사분파장 위상 간섭계 폴리머 광집적회로 기반 광전류센서의 온도 안정성 향상 연구
Improvement of the Thermal Stability of Optical Current Sensors Based on Polymeric Optical Integrated Circuits for Quadrature Phase Interferometry
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초록
광섬유가 지니는 패러데이 효과를 이용하여 전류의 세기를 측정하는 광전류 센서 소자를 설계 및 제작하였다. 센서 소자의 동작 안정성을 향상시키기 위하여 편광회전 반사 간섭계와 사분 파장 위상 간섭계 구조를 도입하였다. 이 복잡한 구조를 구성하는 다양한 광소자들은 하나의 폴리머 광집적회로로 구성하여 작은 크기로 제작되었다. 본 구조를 이용하면 외부에서 별도의 바이 어스 피드백 제어가 필요 없는 상태에서 전류를 측정하는 센싱 동작을 수행할 수 있다. 또한 온도변화나 외부진동으로 인한 광센서 특성 변화를 제거하여 안정적인 특성을 유지하는 광전류센서를 구현할 수 있다. 그러나 패러데이 효과를 결정짓는 베르데 상수는 온도에 따라 미소한 값의 변화를 가지고 있다. 본 연구에서는 이 변화로 인한 광전류센서의 온도의존성을 극복하기 위한 연구를 수행하였다. 편광회전 반사 간섭계의 부품인 광섬유 사분 파장판의 길이를 최적값으로부터 벗어나는 상태로 맞추어 줌으 로써 베르데 상수의 온도의존성에 의해 나타나는 광전류센서의 스케일 팩터 변화를 보상해줄 수 있었다. 온도변화를 보상한 광전 류센서는 주변 온도를 상온에서 85°C로 올리는 동안, 센서 측정 신호의 온도 의존성이 0.2% 이내로 유지되는 것을 확인했다.
Abstract
An optical current sensor device that measures electric current by the principle of the Faraday effect was designed and fabricated. The polarization-rotated reflection interferometer and the quadrature phase interferometer were introduced so as to improve the operational stability. Complex structures containing diverse optical components were integrated in a polymeric optical integrated circuit and manufactured in a small size. This structure allows sensing operation without extra bias feedback control, and reduces the phase change due to environmental temperature changes and vibration. However, the Verdet constant, which determines the Faraday effect, still exhibits an inherent temperature dependence. In this work, we tried to eliminate the residual temperature dependence of the optical current sensor based on polarization-rotated reflection interferometry. By varying the length of the fiber-optic wave plate, which is one of the optical components of the interferometer, we could compensate for the temperature dependence of the Verdet constant. The proposed optical current sensor exhibited measurement errors maintained within 0.2% over a temperature range, from 25°C to 85°C.
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