2026-01-09
광원은 광섬유 자이로스코프에서 광 신호의 시작점입니다. 주요 기능은 안정적인 빛을 생성하여 시스템에 보내는 것입니다. SLD 또는 ASE 광원과 같은 낮은 간섭성 광이 자주 사용됩니다.
그림 3.3 FOG 광원
광원에서 방출된 빛은 먼저 커플러로 들어가 균일하게 두 개의 빔으로 분할되어 후속 광학 경로(광섬유)로 안내됩니다. 커플러를 통해 원래 단일 경로의 빛은 시계 방향과 반시계 방향으로 모두 전파되도록 할당되어, 이후 Sagnac 효과를 활용하기 위한 기반을 마련합니다.
광섬유 커플러는 광 신호를 재분배하도록 설계된 광섬유 구성 요소입니다. 광 분배기, 광 결합기 및 광 커플러와 같은 다양한 광섬유 장치를 포함합니다. 이 구성 요소는 단일 섬유에서 여러 섬유로 신호를 분배하거나 여러 섬유에서 단일 섬유로 신호를 결합할 수 있습니다.
그림 3.4 광섬유 커플러
X-커플러는 분배기와 결합기의 기능을 단일 패키지 내에 통합합니다. 두 개의 입력 섬유에서 광 파워를 결합 및 분배한 다음 두 개의 출력 섬유로 개별적으로 전송합니다. 2×2 커플러라고도 합니다.
그림 3.5 X-타입 커플러 (2x2)
Y-접합 도파관은 독특한 Y자형 구성을 특징으로 하는 Y자형 커플러의 일종입니다.
광원에서 나오는 빛은 Y 도파관에 입사되어 Y 분기 도파관에 의해 두 개의 빔으로 분할됩니다. 이 빔은 각각 시계 방향과 반시계 방향으로 광섬유 코일로 전파됩니다. 광섬유 코일 내에서 한 사이클을 완료한 후, 빔은 Y 분기 도파관에 의해 단일 빔으로 다시 결합되어 궁극적으로 광 검출기에 도달합니다.
Y 도파관은 빛의 분할 및 결합 기능 외에도 편광 및 탈편광, 위상 변조 등의 기능을 실현할 수 있습니다.
그림 3.6 리튬 비스무트 산화물(Y 도파관)의 다기능 통합 광학 장치
2×2 커플러에 들어간 후 빛은 Y-도파관을 통해 광섬유 루프로 이동합니다. 연장된 섬유를 감아 형성된 이 루프는 빛이 닫힌 경로를 따라 전파될 수 있도록 합니다. 빛이 루프 내에서 시계 방향과 반시계 방향으로 동시에 전파될 때, 섬유의 회전은 두 빔 사이에 약간의 시간 차이를 생성하여 위상 차이를 발생시킵니다. 이 현상을 Sagnac 효과라고 하며, 광섬유 자이로스코프가 회전 정보를 감지하는 핵심 메커니즘을 형성합니다.
미세한 회전을 감지하기 위해 광섬유는 수백 미터 또는 수천 미터의 길이를 필요로 합니다. 이러한 광범위한 광학 경로는 비실용적이지만, Sagnac 효과는 감도가 광학 경로에 의해 둘러싸인 면적에 정비례한다는 것을 보여줍니다. 유연한 섬유를 여러 번 감아, 물리적 치수를 크게 줄이면서 동일한 유효 면적을 유지할 수 있습니다.
그림 3.7 광섬유 링
광섬유 자이로스코프에서 광섬유는 일반적으로 수십, 수백 또는 그 이상 회전합니다. 이는 Sagnac 효과에 의해 생성된 위상 차이가 단일 회전의 크기에만 의존하는 것이 아니라 광학 경로에 의해 둘러싸인 유효 면적에 의존하기 때문입니다. 감는 횟수를 늘리면 제한된 부피 내에서 빛의 전파 거리를 크게 늘릴 수 있으며, 이로 인해 회전에 의해 발생하는 시간 및 위상 차이가 증폭됩니다.
원리는 간단하게 이해할 수 있습니다. 즉, 빛이 광섬유 루프를 더 오래 통과할수록 회전의 효과가 더 뚜렷해집니다. 이것은 고정밀 광섬유 자이로스코프가 일반적으로 더 긴 광섬유 루프를 특징으로 하고, 저정밀 또는 교육용 장치가 비교적 짧은 섬유 길이를 사용하는 이유를 설명합니다. 광섬유 루프의 감는 품질은 광섬유 자이로스코프의 측정 정확도에 직접적인 영향을 미치며, 특수 고정밀 감기 장비가 필요합니다. 광섬유 자이로스코프는 정교한 물리적 원리에 의존할 뿐만 아니라 매우 엄격한 제조 공정을 요구합니다.
