1. 서 론

오늘날 다양한 분야에서 특정 물리량을 측정하기 위하여 여러 종류의 센서들이 개발되고 있으며, 그 중에서도 광섬유 센서(optical fiber sensor)는 소형, 경량, 고감도, 실시간 응답, 전자기 간섭에 무관한 점 등 전자식 센서에 비해 많은 장점을 지니고 있다. 광섬유 센서는 주로 광섬유 격자(fiber grating)를 센서부(sensor head)로 활용하고 있으며, 광섬유 격자 기반 센서는 고감도 및 다중화(multiplexing) 측정을 수행할 수 있는 장점을 갖는다. 광섬유 격자는 광섬유 코어의 유효 굴절률(effective refractive index)을 주기적으로 변화시켜 제작하며, 격자의 주기에 따라 수백 nm 주기를 갖는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating: 이하 FBG)와 수백 μm의 주기를 갖는 광섬유 투과형 격자(fiber transmission grating: 이하 FTG)로 크게 분류된다^(1-2). FTG는 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하는 코어 모드(core mode)가 다수의 클래딩 모드(cladding mode)들로 결합되므로 하나의 협대역(narrowband) 공진 골(resonance dip)을 갖는 FBG에 비해 넓은 손실 대역을 갖는 다수의 공진 골들이 생성된다⁽²⁾. 또한 FTG 기반 광섬유 센서는 FBG 기반 광섬유 센서에 비해 효율적인 제작 공정, 낮은 제작 비용, 낮은 역방향 반사율, 고민감도와 같은 여러 장점을 지니고 있다. FTG는 광 민감성을 이용한 UV 레이저 기반 제작법⁽³⁾, 외부 클래딩의 식각 또는 변형 기반 제작법⁽⁴⁾, 아크(arc) 방전⁽⁵⁾ 또는 CO2 레이저^(6-8)를 이용한 스트레스 방출(stress relaxation) 기반 제작법 등과 같은 다양한 방식으로 제작이 가능하다. 이 중에서도 CO2 레이저 기반 제작법은 레이저 스캔(scan) 방식을 프로그램으로 제어할 수 있기 때문에 복잡하거나 반복적인 격자 구조를 정밀하게 제작할 수 있다. 특히 CO2 레이저 기반 제작법은 여타 제작법에 비해 저비용의 단순한 광학 시스템으로 구현이 가능하여 다수의 연구진들이 FTG 제작을 위해 도입하고 있는 제작 방식이다.

