KR20150113260A - Fiber optic electric field sensor and method for measuring electric field - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광섬유 전기장 센서(fiber optic electric field sensor) 및 전기장 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 교육부 한국연구재단의 구조물 안전 진단을 위한 휴대형 분포형 광섬유 센서 개발 과제(과제번호 2013H1B8A2032213)의 일환으로 수행한 연구 및 다기능 파장 및 시간 다중화 스마트 광섬유 센서 구현 연구 과제(과제번호 2010-0022645)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.The present invention relates to a fiber optic electric field sensor and an electric field measurement method. The present invention relates to a study on the development of a portable distributed optical fiber sensor for the safety diagnosis of structures of the Korea Research Foundation, Ministry of Education (task number 2013H1B8A2032213), and a study on the implementation of multifunctional wavelength and time multiplexed smart fiber sensor (task number 2010-0022645) As a result of research conducted as part of the study.
최근 고압선의 위험성으로 인한 사회적인 문제점이 발생하고 있다. 광섬유 전자기파 센서는 고압선에서 발생하는 전자기파의 세기를 검출하여 고압선에서의 전압이나 전류 변화 등을 실시간으로 감지하여 이상 유무를 조기에 판단하고 문제를 조기에 차단할 수 있다. 하지만, 기존의 광섬유 전자기파 센서는 고속으로 변화하는 전기장의 세기 및 진동수를 실시간으로 측정하는데 한계가 따른다.Recently, there are social problems due to the danger of high-voltage cable. The optical fiber electromagnetic wave sensor detects the intensity of the electromagnetic wave generated from the high-voltage line, detects the voltage or current change in the high-voltage line in real time, judges the abnormality early, and blocks the problem early. However, existing optical fiber electromagnetic sensors have limitations in measuring the intensity and frequency of the electric field changing at high speed in real time.
본 발명은 고속으로 변화하는 전기장의 세기 및 진동수를 실시간으로 측정할 수 있는 광섬유 전기장 센서 및 전기장 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an optical fiber electric field sensor and an electric field measuring method capable of real-time measurement of the intensity and frequency of an electric field changing at high speed.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems. Other technical subjects not mentioned will be apparent to those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 측면에 따른 광섬유 전기장 센서는, 빛의 파장을 가변하여 광신호를 출력하는 파장 훑음 레이저; 인가되는 전기 신호의 세기에 따라, 상기 광신호에 상응하는 투과광의 파장을 변화시키는 액정을 포함하며, 변화된 파장을 갖는 투과광을 출력하는 액정 소자; 및 시간 영역에서 상기 투과광에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 측정하여 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 상기 투과광의 파장에 기초하여 상기 전기 신호의 세기 및 진동수 중의 적어도 하나를 측정하는 전기신호 측정부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical fiber electric field sensor comprising: a wavelength sweep laser for outputting an optical signal by varying a wavelength of light; A liquid crystal device including a liquid crystal for changing a wavelength of transmitted light corresponding to the intensity of an applied electric signal and outputting a transmitted light having a changed wavelength; And measuring a wavelength of the transmitted light by measuring a positional change with respect to a reference signal of a pulse constituting an analysis signal corresponding to the transmitted light in a time domain and measuring at least the intensity and frequency of the electrical signal based on the measured wavelength of the transmitted light, And an electric signal measuring unit for measuring one of the electric signals.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 액정 소자는, 상기 액정을 포함하는 파브리-페롯 에탈론(fabry-perot etalon)을 포함한다.In one embodiment of the present invention, the liquid crystal device includes a Fabry-Perot etalon including the liquid crystal.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 광섬유 전기장 센서는, 상기 파장 훑음 레이저로부터 상기 광신호를 입력받고, 상기 광신호를 선편광으로 변환하여 상기 입력광을 상기 액정 소자로 출력하는 편광자를 더 포함한다.In one embodiment of the present invention, the optical fiber electric field sensor further includes a polarizer that receives the optical signal from the wavelength-swept laser, converts the optical signal into linearly polarized light, and outputs the input light to the liquid crystal element.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 빛의 파장을 가변하여 광신호를 출력하는 파장 훑음 레이저를 포함하는 광섬유 전기장 센서로서, 상기 파장 훑음 레이저는, 상기 파장 훑음 레이저의 광 경로에서, 인가되는 전기 신호의 세기에 따라 투과광의 파장을 변화시키는 액정을 포함하고, 변화된 파장을 갖는 투과광을 출력하는 액정 소자를 포함하며, 상기 광섬유 전기장 센서는, 상기 투과광에 따라 변화되는 상기 광신호에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 시간 영역에서 측정하여 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 상기 투과광의 파장에 기초하여 상기 전기 신호의 세기 및 진동수 중의 적어도 하나를 측정하는 전기신호 측정부를 더 포함하는 광섬유 전기장 센서가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical fiber electric field sensor including a wavelength sweep laser for varying a wavelength of light to output an optical signal, the wavelength sweep laser comprising: And a liquid crystal element which includes a liquid crystal for changing the wavelength of transmitted light according to the intensity of the transmitted light, and outputs a transmitted light having a changed wavelength, wherein the optical fiber electric field sensor generates an analytical signal corresponding to the optical signal, An electric signal measuring unit measuring at least one of the intensity and the frequency of the electric signal based on the wavelength of the transmitted light by measuring the positional change of the pulse with respect to the reference signal in the time domain and measuring the wavelength of the transmitted light Is provided.