한진실
(Jinsil Han)
1
이용욱
(Yong Wook Lee)
†
-
(Pukyong National University, School of Electrical Engineering)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
High Birefringence Fiber, Fiber Transmission Grating, Separate Measurement, Curvature, Temperature
1. 서 론
광섬유 센서는 소형, 경량, 긴 수명, 전자기 간섭 내성 등과 같은 장점들로 인해 광범위한 산업 및 연구 분야에 적용되어 온도, 압력, 굽힘(bending),
진동과 같은 다양한 물리량 측정에 사용되고 있다. 특히, 굽힘은 항공 및 우주 산업이나 교량 및 발전소와 같은 대규모 건설 산업에서 구조물의 상태를
모니터링하기 위한 중요한 매개 변수 중 하나이다. 광섬유를 이용하여 굽힘의 강도와 방향을 측정하기 위해 광섬유 투과형 격자(fiber transmission
grating: 이하 FTG), 광 결정 광섬유(photonic crystal fiber: 이하 PCF), 광섬유 테이퍼(taper) 등과 같은 광섬유
소자들이 센서부(sensor head)로 사용되어 왔다. FTG는 자외선이나 적외선 레이저(laser) 또는 전기 아크(arc)를 이용하여 광섬유
코어(core)의 굴절률이 주기적인 변화를 갖도록 만든 광섬유 소자를 일컫는다. 이러한 FTG는 코어 모드(mode)와 클래딩(cladding) 모드의
동일 방향 모드 결합(codirectional mode coupling)으로 파장(wavelength)에 의존하는 손실 대역(attenuation
band)들을 가지며, 이러한 손실 대역들의 골(dip) 파장은 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하는 공진(resonance)
파장으로 정의된다. FTG를 기반으로 하는 굽힘 센서의 경우, FTG에 굽힘이 가해지게 되면 공진 골의 투과도(transmittance) 또는 파장이
변화된다[1-4]. 따라서 FTG에 인가된 굽힘은 공진 골의 투과도 또는 파장 변화를 측정함으로써 유추할 수 있다.
하지만, FTG 골의 투과도나 파장은 주변 온도 변화에도 영향을 받기 때문에 굽힘과 온도의 교차 민감도가 존재하는 단점이 있다. 이러한 교차 민감도
문제를 해결하기 위해 상대적으로 온도에 둔감한 PCF를 이용한 시도가 있었지만, 굽힘 민감도가 FTG보다 낮은 단점이 있다[5-10]. 또한 광섬유 코어의 수를 늘리거나[11-13], 광섬유 테이퍼[14-19], 코어 오프셋(core-offset)[20]을 통해 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer: 이하 MZI)를 형성하여 굽힘 민감도를 증가시키기 위한 다양한 연구가
시도되었다. 이러한 광섬유 내 MZI는 PCF 기반 센서에 비해 굽힘 민감도가 높았지만, 여전히 온도 보상에 관한 문제는 해결하지 못하였다. 이 문제를
해결하기 위한 다른 방법으로 코어 오프셋과 광섬유를 부풀린 구조로 MZI를 형성시킨 굽힘 센서가 제안되었고, (4.420∼5.500)$m^{-1}$의
굽힘 범위에서 22.227$nm/m^{-1}$의 굽힘 민감도와 (60.1∼99.9)°C의 온도 범위에서 84.7pm/°C의 온도 민감도를 달성하였다[21]. 그러나, 센서 제작 과정에서 발생하는 15dB 이상의 높은 삽입 손실(insertion loss: 이하 IL)은 센서 출력 신호의 신호 대 잡음비(signal
noise ratio: 이하 SNR)에 악영향을 미칠 수 있다. 최근에는 두 개의 다중 모드 광섬유(multi-mode fiber: 이하 MMF)
사이에 일곱 개의 코어를 가진 광섬유(seven-core fiber: 이하 SCF)를 융착 접속(fusion splicing)하여 형성한 마하-젠더
간섭계를 이용하여 굽힘 및 온도를 동시에 측정 가능한 센서가 제안되었다[22]. 상기 센서는 넓은 굽힘 측정 범위 (0.094∼0.567)$m^{-1}$에서 41.464$nm/m^{-1}$의 높은 굽힘 민감도를 나타내었다.
그러나, 굽힘과 온도의 분리 측정이 불가능하고, 굽힘 반응의 선형성은 낮으며, 12dB의 높은 IL로 인해 센서의 SNR이 저하될 수 있었다.