그림 3.8 광섬유 루프 시스템
광섬유 자이로스코프에서 광전 검출기는 광학 시스템의 끝에 위치합니다. 주요 기능은 광섬유 루프에서 반사된 빛 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 것입니다. 광전 효과를 기반으로 하는 장치로서, 광전 검출기는 광 신호를 전기 신호로 변환합니다. 인간의 눈과 같이 가시적이고 보이지 않는 희미한 신호를 모두 감지할 수 있습니다.
두 개의 빛 빔이 시계 방향과 반시계 방향으로 시스템 내에서 다시 수렴할 때 광학 간섭이 발생합니다. 회전은 빔 사이에 위상 차이를 생성하여 간섭광의 강도를 변동시킵니다. 광전 검출기는 이 현상을 이용하여 미세한 강도 변화를 전기 신호로 변환합니다. 간섭 신호는 일반적으로 매우 약하기 때문에, 이러한 검출기는 후속 회로가 회전 관련 정보를 정확하게 캡처할 수 있도록 높은 감도를 가져야 합니다.
그림 3.9 광전 검출기
광전 검출기에서 출력되는 전기 신호는 매우 약하며 직접 사용할 수 없습니다. 따라서 회전 각속도의 최종 측정을 얻기 위해 일련의 신호 처리 단계가 필요합니다. 전체 프로세스는 다음과 같은 단계로 간단하게 나눌 수 있습니다.
Ø 사전 증폭: 매우 약한 전기 신호를 후속 회로에서 안정적으로 처리할 수 있는 적절한 수준으로 증폭합니다.
Ø 신호 변환 및 복조: 증폭된 전기 신호는 컴퓨터 또는 디지털 회로에서 처리할 수 있는 신호로 변환되고, 광 위상 차이와 관련된 정보가 추출됩니다.
Ø 제어 및 출력: 컨트롤러는 복조 결과를 기반으로 회전 각속도에 해당하는 값을 계산하고, 출력 인터페이스를 통해 외부 시스템에 결과를 제공합니다.
그림 3.10: FOG 신호 처리 회로 (다이어그램의 상단 회로 기판)
광섬유 자이로스코프의 특징은 기계적 구조 대신 빛을 사용하여 회전을 측정한다는 점이며, 이는 중요한 성능 지표에서 다음과 같은 뚜렷한 이점을 제공합니다.
Ø 고정밀: 시스템은 광학 원리를 사용하여 회전을 측정하므로 향상된 정확성을 위해 기계적 진동에 의존하지 않습니다.
Ø 안정적인 성능: 내부의 고속 기계 부품이 없으므로 장기간 작동 중 드리프트가 최소화됩니다.
Ø 우수한 진동 및 충격 저항: 항공기 및 선박과 같은 진동 환경에서도 안정적인 측정 성능을 유지합니다.
Ø 높은 신뢰성과 긴 수명: 광섬유 및 구성 요소는 마모가 최소화되어 장기간 지속적인 작동에 이상적입니다.
우수한 성능에도 불구하고 광섬유 자이로스코프는 보편적으로 적용되지 않습니다.
Ø 부피가 크고 무게가 많이 나감: 긴 광섬유를 감아야 하므로 소형화가 어렵습니다.
Ø 높은 비용: 섬유 재료, 광학 부품 및 정밀 제조 공정으로 인해 비용이 증가합니다.
Ø 높은 전력 소비: 배터리 구동 마이크로 장치에는 적합하지 않습니다.
광섬유 자이로스코프는 모든 자이로스코프를 대체하기 위한 것이 아니라, 고정밀, 신뢰성 및 환경 적응성이 필요한 분야에서 중추적인 역할을 수행하기 위한 것입니다. 기존 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 자이로스코프와 달리, '전문 장거리 주자'와 같이 작동하며, 극단적인 소형화 및 비용 효율성보다 안정성과 정확성을 우선시하며, 항공 우주, 심해 및 고급 장비 응용 분야에서 조용히 방향을 유지합니다.
다음에 비행기에 탑승하거나 자율적으로 항해하는 심해 탐사선을 상상할 때, 미묘한 시간 차이를 사용하여 우리의 길을 안내하는 섬세한 광섬유 루프를 통해 빛이 경주하고 있을 수 있다는 것을 기억하십시오.
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