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 빛의 파장을 가변하여 광신호를 출력하는 파장 훑음 필터를 포함하는 다중 발진 레이저로서, 상기 다중 발진 레이저는, 상기 다중 발진 레이저의 광 경로에서, 인가되는 전기 신호의 세기에 따라 투과광의 파장을 변화시키는 액정을 포함하고, 상기 액정에 의해 변화된 복수의 파장을 갖는 투과광을 출력하는 액정 소자를 포함하고, 상기 투과광에 따라 변화되는 상기 광신호에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 시간 영역에서 측정하여 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 상기 투과광의 파장에 기초하여 상기 전기 신호의 세기 및 진동수 중의 적어도 하나를 측정하는 전기신호 측정부를 더 포함하는 다중 발진 레이저가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a multi-oscillation laser including a wavelength sweep filter for varying a wavelength of light to output an optical signal, wherein the multi-oscillation laser comprises: And a liquid crystal element that includes a liquid crystal that changes the wavelength of transmitted light according to the intensity of the signal and outputs a transmitted light having a plurality of wavelengths changed by the liquid crystal, wherein the analysis signal corresponding to the optical signal, And measuring at least one of the intensity and the frequency of the electrical signal based on the wavelength of the transmitted light, wherein the electrical signal measuring unit measures the positional change of the pulse with respect to the reference signal in the time domain, A plurality of oscillation lasers are provided.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 빛의 파장을 가변하여 출력하는 파장 훑음 레이저로부터 제공되는 광신호에 상응하는 입력광을 전기 신호가 인가된 액정을 포함하는 액정 소자에 투과시켜 투과광의 파장을 변화시키는 단계; 및 상기 액정 소자로부터 출력되는 투과광에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 시간 영역에서 측정하여 상기 투과광의 파장을 측정하고, 상기 투과광의 파장으로부터 상기 전기 신호의 세기 및 진동수 중의 적어도 하나를 측정하는 단계를 포함하는 전기장 측정 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a liquid crystal device including: a liquid crystal device including a liquid crystal having an electric signal applied thereto, the input light corresponding to an optical signal provided from a wavelength-swept laser for varying a wavelength of light, A changing step; And measuring a change in position of a pulse with respect to a reference signal constituting an analysis signal corresponding to the transmitted light output from the liquid crystal element in a time domain to measure a wavelength of the transmitted light, A method of measuring an electric field including at least one of measuring an electric field is provided.
본 발명의 실시 예에 의하면, 고속으로 변화하는 전기장의 세기 및 진동수를 실시간으로 측정할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to measure the intensity and the frequency of the electric field changing at high speed in real time.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above. Unless stated, the effects will be apparent to those skilled in the art from the description and the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 구성하는 액정 소자를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 구성하는 파장 훑음 레이저에서 출력되는 광신호를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 구성하는 액정 소자에서 출력되는 투과광을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 구성하는 액정 소자로부터 시간에 따라 출력되는 투과광에 상응하는 분석신호를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 발진 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다.FIG. 1 is a schematic view showing an optical fiber electric field sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view schematically illustrating a liquid crystal device constituting an optical fiber electric field sensor according to an embodiment of the present invention.
3A is a diagram illustrating an optical signal output from a wavelength sweep laser constituting an optical fiber electric field sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 3B is a view illustrating an example of transmitted light output from a liquid crystal device constituting a fiber optic electric field sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 3C is a diagram illustrating an analytical signal corresponding to transmitted light that is output from a liquid crystal device constituting an optical fiber electric field sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 4 is a schematic view illustrating an optical fiber electric field sensor according to another embodiment of the present invention.
