1. 서 론

광섬유 압력센서(optical fiber pressure sensor :이하 OFPS)는 가스 터빈 엔진, 유정(oil well), 우주항공 산업, 헬스케어 시스템 등과 같은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다^(1-3). 특히 페브리-페로(Fabry-Perot), 마이켈슨(Michelson), 마하-젠더(Mach-Zehnder), 사냑(Sagnac) 간섭을 이용한 간섭계 기반 OFPS가 활발히 연구되고 있다^(4-7). 이러한 간섭계 기반 OFPS는 외부 교란에 의해 발생하는 광 경로 또는 위상 차이로 인하여 생성된 간섭 스펙트럼(interference spectrum)을 분석하여 물리량을 섬세하게 감지할 수 있다. 간섭계 기반 OFPS 중 페브리-페로 간섭계 기반 압력 센서(Fabry-Perot interfero meter based pressure sensor : 이하 FPIPS)는 코팅된 막(membrane)의 두께 또는 구멍(air cavity) 크기의 압력으로 인한 변화를 스펙트럼 분석하여 센서 헤드에 가해지는 압력을 추정할 수 있으며, 간단한 구조 및 적용된 압력을 측정하는 직관적인 방법으로 인하여 가장 많이 이용되고 있다^(8-10). 그러나 이러한 FPIPS는 센서 헤드를 제조하기 위해 추가적인 복잡한 제조 공정이 필요하므로 비용 효율적이지 않다. 또한 코팅된 막의 수명은 센서의 정확도에 직접적인 영향을 준다.

2018년에 Liu et al. 연구진은 0∼0.8MPa의 압력 측정 범위에서 약 -5.18nm/MPa의 압력 민감도를 가지는 가공된 광섬유를 이용한 광섬유 내 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer: 이하 MZI) 기반 OFPS를 제안하였다⁽¹¹⁾. 이 OFPS의 센서 헤드는 광섬유 내 MZI를 구성하기 위해 아크 방전을 이용하여 광섬유를 나선형으로 만드는 추가적인 공정을 하였으며, 높은 민감도를 얻기 위하여 센서 헤드의 중앙 부분을 펨토 초 레이저로 가공하였다. 그러므로 제안된 OFPS는 추가적인 공정들로 인한 약 20dB 이상의 삽입손실이 있으며, 이로 인하여 센서의 정확도가 저해된다. 또한 펨토 초 레이저 기반 제조 공정에는 정교한 식각 작업을 수행하기 위하여 광섬유 잔해를 제거하기 위한 특수 제조 시설이 필요하다. 최근에는 버니어 효과(Vernier effect)를 이용한 간섭계 기반 OFPS들이 많이 연구되고 있다. 버니어 효과는 두 개의 간섭계에서 생성된 간섭스펙트럼의 서로 다른 위상의 간섭 스펙트럼을 중첩하여 새로운 스펙트럼을 형성하는 원리이다. 2019년에 Zhao et al. 연구진은 MZI를 기반으로 한 버니어 효과를 사용하는 OFPS를 발표하였다⁽¹²⁾. 이 OFPS는 버니어 효과를 생성하기 위해 할로우 코어 파이버(hollow core fiber: 이하 HCF)와 다중 모드 광섬유(multi-mode fiber: 이하 MMF)를 이용하여 2개의 직렬된 광섬유 내 MZI를 형성하였다. 단일 모드 광섬유(single-mode fiber: 이하 SMF)의 입사광은 MMF를 통과하여 여러 모드의 빛으로 분할된다. 이 분할된 빛은 HCF를 통과한 후 다시 MMF에서 결합하여 MZI를 형성한다. 직렬된 2개의 마하-젠더 간섭계를 형성한 뒤 각각의 MZI 간섭계는 참조용과 감지용으로 사용된다. 감지용으로 사용된 MZI는 직렬된 2개의 MZI 스펙트럼의 위상을 서로 달리하기 위해 펨토 초 레이저를 이용하여 HCF의 한쪽 면을 드릴링 가공하여 공기에 노출했다. 센서의 압력 민감도는 0∼0.8MPa의 인가 압력 측정 범위에서 약 -73.32nm/MPa로 측정되었으며, 0.72kPa/℃의 온도에 대한 낮은 교차 민감도(cross sensitivity)도 함께 보여준다. 그러나 미세하고 정교한 HCF의 측면 드릴링 가공이 필요하며, 인가된 압력 응답에 대한 측정된 스펙트럼 데이터를 분석하기 위해 추가적인 정현파 피팅이 요구된다.

