본 논문에서는 저가의 광통신용 단일모드 광섬유와 편광소멸기를 이용한 비편광 광섬유 자이로스코프(D-FOG)를 설계/제작하여, 성능을 평가하였다. D-FOG의 위상오차를 줄이기 위해 사용광원의 전류 및 온도 안정화 회로를 제작하여 그 성능을 분석하였다. 제작된 전류 및 온도 안정화 회로의 전류 안정도는 $200{\mu}A$ 미만, 온도 안정도는 $0.0098^{\circ}C$로 양호한 성능을 보였다. 또한, 본 논문에서 제작된 D-FOG의 회전 각속도 측정 범위는 ${\pm}50^{\circ}/s$, Scale factor error는 2.8881%로 양호한 선형성을 보였으며, zero bias drift는 $19.49^{\circ}/h$의 bias 안정도를 보였다. 이는 고가인 고복굴절 편광 유지 광섬유를 이용해 제작된 기존의 FOG에 비해 높은 가격효율성을 갖는 저가의 FOG 제자의 가능성을 보여준다.
본 논문에서는 저가의 광통신용 단일모드 광섬유와 편광소멸기를 이용한 비편광 광섬유 자이로스코프(D-FOG)를 설계/제작하여, 성능을 평가하였다. D-FOG의 위상오차를 줄이기 위해 사용광원의 전류 및 온도 안정화 회로를 제작하여 그 성능을 분석하였다. 제작된 전류 및 온도 안정화 회로의 전류 안정도는 $200{\mu}A$ 미만, 온도 안정도는 $0.0098^{\circ}C$로 양호한 성능을 보였다. 또한, 본 논문에서 제작된 D-FOG의 회전 각속도 측정 범위는 ${\pm}50^{\circ}/s$, Scale factor error는 2.8881%로 양호한 선형성을 보였으며, zero bias drift는 $19.49^{\circ}/h$의 bias 안정도를 보였다. 이는 고가인 고복굴절 편광 유지 광섬유를 이용해 제작된 기존의 FOG에 비해 높은 가격효율성을 갖는 저가의 FOG 제자의 가능성을 보여준다.
In this paper, we carried out the performance evaluation of depolarized fiber optic gyroscope(D-FOG) that was designed and fabricated with the low-cost optical communication single mode fiber and depolarizer. In order to reduce the phase error of D-FOG, the circuit of stabilized current and temperat...
In this paper, we carried out the performance evaluation of depolarized fiber optic gyroscope(D-FOG) that was designed and fabricated with the low-cost optical communication single mode fiber and depolarizer. In order to reduce the phase error of D-FOG, the circuit of stabilized current and temperature of the light source was made and the performance was analyzed. The current and the temperature stability of the fabricated stabilization circuit were less than $200{\mu}A$ and $0.0098^{\circ}C$, respectively. Also, the D-FOG's experimental result showed that the value of the dynamic range of rotated rate, the scale factor error with a good linearity, and the zero bias drift were ${\pm}50^{\circ}/s$, 2.8881%, and $19.49^{\circ}/h$, respectively. The results indicated that a low-cost FOG was able to fabricate which was more cost effective than conventional FOG with a high-cost high-birefringent polarization maintaining fiber.
In this paper, we carried out the performance evaluation of depolarized fiber optic gyroscope(D-FOG) that was designed and fabricated with the low-cost optical communication single mode fiber and depolarizer. In order to reduce the phase error of D-FOG, the circuit of stabilized current and temperature of the light source was made and the performance was analyzed. The current and the temperature stability of the fabricated stabilization circuit were less than $200{\mu}A$ and $0.0098^{\circ}C$, respectively. Also, the D-FOG's experimental result showed that the value of the dynamic range of rotated rate, the scale factor error with a good linearity, and the zero bias drift were ${\pm}50^{\circ}/s$, 2.8881%, and $19.49^{\circ}/h$, respectively. The results indicated that a low-cost FOG was able to fabricate which was more cost effective than conventional FOG with a high-cost high-birefringent polarization maintaining fiber.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 일반 광통신용 단일모드 광섬유와 편광소멸기를 이용한 저가의 D-FOG에 대한 설계 및 실험을 수행하여 그 특성을 분석한다. 본 논문의 II장에서는 FOG의 기본 원리 및 일반 광통신용 단일모드 광섬유를 이용한 D-FOG에 대하여 설명하고, 이장에서는 D-FOG의 광원 안정화회로의 설계 및 특성 실험 대하여 설명한다.