본 연구에서는 $CO_2$ 레이저로 고복굴절 광섬유(high birefringence fiber: 이하 HBF)에 제작한 FTG(이하 HB-FTG)를
이용하여 굽힘과 온도를 분리하여 측정할 수 있는 광섬유 센서를 제안한다. 제작된 HB-FTG는 직교하는 입력 편광에 따라 서로 다른 공진 골(골 A와
B)이 나타나는 손실 스펙트럼을 투과 스펙트럼으로 갖는다. 이러한 손실 스펙트럼의 공진 파장에서 코어 모드가 서로 다른 클래딩 모드들로 결합되며,
이 공진 파장은 입력 편광에 따라 달라진다. 즉 직교 입력 편광에서 얻어지는 골 A와 골 B는 서로 다른 공진 파장을 가지며 코어 모드를 서로 다른
클래딩 모드로 결합시킬 수 있으므로, 골 A와 골 B의 굽힘 민감도(또는 온도 민감도)는 서로 다를 수 있다. 제작된 HB-FTG의 굽힘 및 온도
민감도를 실험적으로 측정하였으며, 실험 결과 HB-FTG 두 공진 골의 굽힘 및 온도 반응이 선형적이고 독립적(uncorrelated)임을 확인할
수 있었다. 이러한 선형성 및 독립성은 센서부에 인가되는 굽힘과 온도 변화의 분리 측정을 가능하게 한다. 특히, HB-FTG는 광섬유 내 MZI 기반
센서에 비해 IL이 5dB 정도 낮기 때문에, 센서의 SNR과 정확도를 향상시킬 수 있다.
2. HB-FTG의 제작과 특성
그림 1은 $CO_2$ 레이저를 이용하여 HBF에 FTG를 제작하기 위한 시스템 모식도이다. HB-FTG 제작 과정은 다음과 같다. 우선 $CO_2$
레이저의 출력 빔(beam)이 노출되는 HBF의 한 쪽 끝을 고정시킨다. 그리고, HBF의 다른 한 쪽 끝에는 18g의 추를 달아 길이 방향(x축
방향)으로 인장 스트레스를 인가하여 HBF를 팽팽하게 유지시킨다. 레이저 앞에 배치된 빔 확장기는 레이저 빔의 직경을 증가시키는데 사용된다. 확장된
빔은 컴퓨터로 제어하는 2D 광학 스캐너로 입사되어 아래쪽($z$축 방향)으로 조정되고, $F-θ$ 렌즈에 의해 한 초점으로 모아진다. 모아진 빔은
HBF 상의 고정 지점에 $CO_2$ 레이저 펄스를 다중으로 노출시키기 위해 x축 방향을 따라 1μm만큼씩 이동시켰다. 빔 스캐닝(scanning)
경로, 스캐닝 속도, 스캐닝 사이클(cycle), 새겨진 격자 수 및 격자 간격과 같은 HB-FTG의 제작 매개 변수는 전용 컴퓨터를 사용하여 시행착오를
통해 최적값을 설정하였다. 제작된 HB-FTG의 격자 간격과 길이는 각각 500μm와 14.50mm였다.
Fig. 1. Schematic diagram of the inscription setup of HB-FTG
제작된 HB-FTG의 투과 스펙트럼은 광대역 광원(BBS, Fiberlabs FL7001), 편광 제어기(PC, Agilent 8169A) 및 광
스펙트럼 분석기(OSA, Yokogawa AQ6370C)를 사용하여 입력 편광에 따라 모니터링하였다. HB-FTG는 HBF의 두 주축(principal
axis), 즉 고속축 및 저속축(fast and slow axes) 간 복굴절에 의해 입력 편광에 따라 위상정합 조건(phase- matching
condition)이 달라진다. 이는 입력 편광에 따라 입사광이 HBF의 고속축 및 저속축에 결합되는 광 전력 비율이 다르기 때문이다. 따라서 FTG의
감쇄 골들이 입력 편광에 따라 다르게 나타나며, 직교(orthogonal) 입력 편광에서 서로 다른 클래딩 모드 차수(cladding-mode order)를
갖는 두 공진 골을 수십 나노미터 범위 내에서 확보할 수 있다. 그림 2는 제작된 HB-FTG의 투과 스펙트럼을 PC를 이용하여 두 직교 입력 편광 상태에 대해 측정한 결과이다. 여기서 제작된 HB-FTG에는 굽힘이 인가되지
않았으며, 상온에서 측정하였다. 측정에 사용된 PC는 선형 편광기(linear polarizer), 1/4 파장판(quarter-wave plate)
및 1/2 파장판(half-wave plate)으로 구성된다.