5 is a schematic view showing a multi-oscillation laser according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다.Other advantages and features of the present invention and methods of achieving them will be apparent by referring to the embodiments described hereinafter in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Although not defined, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by the generic art in the prior art to which this invention belongs. A general description of known configurations may be omitted so as not to obscure the gist of the present invention. In the drawings of the present invention, the same reference numerals are used as many as possible for the same or corresponding configurations.
본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서는 전기장을 검출하기 위해 제공되는 것으로, 빛의 파장을 고속으로 가변시키는 파장 훑음 레이저를 광원으로 사용하며, 파장 훑음 레이저에서 출력된 후 액정을 입힌 물질(액정 소자)를 통해 투과한 신호의 파장 변화를 시간 영역에서 실시간으로 측정하여, 액정 소자 주위에 걸린 전기 신호의 세기 및 진동수의 실시간 변화를 측정한다.An optical fiber electric field sensor according to an embodiment of the present invention is provided for detecting an electric field and uses a wavelength-swept laser that changes the wavelength of light at high speed as a light source. A material that is output from a wavelength- Element) is measured in real time in a time domain to measure the change in intensity and frequency of the electric signal held around the liquid crystal element in real time.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서(100)는 파장 훑음 레이저(110), 액정 소자(120), 및 전기신호 측정부(130)를 포함한다.FIG. 1 is a schematic view showing an optical fiber electric field sensor according to an embodiment of the present invention. 1, a fiber optic
파장 훑음 레이저(wavelength swept laser)(110)는 빛의 파장을 고속으로 가변하여 광신호를 출력한다. 일 예로, 파장 훑음 레이저(110)는 광선로(111), 광선로(111) 상에 설치되는 적어도 하나의 반도체 광증폭기(SOA; semiconductor optical amplifier)(112a,112b), 파장 가변부(113), 써큘레이터(circulator)(114), 편광조절기(polarization controller)(115a,115b), 커플러(coupler)(116a,116b), 및 콜리메이터(117)를 포함할 수 있다.A
광선로(111)는 광섬유로 이루어질 수 있다. 반도체 광증폭기(112a,112b)는 레이저 광원으로서의 기능을 수행하며, 빔을 광선로(110)의 양 방향으로 다방 방출한다. 파장 가변부(113)는 빛의 파장이 가변되도록 광의 경로를 시간에 따라 변화시킨다. 일 예로, 파장 가변부(113)는 회전하는 폴리곤 미러 스캐너(polygon mirror scanner)(1131), 폴리곤 미러 스캐너(1131)에 광을 집속하여 제공하고 폴리곤 미러 스캐너(1131)로부터 반사된 광을 제공받아 집속하는 적어도 하나의 광집속렌즈(1132,1133), 광집속렌즈(1132,1133)에 광을 회절하여 제공하고 광집속렌즈(1132,1133)로부터 광을 제공받아 회절시키는 회절 격자(diffraction grating)(1134), 및 광선로(111)의 광을 회절 격자(1134)로 제공하고, 회절 격자(1134)로부터 제공받은 광을 광선로(111)에 제공하는 콜리메이터(collimator)(1135)를 포함할 수 있다.The
써큘레이터(114)는 광선로(111)에서 광이 한쪽 방향(예를 들어, 반시계 방향)으로 흐르도록 광의 방향을 제한한다. 편광조절기(115a,115b)는 편광을 조절한다. 커플러(116a,116b)는 광선로(111)에 흐르는 광신호를 분기시켜 출력한다. 이에 따라, 광신호는 콜리메이터(117)를 통해 파장 훑음 레이저(110)로부터 출력된다. 파장 훑음 레이저(110)는 도 1에 도시된 실시 예로 한정되지 않으며, 빛의 파장을 가변하여 광신호를 출력하는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.The
파장 훑음 레이저(110)에서 출력된 광신호는 편광자(polarizer)(150)로 입력된다. 편광자(150)는 액정 소자(120)의 이상 광선 굴절률(ne)의 변화가 정확히 측정될 수 있도록, 파장 훑음 레이저(110)로부터 입력받은 광신호를 선편광으로 변환하여 상기 광신호에 상응하는 입력광을 액정 소자(120)로 출력한다.The optical signal output from the
