1. 서 론

구조 붕괴를 예측하거나 예방하기 위한 모니터링 시스템은 안전 사회를 구축하기 위한 핵심 요소로 부각되고 있다. 비틀림(torsion)은 교량, 건물, 댐과 같은 대규모 엔지니어링 구조물의 이상 징후를 모니터링할 수 있는 중요한 기계적 변수 중 하나이다. 광섬유 비틀림 센서(Fiber-Optic Torsion Sensor: 이하 FOTS)는 전자기 간섭에 대한 내성, 소형, 경량, 방수 등의 장점들로 상기 언급된 구조적 안전 진단뿐만 아니라, 배나 항공기 선체에서 비틀림을 감지하는 데에도 다수 적용되어왔다. 현재 이러한 FOTS의 주요한 해결 과제는 비틀림 방향의 판별 능력, 비틀림 감도, 온도에 대한 독립성, 시스템 비용 등이 있다. 상기 항목들의 성능 향상을 위해 사냑 간섭계(Sagnac Interferometer: 이하 SI)를 이용한 FOTS들이 제안되었다^(1-2). 3dB 광섬유 결합기(coupler)와 단일 모드 광섬유(Single-Mode Fiber: 이하 SMF)로 구성된 SI를 사용한 FOTS의 경우⁽¹⁾, 20.0cm 길이의 센서부(sensor head)에 시계(clockwise: 이하 CW) 방향 또는 반시계(counterclockwise: 이하 CCW) 방향으로 비틀림이 가해지면 18nm의 파장이 이동하였으며, 비틀림 감도는 ∼0.19nm/°로 측정되었다. 그러나, 센서부의 외부 온도 민감성에 대한 보상 기법은 제시되지 않았다. 그리고 타원형 코어를 갖는 편광 유지 광섬유(Polarization-Maintaining Fiber: 이하 PMF) 기반 SI를 사용한 FOTS의 경우⁽²⁾, CW 방향으로 비틀림 감도는 최대 ∼18.60nm/(rad/m)를 달성하였으며, 비틀림과 온도의 동시 측정을 위해 민감도 계수 행렬을 사용하여 센서부의 온도에 대한 교차 민감도를 제거하였다. 그러나, 비틀림 측정 시 1200nm∼1500nm의 광대역 파장 스캔(scan)이 필요하였고, 이러한 광대역 파장 스캔을 위해 광대역 광원(BroadBand light Source: 이하 BBS)과 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer: 이하 OSA)가 사용되었다^(3-4). 따라서 센서 복조(interrogation) 시스템의 규모 및 가격이 단파장 광원과 광 검출기를 사용하는 시스템에 비해 매우 높은 단점이 있었다.

간섭계 외의 다른 접근법으로는 장주기 격자(Long-Period Fiber Grating: 이하 LPFG)^(5-7), 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating: 이하 FBG)^(8-9) 및 별도 제작형 광섬유 구조^(10-11)를 이용한 FOTS가 제안되었다. 기계적으로 유도된 LPFG의 비틀림 감도는 LPFG 제작 시 광섬유에 인가되는 기계적 압력에 따라 조정될 수 있었으며, 비틀림 측정은 0°∼1080°의 비틀림 각도 범위에서 수행되었다⁽⁵⁾. 그러나 비틀림 감도가 ∼0.008nm/° 수준으로 높지 않았고, 비틀림 각도가 증가함에 따라 선형성이 낮아지는 단점이 있었다⁽⁵⁾. 경사(tilted) FBG 기반 센서는 ∼0.299dB/°의 우수한 비틀림 민감도와 ∼0.9990의 보정 $R^{2}$ 값으로 우수한 선형성을 나타내었지만, 측정 범위는 LPFG에 비해 제한적인 단점이 있었다⁽⁸⁾. 특히 상기 언급된 FOTS들^(5,8)은 비틀림 방향을 판별할 수 없었고, 이를 위해 기존 LPFG⁽⁶⁾, 이중 모드 광섬유에 새겨진 나선형 LPFG⁽¹²⁾, 매우 긴 LPFG⁽¹³⁾, 기존 FBG⁽⁹⁾, 편광 유지 FBG⁽¹⁴⁾ 등을 사용하여 광섬유 격자 기반으로 비틀림 방향을 구분하여 비틀림 측정을 수행하였다. 그러나 이들 연구 중 광섬유 격자의 편광 의존 손실(polarization-dependent loss)을 이용한 일부 연구는 비틀림 민감도가 상대적으로 낮았으며^(6,9), 대부분 온도 보상을 위한 해결책을 제시하지 못하였다. 이러한 FOTS의 온도 교차 의존성을 극복하기 위해, 편광 유지 광자 결정 광섬유(Polarization-Maintaining Photonic Crystal Fiber: 이하 PMPCF)나 다중 코어(multicore) 광섬유로 구성된 간섭계를 이용한 FOTS가 제안되었다^(15-16). 제안된 센서들은 온도 민감성을 현저히 감소시킬 수 있었지만, 센서 복조를 위해 여전히 파장 스캔 방식이 필요하여 실시간 비틀림 측정은 불가능하였다.

