1. 서 론

광섬유 센서는 소형, 경량화, 수밀성 및 전자기 간섭에 대한 내성 등 여러 장점을 지니고 있어 수십 년 간 광범위하게 연구되어 왔다. 다양한 광섬유 센서들 중 높은 민감도와 선형성을 갖는 광섬유 투과형 격자(fiber transmission grating: 이하 FTG)는 스트레인(strain)^(1-2), 곡률⁽³⁾, 굴절률⁽⁴⁾ 및 온도^(5-6) 등과 같은 여러 매개 변수의 측정에 이용되어 왔다. 특히 여러 매개 변수 중에서도 다양한 산업 분야에 이용될 수 있는 FTG 기반 스트레인 센서에 관한 연구가 집중적으로 이루어져 왔다. 그러나 FTG 기반 센서는 스트레인 뿐만 아니라 온도에 대해서도 교차 민감도가 존재한다는 한계점이 있다. 따라서 FTG 센서는 스트레인뿐만 아니라 주변 온도 변화에도 영향을 받기 때문에 두 물리량을 구분할 필요가 있다. 스트레인과 온도에 의해 동시에 발생되는 FTG의 파장 이동을 구별하면서, 이 두 변수의 혼선(crosstalk)을 최소화하기 위한 다양한 접근 방법들이 다수 제안되어 왔다^(7-9). 이러한 접근법 중, 복굴절(birefringence)이 큰 편광유지 광섬유(polarization-maintaining fiber: 이하 PMF)에 제작된 FTG는 비용 효율적으로 스트레인과 온도의 동시 측정을 구현할 수 있었다⁽⁷⁾. PMF에 제작된 FTG(이하 PM-FTG)의 저속 축(slow axis) 또는 고속 축(fast axis)에 정렬된 직교하는 두 입력 편광을 각각 입사시키면, 투과 스펙트럼에서 서로 다른 공진 파장을 갖는 손실 스펙트럼을 각각 얻을 수 있었다. 따라서 PM-FTG를 이용하여 스트레인과 온도를 동시에 측정하기 위해서는 상기 두 직교 입력 편광에 대해 각각 PM-FTG의 투과 스펙트럼을 측정해야하기 때문에, 입력 편광 당 한 번, 총 두 번의 파장 스캔(scan)이 필요하였다. 이러한 PM-FTG에 연결된 인입(lead-in) 광섬유 내에서 전파되는 빛의 편광은 온도, 진동 및 압력과 같은 여러 환경 섭동(perturbation)에 의해 그 편광이 바뀔 수 있다. 만약 두 번의 파장 스캔동안 인입 광섬유를 진행하는 빛의 편광이 바뀌게 되면, 입력 편광에 의존하는 PM-FTG의 특성으로 인해 센서 시스템의 측정 정확도 및 안정성이 크게 저하될 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위한 기법으로 패러데이 회전 반사체(Faraday rotator reflector: 이하 FRR)를 PM-FTG에 연결한 새로운 센서 시스템이 제안되었다⁽¹⁰⁾. 제안된 시스템에서는 FRR을 PM-FTG의 한쪽 끝에 연결함으로써, 직교 입력 편광에서 얻었던 두 개의 손실 스펙트럼들을 단 한 번의 파장 스캔으로 얻을 수 있었다. 그리고 PM-FTG의 입력 편광을 제어하기 위한 편광 제어기(polarization controller: 이하 PC)가 더 이상 필요하지 않았으며, 편광되지 않은 빛(unpolarized light)을 입력 광원으로 사용하여 스트레인 및 온도의 동시 측정을 수행하는 것도 가능하였다. 따라서 PM-FTG의 인입 광섬유가 외부 물리적 섭동에 의해 영향을 받는 경우에도 센서의 정확성과 안정성을 확보할 수 있었다.