액정 소자(120)는 편광자(150)로부터 광신호에 상응하는 상기 입력광을 입력받는다. 액정 소자(120)는 전기신호 발생부(140)에 의해 인가되는 전기 신호의 세기에 따라 투과광의 파장을 변화시키는 액정을 포함하며, 변화된 파장을 갖는 투과광을 출력한다. 액정 소자(120)는 전기신호 발생부(140)에서 발생하는 전기 신호의 세기 및 진동수를 측정하기 위해, 전기신호 발생부(140)에 연결된다. 본 발명의 일 실시 예에서, 액정 소자(120)는 액정을 포함하는 파브리-페롯 에탈론(fabry-perot etalon)을 포함할 수 있다.The
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 구성하는 액정 소자를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 액정 소자(120)는 제1 기판(121), 제2 기판(122), 제1 기판(121) 상에 형성되는 제1 전극(123), 제2 기판(122) 상에 형성되는 제2 전극(124), 제1 전극(123) 상에 형성되는 제1 보호층(125), 제2 전극(124) 상에 형성되는 제2 보호층(126), 제1 보호층(125) 및 제2 보호층(126) 사이에 형성되는 액정층(liquid crystal layer)(127)을 포함한다. 액정 소자(120)의 두 전극(123,124) 사이에 전기신호 발생부(140)에서 발생된 전기 신호가 인가된다.2 is a cross-sectional view schematically illustrating a liquid crystal device constituting an optical fiber electric field sensor according to an embodiment of the present invention. 2, the
기판(121,122)은 예를 들어, 실리콘 기판, 플라스틱 기판 등으로 제공될 수 있다. 전극(123,124)은 예를 들어, 금, 백금, 은, 구리 등의 금속 혹은 도전성의 비금속으로 이루어질 수 있다. 보호층(125,126)은 예를 들어, 폴리이미드층(polyimide layer)으로 제공될 수 있다. 액정층(127)은 예를 들어, 4-시아노-4'-펜틸바이페닐(4-cyano-4'-pentylbiphenyl, 5CB) 등의 네마틱(nematic) 액정 분자로 이루어질 수 있다.The
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 구성하는 파장 훑음 레이저에서 출력되는 광신호를 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 구성하는 액정 소자에서 출력되는 투과광을 예시적으로 보여주는 도면이고, 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 구성하는 액정 소자로부터 시간에 따라 출력되는 투과광에 상응하는 분석신호를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3a 내지 도 3b에서 세로 축은 광의 세기(intensity)를 나타내고, 도 3c에서 세로 축은 투과광에 상응하는 분석신호의 전압 값을 나타낸다. 도 3a를 참조하면, 파장 훑음 레이저(110)에서 출력되는 광신호는 시간에 따라 가변적인 파장으로 출력된다.FIG. 3A is a diagram illustrating an optical signal output from a wavelength sweep laser constituting an optical fiber electric field sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 3B is a view illustrating an optical fiber electric field sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 3C is a graph showing an example of an analysis signal corresponding to transmitted light output from a liquid crystal element constituting an optical fiber electric field sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 3A to 3B, the vertical axis represents the intensity of light. In FIG. 3C, the vertical axis represents the voltage value of the analysis signal corresponding to the transmitted light. Referring to FIG. 3A, the optical signal output from the
도 1, 도 3b 내지 도 3c를 참조하면, 액정 소자(120)는 파장 훑음 레이저(110)에서 출력된 광신호에 상응하는 입력광을 필터링하며, 이에 따라 액정 소자(120)로부터 시간에 따라 다른 피크 파장을 갖는 투과광이 출력된다. 이때, 전기신호 발생부(140)에 의하여 액정 소자(120)에 인가된 전기 신호의 실시간 세기 변화에 따라, 액정 소자(120)를 이루는 액정의 주기적인 배열이 변화하고, 그에 따라 입사광이 겪는 액정의 이상 광선 굴절률이 변화하므로, 액정 소자(120)를 투과한 투과광은 변화된 액정의 유효굴절률에 따라 파장이 변화한다. 액정 소자(120)로부터 출력된 투과광은 변화된 투과광의 파장을 측정하기 위해, 콜리메이터(collimator)(160)와 같은 수신부를 통해 전기 신호 측정부(130)로 입력된다.1, 3B, and 3C, the