본 논문에서 광원의 중심 파장 안정화를 위해, 가장 단순한 방법 중 하나인 반도체 레이저의 구동 전류와 온도 제어를 통한 파장 안정화를 구현하였으며, 전체 구성도를 그림 5에 나타내었다. 여기서, 광원은 고휘도 다이오드(Super-luminescent diode : SLD로 파장이 1550nm, 출력 광의 파워는 1nW인 광통신용 광원을 사용하였다.
본 논문에서는 주변 환경 변화에 따른 FOG의 출력 위상오차를 줄이기 위해 고가의 고복굴절 편광유지 광섬유를 사용하던 기존의 방식에 비해 센서 제작의 원가 절감 및 저가의 중/하급 자이로스코프 제작을 위한 저가의 광통신용 단일모드 광섬유 및 센싱 루프의 한쪽 방향에만 편광소멸기를 적용한 비편광 광섬유 자이로스코프(D-FOG)를 설계/제작하고 그 특성을 평가하였다. 또한, D-FOG에 사용하는 광원의 파장은 Sagnac 위상차와 선형적으로 비례하기 때문에, D-FOG에서 발생할 수 있는 위상오차를 줄이기 위해, 광원의 전류 및 온도 안정화 회로를 설계/제작하였고* 그 결과 전류 안정도는 200μA 미만, 온도 안정도는 0.
가설 설정
여기서, 결합비가 50:50인 방향성 결합기를 가정하고, 간섭계의 손실을 무시하면, I1=I2+Iin/4으로 광 검출기의 출력 Io는 다음과 같이 표현할 수 있다.
제안 방법
사용하였다. 그림 11은 D-FOG 의 전체 실험 셋업을 보여주는 것으로, D-FOG의 Scale factor를 측정하기 위해, 회전 테이블 위에 센싱 루프를 설치해 회전 테이블의 속도를 가변시켜 가며, 광 검출기로 검출된 출력과 함수발생기의 동기신호를 기준신호로 하는 Lock-In Amp를 이용해 기준신호에 해당하는 주파수 성분을 검출하여 그 결과를 오실로스코프로 측정하였다.
그림 6은 본 논문에서 설계한 SLD의 전류 안정화 회로 및 온도 안정화 회로의 블록도를 나타낸 것으로, 전류치 설정부에서 SLD가 동작할 필요조건을 조정한 후, 비교기의 출력이 SLD 구동부를 동작시킬 때, 구동 전류를 측정하여 전류 안정화 궤환 루프를 통해 기준 전압과 비교하여 기준전압 보다 높으면 차단하고 기준 전압 보다 낮으면 동작되도록 하였으며, 전류의 안정도는 200μA보다 낮게 설계 하였다.
이러한 문제의 대안으로는 고가의 편광 유지 광섬유를 사용하는 것이지만, 중/저급의 FOG 제작에 있어서 가격 효율성을 극대화시키기 위해서는 일반 광통신용 단일모드 광섬유를 사용한 설계가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 일반 광통신용 단일모드 광섬유와 편광소멸기를 사용하여 D-FOG를 설계/구성하였다.
본 논문에서는 그림 3에 나타낸 D-FOG의 실험 구성도를 이용해 특성실험을 수행하였다. 먼저 본 논문에서 사용한 SLD는 QPHOTONICS사에서 제작된 광원으로 200mA의 주입전류에 대하여 ImW 출력을 나타내며, 중심 파장은 1550nm로 대략 50nm의 광대역 선폭을 가지고 있다.
본 논문에서는 그림 7에 나타낸 광원의 안정화 회로를 이용해 SLD 광원의 구동전류 대 출력특성 실험을 수행하였다. 본 특성실험에 사용한 SLD는 QPHOTONICS사의 제품으로 λ = 1550nm, 200mA의 구동전류에 대하여 1m W의 출력 광 파워를 갖는다.
또한 그림 13은 +8º/s, +25º/s, +60º/s 회전률에 대한 D-FOG의 아날로그 출력 파형을 나타내고 있으며, 여기서 확인할 수 있는 것은, 회전 각속도가 증가할수록 II장에서 설명했던 1차 고조파 성분의 진폭이 증가함을 확인할 수 있다. 이를 Lock-In Amp를 이용해 그 진폭을 측정하여 회전 각속도에 대한 dc 출력 전압을 측정하였다.
따라서 넓은 대역폭 및 낮은 가간섭성을 갖는 광원의 선택으로 산란과 편광의 상호결합에 의해 발생하는 위상오차를 줄일 수 있다. 이에 따라, 본 논문에서는 대역폭이 넓은 SLD를 FOG의 광원으로 선택하여 사용하며, SLD의 중심 파장은 높은 안정도와 신뢰도를 갖도록 하기 위해, 광원의 안정화 회로를 설계/제작하였다[11].