일반적인 PMF의 복굴절은 광탄성 효과(elasto- optic effect)에 의해 발생하게 된다. 이러한 효과는 광섬유 코어(core) 주위에 비대칭적인 응력(stress)을 가하기 위해서 클래딩(cladding) 영역에 특정 물질을 도핑(doping)시켰을 때 나타난다. PMF의 광탄성 특성은 거시적(macro) 또는 미시적(micro) 굽힘(bending)에 의해 그 특성이 바뀌게 되므로, PMF에 인가되는 굽힘은 PMF로 도파되는 직교하는 편광 모드(mode) 간 결합(coupling)에 영향을 주게 된다. 따라서 PM-FTG에 굽힘이 인가될 경우, PM-FTG를 센서부(sensor head)로 사용하는 센서 시스템의 안정성과 정확성이 저하될 수 있다. 이러한 PMF 대신 편광유지 광자결정 광섬유(polarization-maintaining photonic crystal fiber: 이하 PMPCF)를 센서부로 대체하면, 전술된 굽힘에 의한 PMF 모드 간 결합 문제를 해결할 수 있다. PMPCF는 PMF와 달리 응력을 유도하는 요소가 없는 독특한 구조로 구성되어 있으며, 코어가 타원형으로 이루어져있어 10-3에 근접하는 높은 복굴절 특성을 가지고 있다. 예를 들어 이전 연구⁽⁷⁾에서의 PMF 복굴절은 ∼5.1×10-4으로 PMPCF의 복굴절에 비해 현저히 작다. 결과적으로 PMPCF의 높은 복굴절 특성은 굽힘에 의해 유도되는 직교 편광 모드 간 결합을 크게 감소시킬 수 있다. PMPCF에 제작된 FTG(이하 PMPC-FTG)를 센서부로 사용할 경우, PM-FTG 기반 센서에 비해 센서 안정성이 더욱 향상될 것으로 예상된다. 본 논문에서는 FRR과 직렬로 연결된 PMPC-FTG를 이용하여 스트레인과 온도를 동시에 측정할 수 있는 광섬유 센서를 제안하고자 한다.

2. 센서 제작 과정 및 스펙트럼 특성

센서부 제작에 사용되는 PMPCF의 저속 축 및 고속 축에 대한 모드 필드 직경(mode-field diameter)은 각각 4.3μm와 6.8μm이며 복굴절은 ∼8.2×10-4이었다. 전술한 바와 같이 PMPCF의 높은 복굴절은 굽힘으로 인한 직교 편광 모드간 결합을 크게 감소시킬 수 있으며, 온도 민감도 면에서도 PMF보다 약 30배 낮은 특성을 가지고 있다. 그림 1(a)는 10.6μm 파장의 CO$_{2}$ 레이저를 이용하여 PMPCF에 FTG를 제작하는 시스템의 모식도를 보여주고 있다. PMPCF의 외부 폴리머 재킷(polymer jacket)을 벗겨낸 후 FTG를 제작하였으며, 제작된 PMPC-FTG의 격자주기, 격자 수 및 격자 길이는 각각 380μm, 30개 및 11.4mm이었다. CO$_{2}$ 레이저 빔의 평균 출력은 2.2W였으며, 총 8번의 레이저 스캐닝(scanning)을 진행하였다. PMPCF에 CO$_{2}$ 레이저를 조사(illumination)하는 동안 PMPCF가 일직선으로 유지될 수 있도록 하기 위하여, PMPCF의 한쪽 부분은 고정시키고 반대쪽 부분에는 10g의 추를 달아 길이 방향으로 일정한 장력이 인가되도록 하였다. 그리고 PMPC-FTG를 제작하는 동안 광대역 광원(broadband source: 이하 BBS, Fiberlabs FL7701), PC(Agilent 8169A) 및 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer: 이하 OSA, Yokogawa AQ6370C)를 사용하여 PMPC-FTG의 투과 스펙트럼을 측정하였다.

Fig. 1. (a) Schematic diagram of the inscription setup of the PMPC-FTG and (b) its transmission spectra measured for orthogonal input polarization states indicated by 0° and 90°

위상 정합 조건(phase-matching condition)에 기초하여, FTG의 공진 파장 λres는 다음과 같이 표현된다⁽¹¹⁾.

여기서 nco,eff와 nclad,eff는 각각 FTG의 코어 및 클래딩 모드의 유효 굴절률이며 Λ는 격자 주기를 나타낸다. 특히 PMPCF의 공기 및 실리카(SiO$_{2}$)의 굴절률 차와 타원형 코어는 nco,eff와 nclad,eff가 입력 편광에 의존하도록 만든다. 즉 저속 및 고속 축에 정렬된 편광을 PMPC-FTG에 입사시킬 경우, 투과 스펙트럼에서 입력 편광에 따라 서로 다른 공진 파장 λres가 나타나게 된다. 여기서 입력 편광이 PMPC-FTG의 두 주축 중 한 축에 완전히 결합(coupling)될 경우, PMPC-FTG 손실 골의 대역 소거율(band rejection ratio)은 최대가 된다⁽⁷⁾. 반대로, 입력 편광이 다른 주축에 완전히 결합될 경우, 다른 공진 파장을 갖는 손실 골의 대역 소거율이 최대로 나타나게 된다. 그림 1(b)는 상온에서 측정된 PMPC-FTG의 투과 스펙트럼을 보여주고 있다. PC를 이용하여 입력 편광을 PMPC-FTG의 두 주축에 각각 정렬시켰을 때 얻게 되는 두 손실 골들은 편의상 0° 및 90° 손실 골로 표현하였다. 0° 및 90° 손실 골들의 공진 파장은 λ$_{1}$(= ∼1471nm)과 λ$_{2}$(= ∼1495nm)로 지정하였으며, 최대 대역 소거율은 각각 ∼24dB와 ∼23dB로 측정되었다.