본 논문에서 우리는 테이퍼드 편광유지 광섬유(polarization-maintaining fiber: 이하 PMF)와 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating: 이하 FBG)를 이용한 사냑 간섭계 기반 온도 변화에 독립적인 특성을 지닌 편광계 OFPS를 제안하며, 또한 200, 300, 400μm의 세 가지 다른 테이퍼드 영역 길이(L_TS)에 대한 압력 민감도의 의존성을 조사하였다. 제안된 편광 OFPS는 편광 사냑 루프(polarization Sagnac loop: 이하 PSL)에 의해 생성된 편광 간섭 스펙트럼의 파장변화를 이용하여 압력을 측정한다. PSL은 편광 빔 분배기(polarization beam spliiter: 이하 PBS), 1/4 파장판(quarter-wave plate: 이하 QWP)과 1/2 파장판(half-wave plate: 이하 HWP)으로 구성된 파장판 결합(wavelength plate combination: 이하 WPC), 그리고 길이 10cm의 PMF 세그먼트와 FBG가 결합한 센서 헤드로 구성되었다. 압력에 유도된 테이퍼드 PMF 복굴절의 변화는 편광 간섭 스펙트럼의 파장 이동을 초래한다. 하지만 테이퍼드 PMF의 복굴절은 인가된 압력뿐만 아니라 주변 온도의 영향을 받기 때문에 두 물리 요소를 분리하고 독립적으로 측정해야 한다. 따라서 주변 온도 변화에 민감하지만 압력 변화에 민감하지 않은 FBG는 테이퍼드 PMF의 온도 교차 민감도를 보상하기 위한 온도 기준으로써 사용된다.최대 압력 민감도는 L_TS가 400μm일 때 -22.92nm/MPa으로 얻어졌다. 센서 선형성을 나타내는 조정 된 R²값은 0∼0.5MPa의 인가된 압력 측정 범위에서 약 0.988으로 측정되었다. 본 연구진이 제안하는 OFPS는 현재까지 보고된 OFPS와 비교하여 가장 높은 압력 민감도를 갖지 않지만, 우수한 선형성과 함께 온도 변화에 독립적인 압력 감지 기능을 제공한다. 또한 센서 헤드는 번거롭고 정밀한 추가 공정없이 광섬유 융착 접속기(optical fiber fusion splicer)로만 손쉽게 제작할 수 있다. 본 논문의 2절에서는 제안된 OFPS의 제조방법 및 제작된 센서헤드의 L_TS 증가에 대한 특성 분석을 제시하였다. 3절에서는 제작된 센서의 L_TS 증가에 따른 압력 및 온도 민감도 변화를 분석 및 고찰하였다. 마지막으로 4절에서는 본 논문의 전반적인 요약을 제시하였다.

2. 센서의 제작 및 원리

제안된 OFPS를 제작하기 위하여 Fujikura 社의 광섬유 융착 접속기(FSM-100P)를 이용하여 PMF 테이퍼링 공정을 진행하였으며, 사용된 광섬유는 Nufern 社의 PANDA형 PMF(PM1550-XP)를 사용하였다. 먼저 PMF의 폴리머 재킷(polymer jacke-t)을 제거하고 5cm 길이로 광섬유 절단기를 이용하여 절단한 후, 광섬유 융착 접속기의 양 쪽 광섬유 홀더에 장착한다. 양쪽의 절단된 PMF의 고유 축 오프셋이 0°에 맞게 정렬(align)한 후, 아크 방전을 이용하여 두 PMF를 융착 접속한다. 이때 절단된 PMF 사이의 간격은 200, 300, 400μm으로 설정된 값으로 벌어진다. 그러므로 광섬유 홀더 사이의 광섬유 영역이 가늘어져 테이퍼드 PMF가 생성된다. 본 연구진은 테이퍼드 공정 시 광섬유 융착 접속기의 아크파워, 방전시간, 모터 스피드 등을 최적화하여 약 0.03dB의 낮은 삽입손실을 가지는 테이퍼드 PMF를 얻을 수 있었다.

그림 1(a), 1(b), 1(c)는 각각 테이퍼드 영역의 길이가 200, 300, 400μm인 테이퍼드 PMF의 측면 모습을 나타내고 있다. 테이퍼드 영역의 길이가 증가할수록 테이퍼드 PMF 허리 직경은 얇아지는 것을 확인 할 수 있다. 테이퍼드 영역의 길이가 200, 300, 400μm 일 때 이에 대응하는 각각의 테이퍼드 PMF 허리 직경은 ∼81.25, ∼66.41, ∼48.39μm으로 측정되었다. PMF의 테이퍼링 공정에 의해 발생된 구조적 변화를 조사하기 위하여, 광학 현미경을 사용하여 PMF의 테이퍼링 공정 전과 후의 단면을 확인하였다. 그림 1(d)와 1(e)는 각각 테이퍼링 공정 전과 후의 PMF 단면의 현미경 이미지를 나타낸다. 그림에서 볼 수 있듯이, 기존에 원형이었던 코어의 모양은 타원형으로 변형되는 반면, 클래딩 및 응력 부여 영역(stress-applying region: 이하 SAR)은 원형을 유지한 상태로 직경만 줄어들었다. 일반적으로 PMF의 모달 복굴절 B는 식(1)과 같이 주어진다⁽¹³⁾.