Fig. 2. Input-polarization-dependent transmission spectra of the fabricated HB-FTG
PC는 입사광이 HB-FTG의 두 주축들 중 하나를 통과할 수 있도록 조절하였으며, 이러한 조건을 0° 혹은 90° 입력 편광으로 정의하였다. 실선과
점선으로 표시된 골 A와 골 B는 각각 0° 및 90°의 입력 편광에서 얻어지는 HB-FTG의 두 공진 골을 나타내며, 골 A와 B의 공진 파장은
각각 1480.0nm와 1568.8nm로 측정되었다. 또한 공진 골 A와 B의 대역 소거 비율(band rejection ratio)은 각각 31dB와
34dB 이상으로 측정되었다. 대부분의 FTG 감쇄 골은 특정 굽힘 또는 온도 범위 내에서 굽힘 및 온도 응답이 매우 선형적이다. 서로 다른 클래딩
모드 차수의 공진 골은 서로 다른 굽힘 및 온도 응답을 가지며, 두 직교 입력 편광에서 얻어진 HB-FTG의 두 공진 골은 전술했던 바와 같이 서로
다른 클래딩 모드 차수를 가질 수 있다. 공진 골 A와 B가 서로 다른 굽힘 또는 온도 민감도를 갖는다는 것은 굽힘 및 온도 반응이 서로 독립적이라는
것을 의미한다. 따라서 굽힘 및 온도 반응이 선형적이고 서로 독립적일 경우, HB-FTG에 동시에 인가되는 굽힘 및 온도의 변화, 즉 $Δκ$및 $ΔΤ$는
식(1)로 주어지는 관계식을 이용하여 분리 및 계산이 가능하다.
여기서 $Δλ_A$와 $Δλ_B$는 굽힘 및 온도 변화에 의한 골 A와 B의 파장 변화를 각각 나타낸다. 그리고 $Κ_{C,A}$와 $Κ_{C,B}$는
각각 골 A와 B의 굽힘 민감도 계수이며, $Κ_{T,A}$와 $Κ_{T,B}$는 각각 골 A와 B의 온도 민감도 계수이다. 상기 네 민감도 계수들은
각 공진 골에서 독립적으로 측정된 굽힘 및 온도 응답으로부터 결정된다. 따라서 HB-FTG의 투과 스펙트럼으로부터 굽힘 및 온도 변화에 의해 유도된
$Δλ_A$와 $Δλ_B$를 측정하면, 미리 결정된 민감도 계수와
식(2)를 이용하여 인가된 굽힘 및 온도 변화($Δκ$및 $ΔΤ$)를 구할 수 있다.
여기서 $D$ = $K_{C,A}K_{T,B}$ - $K_{T,A}K_{C,B}$는 상기
식(1)의 행렬의 행렬식을 나타낸다.
3. 실험 결과 및 고찰
그림 3 (a)와 그림 3 (b)는 HB-FTG의 굽힘과 온도 반응을 측정하기 위해 설계된 실험 셋업 모식도와 굽힘 측정 셋업을 확대한 그림을 각각 보여주고 있다. BBS와 OSA는
HB-FTG의 굽힘 및 온도 응답을 모니터링하기 위해 사용되었으며, PC는 HB-FTG로 입사되는 빛의 편광 상태를 제어하기 위해 사용되었다. 먼저
제작된 HB-FTG의 굽힘 응답을 측정하기 위해 HB-FTG의 한 쪽 끝을 금속 기둥에 부착된 광섬유 홀더(holder)에 고정하고, 다른 쪽 끝은
분해능 5μm의 이동식 스테이지(translation stage)에 부착된 광섬유 홀더에 고정시켰다. HB-FTG에 인가되는 굽힘은 이동식 스테이지를
고정식 스테이지 쪽으로(검은색 화살표 방향) 미세하게 이동시켜 조절할 수 있다. 이 때 인가된 굽힘은 HB-FTG를 포함하는 HBF의 곡률 반경 R의
역수로 정량화될 수 있다. 이동된 스테이지의 길이 방향 변위가 $ΔL$로 주어질 경우, HB-FTG에 인가된 굽힘은 아래와 같이 식(3)에 의해 곡률 $C$로 표현될 수 있다.