본 논문에서는 PMPCF에 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스(laser pulse)를 조사하여 제작한 LPFG를 이용하여 비틀림 방향 판별 기능을 가짐과 동시에 온도에 둔감한 FOTS를 제안한다. PMPCF에 제작된 LPFG(이하 PMPC-LPFG)는 입력 편광에 따라 서로 파장이 다른 두 공진 골(resonance dip)을 가지며, 이 두 공진 골은 외부 온도 변화에는 둔감하고 비틀림에는 민감한 특성을 보였다. 제작된 PMPC-LPFG는 두 직교 입력 편광들에 대해 파장이 다른 두 공진 골을 얻게 되는데, 편의상 짧은 파장을 갖는 공진 골을 LD(lower dip), 긴 파장을 갖는 공진 골을 UD(upper dip)으로 칭하고자 한다. 여기서 두 직교 입력 편광 또한 편의상 선형 수평 편광(Linear Horizontal Polarization: 이하 LHP)과 선형 수직 편광(Linear Vertical Polarization: 이하 LVP)으로 가정한다. 상기 두 골(LD 및 UD)을 센서 표지자로 사용하였으며, 두 표지자의 비틀림 응답을 -160°∼160°의 비틀림 각도 범위에서 조사하였다. 여기서 비틀림 각도의 부호는 비틀림 방향으로 정의되며, 양 및 음의 비틀림 각도는 관찰자가 비틀림을 인가하는 쪽에서 센서부를 길이 방향(longitudinal direction)으로 바라보는 시점에서 센서부에 각각 CW 및 CCW 방향으로 비틀림을 인가하는 것을 의미한다. 조사 결과, CW 방향 비틀림이 증가함에 따라 LD 및 UD의 투과도는 각각 감소 및 증가하였고, CCW 방향 비틀림이 증가하면 그와 반대의 경향을 보였다. 따라서 LD 혹은 UD의 투과도 증감을 모니터링하면 센서부에 인가된 비틀림 방향을 알 수 있다. 골의 투과도를 선형 스케일(scale)로 환산할 경우, LD 및 UD의 비틀림 민감도는 각각 -5.1 및 4.8%/rad으로 측정되었으며, 보정 $R^{2}$ 값은 각각 0.99596 및 0.99674의 높은 값으로 측정되었다. 추가적으로 센서부의 온도 응답을 40∼80℃의 온도 범위에서 조사하였으며, LD 및 UD의 온도 민감도는 각각 -7.0×10-4 및 9.5×10-4dB/℃로 측정되었다. 이러한 실험 결과는 제작된 PMPC-LPFG가 비틀림 방향 판별이 가능함과 동시에 온도에 거의 영향을 받지 않고, 우수한 선형성으로 비틀림 측정을 수행할 수 있음을 보여준다.

