어진 두 광이 상기 광섬유를 시계 방향과 반시계 방향으로 각각 진행하도록하는 방향성 결합기; 상기 광섬유의 일 단에 설치되어, 상기 방향성 결합기에서 제공되는 검출광을 위상 변조시켜서 상기 광섬유의 타 단 쪽으로 제공하는 위상 변조부; 상기 광섬유의 일 단에 설치되어, 인가되는 교류 물리량의 크기에 대응하는 위상에 따라 상기 위상 변조부로부터 제공되는 위상 변조된 검출광이 위상 변화를 일으키도록 하는 변환부; 상기 반으로 나뉜 검출 광원이 상기 광섬유를 시계 방향과 반시계 방향으로 각각 진행해서 상기 방향성 결합기에서 만나는 경우의 두 광이 각각 경험한 위상 변화의 차이에 대응하는 광을 상기 방향성 결합기의 전단의 타 단으로부터 제공받아 주파수 스펙트럼을 분석해서 상기 교류 물리량에 대응하는 주파수에 따른 위상 변화 차이를 측정하도록하는 RF(radio frequency) 스펙트럼 분석부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a device for measuring a phase change of an optical fiber, comprising: a detection light source generator for providing a detection light source; Two ends of the rear end are connected to each of the two ends of the optical fiber to form a loop, and the detection light source provided from the detection light source generator is received as one end of the front end and divided into two and provided to the two ends of the optical fiber, respectively. A directional coupler for causing the two divided lights to propagate the optical fiber clockwise and counterclockwise, respectively; A phase modulator installed at one end of the optical fiber and configured to phase modulate the detection light provided from the directional coupler and provide it to the other end of the optical fiber; A conversion unit installed at one end of the optical fiber to cause a phase-modulated detection light provided from the phase modulation unit to generate a phase change according to a phase corresponding to the magnitude of an applied AC physical quantity; The other half of the front end of the directional coupler receives the light corresponding to the difference in the phase change experienced by the two lights when the detection light source divided by the half advances the optical fiber in the clockwise direction and the counterclockwise direction and meets the directional coupler. And a radio frequency (RF) spectrum analyzer configured to analyze a frequency spectrum and measure a phase change difference according to a frequency corresponding to the AC physical quantity.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유의 위상 변화 측정 장치의 일 실시예를 나타낸 개략도.1 is a schematic diagram showing an embodiment of an apparatus for measuring a phase change of an optical fiber according to the present invention;
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 검출 광원 발생부 11 : 광대역 광원10 detection light source generator 11 broadband light source
21 : 아이솔레이터 31 : 방향성 결합기21 isolator 31 directional coupler
40 : 위상 변조부 41 : 위상 변조기40: phase modulator 41: phase modulator
45 : 함수 발생기 48 : 변환부45: function generator 48: converter
51 : 광섬유 76 : 광 검출기51: optical fiber 76: photo detector
77 : RF 스펙트럼 분석기 80 : RF 스펙트럼 분석부77: RF spectrum analyzer 80: RF spectrum analyzer
이하, 이와 같은 본 발명의 실시예를 다음과 같은 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the following drawings.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유의 위상 변화 측정 장치의 일 실시예를 나타낸 개략도로, 검출 광원 발생부(10), 방향성 결합기(31), 위상 변조부(40), 변환부(48), 광섬유(51), 및 RF 스펙트럼 분석부(80)로 구성된다.1 is a schematic view showing an embodiment of an apparatus for measuring a phase change of an optical fiber according to the present invention, including a detection light source generator 10, a directional coupler 31, a phase modulator 40, a converter 48, and an optical fiber. 51, and the RF spectrum analyzer 80.