Fig. 3. (a) Schematic diagram of the experimental setup to investigate the curvature
and temperature responses of the fabricated HB-FTG and (b) enlarged diagram of the
bending measurement setup
여기서 R은 굽힘이 인가된 광섬유의 곡률 반경이고, L은 두 스테이지 사이의 거리로서, HB-FTG에 굽힘이 인가되지 않은 초기 L은 122mm로
설정되었다.
그림 4(a) 와
그림 4 (b)는 상온에서 (1.41∼2.30)$m^{-1}$ 범위의 굽힘이 제작된 HB-FTG에 인가될 경우, 골 A(0°의 입력편광)와 골 B(90°의 입력편광)의
스펙트럼 변화를 보여주고 있다. 이동식 스테이지가
그림 3의 검은색 화살표 방향($ΔL$의 증가 방향)으로 이동하면, 골 A와 골 B 모두 장파장 영역으로 이동한다. $ΔL$이 (100∼400)μm인 경우
곡률 $C$는
식(3)으로부터 (1.41∼2.30)$m^{-1}$로 계산된다. 인가된 굽힘이 1.41$m^{-1}$에서 2.30$m^{-1}$로 변화하면, 골 A의 공진
파장은 1481.3nm에서 1502.0nm로 증가하며 총 20.7nm의 파장 변위가 발생한다. 골 B의 경우, 동일한 굽힘 변화에 대해 공진 파장은
1570.2nm에서 1600.0nm로 증가하여 총 29.8nm의 파장 변위가 발생한다. 이러한 굽힘에 의한 HB-FTG 공진 파장의 변화는 코어 및
클래딩 모드의 유효 굴절률 차이와 격자 간격의 굽힘에 의한 변화에 기인한다. 다음으로 HB-FTG의 온도에 대한 응답을 측정하기 위해,
그림 3 (a)와 같이 HB-FTG를 가열판(hot plate) 위에 놓고 굽힘을 인가하지 않은 상태로 주변 온도를 35°C에서 85°C까지(간격 10°C) 증가시키며
골 A와 B의 스펙트럼 변화를 모니터링하였다. HB-FTG가 가열판과 밀착되도록 HB-FTG의 한 쪽 끝에는 추를 부착하고, 다른 끝은 움직이지 않도록
고정시켰다.
그림 5 (a)와
그림 5 (b)는 온도 변화를 주었을 때 각각 골 A(0°의 입력편광)와 골 B(90°의 입력편광)의 스펙트럼 변화를 보여주고 있다. 골 A의 공진 파장은 1480.5nm에서
1487.4nm로 증가하면서 총 6.9nm의 파장 변위가 발생하며, 골 B는 동일한 온도 변화에 대해 공진 파장은 1573.9nm에서 1575.1nm로
증가하며 총 1.2nm의 파장 변위가 발생한다. 이러한 온도에 의한 공진 파장의 이동은 굽힘 반응과 동일하게 장파장 영역으로 이루어졌으나, 파장 변위는
굽힘에 의한 변위보다 훨씬 작았다. 골 A 및 B 공진 파장의 온도에 의한 변화도 굽힘에 의한 경우와 마찬가지로 코어 및 클래딩 모드의 유효 굴절률
차이 및 격자 간격의 온도에 의한 변화에 기인한다.
Fig. 4. Spectral variations of (a) Dip A (0° input polarization) and (b) Dip B (90°
input polarization) of the fabricated HB-FTG, measured for an applied bending from
1.41 to 2.30$m^{-1}$ at room temperature
Fig. 5. Spectral variations of (a) Dip A (0° input polarization) and (b) Dip B (90°
input polarization) of the fabricated HB-FTG, measured for an ambient temperature
change from 35 to 85°C without applied bending
그림 6 (a) 와
그림 6 (b)는 각각 (1.41∼2.30)$m^{-1}$의 굽힘 변화와 (35∼85)°C의 주변 온도 변화에 대해 측정된 두 공진 골의 굽힘 및 온도에 의한 파장
이동의 선형성을 보여준다. 청색 및 적색 원형 기호는 각각 골 A 및 B의 공진 파장 변화를 나타내며, 청색 및 적색 실선은 각각 골 A 및 골 B의
공진 파장 데이터들에 대해 선형 회귀 분석을 수행한 결과를 나타낸다.