대상 데이터
D-FOG의 센싱 루프 구성은 저가형의 광통신용 단일모드 광섬유 500m을 원통형 스풀에 감아 사용하였다. 그림 11은 D-FOG 의 전체 실험 셋업을 보여주는 것으로, D-FOG의 Scale factor를 측정하기 위해, 회전 테이블 위에 센싱 루프를 설치해 회전 테이블의 속도를 가변시켜 가며, 광 검출기로 검출된 출력과 함수발생기의 동기신호를 기준신호로 하는 Lock-In Amp를 이용해 기준신호에 해당하는 주파수 성분을 검출하여 그 결과를 오실로스코프로 측정하였다.
먼저 본 논문에서 사용한 SLD는 QPHOTONICS사에서 제작된 광원으로 200mA의 주입전류에 대하여 ImW 출력을 나타내며, 중심 파장은 1550nm로 대략 50nm의 광대역 선폭을 가지고 있다. 또한 저가의 D-FOG을 설계하기 위하여 광섬유 커플러는 일반 단일 모드 광섬유로 이루어진 것을 사용하였고, 입력에 따른 2개의 출력은 각각 3dB의 삽입 손실을 가진다. 편광기는 ChiralPhotonics사의 삽입 손실이 2dB인 PMF로 구성된 편광기를 사용하였다.
특성실험을 수행하였다. 먼저 본 논문에서 사용한 SLD는 QPHOTONICS사에서 제작된 광원으로 200mA의 주입전류에 대하여 ImW 출력을 나타내며, 중심 파장은 1550nm로 대략 50nm의 광대역 선폭을 가지고 있다. 또한 저가의 D-FOG을 설계하기 위하여 광섬유 커플러는 일반 단일 모드 광섬유로 이루어진 것을 사용하였고, 입력에 따른 2개의 출력은 각각 3dB의 삽입 손실을 가진다.
본 논문에서 사용한 편광소멸기는 서로 길이가 다른 두 개의 고복굴절 편광 유지 광섬유(PMF)로 구성된 Lyot 편광소멸기로, 그 원리는 그림 4에 나타내었다.
본 특성실험에 사용한 SLD는 QPHOTONICS사의 제품으로 λ = 1550nm, 200mA의 구동전류에 대하여 1m W의 출력 광 파워를 갖는다. 제작된 SLD 광원의 전류 및 온도 안정화 회로를 이용해 측정한 주입전류 대 출력 광 파워는 SLD 주입전류를 2mA씩 증가시켜가며, 광 검출기로 그 출력을 측정한 결과로, 주입전류 대 출력 광 파워 특성곡선을 그림 8에 나타내고 있으며, QPHOTONICS사의 특성곡선 사양과 거의 일치함을 확인할 수 있다.
5에 나타내었다. 여기서, 광원은 고휘도 다이오드(Super-luminescent diode : SLD로 파장이 1550nm, 출력 광의 파워는 1nW인 광통신용 광원을 사용하였다.
또한 저가의 D-FOG을 설계하기 위하여 광섬유 커플러는 일반 단일 모드 광섬유로 이루어진 것을 사용하였고, 입력에 따른 2개의 출력은 각각 3dB의 삽입 손실을 가진다. 편광기는 ChiralPhotonics사의 삽입 손실이 2dB인 PMF로 구성된 편광기를 사용하였다. 그리고 위상 변조를 위해 PZT 위상 변조기를 이용하였으며' 이때, sine파 변조신호의 주파수는 40.
7㎑, 진폭은 207mVpp을 인가하여 사용하였다. 편광제거기는 비트 길이가 5mm, 직경이 125μm인 PMF를 사용하여 비트 길이의 100배인 50cm의 길이로 하였으며, 실험에 사용된 광섬유 소자들의 사양을 표1에 나타내었다.
데이터처리
49°/h로 측정되었다. 또한, 표 3은 기존의 고복굴절 편광유지 광섬유를 이용해 제작된 FOG의 등급 기준을 bias 안정도를 척도로 해서 나타낸 것[3]으로, 본 논문에서 제안한 저가의 광통신용 단일모드 광섬유와 편광소멸기를 이용한 D-FOG의 bias 안정도와 비교하였다. 표 3에서 보는 바와 같이, 상급의 FOG 의 경우에는 bias 안정도가 <0.
성능/효과
즉정한 것이다. 그 결과, 주입 전류 변화량은 0.1866mA로 측정되었고, 설계치인 200μA미만의 주입전류 안정성을 보였다.