다시 도 1을 참조하면, 일 실시 예로, 액정 소자(120)를 투과한 신호로부터 전기신호 발생부(140)에서 발생된 전기 신호의 세기 및 진동수를 측정하기 위한 기준 신호를 만들기 위해, 광 커플러(116b)에 의해 분기된 광신호는 써큘레이터(circulator)(118) 및 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG)(119)로 제공된다. 써큘레이터(118)와 광섬유 브래그 격자(119)에서 나온 기준 신호는 액정 소자(120)를 투과한 펄스 신호의 처리를 위하여 전기 신호 측정부(130)로 입력된다. 기준 신호는 광섬유 브래그 격자(119) 이외에 다른 방식으로 생성될 수도 있다.1, in order to generate a reference signal for measuring the intensity and the frequency of an electric signal generated in the electric
전기신호 측정부(130)는 액정 소자(120)를 투과한 펄스 신호와, 써큘레이터(118) 및 광섬유 브래그 격자(119)로부터 제공된 기준 신호를 입력받는다. 전기신호 측정부(130)는 액정 소자(120)로부터 제공받은 투과광에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 시간 영역에서 측정하여, 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 투과광의 파장에 기초하여 전기신호 발생부(140)에서 발생한 전기 신호의 세기 및 진동수를 측정한다. 즉, 파장 훑음 레이저(110)의 분광 영역(spectral domain)에서의 파장 변화가 시간 영역(time domain)에서 펄스의 피크 위치의 변화로 정확히 일대일로 대응되는 특징을 이용하여, 분광영역에서 파장이 변화하는 것을 측정하는 대신, 시간 영역에서 펄스의 위치가 변화하는 것을 고속 검출기를 이용하여 측정함으로써, 액정 소자(120)에 인가된 전기 신호의 변화를 측정할 수 있으며, 액정 소자(120)에 걸린 전기적인 신호가 고속으로 가변하는 때에도 이를 실시간으로 측정할 수 있다.The electrical
본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서(100)는 액정 소자(120)에서 출력된 투과광을 전기적인 신호로 변환하는 광전변환부, 예를 들어 포토다이오드(photo diode)(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이때, 분석신호는 액정 소자(120)에서 출력된 투과광으로부터 포토다이오드에 의해 변환된 전기적인 신호일 수 있다. 도 1 및 도 3c를 참조하면, 전기신호 측정부(130)는 예를 들어, 액정 소자(120)를 통과한 투과광의 서로 다른 피크 파장을 갖는 펄스들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 펄스의 시간(t0) 변화를 기준 신호에 대해 측정하거나, 임의의 두 펄스들 간의 시간차(△t) 변화를 측정하여, 액정 소자(120)에 인가된 전기 신호의 변화를 측정할 수 있다.The optical fiber
액정 소자(120)의 액정, 예를 들어 네마틱 액정은 주위에 걸린 전기적 신호의 세기에 따라서 입사하는 빛의 편광과 관련하여 정상 광선 굴절률과 이상 광선 굴절률을 느끼게 되는데, 이때 액정 소자(120)에 인가되는 전기적 신호에 따라 액정 소자(120)를 이루는 액정의 분자들의 배열이 달라져 굴절률이 변화한다. 즉, 파장 훑음 레이저(110)로부터 출력되는 광신호의 편광을 선편광으로 맞추고, 전기 신호가 걸린 액정 소자(120)에 입사하면, 전기 신호의 세기에 따라서 입사광이 겪는 액정의 이상 광선 굴절률이 변하게 되고, 이에 따라 액정 소자(120)에서 투과한 빛의 파장이 바뀌게 된다. 입사광이 겪는 액정의 정상 광선 굴절률은 전기 신호의 세기에 따라 변하지 않으므로, 이에 따라 액정 소자(120)에서 투과한 빛의 파장이 바뀌지 않는 투과광(정상 광선)이 기준 신호로 이용될 수 있다.The liquid crystal of the
전기신호 발생부(140)에서 발생하는 전기적인 신호가 kHz 급으로 가변할 때, 액정 소자(120)를 투과하는 빛은 정상 광선 굴절률과 이상 광선 굴절률을 동시에 겪거나, 편광자 방향에 따라 이상 광선 굴절률만 겪게 되고, 이에 따라 액정 소자(120)로부터 투과되는 투과광의 파장도 kHz 급으로 변하게 된다. 이때, 네마틱 액정에서 정상 광선 굴절률에 대한 투과 파장은 고정적으로 출력되며, 이상 광선 굴절률에 대한 투과 파장은 전기적인 신호의 세기에 따라 이상 광선 굴절률이 변하기 때문에, 투과광의 파장이 변화한다.When the electric signal generated by the electric
본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서(100)는 광원으로서 고속으로 파장이 변화하는 파장 훑음 레이저를 사용하기 때문에, 전기적인 신호가 실시간으로 변화함에 따른 액정의 유효굴절률이 실시간에 따라 변화하여, 이를 투과하는 빛의 파장도 실시간으로 변화한다. 하지만, 파장 분석기 등으로 파장 변화를 측정하기에는 응답 시간이 길어서 제대로 측정할 수가 없다.Since the optical fiber
따라서, 파장 훑음 레이저(110)에서 파장 영역과 시간 영역의 일대일 대응 특성을 이용하여, 투과광의 파장 변화를 시간 영역에서 펄스의 위치 변화로 대응시킬 수 있으며, 펄스의 위치 변화는 고속 응답 특성을 갖기 때문에, 광검출기를 이용하여 수 kHz의 전기적인 신호 변화에 대해서도 실시간 측정이 가능하다.Therefore, by using the one-to-one correspondence between the wavelength region and the time domain in the
