[논문]OFDR을 이용한 PZT형 파장가변 필터의 이력 측정

박도현; 예윤해

doi:10.3807/hkh.2008.19.1.036

초록
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PZT형 파장가변 필터를 이용하여 파장스윕(wavelength-swept) 광원을 구성할 때 발진파장의 변화율을 일정하게 하려면 필터의 이력(hysteresis)특성을 알아야 한다. 이력특성을 무시하고 필터를 구동할 경우 파장스윕 광원을 사용하는 optical frequency domain reflectometry(OFDR) 시스템의 분해능이 떨어진다. 광스펙트럼 분석기(OSA)를 이용하여 필터의 이력특성을 측정할 수도 있지만 측정시간이 너무 길고 실제 구동조건에서의 이력특성은 측정할 수 없다는 문제가 있어 실제 구동조건에서 필터의 이력특성을 고속으로 측정할 수 있는 OFDR의 원리에 기초한 이력 측정법을 제시하였다. 파장스윕 광원과 간섭계, 신호처리 장치, 그리고 PC 프로그램으로 구성된 고속 이력측정장치를 구현하고, 이를 사용하여 필터 구동조건에서의 이력특성을 측정하였다. 마지막으로 측정된 이력특성을 파장스윕광원의 구동에 적용하여 선형적 파장변화를 얻음으로써 새로운 이력측정법의 유효성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Implementation of a wavelength-swept source with constant tuning rate adopting a PZT-type tunable filter, requires the knowledge of hysteresis of the filter used. The hysteresis must be considered to avoid any degradation in resolution of the optical frequency domain reflectometry (OFDR) system. An ...

Implementation of a wavelength-swept source with constant tuning rate adopting a PZT-type tunable filter, requires the knowledge of hysteresis of the filter used. The hysteresis must be considered to avoid any degradation in resolution of the optical frequency domain reflectometry (OFDR) system. An optical spectrum analyzer (OSA) could be used to do the hysteresis measurement, but its measurement time is too long for the high-speed driving conditions for the filter. We proposed a new hysteresis measurement method based on OFDR, which could measure the hysteresis in a real driving condition. A hysteresis measurement apparatus consisted of wavelength-swept source, interferometer, signal processing unit, and PC program is built and used to do the measurement. It is concluded that the new method is useful in the measurement of hysteresis at real driving conditions by successfully implementing a swept-wavelength source whose wavelength change is linear in time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 TF의 비선형성이 OFDR의 출력에 미치는 영향을 이용하여 OSA를 이용하지 않고도 TF의 이력특성을 고속으로 측정할 수 있는 장치에 대한 연구 결과를 기술하였다.