그림 2(a)는 FRR을 PMPC-FTG에 직렬로 연결한 센서 시스템의 모식도이며, 그림 2(b)는 이에 해당하는 실제 사진이다. 제안된 센서 시스템에서 사용하는 FRR은 입력 편광을 90° 회전시키는 역할을 한다. 예를 들어 PMPC-FTG에서 출력된 빛이 FRR에서 반사된 후 PMPC-FTG로 다시 입력될 경우, 이 때 입력광은 편광이 90° 회전된 상태로 입력된다. 이러한 편광 회전은 PMPC-FTG를 서로 반대 방향으로 통과하는 두 빛이 서로 직교하는 PMPC-FTG의 두 주축을 각각 여기시키는 역할을 한다⁽¹²⁾. 다시 말해 PMPC- FTG로 먼저 입력되는 빛이 두 주축 중 한 축을 여기시키면, FRR로부터 반사된 뒤 다시 PMPC-FTG로 입력되는 빛은 이와 다른 주축을 여기시키게 된다. 따라서 FRR과 연결된 PMPC-FTG의 반사 스펙트럼에서는 서로 다른 공진 파장을 갖는 두 손실 골이 동시에 관측될 수 있다⁽¹⁰⁾. BBS 출력 광의 편광은 거의 편광이 되지 않은 빛이므로, 두 직교 편광 성분이 시간에 따라 임의의 위상차를 갖고 결합된 것으로 생각할 수 있다. PMPC-FTG의 입력 편광이 두 직교 편광(예를 들어 저속 축과 고속 축에 정렬된 편광)의 합으로 표현될 수 있다면, 이 두 직교 편광은 저속 및 고속 축을 따라 진행하여 PMPC-FTG를 통과한 뒤, FRR에서 반사되면 편광축이 90° 회전하여 서로 편광이 교차되도록 바뀌게 된다. 결과적으로 PMPC-FTG의 두 주축에 동일한 양의 입력광이 결합되어 입력 편광과는 무관하게 최대 대역 소거율을 갖는 두 손실 골이 동시에 얻어지게 된다⁽¹⁰⁾. 따라서 BBS의 출력 광과 유사한 편광되지 않은 빛을 이용할 경우에도 최대 대역 소거율을 갖는 두 손실 골을 동시에 관측하는 것이 가능하다. 만약 제안된 센서 시스템에서 편광된 빛을 광원으로 사용할 경우, 센서부(PMPC-FTG)를 제외한 다른 부분에 응력, 진동 및 온도 변화와 같은 외부 섭동이 가해지게 되면 센서의 안정성이 크게 저하될 수 있다. 그러나, BBS와 같은 편광되지 않은 광원을 사용하면 센서의 안정성을 확보할 수 있으며, 더욱이 입력 편광 조절을 위한 PC도 필요 없게 된다. 그림 2(c)는 BBS를 사용하여 FRR과 연결된 PMPC-FTG의 반사 스펙트럼을 측정한 스펙트럼을 보여주고 있다. 전술한 바와 같이 한 번의 스캔으로 관측된 반사 스펙트럼에서 두 공진 파장이 나타나는 것을 알 수 있다. 제안된 센서에서는 λ$_{1}$과 λ$_{2}$의 공진 파장을 갖는 두 손실 골 D$_{1}$ 및 D$_{2}$를 센서 표지자로 사용하였다. 만약 두 센서 표지자 D$_{1}$ 및 D$_{2}$가 서로 다른 클래딩 모드 차수를 가질 경우, 표지자들 간의 스트레인과 온도 민감도는 서로 다를 수 있다^(7,10).

