KR102022315B1 - 광 간섭계 및 그의 동작방법 - Google Patents

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Abstract

광 간섭계 및 그의 동작방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 입력된 광 신호를 복수 개로 분기시키는 커플러와 분기된 광 신호들에 대해 90도 위상 바이어스 차의 광 간섭을 형성하는 90도 인터페로미터(Interferometer)와 상기 90도 위상 바이어스 차의 광 간섭이 형성된 광 신호들을 각각 전기 신호로 검출하는 복수의 검출기와 상기 복수의 검출기 중 어느 하나가 검출한 전기 신호의 위상을 90도 변환하는 위상 변환부 및 상기 위상 변환부에서 위상이 변환된 전기 신호와 상기 위상 변환부에서 위상이 변환되지 않은 전기 신호를 합성하는 신호 합성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계를 제공한다.

Description

광 간섭계 및 그의 동작방법{Optical Interferometer and Method for Operating Thereof}
본 발명은 광 간섭계 및 광 간섭계의 동작방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
광 간섭계는 같은 광원에서 나오는 빛을 적당한 방법으로 둘 또는 그 이상의 광로로 나누고, 그것을 겹쳐서 간섭시켜 그 간섭 무늬를 관측하는 장치이다. 광 간섭계는 파장의 측정, 길이ㆍ거리의 정밀한 비교, 광학적 거리의 비교 등에 이용된다.
종래의 광 간섭계는 위상 바이어스(Phase Bias)에 많은 영향을 받았다. 종래의 광 간섭계는 위상 바이어스가 nπ/2(여기서, n은 홀수)지점에서 최대의 민감도를 가지며, nπ(여기서, n은 정수)지점에서 최소 민감도를 갖는다. 위상 바이어스가 nπ 지점으로 설정될 경우, 신호의 왜곡이나 신호 페이딩(Fading) 현상이 발생하였기 때문에, 종래의 광 간섭계는 위상 바이어스가 nπ 지점으로 설정되는 것을 지양하여야 했다.
그러나 위상 바이어스는 온도, 편광 또는 시스템 내·외부 각종 잡음에 민감하기 때문에, 종래의 광 간섭계에서는 위상 바이어스의 변화에 의해 신호의 왜곡이나 신호 페이딩(Fading) 현상이 자주 발생하였다.
이러한 문제를 방지하고자 다양한 방법들이 고안되었으나, 추가적인 많은 구성을 요하기 때문에 광 간섭계의 부피가 커지는 문제가 존재하거나, 고가의 추가적인 구성을 필요로 하여 광 간섭계의 가격이 상승하는 문제가 있었다.
이에 따라, 신호의 왜곡이나 신호 페이딩 현상을 방지하면서도, 저렴하고 간단하게 구성될 수 있는 광 간섭계에 대한 수요가 증가하고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 간단한 구성으로도 신호의 왜곡을 제거하여 우수한 성능을 가질 수 있도록 하는 광 간섭계 및 그의 동작방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 입력된 광 신호를 복수 개로 분기시키는 커플러와 분기된 광 신호들에 대해 90도 위상 바이어스 차의 광 간섭을 형성하는 90도 인터페로미터(Interferometer)와 상기 90도 위상 바이어스 차의 광 간섭이 형성된 광 신호들을 각각 전기 신호로 검출하는 복수의 검출기와 상기 복수의 검출기 중 어느 하나가 검출한 전기 신호의 위상을 90도 변환하는 위상 변환부 및 상기 위상 변환부에서 위상이 변환된 전기 신호와 상기 위상 변환부에서 위상이 변환되지 않은 전기 신호를 합성하는 신호 합성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 위상 변환부는 힐버트 트랜스포머(Hilbert Transformer)로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 간섭계는 복수의 필터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 필터부는 대역 통과 필터(BPF: Band Pass Filter)로 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 필터부는 각각의 필터부가 각각의 검출기가 검출하는 전기 신호를 입력받는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 필터부는 각각의 검출기가 검출하는 전기 신호 내 DC 성분을 필터링하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 입력된 광 신호를 복수 개로 분기시키는 분기과정과 분기된 광 신호들에 대해 90도 위상 바이어스 차의 광 간섭을 형성하는 간섭과정과 상기 90도 위상 바이어스 차의 광 간섭이 형성된 광 신호들을 각각 전기 신호로 검출하는 검출과정과 상기 검출과정에서 검출된 어느 하나의 전기 신호의 위상을 90도 변환하는 위상 변환과정 및 상기 위상 변환과정에서 위상이 변환된 전기 신호와 상기 위상 변환과정에서 위상이 변환되지 않은 전기 신호를 합성하는 신호 합성과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 동작방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 위상 변환과정은 힐버트 트랜스포머(Hilbert Transformer)에 의해 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 간섭계의 동작방법은 상기 검출과정에서 검출된 각 전기 신호를 필터링하는 필터링과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 필터링과정은 대역 통과 필터(BPF: Band Pass Filter)를 이용해 전기 신호를 필터링하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 필터링과정은 복수의 필터부를 이용해 상기 검출과정에서 검출된 각 전기 신호를 각각 필터링하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 필터링과정은 상기 검출과정에서 검출된 전기 신호 내 DC 성분을 필터링하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 간단한 구성으로도 위상 바이어스 변화에 따른 신호의 왜곡을 제거할 수 있어, 저 비용으로 간단히 구현할 수 있으면서도 우수한 성능을 가질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계의 구성도이다.