제안 방법

따라서 그림 11에서 맨 위 파형은 1V 전압범위에 해당하는 광출력 파형이고 맨 아래 파형은 Hanning windowing후 FFT한 결과로서 스펙트럼 피크의 위치가 간섭계 출력의 주파수이다. PC 프로그램은 저장된 구동신호 1주기 동안의 데이터를 사용하여 간섭계 출력광의 주파수를 자동으로 계산하도록 설계되었으며, 이 결과로부터 파장변화율을 계산하였다. 측정된 주파수는 그림 3의 Tunable source의 파장변화율에 비례하므로 측정결과로부터 광원의 파장변화율을 계산할 수 있다.
그림 11은 이력특성의 측정과정을 보인 것으로 TF의 인가전압에 따른 파장스윕 광원의 주파수 변화율을 측정하기 위하여 1 V 전압범위에 해당하는 사각 window를 이동해가면서 선택한 간섭신호를 Hanning windowing하고, 이를 FFT 하여 간섭출력의 주파수를 측정하였다. 이 과정을 위해 구동파형인 톱니파 1주기 동안의 광출력을 PC로 전송하여 저장하였으며, 저장된 데이터에서 사각 window로 선택한 데이터가 그림 11의 맨 위 파형이다.
PZT 형 파장가변 필터를 사용한 파장스윕 광원은 필터의 이력특성 때문에 OFDR 출력 스펙트럼의 폭이 측정거리에 비례하여 증가하며, 따라서 시스템의 분해능이 측정 깊이에 비례하여 떨어질 수 있음을 확인하였다. 또, 광 스펙트럼 분석기를 사용한 이력특성의 측정에 수 시간 이상의 시간이 소요됨을 실험으로 확인하고 OFDR을 이용하여 필터의 실제 구동조건에서 실시간으로 이력특성을 측정할 수 있음을 제안하였다. 제안된 방식을 적용한 이력 측정 장치를 파장스윕 광원과 간섭계, 신호처리 장치, 그리고 PC 프로그램을 결합하여 제작하였다.
본 연구에서는 TF의 비선형성이 OFDR의 출력에 미치는 영향을 이용하여 OSA를 이용하지 않고도 TF의 이력특성을 고속으로 측정할 수 있는 장치에 대한 연구 결과를 기술하였다. 이를 위해 OFDR을 위한 광학계와 신호처리를 결합하여 이력특성 평가장치를 실제로 구현하고, 이를 이용하여 TF의 비선형성을 측정하였다. 마지막으로 측정된 결과로부터 선형적 동작을 위한 구동파형을 구하였으며, 이를 이용하여 TF를 구동할 때의 OFDR 출력을 관측함으로써 비선형성 평가방법과 장치의 유효성을 입증하였다.
또, 광 스펙트럼 분석기를 사용한 이력특성의 측정에 수 시간 이상의 시간이 소요됨을 실험으로 확인하고 OFDR을 이용하여 필터의 실제 구동조건에서 실시간으로 이력특성을 측정할 수 있음을 제안하였다. 제안된 방식을 적용한 이력 측정 장치를 파장스윕 광원과 간섭계, 신호처리 장치, 그리고 PC 프로그램을 결합하여 제작하였다. 제작된 장치의 이력측정시간은 필터의 구동 신호의 주기와 같아서 구동주파수가 100 Hz일 때에는 실효 측정 시간이 1/100초이었다.

대상 데이터

본 실험에서 이력특성의 평가에 사용된 TF는 본 연구실이 보유중인 다수의 LambdaQuest사 TF 중에서 이력특성이 우수한 필터를 선택한 것으로 이 필터의 이력특성은 그림 8과 같다.

데이터처리

제작된 장치의 이력측정시간은 필터의 구동 신호의 주기와 같아서 구동주파수가 100 Hz일 때에는 실효 측정 시간이 1/100초이었다. 측정된 결과를 필터구동 파형의 설계에 이용하여 파장변화율이 일정한 파장스윕 광원을 구현함으로써 제안된 측정방식의 유효성을 확인하였다.