Fig. 2. (a) Schematic diagram of the experimental setup used to examine independent strain or temperature response of the fabricated PMPC-FTG and (b) real picture of experimental setup. (c) Measured reflection spectrum of the fabricated PMPC-FTG connected in series with an FRR

3. 실험 결과 및 고찰

FRR(OZ optics)에 연결된 PMPC-FTG의 스트레인 및 온도 반응을 조사하기 위하여 그림 2와 같이 BBS, OSA 및 광 순환기(circulator)를 사용하여 실험 셋업을 구성하였다. OSA에 저장된 실험 데이터는 오리진(Origin) 프로그램을 이용하여 그래프 편집과 선형 회귀 분석을 하였다. 스트레인 실험을 위해 PMPC-FTG의 한쪽 끝은 고정된 금속 블록에 접착제로 고정시켰으며, 다른 쪽 끝은 이동식 스테이지(translation stage)에 부착하였다. 이동식 스테이지를 정밀하게 이동시켜 제작된 센서부에 스트레인을 인가하였다. 인가된 스트레인은 ΔL/L0로 정량화할 수 있으며, 여기서 ΔL과 L0는 이동식 스테이지의 이동 변위와 두 구조물(즉 금속 블록과 이동식 스테이지) 사이의 초기 거리를 각각 의미한다. 스트레인은 PMPC-FTG를 포함하는 PMPCF의 전체 길이(L0 = 56.0mm)에 대해 인가되었다. 그림 3(a)와 3(b)는 상온(25℃)에서 센서부에 인가되는 스트레인을 364με 간격으로 0에서 2548με까지 증가시켰을 때, 센서 표지자 D$_{1}$ 및 D$_{2}$의 스펙트럼 상 변화를 보여주고 있다. 2548με의 스트레인 변화에 대해 D$_{1}$의 공진 파장 λ$_{1}$은 1469.94nm부터 1467.80nm까지 감소하였으며, 총 2.14nm의 청색 천이가 발생하였다. 이와 유사하게, D$_{2}$의 공진 파장 λ$_{2}$도 1494.56nm부터 1492.0nm까지 감소하였으며, 총 2.56nm의 청색 천이를 나타내었다.

Fig. 3. Strain-induced spectral variations of the sensor indicators (a) D$_{1}$ and (b) D$_{2}$ of the PMPC-FTG connected with the FRR, measured for an applied strain of 0∼2548 με

Fig. 4. Temperature-induced spectral variations of the sensor indicators (a) D$_{1}$ and (b) D$_{2}$ of the PMPC-FTG connected with the FRR, measured for an applied temperature of 30∼90℃

다음으로 PMPC-FTG의 온도 반응을 조사하기 위해 그림 2(a)와 같이 가열판(hot plate) 위에 PMPC-FTG를 위치시키고, PMPC-FTG의 주변 온도를 30℃부터 90℃까지 10℃ 간격으로 증가시켰다. PMPC-FTG의 온도 반응 측정 시 굽힘으로 인한 측정 오차를 최소화하기 위해, PMPCF의 한쪽 끝은 가열판에 부착하고 다른 한쪽 끝에는 7g의 추를 매달아 PMPC-FTG를 일직선으로 유지시켰다. 그림 4(a)와 4(b)는 온도 변화에 대한 센서 표지자 D$_{1}$ 및 D$_{2}$의 스펙트럼 상 변화를 보여주고 있다. 스트레인 반응과는 달리, 주변 온도가 30℃부터 90℃까지 증가할 때 D$_{1}$ 및 D$_{2}$ 모두 장파장 방향으로 이동하였으며, 총 적색 천이량은 각각 0.62 및 0.50nm이었다.

Fig. 5. Perturbation-induced shifts of λ$_{1}$ and λ$_{2}$, measured for (a) an applied strain of 0∼2548 με and (b) an ambient temperature of 30∼90℃. Solid lines indicate the linear fits of measure data points