도 2는 종래의 광 간섭계의 위상 바이어스에 따른 간섭계 출력 신호를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계의 위상 바이어스에 따른 간섭계 출력 신호를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계에서 검출되는 시간 영역에서의 제1 전기 신호의 3차원 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계에서 검출되는 시간 영역에서의 제2 전기 신호의 3차원 그래프이다.
도 6은 종래의 광 간섭계에서 합성된 전기 신호의 3차원 그래프이다.
도 7은 종래의 광 간섭계의 다양한 위상 바이어스에 따른 시간과 출력의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계에서 합성된 전기 신호의 3차원 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계의 다양한 위상 바이어스에 따른 시간과 출력의 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전기신호, 제2 전기신호 및 위상 변환된 제1 전기신호의 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전기신호 및 위상 변환된 제1 전기신호가 합성된 신호의 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계가 동작하는 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계(100)는 광원(110), 커플러(Coupler, 120), 제1 광 도파로(130), 제2 광 도파로(135), 90도 인터페로미터(Interferometer, 140), 제1 검출기(150), 제2 검출기(155), 필터부(160), 위상 변환부(170) 및 신호 합성부(180)를 포함한다.
광원(110)은 광 간섭을 발생시키기 위한 광 신호를 커플러(120)로 조사한다. 광원(110)은 커플러(120)와 연결된 2개의 입력단 중 어느 하나에 연결되며, 광 신호를 생성하여 커플러(120)로 조사한다. 여기서, 광 신호는 연속(Continuous) 광일 수도 있고, 변조된 광일 수도 있다.
커플러(120)는 입력된 광 신호를 복수 개로 분기시킨다. 광 간섭현상이 발생할 수 있도록, 커플러(120)는 광원(110)으로부터 입력된 광 신호를 복수 개로 분기시킨다. 커플러(120)는 광 신호를 복수 개로 분기시키며, 광 경로에 따라 분기되는 광 신호의 위상을 변화시킨다.
제1 광 도파로(130)는 커플러(120)에서 분기된 어느 하나의 광 신호를 90도 인터페로미터(140)로 전달한다.
제1 광 도파로(130)는 외부에서 측정하고자 하는 신호나 진동(dΦ)을 감지한다. 제1 광 도파로(130)는 센싱 암(Sensing Arm)으로 동작할 수 있으며, 외부에서 측정하고자 하는 신호나 진동(dΦ, 이하에서는 '측정 신호'라 칭함)을 감지하여 광 신호와 함께 90도 인터페로미터(140)로 전달한다.
마찬가지로, 제2 광 도파로(135)도 커플러(120)에서 분기된 어느 하나의 광 신호를 90도 인터페로미터(140)로 전달한다. 다만, 제2 광 도파로(135)는 기준 암(Reference Arm)으로 동작할 수 있으며, 별도로 외부의 신호나 진동의 감지 없이 커플러(120)에서 분기된 광 신호를 90도 인터페로미터(140)로 전달한다.