다시 말해, 분광 영역에서 특정 파장의 빛이 발생할 때 시간 영역에서 이에 대응되는 펄스가 발생하고, 분광 영역에서 파장이 가변되면, 시간 영역에서는 펄스의 위치가 변하게 된다. 따라서, 액정의 주기적인 배열이 변하여 유효 굴절률이 변하면, 액정 소자(120)를 통과한 투과광의 파장이 변하게 되고, 이를 오실로스코우프 등의 장치를 통해 시간 영역에서 관측하면, 펄스의 위치가 변하는 것을 볼 수 있으며, 이러한 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 측정하여 투과광의 파장이 얼마나 이동하는지를 파악하여 액정 소자(120)에 인가된 전기장의 세기 및 진동수를 알아낼 수 있다. 이때 기준 신호로써 정상 광선이나 외부의 기준 신호 등을 이용할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서는 빛의 투과 특성에 따른 파장 변화를 실시간으로 측정하여 전기장의 실시간 변화를 측정할 수 있으며, 교류 전압이나 전기적인 신호가 급변하는 곳의 전기장 센서로 활용 가능하다.In other words, when a light of a specific wavelength is generated in the spectroscopic region, a corresponding pulse is generated in the time domain, and when the wavelength is changed in the spectroscopic domain, the position of the pulse is changed in the time domain. Therefore, when the effective refractive index changes due to a change in the periodic arrangement of the liquid crystal, the wavelength of the transmitted light passing through the
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 4의 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1 내지 도 2의 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 도 4에 도시되지 않았으나, 도 1에 도시된 바와 같은 파장 가변부(113)가 도 4의 실시 예에도 적용될 수도 있다. 도 4의 실시 예에 따른 광섬유 전기장 센서(100)는 파장 훑음 레이저(110) 내에 액정 소자(120)가 제공된다. 액정 소자(120)는 파장 훑음 레이저(110)의 광 경로, 즉 광선로(111) 상의 일 측에 제공되며, 광선로(111)를 따라 흐르는 광(입력광)의 특정 파장을 투과시키는 액정을 포함한다. 액정 소자(120)는 광선로(111) 상에서 광의 투과 파장을 변화시켜 투과광을 출력한다. 파장 훑음 레이저(110)에서 광신호의 발진 파장은 액정 소자(120)에 인가되는 전기 신호에 따라 변화한다.FIG. 4 is a schematic view illustrating an optical fiber electric field sensor according to another embodiment of the present invention. In the following description of the embodiment of FIG. 4, the same or similar elements as those of the embodiments of FIGS. 1 and 2 may be omitted. Although not shown in FIG. 4, the
전기신호 측정부(130)는 파장 훑음 레이저(110)로부터 출력되는 광신호와, 써큘레이터(118) 및 광섬유 브래그 격자(119)로부터 제공되는 기준 신호를 입력받는다. 전기신호 측정부(130)는 파장 훑음 레이저(110)로부터 출력되는 광신호에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 시간 영역에서 측정하여, 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 투과광의 파장에 기초하여, 전기신호 발생부(140)에서 발생하는 전기 신호의 세기 및 진동수를 측정한다.The electrical
즉, 액정 소자(120)에 전기적인 신호를 걸어주면 액정의 유효 굴절률 변화에 따라 레이저 공진기 안에서 발진하는 파장이 변하게 되며, 발진하는 파장이 변하는 양을 측정하여 액정 소자(120)에 걸어준 전기적인 신호의 크기를 알 수 있고, 발진하는 파장 사이 간격의 진동하는 주기를 측정하여 액정 소자(120)에 걸어준 전기적인 신호의 진동수를 알 수 있다. 이때 측정 방법으로 분광영역에서 파장 변화를 측정하는 대신 시간 영역에서 파장 변화를 측정할 수 있다.That is, when an electrical signal is applied to the
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 발진 레이저를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 5를 참조하면, 다중 발진 레이저(10)는 빛의 파장을 가변하여 광신호를 출력하는 파장 훑음 필터(110)를 포함한다. 도 5의 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1 내지 도 2, 도 4의 실시 예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 도 5의 실시 예에 따른 다중 발진 레이저(10)는 파장 훑음 필터(110) 내에 액정 소자(120)가 제공된다. 액정 소자(120)는 다중 발진 레이저(10)의 광 경로, 즉 광선로(111) 상의 일 측에 제공되며, 광선로(111)를 따라 흐르는 광(입력광)의 투과 파장을 변화시키는 액정을 포함한다.5 is a schematic view showing a multi-oscillation laser according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the