2. 센서부 제작 및 스펙트럼 특성

LPFG 제작에 사용된 PMPCF의 모드 필드(mode field) 직경은 고속축(fast axis) 및 저속축(slow axis)에서 각각 6.3μm 및 4.4μm이었다. PMPCF 종단면의 중심부가 타원형이고, 공기 구멍(air hole)과 유리 간 굴절률 차이가 크기 때문에 PMPCF는 8.18×10-4의 큰 복굴절을 갖는다. 기존의 PMF는 열팽창 계수가 다른 두 가지 이상의 유리 재질로 구성되어 있으므로, 탄성 광학 효과(elasto-optic effect)에 의해 유도된 PMF의 복굴절은 온도 변화에 의해 쉽게 변화되며, 그 결과 직교 편광 모드 사이의 결합(coupling)을 발생시킬 수 있다. 이에 비해 PMPCF는 단일 재료인 실리카(silica)로 구성되어 있기 때문에, 그 복굴절의 온도 계수는 기존 PMF에 비해 약 30배정도 낮은 것으로 알려져 있다. PMPC-LPFG는 피복이 제거된 PMPCF에 10.6μm의 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사시켜 제작하였으며, 제작된 PMPC-LPFG의 격자 피치(pitch), 격자 길이, 레이저 스캐닝(scanning) 주기는 각각 390μm, 11.7mm, 7주기였다. Fig. 1은 제작된 PMPC-LPFG의 입력 편광에 의존하는 투과 스펙트럼을 보여주고 있으며, 실온에서 PMPC-LPFG에 비틀림이 인가되지 않은 상태로 측정한 결과이다. PMPC-LPFG의 입력 편광은 편광 조절기(polarization controller)를 이용하여 설정하였으며, LHP, LVP, 45° 선형 편광(Linear Polarization: 이하 LP)의 세 종류의 입력 편광에 대해 투과 스펙트럼을 측정하였다. 여기서 LHP와 LVP는 PMPC-LPFG의 두 주축(principal axis)을 각각 여기(excitation)시키는 편광이며, 45° LP는 두 주축에서 45°만큼 회전된 축을 여기시키는 편광을 의미한다. 투과 스펙트럼 상 공진 골의 공진 파장은 LHP 입력 편광에서 $λ_{LD}$ = 1469.99nm, LVP 입력 편광에서 $λ_{UD}$ = 1494.55nm로 각각 측정되었다. 여기서 짧은 공진 파장($λ_{LD}$)을 갖는 공진 골을 LD, 긴 공진 파장($λ_{UD}$)을 갖는 골을 UD라고 지칭하였다. 그리고, LD와 UD의 대역 소거율(Band Rejection Ratio: 이하 BRR)은 $λ_{LD}$ 및 $λ_{UD}$에서 각각 24.12 및 24.63dB로 측정되었다. 입력 편광이 LHP 및 LVP일 경우, 입사광이 PMPC-LPFG의 두 주축을 여기시키므로 상기 BRR은 최대 BRR이 된다. 입력 편광이 45° LP일 경우에는 PMPC-LPFG의 두 주축이 균일하게 여기되므로, $λ_{LD}$ 및 $λ_{UD}$에서 ∼3dB의 BRR을 갖는 유사한 공진 골이 나타나게 된다.

Fig. 1. Input-polarization-dependent transmission spectra of the PMPC-LPFG measured for three input polarization states represented by LHP(green), LVP(orange), and 45° LP(black)

3. 실험 결과 및 고찰

제작된 PMPC-LPFG의 비틀림 응답을 측정하기 위해 Fig. 2와 같이 BBS(Fiberlabs FL7001), 편광 조절기(Agilent 8169), 광섬유 고정 장치, 광섬유 회전 장치(rotatable fiber chuck), OSA(Yokogawa AQ6370C)를 사용하여 실험 셋업을 구성하였다. PMPC-LPFG를 포함하는 광섬유 센서부를 $L_{0}$(= 20cm)만큼 떨어져 있는 광섬유 고정 및 회전 장치에 장착하고, 센서부 한 쪽을 회전시켜 PMPC-LPFG에 비틀림을 인가할 수 있도록 구성하였다. 비틀림 각도의 부호는 비틀림 방향으로 정의되며, 관찰자가 광섬유 회전 장치에서 광섬유 센서부를 바라보는 방향을 기준으로 CW 및 CCW 방향 회전을 각각 양 및 음의 비틀림 각으로 표시하였다. 비틀림은 PMPC-LPFG를 포함하는 전체 센서부 광섬유에 인가되며, 전체 센서부 길이($L_{0}$)는 LPFG를 새긴 PMPCF의 길이(60.0mm)와 PMPCF 양단에 융착 접속된 두 SMF의 길이로 결정된다. 굽힘(bending)에 의해 유도될 수 있는 측정 오차를 최소화하기 위해 비틀림 반응 측정 시, 일정하지만 약한 장력(tension)을 센서부의 길이 방향으로 센서부에 인가하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup for torsion measurement

