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문제 정의
- 광섬유에 1310nm 파장의 펄스형 광을 입사시키면 산란되어 돌아오는 빛을 검출하고 거리를 계산하면 거리에 따르는 전송손실분포, 장해점의 상태를 파악할 수 있다. 본 연구에서는 Rayleigh 후방산 란에 의한 광학적 특성을 규명하고 그 기술을 이용한 광섬유 유지보수용 OTDR 시스템을 구현하였다’
- 본 연구에서는 광섬유 진단용 시스템에 널리 사용되고 있는 Rayleigh 후방산란광을 이용하여 고장점 탐지를 위한 광계측시스템을 제작 실험하였다. 광원으로는 현재 통신용으로 널리 사용되고 있는 1310nm 파장의 NEC사의 OTDR용 고속 펄스용 레이저 다이오드를 사용하였으며, CPU를 이용하여 펄스를 제어를 수행하였다.
제안 방법
- OTDR은 단일모드 광섬유와 다중모드 광섬유의 두 종류로 구분되는데 여기서는 일반적인 단일모드 광섬유에 대하여 실험, 제작하였다. 광섬유에 1310nm 파장의 펄스형 광을 입사시키면 산란되어 돌아오는 빛을 검출하고 거리를 계산하면 거리에 따르는 전송손실분포, 장해점의 상태를 파악할 수 있다.
- 광신호처리부에서는 후방산 란된 광신호를 검출 증폭한 다음 디지털화하여 여러번 가산한 값을 최종적인 신호로 이용하였으며, 본 연구에서는 이러한 광신호처리부를 설계 제작하였다. 고속 신 호처리부를 위하여 최근 각광받고 있는 FPGA를 사용하여 신호처리부를 구성하였으며, CPU는 디지털신호처리 전용의 TMS320C31 40MHz CPU를 채택하였고 각종 측정 파라메타의 제어 및 측정신호의 고속연산을 수행한다. 수집된 신호는 여러번의 가산을 거쳐 RS232C 통신을 통 하여 PC로 전달되고 이 값을 화면에 표시하도록 하였다.
- 수광소자로 서는 양자효율이 높고 응답속도가 빠른 NEC 사의 NDL553P 계열의 FC/PC형 콘넥터가 부착된 APD를 이 용하였으며 광섬유와 광원 수광부를 연결하기 위하여 2 X2광커플러를 사용하였다. 광신호처리부에서는 후방산 란된 광신호를 검출 증폭한 다음 디지털화하여 여러번 가산한 값을 최종적인 신호로 이용하였으며, 본 연구에서는 이러한 광신호처리부를 설계 제작하였다. 고속 신 호처리부를 위하여 최근 각광받고 있는 FPGA를 사용하여 신호처리부를 구성하였으며, CPU는 디지털신호처리 전용의 TMS320C31 40MHz CPU를 채택하였고 각종 측정 파라메타의 제어 및 측정신호의 고속연산을 수행한다.
- 위에서 설명한 각각 LD 및 APD 모듈과 광신호처리부를 전체적으로 구성하여 실험하고 그 결과를 분석하였다. 먼저 LD를 구동하는 펄스형 신호를 CPU Board에서 발생시키고 S/W에서 측정거리에 따라 펄스폭을 제어할 수 있도록 하였다. 다음<그림2-5>는 4.
- 따라서 OTDR은 포설된 광선로상의 단락지점 또는 손상이 가해진 위치를 정확히 파악할 수 있게 한다. 본 시작품에서는 광선로 손실을 보다 정확히 측정하기 위하여 각종 회로상에서 발생되는 불규칙적인 노이즈를 제거하기 위한 방편으로서 반사파 광시호를 샘플링한 다음 최대 1만회까지 평균을 취하여 측정신호의 S/N비를 향상하도록 구성하였다 보다 빠른 측정과 보다 정확한 측정의 두 가지 목적을 동시에 달성하기 위하여 리얼타임 합산기 및 이를 제어하는 디지털 신호처리용 CPU인 TMS320c31 을 이용하여 설계 제작하 였다.
- 본 연구에서는 단일모드 광섬를 사용한 OTDR시스템 을과 같이 구성하여 설계 제작하였다.
