This dissertation describes an erbium-doped fiber laser operating in orthogonally polarized dual-frequency modes and its application to electric current sensing with frequency read-out. A Faraday rotating mirror and spatial hole burning effects in a gain medium and in a saturable absorber are utilized to control the lasing mode and polarization. The polarization mode beat (PMB) frequency changes linearly in response to an external magnetic field induced by an electric current. When the laser was applied to sensing an alternating current (AC) of a solenoid (1528 turns, 42 cm long), the PMB frequency was modulated in proportional to the applied current with the slope coefficient of 8.3 kHz/A.
A simple frequency demodulation technique based on a phase-locked loop (PLL) circuit is used for signal processing. The scale factor of 3.5 μV/(Aㆍturn) and the noise-equivalent current of $2.0 A_{rms}\cdot turn/Hz^{1/2}$ were obtained. The fiber laser sensor in the present set-up would not be suitable for a direct current (DC) measurement because of the drift and hopping of the PMB frequency. However, this problem can be largely tolerated in the case of an AC measurement.
The polarimetric fiber laser current sensor has the potential advantages of frequency encoding, immunity to intensity fluctuations, and freedom from lead-fiber sensitivity, which are difficult to achieve with previous passive polarimetric current sensors. Resulting from these advantages, the laser sensor can be easily extended to an array structure by use of frequency division multiplexing (FDM) and/or wavelength division multiplexing (WDM) technique.
We propose and demonstrate a novel frequency domain multiplexing technique of polarimetric fiber laser current sensors. Each sensor operates at a different PMB frequency that is determined by the cavity length of individual laser. A bank of electrical bandpass filters can be used to separate signals from different sensors. Furthermore, a wavelength division multiplexed polarimetric fiber laser sensor array for current sensing is demonstrated. Each sensor laser is designed to have a different optical wavelength by using gratings of different center wavelength. However, we make all of lasers have the same cavity length, therefore, have the same PMB frequency in order to use the same PLL signal processor for all of the sensors. A tunable optical Fabry-Perot filter is used for discriminating each sensor signal from the multiplexed signals. The noise -equivalent currents were about a few $A_{rms}\cdot turn/Hz^{1/2}$ and the cross-talk between the sensors was measured to be smaller than -50 dB in both FDM and WDM scheme.
본 논문에서는 서로 수직한 두 개의 원편광모드로 발진하는 광섬유 레이저를 제작하고 그 특성에 관하여 연구하였다. 또한 이 레이저를 전류센서로 응용해서 그 특성을 조사하였다.
두 개의 수직한 편광모드가 안정하게 발진하는 레이저를 제작하기 위해서 패러데이 회전거울과 포화흡수체를 사용했다. 패러데이 회전거울이 편광방향을 90도 회전시켜서 반사하는 경우에는 레이저 출력경 위치에서의 고유 편광모드는 공진기의 복굴절에 상관없이 항상 원편광이 된다. 또한 포화흡수체를 출력경 쪽에 위치시키면 흡수격자 효과에 의해서 선폭이 가는 필터로 작용하게 되어 레이저의 발진모드 수를 크게 줄일 수 있다.
이 레이저는 두 편광모드간의 주파수 차이가 공진기의 가역적인 복굴절에는 무관하고 비가역적인 복굴절에 의해서만 변화되는 특성을 가지므로 전류센서로 응용할 수 있다. 즉 전류에 의해서 자기장이 레이저 공진기에 가해지면 패러데이 효과에 의해서 비가역적인 원복굴절이 유도되고, 그에 따라 두 편광모드의 주파수 차이가 변화된다. 따라서 두 편광모드를 간섭시켜서 편광모드 맥놀이 주파수의 변화를 측정하면 인가된 전류를 측정할 수 있다. 실제로 본 센서로 솔레노이드(1528 회, 42 cm)의 전류를 측정한 결과, 편광모드 맥놀이 주파수가 전류에 따라 8.3 kHz/A의 기울기를 가지고 선형적으로 변화했다.
센서의 신호처리를 위해서 주파수의 변화를 전압의 변화로 바꿔주는 위상동기회로를 사용했다. 이 신호처리기를 사용한 결과 전류에 따라 신호처리기의 출력전압은 3.5 μV/(Aㆍturn)의 비례계수를 가지고 선형적으로 변화하였으며, 잡음등가전류(감도)는 $2.0A_{rms}\cdot turn/$Hz^{1/2}$였다.
이 센서의 오차요인으로는 레이저 자체의 불안정성, 감지부 광섬유의 복굴절 변화, 이상적이지 못한 패러데이 회전거울 등이 있다. 특히 패러데이 회전거울이 이상적이지 못해 편광방향을 정확히 90도 회전시키지 못하는 경우에는 두 편광모드의 주파수 차가 공진기 복굴절의 함수가 된다. 따라서 공진기의 복굴절이 변화하면 그에 따라서 편광모드 맥놀이 주파수도 변화하게 되며, 이는 교류전류를 측정하는 경우에는 문제가 되지 않지만 직류전류를 측정하는 경우에는 큰 오차를 주게된다.
이러한 전류센서의 장점은 센서의 신호가 주파수 변화로 나타나기 때문에 신호처리가 간단하고, 전송 광섬유를 지나는 동안 빛의 편광과 세기가 변화해도 전류측정에 오차가 발생하지 않는다는 것이다. 또한 주파수 변화가 가역적인 복굴절 변화에는 무관하므로 온도변화, 스트레인, 진동 등의 외부의 섭동에 대해서 센서의 특성이 변화되지 않는 장점이 있다. 이런 장점들로 인해서 본 센서는 주파수 분할 다중화 기법이나 파장 분할 다중화 기법을 사용해서 전류센서 어레이로의 확장이 용이하다. 주파수 분할 다중화 기법은 각 센서의 신호를 서로 다른 주파수에 실어보내 각 센서의 신호를 구별하는 방법이고, 파장 분할 다중화 기법은 각 센서의 신호를 서로 다른 파장에 실어보내는 방법이다.
주파수 분할 다중화 방식을 사용하는 전류센서 어레이를 제안하고, 실험적으로 구현하였다. 각 레이저의 길이를 다르게 해서 각 센서 레이저는 서로 다른 편광모드 맥놀이 주파수를 가지도록 했다. 또한 파장 분할 다중화 방식을 사용해서 전류센서 어레이를 구현하였다. 서로 다른 반사파장을 가지는 광섬유 브래그 격자를 사용해서 각 레이저가 서로 다른 발진파장에서 동작하도록 했다. 두 방식 모두 교류전류를 측정한 결과 잡음등가전류는 수 $A_{rms}\cdot turn/Hz^{1/2}$였이며, 센서들간의 신호누화는 -50 dB 이하였다.