액정 소자(120)는 광선로(111) 상에서 광(투과광)의 파장을 변화시켜 서로 다른 복수의 파장을 갖는 투과광을 출력한다. 파장 훑음 필터(110)에서 광신호의 발진 파장들은 액정 소자(120)에 인가되는 전기 신호에 따라 변화한다. 따라서, 전기신호 발생부(140)에서 발생하는 전기 신호를 조절하여, 다중 발진 파장을 조절할 수 있다.The
전기신호 측정부(130)는 파장 훑음 필터(110)로부터 출력되는 광신호에 상응하는 분석신호를 이루는 복수의 펄스들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 펄스의 위치 변화, 혹은 임의의 두 펄스들 간의 시간차를 시간 영역에서 측정하여, 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 투과광의 파장에 기초하여, 전기신호 발생부(140)에서 발생하는 전기 신호의 세기 및 진동수를 측정할 수 있다.The electrical
예를 들어, 광섬유 레이저 공진기 안에 액정을 주입한 파브리-페롯 에탈론을 삽입하고, 액정에 전기적인 신호를 걸어주면 파브리-페롯 에탈론을 투과한 투과광의 자유분광범위(FSR; free spectral range)에 따라 파장 훑음 필터에서 다중 파장이 발진한다. 이때, 전기신호 발생부(140)에 의해 인가되는 전기적인 신호에 따라 발진되는 다중 파장이 변하게 되어, 파장 가변 다중 파장 광섬유 레이저를 구현할 수 있다.For example, if a Fabry-Perot etalon is injected into a fiber laser resonator and an electrical signal is applied to the liquid crystal, the free spectral range (FSR) of the transmitted light passing through the Fabry-Perot etalon Accordingly, multiple wavelengths oscillate in the wavelength-swept filter. At this time, multiple wavelengths oscillated according to an electrical signal applied by the electrical
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.It is to be understood that the above-described embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention and are not to be construed as limiting the scope of the present invention, and various modified embodiments are also within the scope of the present invention. It is to be understood that the technical scope of the present invention should be determined by the technical idea of the claims and the technical scope of protection of the present invention is not limited to the literary description of the claims, To the invention of the invention.
100: 광섬유 전기장 센서
110: 파장 훑음 레이저
120: 액정 소자
130: 전기신호 측정부
140: 전기신호 발생부
150: 편광자100: Fiber optic electric field sensor
110: Wavelength scanning laser
120: liquid crystal element
130: electric signal measuring unit
140: electric signal generator
150: Polarizer
Claims (6)
인가되는 전기 신호의 세기에 따라, 상기 광신호에 상응하는 입력광의 파장을 변화시키는 액정을 포함하며, 변화된 파장을 갖는 투과광을 출력하는 액정 소자; 및
시간 영역에서 상기 투과광에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 위치 변화를 측정하여 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 상기 투과광의 파장에 기초하여 상기 전기 신호의 세기 및 진동수 중의 적어도 하나를 측정하는 전기신호 측정부를 포함하는 광섬유 전기장 센서.A wavelength sweep laser for varying a wavelength of light and outputting an optical signal;
A liquid crystal device including a liquid crystal for changing a wavelength of input light corresponding to the optical signal according to an intensity of an applied electric signal and outputting transmitted light having a changed wavelength; And
Measuring an intensity of the transmitted light by measuring a change in position of a pulse that forms an analysis signal corresponding to the transmitted light in a time domain and measuring at least one of the intensity and the frequency of the electrical signal based on the measured wavelength of the transmitted light; A fiber optic electric field sensor comprising a signal measurement section.