성능/효과

PZT 형 파장가변 필터를 사용한 파장스윕 광원은 필터의 이력특성 때문에 OFDR 출력 스펙트럼의 폭이 측정거리에 비례하여 증가하며, 따라서 시스템의 분해능이 측정 깊이에 비례하여 떨어질 수 있음을 확인하였다.
본 실험에서 이력특성의 평가에 사용된 TF는 본 연구실이 보유중인 다수의 LambdaQuest사 TF 중에서 이력특성이 우수한 필터를 선택한 것으로 이 필터의 이력특성은 그림 8과 같다. 그림 8의 데이터를 얻기 위해 사용된 SOA는 Agilent사의 86142A로서 PZT전압을 8V에서 시작하여 매 14초 마다 0.5V 단위로 18V까지 증가시켰다가 감소시키는 과정을 반복하여 측정된 것으로 PZT에 인가된 전압을 삼각파로 보았을 때 주기는 약 563초이고, 측정 횟수는 총 1260회로 측정에 소요된 시간은 4.8시간이었다. 매 측정당 소요시간은 14초로서 OSA를 PC와 연결하여 0.
이를 위해 OFDR을 위한 광학계와 신호처리를 결합하여 이력특성 평가장치를 실제로 구현하고, 이를 이용하여 TF의 비선형성을 측정하였다. 마지막으로 측정된 결과로부터 선형적 동작을 위한 구동파형을 구하였으며, 이를 이용하여 TF를 구동할 때의 OFDR 출력을 관측함으로써 비선형성 평가방법과 장치의 유효성을 입증하였다.
8시간이었다. 매 측정당 소요시간은 14초로서 OSA를 PC와 연결하여 0.04nm의 분해능으로 자동 측정할 때의 최소 소요시간이었으며, PZT 전압은 통과파장을 1533 nm부터 1568 nm의 범위로 설정하기 위하여 선택되었다. 4.
그림 13의 파형으로 TF를 구동하면서 그림 10의 실험을 반복한 결과를 그림 14에 보였다. 스펙트럼 폭이 광로차에 비례하지 않고 비교적 일정한 것으로 보아 비선형성이 제거된 것으로 결론을 내릴 수 있다.
그림 4는 이력이 큰 특정 PZT형 광섬유 TF의 구동전압과 통과파장과의 관계를 측정한 것으로 TF에 약 4주기의 삼각파(주파수 1 mHz 이하)를 인가하면서 통과파장의 변화를 측정한 것이다. 처녀상태 (virgin state)에서부터 시작하여 통과파장의 변화와 함께 약 10%정도의 상당히 큰 이력 특성이 보이며, 필터의 온도변화에 의한 것으로 추정되는 드리프트 성분(시간에 따라 통과파장이 증가하고 있슴)도 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 구동전압과 통과파장과의 비선형성은 간섭계의 경로차가 일정하고, 필터의 구동파형으로 시간에 따른 전압의 변화율이 일정한 삼각파 또는 톱니파를 사용하는 경우에도 출력광의 주파수가 일정하지 않다는 것을 의미하며, 역으로 간섭계의 광로차를 고정한 상태에서 필터의 구동파형을 삼각파 또는 톱니파로 하였을 때 간섭계의 출력주파수를 측정하면 필터, 즉 PZT의 이력특성을 측정할 수 있다는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TF의 이력특성을 직접적인 방법으로 측정할 수 없는 이유는 무엇인가?	이들 응용에서는 시간에 따른 통과파장의 변화가 선형성을 갖도록 구동할 필요가 있으며, 이를 위해 실제 구동조건에서 TF의 이력특성을 정확히 알아야 한다. TF의 이력특성을 직접적인 방법으로 측정하려면 전압에 따른 PZT의 길이변화를 1 pm 정도의 정밀도로 측정할 수 있는 도구가 있어야 하지만 현실적으로 불가하다. TF의 이력특성을 간접적으로 측정할 수 있는 범용 계측기로는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer: OSA)가 유일하다.
	형 광섬유 PZT TF에서 통과 파장을 가변하기 위해 사용되는 소자는 PZT 소자는 어떠한 특성을 가지는가?	뛰어난 분해능과 고속 동작능력 때문에 이들 필터는 OFDR을 이용하는 주파수 영역 optical coherence tomography(OCT)용 광원에서의 핵심 소자이며,[6-10] fiber Bragg grating(FBG) 센서의 출력으로부터 물리량 정보를 해석하는 데에도 유용하게 사용되고 있다.[5] 이들 TF에서 통과파장을 가변하기 위해 사용되는 소자인 PZT 소자는 이력(hysteresis)특성을 가지므로 필터의 통과파장과 인가전압 간의 관계에 비선형 성이 존재한다. 따라서 TF의 비선형성 때문에 TF를 사용한 파장 스윕광원(wavelength-swept source)에서 TF를 삼각파 또는 톱니파로 구동하여도 광출력 파장의 변화율은 일정하지 않다.
	OSA를 이용하여 TF의 이력측정을 할 때 어떠한 단점이 존재하는가?	TF의 이력특성을 간접적으로 측정할 수 있는 범용 계측기로는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer: OSA)가 유일하다. 고가의 계측장비인 OSA를 사용하여 TF의 정확한 이력특성을 측정하기 위해서는 전압에 따른 통과파장을 측정하여야 하는데 매 측정마다 OSA가 TF의 가변파장범위 전체(free spectral range: FSR)를 스캔하여야 하므로 측정에 많은 시간이 소요된다. 그리고 측정시간 동안 PZT에 인가된 전력의 가열효과와 주변온도의 변화 때문에 드리프트가 발생하여 이력측정값에 비교적 큰 오차가 포함될 수도 있다. TF의 구동주파수와 구동전압은 TF의 응용에 따라 바뀌는데 반해 OSA를 이용한 이력특성의 측정에는 최소 10분 이상 소요되는 점을 고려할 때 실제 구동조건에서 TF의 이력 특성을 OSA로 측정하는 것은 현실적으로 불가능하다.