FTG 기반 광섬유 센서는 주변 굴절률⁽⁹⁾, 수위⁽¹⁰⁾, 굽힘⁽¹¹⁾, 스트레인(strain)^(12-13), 온도⁽¹⁴⁾ 등의 측정에 주로 이용되어 왔다. 특히 FTG 기반 광섬유 스트레인 센서는 건물, 교량, 선박 등과 같은 구조물에 설치하여 대상의 구조적 안정성을 모니터링함으로써 인명 피해 및 산업 재해를 미연에 방지하는 역할을 수행하여왔다^(12-13). 일반적으로 FTG에 스트레인이 인가되면 격자 간격의 길이와 코어 및 다수 클래딩 모드들의 유효 굴절률 변화에 의해 위상 정합 조건이 변화되어 FTG의 공진 파장이 변하게 된다. 그런데 FTG는 주변 온도의 변화에도 코어 및 클래딩 모드들의 유효 굴절률이 변화한다. 이러한 변화는 주변 온도와 스트레인이 동시에 변화하는 환경에 노출되는 경우에는 공진 파장의 변화가 어떠한 물리적 요인에 의해 영향을 받는지 구별하기 어려운 단점을 지니고 있다. 최근 이러한 온도 교차 민감도 문제를 해결하기 위해 새로운 FTG를 기반으로 하는 광섬유 스트레인 센서들이 제안되어 왔다. 이러한 센서들 중 고복굴절 광섬유(high birefringence fiber: 이하 HBF)에 새겨진 FTG를 이용한 센서는 두 직교 입력 편광(orthogonal input polarization)에 대한 스펙트럼 측정을 통해 온도와 스트레인의 동시 측정을 성공적으로 달성하였다⁽¹⁵⁾. 일반적인 FTG의 경우에는 수백 nm의 파장 범위에 서로 다른 클래딩 모드 차수를 갖는 다수의 공진 골들이 분포되어 있기 때문에 여러 공진 골들의 변화를 모니터링하기 위해서는 광대역 광원이 필요하다. 그러나 HBF에 새겨진 FTG(이하 HB-FTG)를 사용하면, 두 직교 입력 편광에 대해 서로 다른 공진 골들의 분포를 얻을 수 있고, 이러한 공진 골들 중에서 직교 입력 편광에 대해 서로 다른 클래딩 모드 차수를 갖는 두 공진 골을 수십 nm의 파장 범위 내에서 선정할 수 있다. 일반적인 HBF의 복굴절은 광섬유의 코어에 응력(stress)을 부여하는 클래딩 유리 요소(cladding glass element)에 의한 광탄성 효과(photoelastic effect)에 의해서 유도된다⁽¹⁶⁾. HBF의 코어와 클래딩의 광탄성 특성은 미시적(micro) 혹은 거시적(macro) 굽힘(bending)에 의해 변화하고, 이는 결과적으로 HBF의 복굴절을 변화시켜 HBF로 도파되는 직교 편광 성분들이 서로 결합될 수 있다. 일반적인 HBF와는 달리 고복굴절 광자결정 광섬유(high birefringence photonic crystal fiber: 이하 HBPCF)의 복굴절은 비원형 코어와 더불어 광섬유와 공기의 큰 굴절률 차이에 의해서 생성된다⁽¹⁷⁾. 클래딩에 응력 인가 요소가 없는 HBPCF는 일반 HBF보다 복굴절이 더 클 뿐만 아니라, 광섬유가 구부러질 때 발생하는 직교 편광 성분 간 결합 또한 줄어든다. 따라서 HBPCF에 새겨진 FTG(이하 HBPC-FTG)를 HB-FTG 대신 센서부로 사용한다면, 광섬유 격자 센서에 인가되는 미시적/거시적 굽힘으로 인한 측정 오차를 줄여 센서의 정확도와 안정성을 높일 수 있을 것으로 예상된다.

본 논문에서는 CO2 레이저로 HBPCF에 제작한 FTG(즉 HBPC-FTG)를 이용하여 스트레인과 온도를 동시에 측정할 수 있는 새로운 광섬유 격자 센서를 제안한다. 현재까지 HBPC-FTG를 센서부로 사용하여 스트레인 및 온도를 분리 측정하기 위한 시도는 보고되지 않았다. HBPC-FTG는 폴리머 재킷(polymer jacket)을 제거한 HBPCF에 특정 격자 주기(grating period)로 CO2 레이저 펄스를 스캔하여 제작하였다. 제작된 HBPC-FTG는 HB-FTG와 마찬가지로 서로 직교하는 두 입력 편광 상태에 대해 서로 다른 공진 파장에서 두 공진 골을 갖는다. 이러한 두 공진 골을 각각 Dip 1과 Dip 2로 지정하고, 0∼1,960με의 스트레인 범위와 0∼80℃의 온도 범위에서 두 공진 골들의 스트레인과 온도 반응을 조사하였다. 상온에서 센서부의 길이 방향(longitudinal)으로 스트레인을 증가시켰을 때, Dip 1과 Dip 2는 서로 다른 민감도의 청색 천이(blue shift)를 보였다. 상기 스트레인 반응과는 달리, 스트레인을 인가하지 않은 상태에서 센서부 주변 온도를 증가시키면, Dip 1과 Dip 2는 서로 다른 민감도의 적색 천이(red shift)를 보였다. 두 공진 골들의 선형적인 스트레인 및 온도 반응으로부터 스트레인 및 온도 민감도 계수 네 개를 산출할 수 있었다. 특히 두 공진 골들의 반응들은 서로 종속되어 있지 않았기 때문에 기산출된 네 민감도로 주어지는 민감도 계수 행렬과 Dip 1과 Dip 2의 파장 변화량을 이용하여 HBPC-FTG에 동시에 인가된 스트레인과 온도를 분리하여 측정할 수 있다.