그림 3은 -160°에서 160°까지 40° 간격으로 변화되는 비틀림 각도에 대한 제작된 FOTS의 투과 스펙트럼 변화를 보여주고 있다. 그림에서 CW 및 CCW 방향의 비틀림 인가 시 투과 스펙트럼의 변화는 각각 청색 및 적색으로 표시하였고, 단속선(--) 화살표는 투과 스펙트럼의 변화 방향을 나타낸다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 센서부에 비틀림이 인가되기 시작하면 두 공진 딥(LD 및 UD)에서 비대칭적으로 투과 스펙트럼의 변화가 발생한다. 구체적으로, CW 방향으로 비틀림이 가해졌을 때, LD와 UD의 투과도는 청색 단속선 화살표 방향으로 변화되며 LD의 BRR이 증가하게 된다. 역으로 CCW 방향의 비틀림이 인가되었을 경우에는 LD 및 UD의 투과도는 적색 단속선 화살표 방향으로 변화되며 UD의 BRR이 증가하게 된다. 이러한 비틀림에 따른 공진 골 별 BRR 변화의 상이성은 비틀림에 따른 PMPCF 내 편광의 공간적 변화를 통해 이해할 수 있다. 예를 들어, 비틀림 각도가 0°인 상황에서 CW 방향의 비틀림이 인가되는 경우, PMPCF의 두 주축에 고르게 분포되어 있던 광 파워(optical power)가 인가되는 비틀림에 의해 (PMPCF 전체 길이에 대해 평균적으로 볼 때) PMPCF의 두 주축 중 LD에 해당하는 주축에 상대적으로 많은 파워를 결합시켜준다고 생각할 수 있다. 반대로 CCW 방향으로 비틀림이 인가되는 경우에는 UD에 해당하는 PMPCF 주축으로 입력 편광의 파워가 상대적으로 더 여기된다고 생각할 수 있다.

Fig. 3. Transmission spectrum variation of the fabricated FOTS according to twist angle changes from -160° to 160°. Spectral changes in the CW and the CCW directions are indicated by blue and red dashed arrows, respectively

그림 4 (a)는 -160°∼160°의 비틀림 각도 범위에서 20° 간격으로 측정된 두 공진 골(LD 및 UD)의 투과도 변화를 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있듯이, 인가되는 비틀림이 증가함에 따라 LD 및 UD의 투과도는 각각 단조 감소 및 단조 증가하면서, BRR의 증가 및 감소를 초래한다. 두 공진 골의 비틀림 반응이 전체 비틀림 각도 영역에서 선형적이지는 않으나, 부분적으로는 선형적인 반응을 보이는 것으로 생각할 수 있다. 그림에 별도로 표시하지는 않았으나, 약 80° 정도의 구간에서 선형적인 반응을 보이는 세 구간을 설정할 수 있다. 따라서 각 공진 골 별로 세 개의 선형 구간을 선정할 수 있고, 세 구간 각각에서 비틀림이 인가되는 방향을 구별할 수 있는 세기(intensity) 기반의 FOTS를 구현할 수 있다. 특히 두 공진 골(LD 및 UD) 모두에서 투과도 변화를 측정하고 이용하는 경우, 인가된 비틀림의 측정 정확도를 보다 향상시킬 수 있다.

하지만 실적용 관점에서 볼 때 센서의 비틀림 반응의 선형 범위는 가능한 넓어야 한다. 더 넓은 비틀림 반응의 선형 범위를 찾기 위해 로그 스케일(scale)로 측정된 Fig. 4 (a)의 투과도를 Fig. 4 (b)와 같이 선형 스케일로 변환하였다. Fig. 4 (b)에서 확인할 수 있듯이, 선형 스케일로 변환 후 Fig. 4 (a)의 선형 범위보다 훨씬 더 넓은 ∼320°의 선형 범위를 갖는 선형 응답 특성을 얻을 수 있었다. -160°∼160°의 비틀림 각도 범위에서 LD의 비틀림 민감도는 -5.1%/rad(보정 $R^{2}$: 0.99596), UD의 비틀림 민감도는 4.8%/rad(보정 $R^{2}$: 0.99674)으로 측정되었다. 상기 두 공진 골의 비틀림 민감도 간 차이는 Fig. 3에서 확인할 수 있는 것처럼 LD의 최대 BRR이 UD의 최대 BRR보다 약간 크기 때문에 비롯된 것으로 사료된다. 센서부의 전체 길이 $L_{0}$를 고려할 경우, LD 및 UD의 비틀림 민감도는 각각 -5.1%/rad×20cm = -102.0%/(rad/cm) 및 4.8%/rad ×20cm = 96.0%/(rad/cm)로 계산된다. 상기 센서부 길이를 고려한 제안된 FOTS의 비틀림 민감도는 최근 보고된 세기 기반 센서(비틀림 민감도: 45.3%/(rad/cm))⁽¹⁹⁾에 비해 2배 이상 높은 수치이다. 제안된 PMPC-LPFG 기반 FOTS는 실험 결과에서 보듯이 넓은 비틀림 각도 측정 범위에서 충분히 우수한 선형성을 제공하고 비틀림 방향 식별 기능을 제공할 수 있다. 또한 센서 표지자로 두 개의 공진 골을 모두 사용할 경우, 측정 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다. 특히 제안된 FOTS는 BBS와 OSA 대신 $λ_{LD}$ 혹은 $λ_{UD}$의 출력 파장을 갖는 레이저 다이오드(laser diode)와 광 검출기를 이용하여 세기 기반 센서 시스템을 구현할 수 있다. 이러한 특징은 BBS 및 OSA가 필요한 파장 암호화(wavelength-encoded) 기반 센서와 비교하여 비용 효율성을 제공한다.