참고문헌 (14)

J. Stone and D. Marcuse, 'Ultrahigh finesse fiber fabryperot interferometers,' IEEE J. Lightwave Technol., vol. 4, no. 4, pp. 382-385, 1986

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J. Stone and L. W. Stulz, 'Pigtailed high-finesse tunable fibre Fabry-Perot interferometers with large, medium and small free spectral ranges,' Electron. Lett., vol. 23, no. 15, pp. 781-783, 1987

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예윤해, '파장가변 필터를 위한 Plane-Concave Fabry-Perot 공진기의 해석,' 한국광학회지. vol. 15, no. 6, pp. 495-502, 2004

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C. M. Miller and F. J. Janniello, 'Passively temperaturecompensated fibre Fabry-Perot filter and its application in wavelength division multiple access computer network,' Electron. Lett., vol. 26, no. 25, pp. 2122-2123, 1990

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A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, 'Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter,' Optics Lett., vol. 18, no. 16, pp. 1370-1372, 1993

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Oleg V. Kazharsky, 'Optical waveguides testing with diode lasers,' Optics and Photonics News, pp. 52-54, Oct. 1996
M. S. Oh, H. S. Park, and B. Y. Kim, 'Optical frequencydomain reflectometry based on wavelength-swept modelocked fiber laser,' IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 4, pp. 266-268, 2003

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D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, 'Optical coherence tomography,' Science, vol. 254, pp. 1178-1181, 1991

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R. Huber, M. Wojtkowski, K. Taira, J. Fujimoto, and K. Hsu, 'Amplified, frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles,' Opt. Express, vol. 13, no. 9, pp. 3513-3528, 2005

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R. Huber, M. Wojtkowski, and J. G. Fujimoto, 'Fourier Domain Mode Locking (FDML): A new laser operating regime and applications for optical coherence tomography,' Opt. Express, vol. 14, no. 8, pp. 3225-3237, 2006

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C. Miller, T. Li, J. Miller, F. Bao, and K. Hsu, 'Multiplexed fiber gratings enhance mechanical sensing,' Laser Focus World, pp. 119-123, Mar. 1998
김종섭,송민호,'시간지연 샘플링을 이용한 광섬유격자 센서어레이의 선형 복조,' 한국광학회지, vol. 15, no. 1, pp. 34-38, 2004

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구현덕,이상배,최상삼,송석호,김필수,조남소,김남식, '파장 가변 협대역 투과 필터를 이용한 광섬유격자 동적 센서 시스템,' 한국광학회지, vol. 12, no. 2, pp. 91-97, 2001

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S. H. Yun, D. J. Richardson, and B. Y. Kim, 'Interrogation of fiber grating sensor arrays with a wavelength-swept fiber laser,' Opt. Lett., vol. 23, no. 11, pp. 843-845, 1998

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