2. 센서의 제작 및 원리

제안된 센서부(즉 HBPC-FTG)를 제작하기 위하여 사용된 HBPCF(Crystal Fibre)의 모드 필드 직경(mode-field diameter)은 고속 및 저속 축(fast and slow axes) 방향으로 각각 6.8 및 4.3μm이며, 이는 HBPCF가 타원형 코어를 갖는다는 것을 의미한다. 이러한 타원형 코어(즉 비대칭 클래딩 구조)와 공기 및 실리카(SiO2)의 굴절률 차이로 발생되는 HBPCF의 복굴절은 ∼8.18×10-4이다. 또한 HBPCF는 일반적인 HBF에 비해 광섬유의 굽힘에 의해 유발되는 직교 편광 성분 간 결합이 약 30배 정도 더 적게 일어나고, 온도 민감도 또한 크게 낮다. HBPC-FTG는 폴리머 재킷을 제거한 HBPCF를 광섬유 홀더에 위치시킨 후, 추를 이용하여 HBPCF에 일정한 장력을 인가한 상태에서 10.6μm CO2 레이저 펄스를 순차선식(line-by-line) 기법으로 HBPCF에 조사하여 제작되었다. 제작된 HBPC-FTG의 격자 간격, 격자 길이, 레이저 스캐닝 사이클 횟수는 각각 ∼390μm, 11.7mm(30 격자주기), 6 사이클이었다. 일반적인 FTG의 위상 정합 조건은 식(1)과 같이 주어진다.

여기서 λ0는 공진 파장, Λ는 격자 간격, nco,eff 및 nm,cl,eff는 각각 FTG의 기본 코어 모드 및 m차 클래딩 모드의 유효 굴절률이다. HBPCF는 두 주축(고속 및 저속 축) 간 복굴절이 존재하므로 식(1)을 만족하는 공진 파장은 입력 편광에 의존하게 된다. 즉 입력 편광이 고속 및 저속 축 중 어느 축에 정렬되느냐에 따라 nco,eff 및 nm,cl,eff의 차가 달라지고 이에 따라 공진 파장도 변하게 된다. 따라서 투과 스펙트럼 상에서 FTG 공진 골들의 분포도 입력 편광에 따라 달라지게 되고 직교 입력 편광 상태에서 얻어지는 공진 골들 중 서로 다른 클래딩 모드 차수를 갖는 두 공진 골들을 수십 nm 범위 내에서 선택할 수 있다.

그림 1은 제작된 HBPC-FTG에 스트레인이 인가되지 않고 상온인 상태에서 측정된 HBPC-FTG의 투과 스펙트럼을 나타내며, 입력 편광은 선형 편광기(linear polarizer), 1/4 파장판(waveplate) 및 1/2 파장판으로 구성된 편광 조절기(polarization controller: 이하 PC, Agilent 8169)를 이용하여 조절하였다. 여기서 PC는 입력 편광이 HBPC-FTG의 고속 또는 저속 축 (또는 저속 또는 고속 축)에 정렬되도록 제어하였으며, 이 각도들은 각각 0°와 90°의 편광 각도로 그림 1에 표기하였다. 직교 입력 편광에 따른 HBPC-FTG의 두 공진 골들은 편광 각도 0°와 90°에 따라서 각각 Dip 1과 Dip 2로 지정하였으며, 적색 실선과 청색 점선으로 각각 표시하였다. Dip 1과 Dip 2의 공진 파장은 각각 1,469.76nm 및 1,494.46nm로 측정되었으며, 대역 소거 비율(band rejection ratio)은 각각 30dB 및 28dB 이상으로 측정되었다.