- 게, 단거시 측정시에는 짧게 설정하였다. 본 연구에서는 측정거리를 크게 2, 5, 10, 40km로, 4개의 길이로 분류하고 펄스폭을 이에 상응하도록 설계하여 시험 시스템을 구성하였으며 펄스폭을 WOOns인 경우 최대 200km까지 측정가능하므로 최대 측정 거리를 40km로 설정하였다. OTDR시스템은 일반적으로 사용 파장에 따라 최대측정 거리가 정해지는데 13㎛대의 파장을 사용할 경우 최대 측정거리가 160km 정도이고 1.
- 본 연구에서의 광섬유 진단용 시스템은 가장 일반적으로 사용되는 Rayleigh 후방산란광을 이용하여 설계, 시험하였다. 최초의 OTDR은 수년동안 광섬유 표준시험 기기로 사용되었으며 주된 응용은 광 네트워크에 있어서 고장점 탐색 및 감쇠 측정에 대한 것이다.
- 고속 신 호처리부를 위하여 최근 각광받고 있는 FPGA를 사용하여 신호처리부를 구성하였으며, CPU는 디지털신호처리 전용의 TMS320C31 40MHz CPU를 채택하였고 각종 측정 파라메타의 제어 및 측정신호의 고속연산을 수행한다. 수집된 신호는 여러번의 가산을 거쳐 RS232C 통신을 통 하여 PC로 전달되고 이 값을 화면에 표시하도록 하였다. 광계측시스템의 평균화가 1000회일 경우 시스템의 충분한 특성을 구할 수 있었으며 화면에서 설정한 분해능은 5m 정도이다.
- 위에서 설명한 각각 LD 및 APD 모듈과 광신호처리부를 전체적으로 구성하여 실험하고 그 결과를 분석하였다. 먼저 LD를 구동하는 펄스형 신호를 CPU Board에서 발생시키고 S/W에서 측정거리에 따라 펄스폭을 제어할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 광섬유 진단용 시스템에 널리 사용되고 있는 Rayleigh 후방산란광을 이용하여 고장점 탐지를 위한 광계측시스템을 제작 실험하였다. 광원으로는 현재 통신용으로 널리 사용되고 있는 1310nm 파장의 NEC사의 OTDR용 고속 펄스용 레이저 다이오드를 사용하였으며, CPU를 이용하여 펄스를 제어를 수행하였다. 수광소자로 서는 양자효율이 높고 응답속도가 빠른 NEC 사의 NDL553P 계열의 FC/PC형 콘넥터가 부착된 APD를 이 용하였으며 광섬유와 광원 수광부를 연결하기 위하여 2 X2광커플러를 사용하였다.
- 광섬유 진단에 많이 사용되는 파장은 1310nm와 1550nm이다. 따라서 수광소자의 재질이 이 영역에서 동작되는 InGaAs계 APD를 사용하였다. 본 연 구에서 사용한 APD는 양자효율이 높고 응답속도가 빠른 NEC 사의 NDL5553P 계열의 싱글모드 광섬유와 FC/PC형 콘넥터가 부착된 것이다.
- OTDR에서는 피측정 광섬유에서 되돌아오는 후방산란광 (Rayleigh)o] 광원부로 역입사되어 시스템의 성능을 저하시킬 우려가 있다. 따라서 이 경우 광원부에 Isolator를 사용하거나 Coupler에서 후방산란광이 광원부로 들어가지 않도록 설계하여야 하므로 본 연구에서는 출사비율이 50:50의 특성을 가지는 Coupler# 사용하였으며 <그림 은 본 연구에서 제작한 광학부의 사진이다.
- 따라서 수광소자의 재질이 이 영역에서 동작되는 InGaAs계 APD를 사용하였다. 본 연 구에서 사용한 APD는 양자효율이 높고 응답속도가 빠른 NEC 사의 NDL5553P 계열의 싱글모드 광섬유와 FC/PC형 콘넥터가 부착된 것이다.