90도 인터페로미터(140)는 분기된 광 신호들을 입력받아 복수의 90도 차이의 광 간섭 바이어스 위상을 형성한다. 90도 인터페로미터(140)는 분기된 광 신호들을 입력받아 복수의 출력(I1, I2)으로 재 분기하되, 복수의 출력 신호의 광 간섭 위상바이어스가 90도 차이가 나도록 동작한다. 종래의 2x2 커플러 기반의 광 간섭계에서는 180도(π) 위상 바이어스 차를 갖는 복수의 광 간섭 신호를 출력한다. 종래의 광 간섭계의 전술한 특징은 다음과 같은 문제를 유발한다. 이러한 문제는 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 종래의 광 간섭계의 위상 바이어스에 따른 간섭계 출력 신호를 도시한 그래프이다.
전술한 대로, 종래의 광 간섭계의 출력 신호(I1, I2)는 180도의 위상 바이어스 차를 갖는다. 이에 따라, 위상 바이어스(Phase Bias, Φe)가 nπ/2(여기서, n은 홀수)일 때는, 측정 신호가 최대의 크기로 출력될 수 있다. 반면, 위상 바이어스가 nπ일 때는, 측정 신호에 왜곡이나 손실이 발생하게 된다. 문제는 종래의 광 간섭계는 출력신호가 180도의 위상 바이어스 차를 갖는다는 점에 있다. 출력신호가 180도의 위상 바이어스차를 갖기 때문에, 위상 바이어스가 nπ로 설정되어 있는 상황에서 측정 신호가 인가되면, 검출기(150, 155)로부터 검출되는 전기 신호(i1, i2) 모두에 왜곡이나 손실이 발생한다. 이에 따라, 종래의 광 간섭계는 어떠한 후처리 공정을 수행한다 하더라도 전기 신호를 복구할 수 없으며, 신호의 페이딩(Fading) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 없다.
위상 바이어스는 온도, 편광 또는 시스템 내·외부 각종 잡음에 민감하기 때문에, 광 간섭계가 자체적으로 갖는 위상 바이어스가 외부 환경에 의해 자주 변화하게 된다. 위상 바이어스가 nπ로 변화하는 경우, 종래의 광 간섭계에서는 페이딩 현상이 발생하게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계(100)는 90도 인터페로미터(140)를 이용하여 출력 신호의 위상 바이어스 차를 90도로 형성한다. 이에 따라, 종래의 광 간섭계가 갖는 문제(측정 신호 모두에 왜곡이나 손실이 발생하는 것)를 해소할 수 있다. 출력 신호 및 그에 따라 문제가 해소되는 방법은 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계의 위상 바이어스에 따른 간섭계 출력 신호를 도시한 그래프이다.
광 간섭계의 출력 신호(I1, I2)는 90도의 위상 바이어스 차를 갖는다. 이 때문에, 어떠한 위상 바이어스에서도 모든 측정 신호에서 왜곡이나 손실이 발생하지 않는다. 하나의 간섭신호에서 가장 큰 왜곡이나 손실이 발생하는 위상 바이어스인 nπ/2(여기서, n은 정수)일 때 측정 신호가 인가되더라도, 검출기(150, 155)로부터 검출되는 모든 전기 신호(i1, i2)에 동시에 왜곡이나 손실이 발생하지 않는다. 예를 들어, 위상 바이어스가 3π/2인 경우, I2 출력신호에 의한 측정 신호는 왜곡이나 손실이 발생하는 반면, I1 출력신호는 측정 신호가 최대 크기로 출력될 수 있다. 90도 인터페로미터(140)는 출력 신호의 위상 바이어스 차를 90도로 형성함으로써, 어떠한 위상 바이어스에서도 모든 전기신호에 왜곡이나 손실이 발생하는 경우를 방지할 수 있다. 이에 따라, 위상 바이어스가 외부 환경에 의해 임의로 변화한다 하더라도, 광 간섭계(100)는 후처리 공정에 의해 신호의 왜곡이나 손실을 방지할 수 있는 장점을 갖는다.
90도 인터페로미터(140)가 출력하는 출력 신호(I1, I2)를 수식적으로 보면 다음과 같다.
Figure 112018075105720-pat00001
여기서, IR은 제2 광 도파로(135, 기준 암)를 통과한 광 신호를, IS는 제1 광 도파로(130, 센싱 암)를 통과한 광신호를, Φe는 위상 바이어스를, dΦ는 임의의 세기와 임의의 주파수를 갖는 진동신호로서 측정신호를 의미한다.