Fig. 1. Transmission spectra of the two resonance dips by the fabricated HBPC-FTG, designated by Dips 1 and 2

대부분의 FTG 공진 골은 스트레인이나 온도 변화에 의해 공진 파장의 천이가 발생하고 적색 또는 청색 파장 천이에 관계없이 스트레인 및 온도 변화에 매우 선형적인 응답을 보여준다. 서로 다른 클래딩 모드 차수를 갖는 공진 골은 서로 다른 스트레인 및 온도 민감도를 나타내며 두 직교 입력 편광에서 얻은 HBPC-FTG의 두 공진 골들은 서로 다른 클래딩 모드 차수를 가지고 있다. 따라서 Dip 1과 Dip 2가 서로 다른 스트레인 또는 온도 민감도를 나타내므로 두 공진 골들의 응답이 서로 독립적이다. 따라서 스트레인 및 온도 변화에 의한 Dip 1과 Dip 2의 파장 천이량 Δλ1 및 Δλ2와 스트레인 및 온도 변화량(즉 Δε 및 ΔT) 간의 관계를 민감도 계수 행렬을 이용하여 식(2)와 같이 표현할 수 있으며, 식(2)는 유일한 해를 갖게 된다.

여기서 C1,S 및 C1,T는 각각 Dip 1의 스트레인 및 온도 민감도 계수이고, C2,S 및 C2,T는 각각 Dip 2의 스트레인 및 온도 민감도 계수이다. 이 네 민감도 계수들은 각 공진 골(Dip 1 혹은 Dip 2)에 대해 미리 측정된 독립적인 스트레인 또는 온도 응답으로부터 결정된다. 따라서 HBPC-FTG의 투과 스펙트럼으로부터 스트레인과 온도에 의해 변화된 Δλ1과 Δλ2를 측정하고 기확보한 민감도 계수들을 이용하여 식(3)을 이용하여 센서부에 인가된 스트레인과 온도의 변화량, 즉 Δε와 ΔT를 분리하여 구할 수 있다. 다시 말해 직교 편광에서 얻어지는 HBPC-FTG의 두 투과 스펙트럼에서 Δλ1과 Δλ2만을 측정함으로써 센서부에 인가된 스트레인과 온도 변화량의 동시 측정이 가능하다.

여기서 D = C1,SC2,T-C1,TC2,S는 민감도 계수 행렬의 행렬식을 의미한다.

3. 실험 결과 및 고찰

그림 2는 제작된 HBPC-FTG의 스트레인과 온도 응답을 측정하기 위한 실험 모식도를 보여주고 있다. HBPC-FTG의 스트레인과 온도 응답을 조사하기 위해 광대역 광원(broadband light source, Fiberlabs FL7001), PC, 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer, Yokogawa AQ6370C)로 측정 시스템을 구성하였다. PC는 HBPC-FTG의 주축에 입력 편광이 정렬되어 입사될 수 있도록 입력 편광을 회전시키는 역할을 수행하였다. 먼저 제작된 센서부(HBPC-FTG)의 스트레인 응답을 조사하기 위하여 접착제를 사용하여 센서부의 한쪽 끝을 고정된 스테이지의 금속 블록(block)에 고정시키고, 다른 한쪽 끝은 5μm 분해능을 가진 선형 이동 스테이지(linear translation stage)에 부착하였다. 이러한 광섬유 고정 과정을 통해 선형 이동 스테이지를 조금씩 이동시킴으로써, HBPC-FTG에 종방향 스트레인이 인가될 수 있도록 하였다. 그림 2에서 L0로 표기된 두 고정점 사이의 거리는 ～5.1cm이었으며, 선형 이동 스테이지의 종방향 변위가 ΔL이라고 할 때, HBPC-FTG에 인가되는 종방향 스트레인은 ΔL/L0로 정량화할 수 있다.