Fig. 4. (a) Torsion-induced transmittance level changes of LD and UD, measured for a twist angle range from -160° to 160° with a step of 20° and (b) another version of (a) with its transmittance level converted into a linear scale

추가적으로 제안된 센서의 온도 응답을 측정하기 위해 두 공진 골(LD 및 UD)의 온도에 의한 투과 스펙트럼 변화를 40∼80℃의 온도 범위에서 조사하였다. 온도 반응 실험을 위해 PMPC-LPFG가 포함된 센서부를 항온 챔버(chamber)에 위치시키고, 온도 반응 측정 동안 센서부에 기계적인 외란이 가해지지 않도록 길이 방향으로 일정한 장력을 인가하였다. 열에 의한 투과도 변화는 LD 및 UD에서 각각 약 -0.028 및 0.038dB로 측정되었으며, 이에 따른 LD 및 UD의 온도 민감도는 각각 약 -7.0×10-4 및 9.5×10-4dB/℃로 계산되었다. 이러한 온도에 의한 투과도 변화는 매우 작기 때문에 비틀림 측정 결과에 거의 영향을 미치지 않는다. 예를 들어, 5℃의 주변 온도 변화 시, 제안된 센서(센서 표지자: LD)에 의해 측정되는 비틀림 각도의 오차는 약 0.14° 수준이다. 또한 기존 FOTS와 비교할 때^(11,18)에도 제안된 센서는 온도에 대해 매우 둔감한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 논문에서는 PMPC-LPFG를 센서부로 사용하여 비틀림 방향을 구분할 수 있고 온도에 둔감한 FOTS를 구현하였다. 제작된 센서는 넓은 비틀림 측정 범위(-160°∼160°)에서 우수한 선형성으로 비틀림 측정이 가능하였다. 센서부인 PMPC-LPFG는 PMPCF에 이산화탄소 레이저 펄스를 조사하여 제작되었다. 센서부에 인가되는 비틀림 방향은 두 공진 골들(LD 및 UD) 중 하나의 투과도 변화를 측정함으로써 구별할 수 있었다. 또한 로그 스케일로 측정된 공진 골의 투과도를 선형 스케일로 변환함으로써 -160°∼160°의 비틀림 각도 범위에서 보정 $R^{2}$값이 0.99596 이상인 높은 선형성의 비틀림 응답을 얻을 수 있었다. 이러한 선형 스케일에서 추산된 LD 및 UD의 비틀림 민감도는 각각 약 -5.1 및 4.8%/rad으로 측정되었다. 추가적으로 비틀림을 인가하지 않은 상태에서 센서부의 온도 응답을 40∼80℃ 범위에서 조사하였으며, LD 및 UD의 온도 민감도는 -7.0×10-4 및 9.5×10-4dB/℃로 측정되었다. 이러한 낮은 온도 민감도는 제안된 FOTS가 주변 온도의 변화에도 충분한 정확도를 갖고 비틀림을 측정할 수 있음을 의미한다. 특히 센서부인 PMPC-LPFG가 BBS와 OSA 대신 레이저 다이오드 및 광 검출기와 함께 센서 시스템을 구성할 경우, 비용 효율이 높고 온도에 둔감한 세기 기반 FOTS를 구현할 수 있다. 추가적으로 세기 기반 센서를 구현할 경우 동적인 비틀림을 모니터링 하는 시스템에도 응용될 수 있을 것으로 사료된다.