그림 6 (a)에서 알 수 있듯이 골 A와 B는 (1.41∼2.30)$m^{-1}$의 굽힘 인가 범위에서 높은 선형 응답을 보여주고 있으며, 보정 $R^2$ 값은
각각 0.992와 0.981로 계산되었다. 골 A와 B의 굽힘 민감도 KC,A 및 KC,B는 각각 23.70$nm/m^{-1}$ 및 34.44$nm/m^{-1}$로
산출되었으며, 골 B의 굽힘 민감도가 골 A에 비해 약 1.5배 크다는 것을 알 수 있었다. 또한
그림 6 (b)로부터 골 A와 B는 (35∼85)°C의 온도 범위에서 충분히 선형 응답을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, $R^2$ 값은 각각 0.988과 0.997로
계산되었다. 골 A와 B의 온도 민감도 $Κ_{T,A}$ 및 $Κ_{T,B}$는 각각 0.141nm/°C와 0.038nm/°C로 산출되었으며, 골
A의 온도 민감도가 골 B에 비해 약 3.7배 큰 것을 알 수 있었다. 따라서 상기 네 민감도 계수는 모두 다른 값을 가지며, 골 A와 골 B의 (굽힘
및 온도) 응답이 서로 독립적인 관계를 가지게 된다. 이는
식(2)의 해가 유일하게 결정될 수 있다는 것을 의미한다. 즉 $Δλ_A$ 및 $Δλ_B$를 이용하여 HB-FTG에 인가되는 굽힘 및 온도 변화($Δκ$및
$ΔΤ$)의 분리 측정이 가능하다는 것을 의미한다. 상기 네 민감도 계수를 이용하면
식(2)는
식(4)로 대체된다.
Fig. 6. Wavelength shifts of Dips A (blue) and B (red), measured for (a) an applied
bending of (1.41~2.30)$m^{-1}$ and (b) an ambient temperature change of (35~85)°C.
Solid lines indicate linear fits
이러한 네 민감도 계수는 코어 및 클래딩의 유효 굴절률, 도파로 구조 및 응력 및 열 광학계수에 따라 그 크기가 달라지며, 이러한 변수들도 모두 입력
편광에 따라 달라진다. 결론적으로 제안된 센서는 직교 입력 편광에서 얻어지는 골 A와 골 B의 파장 변위를 측정하고 식(4)를 사용함으로써 센서부에 인가된 굽힘과 온도 변화를 분리하여 구해낼 수 있다.
4. 결 론
본 논문에서는 HB-FTG를 사용하여 굽힘과 온도를 구별하여 측정할 수 있는 광섬유 센서를 제안하였다. 센서부로 사용되는 HB-FTG는 HBF에 $CO_2$
레이저 펄스를 스캔하여 제작되었고, 제작된 HB-FTG는 입력 편광에 따라 서로 다른 공진 골들을 가진다. 제작된 HB-FTG를 이용하여 직교 입력
편광에서 얻어지는 두 공진 골의 굽힘과 온도 응답을 각각 (1.41∼2.30)$m^{-1}$의 굽힘 범위와 (35∼85)°C의 온도 범위에서 측정하였다.
두 공진 골의 굽힘 및 온도 반응은 충분히 선형적이고 서로 독립적이었으며, 굽힘 및 온도 민감도는 골 A에서 23.70$nm/m^{-1}$ 및 0.141nm/°C,
골 B에서 34.44$nm/m^{-1}$ 및 0.038nm/°C로 각각 산출되었다. 미리 산출된 네 민감도 계수들을 사용함으로써, HB-FTG에 인가되는
굽힘 및 온도 변화는 두 공진 골의 파장 변위를 측정하여 동시에 측정하는 것이 가능하다. 제안된 HB-FTG 기반 곡률 센서는 향후 온도가 크게 변화되는
환경에서도 정확한 굽힘 측정을 수행할 수 있는 센서로 사용될 수 있을 것이다.
Acknowledgements
이 논문은 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임.(2019R1I1A3A01046232)
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Biography
She is now in the bachelor course of the school of Electrical Engineering in Pukyong
National University.
Her research interests include optical fiber bending and torsion sensors.
He received his B.S., M.S., and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Seoul
National University in 1998, 2000, and 2004, respectively.
He is now a professor at the of Electrical Engineering in Pukyong National University.
His research interests include photonics and oxide semiconductors.