있다. 그림 14, 15에서 보듯이 D-FOG를 이용해 측정한 회전 각속도의 선형성은 ±50º/s이하에서 양호하게 측정되었지만 그 이상에서는 다소 큰 Scale factor error를 유발하였고 그 결과, 본 논문에서 측정된 Scale factor error는 ±60º/s의 측정범위에서는 9.8135º/s로 다소 크게 나타났지만, 상대적 저속인 ±50º/s의 측정범위 내 에서는 2.8881%로 양호한 결과를 얻었다. 이는 스텝모터로 구성된 회전 테이블이 고속의 회전 각속도에서 상대적 불안정성으로 인해, 동일한 회전률에 대하여 D-FOG의 dc 출력값 변화가 다소 크게 발생한 것에 기인한 것으로 판단되며, 향후 정밀한 회전 테이블 제작과 D-FOG 패키지화함으로써 그 특성을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
또한, D-FOG에 사용하는 광원의 파장은 Sagnac 위상차와 선형적으로 비례하기 때문에, D-FOG에서 발생할 수 있는 위상오차를 줄이기 위해, 광원의 전류 및 온도 안정화 회로를 설계/제작하였고* 그 결과 전류 안정도는 200μA 미만, 온도 안정도는 0.0098℃ 로 높은 안정도를 보였다.
본 논문에서 제작한 저가의 중급 D-FOG의 측정 범위는 ±50º/s로, Scale factor의 측정 오차는 2.8881%로 양호한 결과를 보였으며, zero bias drift는 19.49º/h로 측정되었다. 이런 결과는 기존의 FOG에 사용되는 고가의 고복굴절 편광 유지 광섬유에 비해 보다 저가로 FOG를 구성할 수 있음으로 해서 높은 가격효율성을 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
본 특성실험에 사용한 SLD는 QPHOTONICS사의 제품으로 λ = 1550nm, 200mA의 구동전류에 대하여 1m W의 출력 광 파워를 갖는다. 제작된 SLD 광원의 전류 및 온도 안정화 회로를 이용해 측정한 주입전류 대 출력 광 파워는 SLD 주입전류를 2mA씩 증가시켜가며, 광 검출기로 그 출력을 측정한 결과로, 주입전류 대 출력 광 파워 특성곡선을 그림 8에 나타내고 있으며, QPHOTONICS사의 특성곡선 사양과 거의 일치함을 확인할 수 있다.
또한, 표 3은 기존의 고복굴절 편광유지 광섬유를 이용해 제작된 FOG의 등급 기준을 bias 안정도를 척도로 해서 나타낸 것[3]으로, 본 논문에서 제안한 저가의 광통신용 단일모드 광섬유와 편광소멸기를 이용한 D-FOG의 bias 안정도와 비교하였다. 표 3에서 보는 바와 같이, 상급의 FOG 의 경우에는 bias 안정도가 <0.01deg/h정도의 특성을 가지며, 중/하급의 경우에는 0.1deg/h 이상, 1000deg/h이하로 본 논문에서 제안한 방식인 D-FOG의 경우, bias 안정도가 19.49°/h으로 중/하급의 성능을 만족시킴을 알 수 있다. 또한, 기존 FOG의 센싱 광섬유로 사용되는 고복굴절 편광유지 광섬유의 가격은 일반광통신용 단일모드 광섬유의 m당 가격에 비해 거의 수십 배 이상의 고가로 본 논문에서 제안한 D-FOG를 적용함으로써, 저가의 가격경쟁력을 갖춘 중/하급의 광섬유 자이로스코프 구현이 가능할 것으로 기대된다.
후속연구
49°/h으로 중/하급의 성능을 만족시킴을 알 수 있다. 또한, 기존 FOG의 센싱 광섬유로 사용되는 고복굴절 편광유지 광섬유의 가격은 일반광통신용 단일모드 광섬유의 m당 가격에 비해 거의 수십 배 이상의 고가로 본 논문에서 제안한 D-FOG를 적용함으로써, 저가의 가격경쟁력을 갖춘 중/하급의 광섬유 자이로스코프 구현이 가능할 것으로 기대된다.
8881%로 양호한 결과를 얻었다. 이는 스텝모터로 구성된 회전 테이블이 고속의 회전 각속도에서 상대적 불안정성으로 인해, 동일한 회전률에 대하여 D-FOG의 dc 출력값 변화가 다소 크게 발생한 것에 기인한 것으로 판단되며, 향후 정밀한 회전 테이블 제작과 D-FOG 패키지화함으로써 그 특성을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
49º/h로 측정되었다. 이런 결과는 기존의 FOG에 사용되는 고가의 고복굴절 편광 유지 광섬유에 비해 보다 저가로 FOG를 구성할 수 있음으로 해서 높은 가격효율성을 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
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