동 도면에 있어서, 검출 광원 발생부(10) 내의 광대역 광원(11)으로 어븀 첨가 광섬유의 ASE(Amplified Spontaneous Emission)를 이용하거나 SLD(Super Luminescent Diode)를 사용할 수 있다. 이 검출 광원의 특징은 사그냑(Sagnac) 간섭계에 대해 전문 지식이 있는 사람들에게는 보편적으로 알려진 고출력 및 넓은 파장선폭을 들 수 있다. 간섭계로부터 되돌아오는 빛에 의한 검출광의 변화를 막기 위해 아이솔레이터(isolator)(21)를 광대역 광원(11)의 출력단에 삽입한다. 아이솔레이터(21)를 통한 검출 광원은 50/50, 2×2 광섬유로 이루어지는 방향성 결합기(31)의 전단에 제공되며 방향성 결합기(31)의 반대편 두 단은 광의 위상 변화를 측정하고자 하는 광섬유(51)의 두 단에 각각 연결되어 고리를 형성하게 된다. 상기 사그냑 간섭계란 광학관련분야에서 명확한 의미를 가지고 이미 사용되는 용어이다. 사그냑 간섭계는 여러 가지 방법으로 구현할 수 있으나 여기서는 광섬유로 이루어진 경우에 대해 설명한다. 구조는 매우 간단한데, 일정 길이의 광섬유의 양 끝단을 방향성 결합기 또는 광커플러의 두 출력(입력) 단자에 연결함으로써 구현할 수 있다. 이 사그냑 간섭계의 특징은 양 방향으로 진행하는 두 신호가 동일한 매질을 통과하기 때문에, 같은 양의 위상변화를 경험하는데, 이러한 특성으로 매우 안정된 구조를 이룬다. 일반적으로 방향성 결합기의 파워비가 50/50인 경우 사그냑 간섭계로 입사된 광신호는 이론적으로 손실없이 반사되므로 거울과 같은 역할을 수행한다. 그리서 이를 NOLM(Nonlinear Optical Loop Mirror)이라고 한다. 상기 50/50이란 방향성 결합기 또는 광파워 분리기의 출력 단자별 파워비를 의미한다. 즉, 50/50이란 두 출력 단자에서의 파워가 동일함을 의미한다. 상기 2×2는 입력 단자와 출력 단자의 수를 지칭하며, 이 경우에는 입력 단자 2개, 출력단자 2개로 이루어져 있음을 의미한다.In the same figure, an AMP (Amplified Spontaneous Emission) of an erbium-doped optical fiber may be used as the broadband light source 11 in the detection light source generator 10, or a SLD (Super Luminescent Diode) may be used. The detection light source features high power and wide wavelength ranges that are commonly known to those with expertise in Sagnac interferometers. An isolator 21 is inserted into the output terminal of the broadband light source 11 to prevent the detection light from being changed by the light returned from the interferometer. The detection light source through the isolator 21 is provided at the front end of the directional coupler 31 composed of 50/50, 2 × 2 optical fibers, and the two opposite ends of the directional coupler 31 are optical fibers 51 for measuring the phase change of light. The two ends of each are connected to form a ring. The saggnac interferometer is a term already used in the optical field with a clear meaning. The saggnac interferometer can be implemented in a number of ways, but here we will describe the case of an optical fiber. The structure is very simple, which can be achieved by connecting both ends of a length of fiber to the two output (input) terminals of a directional coupler or optocoupler. The characteristic of this Saggnac interferometer is that the two signals traveling in both directions pass through the same medium, so they experience the same amount of phase change, which is a very stable structure. In general, when the directional coupler has a power ratio of 50/50, the optical signal incident on the saggnac interferometer is theoretically reflected without loss and thus acts as a mirror. This is called a nonlinear optical loop mirror (NOLM). The 50/50 means a power ratio for each output terminal of the directional coupler or the optical power separator. That is, 50/50 means that the power at both output terminals is the same. 2 × 2 refers to the number of input terminals and output terminals, and in this case, means 2 input terminals and 2 output terminals.
한편, 방향성 결합기(31)에서 반반씩 나뉜 두 광은 측정하고자 하는 광섬유(51) 내를 각각 시계 방향과 반시계 방향으로 각각 진행한 후, 다시 방향성 결합기(31)에서 만나 서로 간섭한다. 이때, 두 빛이 경험한 위상 변화의 차이에 해당하는 값에 따라 RF 스펙트럼 분석부(80) 내의 광 검출기(광 다이오드)(76) 쪽으로 빠져 나오는 빛의 양이 결정되게 된다. 사그냑 간섭계의 일 단에 위치한 위상 변조부(40) 내의 위상 변조기(41)는 함수 발생기(function generator)(45)의 변조 신호에 따라 고리를 양방향으로 진행한 두 빛간에 위상차를 임의의 진폭으로 변조시킬 수 있으며 위상 변조기(41)에 의한 위상차를로 나타낸다. 이때,은 변조 진폭을, f1은 변조 주파수를, t는 시간을 의미한다.On the other hand, the two light split in half in the directional coupler 31 proceeds clockwise and counterclockwise, respectively, in the optical fiber 51 to be measured, and then meet again in the directional coupler 31 to interfere with each other. At this time, the amount of light exiting toward the photodetector (photodiode) 76 in the RF spectrum analyzer 80 is determined according to the value corresponding to the difference in phase change experienced by the two lights. The phase modulator 41 in the phase modulator 40 located at one end of the Saggnac interferometer has a phase difference between the two lights traveling in the bidirectional direction according to the modulation signal of the function generator 45 at an arbitrary amplitude. Modulate the phase difference by the phase modulator 41 Represented by At this time, Is the modulation amplitude, f 1 is the modulation frequency, and t is time.
