빛이 전달되는 도파관 역할을 하는 광섬유는 저렴하고 효율적인 광 정보 전송 방식으로 통신 및 생의학 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 다른 케이블과 마찬가지로 광섬유도 마모될 수 있으며, 광학 시스템에 위상 지연, 왜곡 및 반사를 유발할 수 있습니다. 광섬유의 정확한 전송 특성을 파악하기 위해서는 일반적으로 길이 측정을 통해 교정해야 합니다. 광섬유의 정밀한 교정에 대한 필요성이 매우 높음에도 불구하고, 기존 방식은 비용이나 정밀도 측면에서 상당한 희생을 감수해야 했습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 교수 연구팀은 새로운 방법을 개발했습니다. 하비에르 아텐두 at 암스테르담 UMC 네덜란드에서는 광섬유 길이를 특성화하기 위한 효율적이고 저렴한 방법을 개발했습니다. 그 결과는 다음에서 제공됩니다. 광학 편지[1]이를 달성하기 위해 그들은 통합했습니다. Moku:Lab 다른 전자 장치와 Moku를 배치했습니다. 위상 계측기 다른 상업용 시스템에 비해 비용과 복잡성을 줄여주는 플러그 앤 플레이 방식의 광섬유 측정 시스템을 만드는 도구입니다. Moku:Lab FPGA의 디지털 신호 처리 능력과 다재다능하고 저잡음 아날로그 입력 및 출력을 결합한 재구성 가능한 하드웨어 플랫폼입니다. 소프트웨어 정의 기능을 통해 Moku:Lab은 전체 테스트 및 측정 계측기 제품군을 제공할 수 있습니다. 다중 장비 모드, 사용자는 장비 쌍을 결합하여 무손실 상호 연결을 통해 동시에 실행할 수 있습니다.
난제
현재 광섬유 길이 측정에는 크게 두 가지 방법이 있으며, 각각 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다. 첫 번째 방법인 광 시간 영역 반사 측정법(OTDR)은 측정 대상 광섬유(FUT)에 일련의 광 펄스를 통과시키고 시간에 따른 반사 강도를 측정하는 방식입니다. 시판되는 OTDR 장비는 비용 효율적이고 장거리 측정에 효과적이지만, 정밀도는 수 센티미터 수준으로 제한됩니다. 두 번째 기술인 광 주파수 영역 반사 측정법(OFDR)은 스윕 광원과 간섭계를 사용하여 수집된 데이터의 시간 분해능을 크게 향상시킵니다. 시판되는 OFDR 장비는 설치 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리지만, 포토닉 칩과 같은 단거리 광 네트워크에 매우 유용합니다. 그러나 OFDR과 OTDR 모두 유용한 활용 사례가 있지만, 광섬유 길이가 수 센티미터에서 수십 미터에 이르는 일반적인 광 실험실 환경에는 적합하지 않습니다. 이러한 범위에서 OTDR은 필요한 밀리미터 이하의 정확도를 제공하지 못하고, OFDR 장비는 필요한 측정 유형에 비해 설치가 지나치게 복잡할 수 있습니다. 이러한 이유로 암스테르담 UMC 연구팀은 관심 범위 내의 광섬유를 특성화하는 정확하고 간단한 방법을 개발하고자 했습니다.