Fig. 2. Schematic diagram of an experimental setup for measurement of strain and temperature responses from the fabricated HBPC-FTG

그림 3 (a)와 3 (b)는 상온에서 센서부(HBPC-FTG)에 0부터 1,960με까지 196με의 간격으로 스트레인이 인가될 때, Dip 1(편광 각도:0°) 및 Dip 2(편광 각도: 90°)의 스펙트럼 변화를 각각 보여주고 있다. 그림 3 (a)에서 알 수 있듯이, 상온 및 인가된 스트레인이 없는 상태에서 Dip 1의 중심 파장은 ～1,469.52nm이었다. 스트레인이 196με씩 단계적으로 증가할 때마다 공진 골은 단파장 대역으로 이동하였고, 인가 스트레인이 1,960με까지 증가하면 Dip 1의 총 파장 변위는 ～1.62nm로 측정되었다. 마찬가지로 그림 3 (b)에서 나타나듯이 Dip 2 역시 스트레인이 증가할 때마다 청색 천이를 보여주고 있다. 상온에서 외부 섭동이 없을 때(0με)에 Dip 2의 중심 파장은 ～1,494.00nm이었다. 인가된 스트레인이 1,960με까지 증가되었을 때 인가된 스트레인에 의한 Dip 2의 총 파장 변위는 ～2.80nm로 측정되었다. 측정된 파장 변위들을 기반으로 계산된 Dip 1과 Dip 2의 스트레인 민감도는 각각 -0.83 및 -1.43pm/με이었다. 그림 4는 0∼1,960με의 스트레인 인가 범위에서 Dip 1(청색 기호)과 Dip 2(적색 기호)의 스트레인에 의한 파장 이동을 보여주고 있다. 청색 및 적색 실선은 각각 Dip 1과 Dip 2의 스트레인 응답에 대한 선형 회귀 분석 결과를 나타내고 있으며, 선형성을 의미하는 보정 R2 값은 각각 ∼0.9996 및 ∼0.9997로 계산되었다.

Fig. 3. Spectral variations of (a) Dip 1 and (b) Dip 2 of the fabricated sensor head(HBPC-FTG) when the applied strain increases from 0 to 1960με with a step of 196με

Fig. 4. Wavelength shifts of Dips 1 and 2 obtained at input polarization angles of 0° and 90° when the applied strain increases from 0 to 1,960με at room temperature

다음으로 Dip 1과 Dip 2의 온도 응답을 조사하기 위하여 그림 2와 같이 HBPC-FTG를 가열교반기(hot plate) 위에 부착한 뒤, 30∼80°C의 온도 범위에서 Dip 1과 2의 온도에 따른 파장 변화를 측정하였다. 주변 대기 온도 변화의 영향으로 인한 측정 오차를 최대한 줄이기 위하여, 알루미늄 호일을 이용하여 센서부 주변을 감싸 주변 환경에 대한 노출을 최대한 방지하였다.

Fig. 5. Spectral variations of (a) Dip 1 and (b) Dip 2 from the fabricated sensor head(HBPC-FTG) when the ambient temperature increases from 30 to 80℃ with a step of 10℃