- 광원으로는 현재 통신용으로 널리 사용되고 있는 1310nm 파장의 NEC사의 OTDR용 고속 펄스용 레이저 다이오드를 사용하였으며, CPU를 이용하여 펄스를 제어를 수행하였다. 수광소자로 서는 양자효율이 높고 응답속도가 빠른 NEC 사의 NDL553P 계열의 FC/PC형 콘넥터가 부착된 APD를 이 용하였으며 광섬유와 광원 수광부를 연결하기 위하여 2 X2광커플러를 사용하였다. 광신호처리부에서는 후방산 란된 광신호를 검출 증폭한 다음 디지털화하여 여러번 가산한 값을 최종적인 신호로 이용하였으며, 본 연구에서는 이러한 광신호처리부를 설계 제작하였다.
- 광섬유를 진단하기 위해서 LD 를 매우 짧은 펄스 주기 폭으로 고속의 반복 주파수를 이용하여 구동시키는 것이 필수 적이다. 이러한 펄스를 발생시키기 위해 설계 제작된 펄스 공급기는 전류 스위 칭 소자로 고속의 SCR을 이용하였으며 출력광 형태는 펄스발생기의 Duty Cycle에 의해 정해진다. 실제 시작품 에서 사용한 NEC NDL5672P의 LD출력은 Fiber coupling power가 약 TL7dBm으로 약 66uW이다.
이론/모형
- 평균화법에는 단순평균, 하중평균, 이동평균, 지수평균 법이 있다. 본 연구에서는 가장 일반적인 평균화기법인 단순평균법을 이용하여 평균화회로를 설계하고 구성하였다
성능/효과
- 수집된 신호는 여러번의 가산을 거쳐 RS232C 통신을 통 하여 PC로 전달되고 이 값을 화면에 표시하도록 하였다. 광계측시스템의 평균화가 1000회일 경우 시스템의 충분한 특성을 구할 수 있었으며 화면에서 설정한 분해능은 5m 정도이다. 본 연구에서 광섬유 손실분포 및 장해점 탐지 기술을 이용하여 토목건축물의 안전진단 및 감시와 외부 침입자의 유무를 탐지할 수 있는 보안시스템으로의 응용이 가능하다.
후속연구
- 광계측시스템의 평균화가 1000회일 경우 시스템의 충분한 특성을 구할 수 있었으며 화면에서 설정한 분해능은 5m 정도이다. 본 연구에서 광섬유 손실분포 및 장해점 탐지 기술을 이용하여 토목건축물의 안전진단 및 감시와 외부 침입자의 유무를 탐지할 수 있는 보안시스템으로의 응용이 가능하다.
- OTDR시스템을 구성하기 위해서는 광원부와 수광부 그리고 피측정 광섬유와 접속을 위한 광결합부가 필요하다. 본 연구에서 설계 제작한 광원부는 단일모드 광섬유 용으로서 파장 1310nm의 LD(laser diode)를 펄스로 구 동하는 방법으로 향후 1550nm나 다중모드 광섬유용의 850nm 파장을 사용할 경우에는 광학부의 모듈만 따로 제작하여 사용하면 된다. 광섬유를 진단하기 위해서 LD 를 매우 짧은 펄스 주기 폭으로 고속의 반복 주파수를 이용하여 구동시키는 것이 필수 적이다.
- 51 伽에서)로 나타나 있다. 실험 결과는 이보다 손실이 약간 큰 것으로 나타나는데 향후 S/W적인 보상과 DSP에서의 보완을 거쳐 보다 특성이 우수한 시스템을 구현할 수 있을 것이다.
- 위의 결과는 시스템의 성능을 좀 더 보완하여 상품화 연구를 계속하여 OTDR의 국산화뿐만 아니라 다른 광계측 분야에도 다양하게 적용되어 추진한다면 국내 광계측 산업에 크게 기여 할 것으로 기대된다. 특히 광신호가 더 미세하고 측정속도가 더 빠른 것을 요구하는 DISCDstributed Tenpaerature Sensor) 분야에 보다 적합하게 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
- 위의 결과는 시스템의 성능을 좀 더 보완하여 상품화 연구를 계속하여 OTDR의 국산화뿐만 아니라 다른 광계측 분야에도 다양하게 적용되어 추진한다면 국내 광계측 산업에 크게 기여 할 것으로 기대된다. 특히 광신호가 더 미세하고 측정속도가 더 빠른 것을 요구하는 DISCDstributed Tenpaerature Sensor) 분야에 보다 적합하게 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
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