화면에서 보이는 신호가 왜
광섬 격자(FBG) 센싱 및 측정 시스템(예: 분광계 또는 광섬 격자 복조기)의 디스플레이 인터페이스에 표시되는 "스펙트럼 플롯"은 본질적으로 파장에 따른 광 출력 분포의 에너지 분포 플롯입니다.
1. 스펙트럼 플롯의 축 정의
- 가로축(X축): 광의 **파장(Wavelength)**을 나타내며, 공학적으로 주로 나노미터( \text{nm} ) 또는 피코미터( \text{pm} ) 단위를 사용합니다. 복조 시스템에서 일반적으로 모니터링하는 파장대는 근적외선 C-밴드(예: 1525\ \text{nm} \sim 1565\ \text{nm} )에 분포합니다.
- 세로축(Y축): 해당 특정 파장에서의 반사광 출력(Power) 또는 상대 반사율을 나타내며, 공학적으로는 로그 스케일의 데시벨 밀리와트( \text{dBm} ) 또는 선형 스케일의 퍼센트( \% )로 표시합니다.
2. 신호가 "작은 산봉우리"처럼 보이는 이유
이러한 “작은 산봉우리” 형태는 광섬 격자의 **협대역 반사 스펙트럼(Reflection Spectrum)**이라고 불립니다. 이러한 형상이 발생하는 물리적 메커니즘은 다음과 같습니다.
- 협대역 필터링 및 위상 정합: 광섬 격자 코어 내의 굴절률은 미세하게 주기적으로 변조됩니다(격자 주기 \Lambda ). 광대역 광원이 광섬유에 주입될 때, 브래그 간섭 산란 조건을 만족하는 파장만이 각 주기 경계면에서 반사된 파가 동위상 중첩(간섭 강화)되어 강하게 반사되고, 조건을 만족하지 않는 나머지 파장은 거의 손실 없이 투과됩니다.
- 유한 대역폭 및 봉투 형성: 격자 구간의 길이가 유한(일반적으로 2\ \text{mm} \sim 10\ \text{mm} )하므로, 위상 정합에는 국부적인 에너지 폭 확장 구간이 존재합니다. 이로 인해 반사는 무한히 좁은 이상적인 펄스가 아니라 특정 스펙트럼 폭(예: 일반적인 3\ \text{dB} 대역폭 약 0.2\ \text{nm} \sim 0.4\ \text{nm} )을 갖는 연속적인 봉투로 나타납니다.
- 측면 모드 억압: 간섭 조건이 맞는 파장대에서 멀리 떨어진 영역에서는 광 출력이 빠르게 감쇠하여 시스템 배경 잡음 수준으로 떨어집니다(일반적인 격자 측면 모드 억압비 \text{SMSR} \ge 15\ \text{dB} ). 따라서 중간은 강하고 양측은 급격히 하강하는 에너지 곡선이 화면상에 독립적인 "작은 산봉우리"로 직관적으로 나타납니다.
3. "봉우리 끝"은 무엇을 의미하는가?
이 "작은 산봉우리"의 **가장 높은 봉우리 끝(Peak)**은 전체 광섬 격자 센싱 시스템의 핵심 물리적 기준점입니다.
- 봉우리 끝에 해당하는 가로축 — 중심 파장(브래그 파장, \lambda_B )
- 브래그 반사 방정식에 따르면:\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda여기서 n_{\text{eff}} 는 코어의 유효 굴절률이고, \Lambda 는 격자 변조 주기입니다.
- 핵심 센싱 물리량: 외부 환경의 온도 또는 **기계적 변형(인장/압축)**이 변하면, 광섬유의 광탄성 효과, 열광 효과, 열팽창 효과로 인해 n_{\text{eff}} 와 \Lambda 가 미세하게 변합니다. 이로 인해 봉우리 끝이 가로축에서 왼쪽(청색 이동) 또는 오른쪽(적색 이동)으로 이동합니다. 봉우리 끝의 파장 이동량( \Delta \lambda_B )을 실시간으로 추적함으로써 온도 또는 변형 값을 역산하여 측정할 수 있습니다.
- 브래그 반사 방정식에 따르면:
- 봉우리 끝에 해당하는 세로축 — 최대 반사 출력
- 이는 격자의 최대 반사 강도 및 복귀 링크의 광 손실 상태를 반영합니다.
4. 복조기는 “산봉우리” 신호를 어떻게 처리하는가?
광섬 격자 복조기에 내장된 고속 수집 모듈과 펌웨어 알고리즘(예: 가우시안 피팅 알고리즘, 질량 중심 알고리즘 등)은 이 반사 스펙트럼 "작은 산봉우리"를 지속적으로 스캔하고 피팅하여 극히 짧은 시간 안에 봉우리 끝에 해당하는 중심 파장을 고정합니다.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) 제품군에서 이 스펙트럼 신호를 캡처, 복조 및 표시하는 전용 핵심 장비는 OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator 입니다. 이 장비는 1\ \text{pm} 또는 0.1\ \text{pm} 의 파장 해상도를 제공하며, 다중 채널 병렬 고속 수집 및 스펙트럼 복원을 지원합니다.