제1 및 제2 검출기(150, 155)는 (140)에서 출력된 출력신호를 전기 신호(i1, i2)로 검출한다. 제1 및 제2 검출기(150, 155)는 광 검출기(PD: Photo Detector)로 구현될 수 있으며, (140)에서 출력된 출력신호(광 신호)를 전기 신호로 검출한다.
제1 및 제2 검출기(150, 155)에서 검출된 전기 신호(i1, i2)를 수식적으로 보면 다음과 같다.
Figure 112018075105720-pat00002
각 검출기(150, 155)가 검출한 전기 신호는 AC 성분에 비례하기 때문에, DC 성분은 무시하고 AC 성분만을 고려한다.
필터부(160)는 각 검출기(150, 155)가 검출한 전기 신호의 DC 성분을 필터링한다. 필터부(160)는 각 검출기(150, 155)에 각각 연결되어 각 검출기에서 검출된 전기 신호 각각을 입력받으며, 입력받은 전기 신호 내 DC 성분을 필터링한다. 필터부(160)는 전기 신호 내 DC 성분을 필터링하기 위해, 대역 통과 필터(BPF: Band Pass Filter)로 구현될 수 있다.
위상 변환부(170)는 어느 하나의 필터부(160)와 연결되어, 어느 하나의 필터부에서 필터링된 전기 신호의 위상을 90도 변환한다. 위상 변환부(170)는 어느 하나의 검출기 또는 해당 검출기가 검출한 전기 신호를 필터링하는 어느 하나의 필터부(160)와 연결되어, 어느 하나의 전기 신호의 위상을 90도 변환한다.
위상 변환부(170)가 어느 하나의 전기 신호의 위상을 90도 변환함으로써, 비로소 복수의 전기신호(위상 변환부(170)를 거친 전기신호와 그렇지 않은 전기신호 간)가 서로 상호보완적으로 작용하게 된다. 이에 따라, 위상 변환부(170)를 거치지 않을 경우, 신호 페이딩 현상을 방지할 수 없다. 90도 인터페로미터(140)를 거치며 위상 차가 180도가 아닌 90도가 난다 하더라도, 위상 변환부(170)를 거치지 않은 두 신호가 합성되면, 특정 위상 바이어스에서 기울기의 절대값은 같으나 부호가 반대여서 출력 간섭 신호의 합이 0이 되는 구간이 발생하기 때문이다. 그러나 본 발명의 일 실시예에서는 위상 변환부(170)를 거치며 어느 하나의 전기 신호의 위상이 90도 변환됨으로써, 출력 간섭신호의 합이 0이 되는 위상 바이어스 구간에서도 신호의 손실이 발생하지 않게 된다.
위상 변환부(170)는 힐버트 트랜스포머(Hilbert Transformer)와 같이, 전기 신호의 위상을 90도 변환할 수 있는 어떠한 구성으로 구현될 수 있다. 특히, 위상 변환부(170)가 힐버트 트랜스포머로 구현될 경우, 소프트웨어적으로 구현될 수 있어, 전체 광 간섭계(100)의 크기가 현저히 줄어들 수 있다.
위상 변환부(170)에서 위상 변환된 전기 신호(i1)와 그렇지 않은 전기 신호(i2)를 수식적으로 보면 다음과 같다.
dΦ가 임의의 세기(A)와 임의의 주파수(w)를 갖는 진동신호이므로, 아래와 같은 식이 성립한디.
Figure 112018075105720-pat00003
위상 변환부(170)가 전기 신호(i1)을 위상 변환하는 경우, 아래와 같은 식이 성립한다.
Figure 112018075105720-pat00004
여기서, 위상 변환부(170)는 힐버트 트랜스포머로 구현되어, 전기 신호(i1)에 힐버트 트랜스폼을 수행한 것을 가정하였다. 진동신호(dΦ)는 상대적으로 위상 변위가 충분히 작기 때문에, 전기 신호(i1)는 전술한 수식에 근사적으로 변환된다. 위상 변환부(170)를 거친 전기신호(H{i1})와 그렇지 않은 전기신호(i2)는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계에서 검출되는 시간 영역에서의 제1 전기 신호의 3차원 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계에서 검출되는 시간 영역에서의 제2 전기 신호의 3차원 그래프이다.