변환부(48)는 인가되는 교류 물리량에 대응하는 주파수 f2에 따라 위상 변조기(41)로부터 제공되는 위상 변조된 검출광이 위상 변화를 일으키도록 한다. 이와 같이 인가되는 교류 물리량의 예를 보면, 교류 전압, 교류 자계, 교류 스트레스, 및 교류 스트레인 등등이 있다. 교류 전압의 경우, 광섬유(51)의 일단이 원통 모양의 압전 소자를 휘감고 지나도록 해서 압전 소자에 주파수 f2를 갖는 교류 전압을 인가해서 압전 소자가 팽창하도록하여 광섬유(51)를 통과하는 광의 위상을 변화시킨다. 교류 자계의 경우, 자기 유리 속으로 광섬유(51)가 지나도록 고정하고 자기 유리에 주파수 f2로 자계 변화를 주어 자기 유리 속의 광섬유(51)를 통과하는 광의위상을 변화시킨다.The conversion unit 48 causes the phase-modulated detection light provided from the phase modulator 41 to cause a phase change in accordance with the frequency f 2 corresponding to the applied AC physical quantity. Examples of the AC physical quantity applied in this way include an AC voltage, an AC magnetic field, an AC stress, an AC strain, and the like. In the case of an alternating voltage, one end of the optical fiber 51 is wound around the cylindrical piezoelectric element to apply an alternating current voltage having a frequency f 2 to the piezoelectric element so that the piezoelectric element expands to pass through the optical fiber 51. To change. In the case of an alternating magnetic field, the optical fiber 51 is fixed to the magnetic glass to pass through it, and the magnetic glass is changed at a frequency f 2 to the magnetic glass to change the phase of the light passing through the optical fiber 51 in the magnetic glass.
변환부(48)가 일으키도록 하는 위상 변환에 대응하는 위상는 αPcos2πf2t로 표현된다. 여기서, P는 교류 물리량의 크기, α는 비례 상수이다.Phase corresponding to phase shift to cause conversion section 48 to occur Is represented by αPcos2πf 2 t. Where P is the magnitude of the alternating physical quantity and α is the proportional constant.
변환부(48)는 간섭계의 한쪽 끝에 위치하므로 시계 방향 및 반시계 방향의 검출광 간의 위상차는 αP[cos2πf2(t-(τ/2))-cos2πf2(t+(τ/2))]Since the conversion unit 48 is located at one end of the interferometer, the phase difference between the clockwise and counterclockwise detection light Is αP [cos2πf 2 (t- (τ / 2))-cos2πf 2 (t + (τ / 2))]
=2αPsin2πf2τcos2πf2t로 표현된다.= 2αPsin2πf 2 τcos2πf 2 t.
비선형 위상차의 진폭 2αPsin2πf2τ를로 표시한다.The amplitude of the nonlinear phase difference 2αPsin2πf 2 τ To be displayed.
을 구하고 α, f2τ는 아는 값이므로 P를 구할 수 있다. Since α and f 2 τ are known values, P can be obtained.
위상 변조기(41)에 의한 위상 변조와 변환부(48)에 의한 위상 변조에 의해 사그냑 간섭계의 출력 I(t)는가 된다.Phase Modulation by Phase Modulator 41 And phase modulation by the transform unit 48 The output I (t) of the saggnac interferometer is Becomes
이 신호를 RF 스펙트럼 분석기(77)에서 분석하여 2f1과 f1+f2신호의 크기를 추정하여 그 비율을 구하면,The signal is analyzed by the RF spectrum analyzer 77 to estimate the magnitudes of the 2f 1 and f 1 + f 2 signals and obtain the ratios.
로 주어지므로을 알고 있으면을 알 수 있다.Is given by If you know It can be seen.
일반적으로은 1.84 라디안(radian)으로 하는 것이 좋다. 상기 수학식에서 비선형 위상이 매우 작은 값이기 때문에, 1차 베셀함수 J1가 최대가 되어야만 측정값이 커지고 측정의 정확도가 높아지므로 1차 베셀함수의 첫번째 최대값이 있는 1.84 라디안을 제안한다.Generally Should be 1.84 radians. Nonlinear Phase in Equation Since this is a very small value, the first Bessel function J 1 must be the maximum to increase the measured value and the accuracy of the measurement. Therefore, 1.84 radians with the first maximum value of the first Bessel function are proposed.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 광섬유(51)의 일 단에 변환부(48)를 설치하여 인가되는 교류 물리량에 따라 광섬유에서 광이 위상 변화를 일으키도록 해서 이를 주파수 스펙트럼 분석해서 광의 위상 변화를 측정하도록 한다. 따라서, 광섬유(51)의 위상 변화를 간단하고 정확하게 측정할 수 있다.As described above, in the present invention, the conversion unit 48 is installed at one end of the optical fiber 51 so that the light causes a phase change in the optical fiber according to an alternating current physical quantity applied to the optical fiber, thereby analyzing the frequency spectrum of the light to change the phase change of the light. Measure it. Therefore, the phase change of the optical fiber 51 can be measured simply and accurately.
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