그림 5(a)와 5(b)는 각각 2548με의 스트레인 변화량과 60℃의 주변 온도 변화량에 대한 센서 표지자들의 공진 파장(λ$_{1}$ 및 λ$_{2}$)의 변화를 보여주고 있다. 청색 마름모 및 분홍색 원형 기호는 각각 인가된 물리량(스트레인 또는 온도 변화)에 의해 변화된 λ$_{1}$ 및 λ$_{2}$의 측정값이며, 청색 및 분홍색 실선은 이러한 λ$_{1}$ 및 λ$_{2}$의측정값에 대한 선형 회귀 분석 결과를 각각 도시한 것이다. 그림 5(a)에서 알 수 있듯이 0∼2548με의 스트레인 범위에서 λ$_{1}$ 및 λ$_{2}$의 선형성을 나타내는 보정 R2값은 각각 ∼0.9915와 ∼0.9933으로 계산되었으며, 센서 표지자의 스트레인 반응이 높은 선형성을 가짐을 알 수 있다. 선형 회귀 분석 결과로부터 센서 표지자 D$_{1}$ 및 D$_{2}$의 스트레인 민감도는 각각 -0.83 및 -1.04pm/με로 산출되었다. 마찬가지로, 그림 5(b)로부터 30∼90℃의 온도 범위에서 λ$_{1}$ 및 λ$_{2}$의 보정 R2값은 각각 ∼0.9977와 ∼0.9927로 계산되었으며, 온도 반응 또한 높은 선형성을 보임을 알 수 있었다. 상기 결과를 바탕으로 센서 표지자 D$_{1}$ 및 D$_{2}$의 온도 민감도는 각각 10.2 및 8.57pm/℃로 산출되었다. 산출된 PMPC-FTG의 온도 민감도는 PM-FTG의 온도 민감도에 비해 작은 편인데⁽⁷⁾, 이러한 특성은 순수 실리카로 만들어진 PMPCF의 단일 물질 특성으로부터 기인한다. 하지만 PMPC-FTG의 낮은 온도 민감도는 스트레인 및 온도의 동시 측정 안정성에는 큰 영향을 주지 않으며, 오히려 PM-FTG와 비교 시 훨씬 더 넓은 범위에서 온도 측정을 수행할 수 있는 장점을 제공한다.

독립적으로 측정한 PMPC-FTG의 스트레인 및 온도 반응에서 센서 표지자 D$_{1}$ 및 D$_{2}$ 모두 높은 선형 응답을 보였으며, 서로 독립적임을 확인할 수 있었다. 따라서 측정 결과로부터 각 센서 표지자들의 스트레인 민감도 계수(KS,1과 KS,2) 및 온도 민감도 계수(KT,1과 KT,2)를 구할 수 있다. 결국 이렇게 결정된 네 민감도 계수와 센서 표지자들의 공진 파장 이동량 Δλ$_{1}$과 Δλ$_{2}$를 이용하면, 식(2)를 통해 PMPC-FTG에 인가된 스트레인과 온도의 변화량을 분리하여 측정할 수 있다^(7,10).

여기서 Δλ$_{1}$ 및 Δλ$_{2}$는 각각 D$_{1}$ 및 D$_{2}$의 공진 파장 이동량을 의미하며, ΔS 및 ΔT는 각각 PMPC-FTG에 인가되는 스트레인 및 온도의 변화량을 의미한다. 그림 5의 측정 결과로부터 제작된 PMPC-FTG의 네 민감도 계수는 각각 KS,1 = -0.83pm/με, KS,2 = -1.04pm/με, KT,1 = 10.2pm/℃, KT,2 = 8.57pm/℃로 결정되었다. 이러한 네 민감도 계수를 기반으로 스트레인과 온도 변화에 의해 발생하는 Δλ$_{1}$과 Δλ$_{2}$를 측정하면, 식(3)을 통해 PMPC-FTG에 인가되는 ΔS와 ΔT를 직접 산출할 수 있다. 요약하면 제안된 센서 시스템은 PMPC-FTG의 독립적이고 선형적인 스트레인 및 온도 응답을 이용하여 스트레인과 온도를 분리하여 측정하는 것이 가능하다.

4. 결 론

본 논문에서는 FRR에 직렬로 연결된 PMPC-FTG를 이용하여 스트레인과 온도를 분리하여 측정할 수 있는 광섬유 센서를 제안하였다. 센서부로 사용된 PMPC-FTG는 PMPCF에 일정한 간격으로 CO$_{2}$ 레이저 펄스를 조사함으로써 제작되었다. FRR과 연결된 PMPC-FTG는 그 반사 스펙트럼에서 서로 다른 스트레인 또는 온도 민감도를 보이는 두 손실 골을 입력 편광에 무관하게 얻을 수 있었다. 센서 표지자로 사용된 이 두 손실 골의 스트레인 및 온도 반응을 0∼2548με의 스트레인 범위 및 30∼90℃의 온도 범위에서 조사하였으며, 측정 결과 두 센서 표지자는 상기 스트레인 및 온도 범위에서 서로 독립적이고 선형적인 반응을 보였다. 측정 결과로부터 얻은 네 민감도 계수를 기반으로, 외부 매개 변수(스트레인 및 온도)로 인한 파장 이동량을 측정함으로써 센서부에 인가된 스트레인과 온도 변화량을 분리하여 측정할 수 있다. 제안된 센서 시스템은 센서부를 제외한 다른 부분에 외부 섭동이 존재하는 환경에서도 안정적으로 스트레인 및 온도의 정확한 분리 측정이 가능할 것으로 사료된다.