​

눈을 감고 회전 의자에 앉아 있다고 상상해 보세요. 얼마나 빨리 회전하고 있는지 어떻게 알 수 있나요? 기존 자이로스코프는 고속 회전 '로터'에 의존하여 회전을 감지하지만, 현대 기술은 더 독창적인 솔루션을 제공합니다. 광섬유 층을 통해 빛이 경주하도록 하는 것입니다. 이것이 바로 광섬유 자이로스코프(FOG)입니다. 움직이는 부품 없이 핀포인트 정확도로 회전을 감지하는 최첨단 장치입니다.

1. 광섬유 자이로스코프란 무엇인가요?

광섬유 자이로스코프는 회전하는 기준 프레임에서 빛의 전파 특성의 변화를 활용하여 각속도를 측정하는 관성 센서입니다. MEMS 자이로스코프 또는 기계식 자이로스코프와 달리 회전하는 질량 블록이나 기계적 구조가 없습니다. 핵심 구성 요소에는 다중 권선 광섬유 루프, 광원 및 광전 감지기가 포함됩니다.

그림 1.1 다양한 크기의 단축 FOG (출처: GUIDENAV)

광섬유 자이로스코프는 매우 넓은 측정 범위를 자랑하며, 매우 느린 회전(0.01°/h ≈ 3×10⁻⁶°/s, 즉 지구 자전 각속도의 1%)과 헬리콥터 프로펠러와 같은 고속 회전(예: 600°/s)을 모두 감지할 수 있습니다. 마치 '스마트 자'와 같아서, 마이크론 수준의 차이를 구별하면서 수 킬로미터 길이의 다리를 신속하게 측정하여 동적 범위와 정밀도 사이에서 뛰어난 균형을 이룹니다.

그림 1.2 단축, 양축 및 삼축 FOG (출처: KVH)

더욱 놀라운 점은 빛의 속도로 작동하여 '제로 지연 시간으로 즉시 활성화'할 수 있다는 것입니다. 로터가 정상 상태에 도달할 때까지 기다려야 하는 기존 기계식 자이로스코프와 달리, 이 '제로 시작' 이점은 즉각적인 응답이 필요한 첨단 기술 분야에서 혁신적입니다.

그림 1.3 소규모 저정밀 FOG (출처: NEDAERO 및 KVH)

그림 1.4 단축 및 삼축 FOG 비교

표 1.1 단축 및 삼축 광섬유 자이로스코프 선택 비교

광섬유 자이로스코프(FOG)는 기계적 움직이는 부품이 없고, 높은 신뢰성, 즉시 시작, 높은 정밀도 및 쉬운 통합과 같은 많은 장점을 가지고 있습니다. 항공 우주, 선박 항해, 수중 항해 및 고급 관성 측정 시스템에 널리 사용됩니다.

그림 1.5 FOG의 일반적인 응용 분야 (출처: FOG Photonics)

II. 핵심 원리 – 사그낙 효과

광섬유 자이로스코프의 핵심은 간단한 사고 실험입니다.

두 명의 주자가 동시에 같은 지점에서 출발하는 원형 트랙을 상상해 보세요. 한 명은 시계 방향으로 달리고 다른 한 명은 시계 반대 방향으로 달립니다. 트랙 자체가 회전하면 시계 방향 주자가 회전 방향을 '향하여' 먼저 결승선에 도달하고, 시계 반대 방향 주자는 방향을 '쫓아' 약간 늦게 도착합니다. 둘 다 같은 거리를 달리지만 도착 시간은 약간의 차이가 있습니다.

그림 2.1 트랙이 회전함에 따라 반대 방향으로 움직이는 두 주자가 변경 지점에서 만납니다.

사그낙 효과에서 링 광학 경로에서 빛의 전파는 이 과정과 완전히 유사합니다. 시계 방향과 시계 반대 방향으로 전파되는 두 개의 빛줄기는 동일한 기하학적 경로를 따르지만, 감지기에 도달하는 시간 차이는 전파 중 시스템의 회전으로 인해 발생하며, 위상 차이를 초래합니다.

그림 2.2 사그낙 효과

광섬유 자이로스코프에서 빛은 속도가 비슷한 두 명의 운동선수처럼 작동하며, 광섬유는 경주 트랙 역할을 합니다. 광학 영역에서 이 현상의 본질은 훨씬 더 놀랍습니다. 고전 물리학에서 관찰되는 단순한 중첩을 초월합니다. 상대성에 따르면 빛의 속도는 일정하게 유지됩니다. 실제로 변화하는 것은 회전 회로 내에서 빛이 통과해야 하는 '유효 경로'입니다.

광원에서 나오는 저간섭 빛은 두 개의 빔으로 분할되어 동일한 코일형 광섬유에 주입되며, 한 빔은 시계 방향으로 이동하고 다른 빔은 시계 반대 방향으로 이동합니다. 장치가 정지해 있으면 두 빔이 간섭 없이 동시에 반환됩니다. 그러나 장치가 회전하면 시계 방향으로 이동하는 빔은 계속해서 '도망가는' 종점을 만나 추가 거리를 커버해야 하고, 시계 반대 방향 빔의 종점은 정면으로 '접근'합니다.

그림 2.3 광학 경로에 들어오고 나가는 빛

이 위상 차이는 피코초(1조분의 1초) 단위로 측정되는 극히 작지만, 정교한 광학 시스템으로 포착하여 회전 신호로 변환할 수 있습니다. 실험에 따르면 이 위상 차이의 크기는 시스템의 회전 각속도에 정비례하며, 간섭 신호의 위상 변화를 감지하여 각속도를 추론할 수 있습니다. 사그낙 효과로 알려진 이 현상은 광섬유 자이로스코프에서 각속도 측정을 위한 물리적 기반을 형성합니다.

III. 구성

광섬유 자이로스코프는 사그낙 효과를 기반으로 회전 각속도를 측정하지만, 물리적 원리만으로는 충분하지 않으며, 이 작은 광학 효과를 읽을 수 있는 측정 결과로 변환하기 위한 일련의 특정 장치도 필요합니다.

전반적으로 광섬유 자이로스코프는 단일 장치가 아니라 광원, 커플러, 광섬유 루프, 감지기 및 신호 처리 회로를 포함한 여러 구성 요소의 조합입니다. 이러한 구성 요소는 협력하여 광섬유 내에서 빛의 전파 및 간섭을 가능하게 하여 궁극적으로 회전과 관련된 전기 신호를 생성합니다.

그림 3.1 일반적인 개방 루프 FOG 워크플로우

그림 3.2 일반적인 폐쇄 루프 FOG 워크플로우

​