도 4는 위상 변환부(170)를 거친 전기신호를 도시한 3차원 그래프이다. 위상 변환부(170)를 거친 전기신호는 각 위상 바이어스에서의 시간에 따른 강도(Intensity)의 변화가 일정치 못하다. 도 5에 도시된 위상 변환부(170)를 거치지 않은 전기 신호도 마찬가지로, 각 위상 바이어스에서의 시간에 따른 강도(Intensity)의 변화가 일정치 못하다. 다만, 도 4와 도 5에서 확인할 수 있듯이, 양 신호가 상호 보완적으로 작용할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 신호 합성부(180)는 위상 변환부(170)를 거친 전기 신호와 필터부(160)를 거친 전기 신호를 합성하여 합성 신호를 생성한다.
위상 변환부(170)를 거친 전기신호(H{i1})와 그렇지 않은 전기신호(i2)는 상호 보완적인 특성을 갖기 때문에, 어떠한 위상 바이어스에서도 신호 페이딩 현상이 발생하지 않는다. 이에 따라, 위상 바이어스가 변화하더라도, 광 간섭계(100) 내 센서부(미도시)는 신호 합성부(180)에 의해 합성된 신호의 주파수와 세기를 용이하게 측정할 수 있다. 합성된 신호는 도 8 및 9에 도시되어 있다.
먼저, 도 6은 종래의 광 간섭계에서 합성된 전기 신호의 3차원 그래프이고, 도 7은 종래의 광 간섭계의 다양한 위상 바이어스에 따른 시간과 출력의 그래프이다.
도 6을 참조하면, 종래의 광 간섭계에서 합성된 전기 신호는 각 위상 바이어스에 따라 시간에 따른 강도의 변화가 일정치 못하다. 특히, 위상 바이어스가 Φe1인 경우에 있어서, 시간에 따른 강도의 변화가 거의 일어나지 않고 있어, 신호 페이딩 현상이 발생하고 있는 것으로 확인된다.
이를 뒷받침하는 자료로서, 도 7에 도시된 그래프를 참조하면, 시간에 따른 강도의 변화에 있어서, 각 함수의 주파수는 위상 바이어스에 따라 모두 상이하며, 특히, 위상 바이어스가 Φe1에서는 신호 페이딩이 발생하고 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계에서 합성된 전기 신호의 3차원 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계의 다양한 위상 바이어스에 따른 시간과 출력의 그래프이다.
도 8을 참조하면, 위상 변환부(170)를 거친 전기신호(H{i1})와 그렇지 않은 전기신호(i2)가 합성된 전기 신호는 어떠한 위상 바이어스에서도 신호 페이딩 현상이 발생하지 않으며, 일정한 시간에 따른 강도의 변화가 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 도 9에서 뒷받침된다.
도 9에 도시된 그래프를 참조하면, 시간에 따른 강도의 변화에 있어서, 각 함수의 주파수는 위상 바이어스와 무관하게 일정한 주파수를 갖는 것으로 확인되고 있다.
이에 따라, 광 간섭계(100)는 신호 페이딩 현상없이 신호를 합성함으로써, 간단한 구성만으로도 측정 신호의 세기와 주파수를 정확히 측정할 수 있는 장점을 갖는다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전기신호, 제2 전기신호 및 위상 변환된 제1 전기신호의 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전기신호 및 위상 변환된 제1 전기신호가 합성된 신호의 그래프이다.
광 간섭계(100)에서 검출된 전기 신호들의 일 예를 도 10 및 도 11에 도시하였다. 각 필터부(160)를 거친 전기 신호(i1, i2)와 전기 신호(i1)의 위상이 변환된 전기 신호(H{(i1})가 도 10에 도시되어 있다. 특정 위상 바이어스에서 전기 신호(i1)는 최대에 가까운 크기로 출력되고 있으며, 전기 신호(i2)는 많은 왜곡이나 손실이 발생하고 있다. 90도 인터페로미터(140)에 의해서 어느 하나의 전기 신호는 적어도 왜곡이나 손실이 최소화될 수 있으며, 이에 따라 신호가 합성되더라도 후처리 과정에 의해 신호 페이딩 현상의 발생이 최소화될 가능성이 존재한다.