해법
그룹의 파이버 측정 시스템은 개념적으로 OFDR 설정과 유사합니다. 임의 파형 발생기 (AWG)는 10분 동안 110MHz에서 50MHz까지 주파수를 스위핑하는 RF 주파수로 반송파를 변조합니다. 다음으로, 그림 50과 같이 1/XNUMX 광섬유 커플러가 간섭계의 두 암(arm)에 전력을 분배합니다. 아래쪽 암은 기준 암 역할을 하고, 테스트 대상 광섬유(FUT)는 두 번째 암을 차지합니다. 두 암은 모두 광전 다이오드(PD)에 의해 모니터링되며, 광전 다이오드는 Moku에 직접 피드백을 제공합니다. 위상 계측기OFDR 및 OTDR 기술과는 달리, 이 설정은 FUT를 통과하는 전송을 측정하므로 빔 경로의 해당 부분에 시간 지연이 발생합니다. 이 시간 지연은 PD가 수집하는 주기 신호 간의 위상 차이로 나타납니다. Moku 위상계는 입력 신호의 주파수와 위상을 모니터링하고 그 사이의 위상 차이를 계산합니다. 자체 보정 기능을 활용하여 위상 고정 루프 Moku는 위상계 입력에 PLL(Phase Level Least Squares) 신호를 입력하여 전체 변조 주파수 범위에 걸쳐 변화를 추적하고 마이크로라디안 정확도로 위상차를 모니터링합니다. Moku의 이러한 고유한 기능 덕분에 국부 발진기를 지속적으로 조정할 필요 없이 전체 측정 시퀀스를 2분 안에 완료할 수 있습니다. 해당 그룹은 시스템을 제어하고 데이터를 수집합니다. 모쿠 파이썬 API 완전 자동화를 위해 기록된 위상차가 측정 PC에 직접 보고됩니다. 대학원생 로빈 반 주트펜해당 논문의 주저자인 그는 Moku 플랫폼이 나머지 시스템과 원활하게 통합되는 능력 덕분에 이러한 결과를 얻었다고 설명하며, "Moku는 사용하기 쉽고, 비교적 저렴하며, 제 역할을 훌륭히 수행합니다."라고 말했습니다.
그림 1: 실험 설정. 임의 파형 생성기(AWG)는 간섭계를 통과하는 레이저에 대한 RF 강도 변조를 제공합니다. 그런 다음 FUT는 Moku:Lab Phasemeter에서 기록하는 위상 지연을 도입합니다. 설정은 호스트 PC에서 모니터링하고 동기화합니다.
결과
데이터 수집 후, 비선형성과 실험에 종종 도입되는 기타 주파수 종속적 동작을 제거하기 위해 일부 후처리가 필요합니다. 수정 후, 파이버의 위상차는 변조 주파수의 함수로 표시됩니다. 지연 시간 tFUT이 그래프의 기울기에서 추출된 값은 광섬유의 길이로 변환됩니다. 시스템의 안정성과 반복성을 테스트하기 위해 연구팀은 20시간 동안 단일 광섬유를 측정했습니다. 온도 변화는 레이저 시스템의 안정성에 영향을 미치고, 광섬유의 굴절률을 변화시키며, 열팽창을 유발할 수 있습니다. 이러한 일일 온도 변동에도 불구하고 측정값의 표준 편차는 낮았습니다(약 수백 μm). 또한 그림 2에서 볼 수 있듯이 길이 측정은 관심 범위인 0.2~1.8m에서 정확하게 유지되었습니다. 낮은 RMS 오차로 이 시스템은 이러한 짧은 광섬유의 길이를 1mm 미만의 정밀도로 측정할 수 있어 다른 방법에 비해 저렴하고 정확한 대안을 제공합니다. 광섬유 길이를 정밀하게 측정하는 간단하고 비용 효율적인 방법을 입증한 후, 연구팀은 다른 Moku 하드웨어도 통합했습니다. 그들은 다음과 같은 결과를 얻었습니다. Moku:Go 더 작은 주파수 범위에서 잘 작동했으며, 750m 파이버에서 ~2𝜇m의 오차가 있었습니다. Moku:Pro는 위상 잠금 루프 대역폭이 훨씬 더 높기 때문에 FPGA 속도가 빨라져 훨씬 더 빠른 측정(5초)을 수행했습니다. 이 그룹은 이러한 속도 증가가 더 긴 2분 측정 기간 동안 실험에 도입될 수 있는 환경적 영향을 완화하는 데 도움이 되었다고 말했습니다.
그림 2: 측정 길이 대 명목 길이, 거리 측정에서 낮은 오차를 보여줍니다. 삽입 그림은 주어진 길이의 반복 측정에 대한 분포를 보여줍니다.
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참고자료
[1] Robin van Zutphen, Paul R. Bloemen, Ton G. van Leeuwen 및 Xavier Attendu, "광섬유 길이를 측정하는 간단하고 비용 효율적인 방법", Opt. Lett. 50, 329-332(2025).