그림 5 (a)와 5 (b)는 30∼80°C의 온도 범위에서 Dip 1와 Dip 2의 스펙트럼 변화를 각각 보여주고 있다. 그림 5 (a)에서 볼 수 있듯이 HBPC-FTG에 인가된 스트레인이 없고 그 주변 온도가 30°C일 때 ～1469.94nm의 파장에 위치한 Dip 1은 온도가 증가함에 따라 장파장 대역으로 이동하였다. HBPC-FTG의 주변 온도를 80°C까지 상승시켰을 때 측정된 Dip 1의 총 파장 변위는 ～0.4nm이었으며, 이를 기반으로 산출된 Dip 1의 온도 민감도는 ∼8.0pm/°C이었다. 마찬가지로 인가된 스트레인 없이 주변 온도가 30°C일 때 ～1494.76nm에 위치하였던 Dip 2도 Dip 1과 유사하게 HBPC-FTG의 주변 온도가 증가하면서 장파장 대역으로 이동하는 것을 그림 5 (b)에서 확인할 수 있다. 50°C 온도 변화에 의한 Dip 2의 총 파장 변위는 ～0.24nm이었으며, 산출된 Dip 2의 온도 민감도는 ∼4.8pm/℃이었다. 그림 6은 30∼80°C의 주변 온도 범위에서 HBPC-FTG의 Dip 1(청색 기호)과 Dip 2(적색 기호)의 온도 변화에 의한 파장 이동을 보여주고 있다. 그림 4와 마찬가지로 청색 및 적색 실선은 각각 Dip 1과 Dip 2의 온도 응답에 대한 선형 회귀 분석 결과를 나타내고 있으며, 선형성을 나타내는 보정 R2값은 각각 ∼0.9942 및 ∼0.9947로 계산되었다. HBPC-FTG의 온도 민감도는 기존 HB-FTG의 온도 민감도(∼0.22nm/°C)에 비해 매우 낮은 것을 알 수 있는데⁽¹⁸⁾, 이는 온도가 증가하면 팽창하는 응력 부여 영역(stress applying region)을 지닌 일반적인 HBF와는 달리 HBPCF의 코어와 클래딩은 순수한 실리카 단일 물질로 구성되었기 때문이다. 그러나 이러한 작은 온도 민감도가 스트레인과 온도의 동시 측정 정확도에 지장을 주지는 않는다. 상기 측정된 Dip 1과 Dip 2의 스트레인 및 온도 민감도를 이용하여 식(2)와 식(3)을 아래의 식(4)와 식(5)로 대체할 수 있다.

상기 네 민감도 계수의 크기 및 부호는 코어 및 클래딩의 유효 굴절률, 도파로 구조(waveguide structure), 스트레인 및 열-광학(thermo-optic) 계수 등에 기인하며, 이러한 유효 굴절률 또는 광학 계수들도 입력 편광에 의존한다. 정리하면 스트레인과 온도 변화에 의한 Dip 1과 Dip 2의 파장 이동량을 측정하면, 식(5)를 사용하여 HBPC-FTG에 인가된 스트레인과 온도 변화량을 분리하여 구해낼 수 있다. 즉 제안된 HBPC-FTG 기반 센서는 직교 입력 편광에 대해 스펙트럼 변화를 모니터링함으로써 센서부에 인가되는 스트레인과 온도 변화량을 동시에 측정할 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 6. Wavelength shifts of Dips 1 and 2 obtained at input polarization angles of 0° and 90° when the ambient temperature increases from 30 to 80℃ without the applied strain

4. 결 론

본 논문에서는 HBPC-FTG를 이용하여 스트레인과 온도를 분리 측정할 수 있는 광섬유 센서를 제안하였다. 센서부로 사용되는 HBPC-FTG는 CO2레이저 펄스를 이용하여 390μm의 격자 주기로 30개의 격자를 HBPCF에 스캔하여 제작하였다. 제작된 HBPC-FTG는 입력 편광에 따라 서로 다른 파장의 공진 골을 가지며, 두 직교 입력 편광 상태에서 서로 다른 클래딩 모드 차수를 갖고 스펙트럼 상으로 가까이 분포하는 두 공진 골들(Dip 1 및 Dip 2)을 얻을 수 있었다.

센서 지시자로 사용된 두 공진 골들의 스트레인 및 온도 반응은 0∼1960με의 인가 스트레인 범위와 30∼80℃의 주변 온도 범위에서 조사되었다. 두 공진 골들은 스트레인과 온도에 대하여 선형적이고 서로 독립적인 반응을 보였으며, 스트레인과 온도 민감도는 Dip 1의 경우 각각 -0.83pm/με 및 8.0pm/℃, Dip 2의 경우 각각 -1.43pm/με 및 4.8pm/℃로 측정되었다.

이러한 네 민감도 계수들을 사용하고 두 공진 골(Dip 1 및 Dip 2)의 외란(스트레인 및 온도)에 의한 파장 변화량을 측정함으로써, HBPC-FTG에 동시에 인가되는 스트레인과 온도 변화량을 분리하여 구하는 것이 가능하다. 제작된 HBPC-FTG는 향후 굽힘에 의해 큰 영향을 받지 않으면서도 스트레인과 온도를 동시에 측정할 수 있는 센서부로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.