신호 페이딩 현상의 최소화를 위해, 위상 변환부(170)는 전기 신호(i1)에 대해 위상 변환을 수행한다. 위상 변환된 전기 신호(H{(i1})와 전기 신호(i2)의 상호 보완적인 특성에 따라, 합성된 전기신호는 일정한 크기와 주파수를 갖는다.
이는 임의의 위상 바이어스에서의 일 예이지만, 전술한 구성에 의해 모든 위상 바이어스에서도 합성된 전기 신호는 일정한 크기와 주파수를 갖는다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계가 동작하는 방법을 도시한 순서도이다. 각 동작은 도 1 내지 11을 참조하여 설명하였기 때문에, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
커플러(120)는 입력된 광 신호를 두 개의 광 신호들로 분기시킨다(S1210).
90도 인터페로미터(140)는 분기된 광 신호들에 대해 90도 위상 바이어스 차이의 광 간섭을 형성한다(S1220).
각 검출기(150, 155)는 90도 위상 바이어스 차이의 광 간섭 신호들을 각각 전기 신호로 검출한다(S1230).
위상 변환부(170)는 검출된 어느 하나의 전기 신호의 위상을 90도 변환한다(S1240).
신호 합성부(180)는 위상 변환된 전기 신호와 그렇지 않은 전기 신호를 합성한다(S1250).
도 12에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 12에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 12는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 12에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 광 간섭계
110: 광원
120: 커플러
130, 135: 광 도파로
140: 90도 인터페로미터
150: 제1 검출기
155: 제2 검출기
160: 필터부
170: 위상 변환부
180: 신호 합성부

Claims (12)

  1. 입력된 광 신호를 복수 개로 분기시키는 커플러;
    분기된 광 신호들을 입력받아 90도 위상 바이어스 차이의 광 간섭을 형성하여 복수의 출력으로 재 분기하는 90도 인터페로미터(Interferometer);
    상기 90도 위상 바이어스 차의 광 간섭이 형성된 광 신호들을 각각 전기 신호로 검출하는 복수의 검출기;
    상기 복수의 검출기 중 어느 하나가 검출한 전기 신호의 위상을 90도 변환하는 위상 변환부; 및
    상기 위상 변환부에서 위상이 변환된 전기 신호와 상기 위상 변환부에서 위상이 변환되지 않은 전기 신호를 합성하는 신호 합성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상 변환부는,
    힐버트 트랜스포머(Hilbert Transformer)로 구현되는 것을 특징으로 하는 광 간섭계.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터부는,
    대역 통과 필터(BPF: Band Pass Filter)로 구현되는 것을 특징으로 하는 광 간섭계
  5. 제3항에 있어서,
    상기 필터부는,
    각각의 필터부가 각각의 검출기가 검출하는 전기 신호를 입력받는 것을 특징으로 하는 광 간섭계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 필터부는,
    각각의 검출기가 검출하는 전기 신호 내 DC 성분을 필터링하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계.
  7. 입력된 광 신호를 복수 개로 분기시키는 분기과정;
    분기된 광 신호들을 입력받아 90도 위상 바이어스 차이의 광 간섭을 형성하여 복수의 출력으로 재 분기하는 간섭과정;
    상기 90도 위상 바이어스 차의 광 간섭이 형성된 광 신호들을 각각 전기 신호로 검출하는 검출과정;
    상기 검출과정에서 검출된 어느 하나의 전기 신호의 위상을 90도 변환하는 위상 변환과정; 및
    상기 위상 변환과정에서 위상이 변환된 전기 신호와 상기 위상 변환과정에서 위상이 변환되지 않은 전기 신호를 합성하는 신호 합성과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 동작방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 위상 변환과정은,
    힐버트 트랜스포머(Hilbert Transformer)에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 동작방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 검출과정에서 검출된 각 전기 신호를 필터링하는 필터링과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 동작방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 필터링과정은,
    대역 통과 필터(BPF: Band Pass Filter)를 이용해 전기 신호를 필터링하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 동작방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 필터링과정은,
    복수의 필터부를 이용해 상기 검출과정에서 검출된 각 전기 신호를 각각 필터링하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 동작방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 필터링과정은,
    상기 검출과정에서 검출된 전기 신호 내 DC 성분을 필터링하는 것을 특징으로 하는 광 간섭계의 동작방법.
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