상기 액정 소자는, 상기 액정을 포함하는 파브리-페롯 에탈론(fabry-perot etalon)을 포함하는 광섬유 전기장 센서.The method according to claim 1,
Wherein the liquid crystal device comprises a Fabry-Perot etalon including the liquid crystal.
상기 파장 훑음 레이저로부터 상기 광신호를 입력받고, 상기 광신호를 선편광으로 변환하여 상기 입력광을 상기 액정 소자로 출력하는 편광자를 더 포함하는 광섬유 전기장 센서.The method according to claim 1,
And a polarizer that receives the optical signal from the wavelength-swept laser, converts the optical signal into linearly polarized light, and outputs the input light to the liquid crystal element.
상기 파장 훑음 레이저는,
상기 파장 훑음 레이저의 광 경로에서, 인가되는 전기 신호의 세기에 따라 입력광의 투과 파장을 변화시키는 액정을 포함하고, 변화된 파장을 갖는 투과광을 출력하는 액정 소자를 포함하며,
상기 광섬유 전기장 센서는,
상기 투과광에 따라 변화되는 상기 광신호에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 시간 영역에서 측정하여 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 상기 투과광의 파장에 기초하여 상기 전기 신호의 세기 및 진동수 중의 적어도 하나를 측정하는 전기신호 측정부를 더 포함하는 광섬유 전기장 센서.1. An optical fiber electric field sensor comprising a wavelength-swept laser for varying a wavelength of light and outputting an optical signal,
The wavelength-
And a liquid crystal element including a liquid crystal for changing the transmission wavelength of the input light in accordance with the intensity of an applied electric signal in the optical path of the wavelength-swept laser and outputting transmission light having a changed wavelength,
The optical fiber electric field sensor comprises:
And measuring a wavelength of the transmitted light by measuring a change in position of a pulse with respect to a reference signal constituting an analysis signal corresponding to the optical signal changed in accordance with the transmitted light in a time domain, And an electric signal measuring unit for measuring at least one of an intensity and a frequency of the optical signal.
상기 다중 발진 레이저는, 상기 다중 발진 레이저의 광 경로에서, 인가되는 전기 신호의 세기에 따라 투과광의 파장을 변화시키는 액정을 포함하고, 상기 액정에 의해 변화된 복수의 파장을 갖는 투과광을 출력하는 액정 소자를 더 포함하고,
상기 투과광에 따라 변화되는 상기 광신호에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 시간 영역에서 측정하여 상기 투과광의 파장을 측정하고, 측정한 상기 투과광의 파장에 기초하여 상기 전기 신호의 세기 및 진동수 중의 적어도 하나를 측정하는 전기신호 측정부를 더 포함하는 다중 발진 레이저.1. A multiple oscillation laser comprising a wavelength sweep filter for varying the wavelength of light and outputting an optical signal,
Wherein the multi-oscillation laser comprises a liquid crystal for changing a wavelength of transmitted light according to an intensity of an electric signal applied in the optical path of the multi-oscillation laser, and a liquid crystal device for outputting transmitted light having a plurality of wavelengths changed by the liquid crystal Further comprising:
And measuring a wavelength of the transmitted light by measuring a change in position of a pulse with respect to a reference signal constituting an analysis signal corresponding to the optical signal changed in accordance with the transmitted light in a time domain, And an electric signal measuring unit for measuring at least one of an intensity and a frequency of the light.
상기 액정 소자로부터 출력되는 투과광에 상응하는 분석신호를 이루는 펄스의 기준 신호에 대한 위치 변화를 시간 영역에서 측정하여 상기 투과광의 파장을 측정하고, 상기 투과광의 파장으로부터 상기 전기 신호의 세기 및 진동수 중의 적어도 하나를 측정하는 단계를 포함하는 전기장 측정 방법.Changing a transmission wavelength of an input light corresponding to an optical signal provided from a wavelength-swept laser for varying a wavelength of light by a liquid crystal device including a liquid crystal to which an electric signal is applied; And
Measuring a change in position of a pulse with respect to a reference signal constituting an analysis signal corresponding to the transmitted light output from the liquid crystal element in a time domain to measure a wavelength of the transmitted light and measuring at least the intensity and frequency of the electrical signal from the wavelength of the transmitted light And measuring one of them.
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