여기서 B_G는 타원형 코어에 의해 유도된 기하학적 복굴절 성분이고, B_So는 타원형 코어의 열 팽창 차이에 의해 유도되는 자체 응력 복굴절 성분이며, BS는 SAR에 의해 유도된 외부 응력 복굴절 성분이다. 식에서 B_G와 B_So는 타원형 코어를 가진 PMF에만 존재하는 복굴절 성분이기 때문에 PANDA형 PMF는 B_S만 존재한다. 그러나 그림 1(e)에 의해 예상할 수 있듯이, L_TS가 증가하면, 코어 형상은 점차 타원형이 되고, 테이퍼드 PMF의 복굴절은 테이퍼링 되지 않은 기존 PMF의 복굴절보다 커질 것이다. 특히 광이 PMF의 테이퍼드 영역을 지나 전파될 때, 기본 코어 모드 (LP₀₁^core)는 down-taper 영역에 의해 연속적으로 저 차 도파 클래딩 모드(low-order guided cladding mode)로 변환된다. 그 후에 이 도파된 클래딩 모드는 up-taper 영역으로 들어가면서 기본 코어 모드로 다시 연결된다⁽¹⁴⁾. 이러한 저차 도파 클래딩 모드는 기본 코어 모드와 비교하여 모드 민감도가 높으며 일반적으로 복굴절이 더 크다. 테이퍼드 PMF의 복굴절에 끼치는 L_TS의 영향을 조사하기 위하여, 테이퍼드 PMF로 구성된 PSL에서 생성된 편광 간섭 스펙트럼을 분석하였다. 그림 2는 PSL에서 형성된 각기 다른 L_TS를 가지는 테이퍼드 PMF의 편광 간섭 스펙트럼들을 보여주고 있다. PMF의 길이는 10cm를 기준으로 하였으며, 테이퍼링 공정으로 인해 발생하는 추가 길이도 고려하였다. L_TS의 길이가 0, 200, 300, 400μm일 때, 이에 대응하는 스펙트럼은 그림 2에서 각각 흑색, 적색, 청색, 자색 실선 그래프로 표기되어있다. 그림 2에서 확인할 수 있듯이, L_TS가 길어질수록 간섭 스펙트럼의 자유 스펙트럼 영역(free spectrum range: 이하 FSR)의 간격은 줄어든다. 이 FSR(Δλ_FSR)은 식(2)에 의해 주어지고 PMF 길이(L)가 고정되면 PMF 복굴절(B)에 반비례한다.

여기서 λ_A 및 λ_B는 편광 간섭 스펙트럼의 두 개의 인접한 투과 딥의 파장입니다. 따라서 테이퍼드 PMF 복굴절 B는 L_TS에 따라 증가한다. 식(2)에서 L=L₀+L_TS을 대입하여, 테이퍼드 PMF의 3개의 L_TS(200, 300, 400μm)에 대해 B를 계산하였다. 또한 L_TS의 증가에 대한 복굴절의 변화를 세밀하게 분석하기 위하여, 테이퍼드 영역의 복굴절 B_TS를 고려하였다. 즉 식(2)의 B는 테이퍼 되지 않은 기존 PMF의 복굴절 B₀와 B_TS의 관계식으로 정립되어야 하며, 식(3)과 같이 표현할 수 있다.

테이퍼 되지 않은 기존 PMF의 Δλ_FSR=66.40nm 및 B(B₀)=3.708×10-4으로 계산되었다. 200, 300, 400μm의 3가지의 L_TS를 가지는 테이퍼드 PMF들의 Δλ_FSR은 각각 60.32, 54.84, 51.61nm, B는 4.056×10-4, 4.443×10-4, 4.705×10-4, B_TS는 1.780×10-2, 2.493×10-2, 2.539×10-2로 계산되었다. 또한 L_TS에 대한 복굴절 변화량 δB을 δB=(B-B₀)/B₀)을 이용하여 계산하였다. L_TS=200, 300, 400μm에 대응하는 계산된 δB은 0.094, 0.198, 0.269이다. 따라서 테이퍼링 공정에 의해 가장 큰 δB 갖는 L_TS=400μm일 때 가장 큰 압력 민감도를 나타낼 것으로 예상된다.

그림 3은 10.0cm 길이의 테이퍼드 PMF와 온도 참조용 FBG로 구성된 센서 헤드, 4포트 광섬유 피그 테일 형 PBS(OZ Optics), 광섬유 피그 테일 형 WPC(OZ Optics)로 구성된 PSL을 기반으로 제안된 OFPS의 모식도를 보여준다. 센서 헤드는 주문 제작된 압력 챔버 안에 넣고, 상온 환경에서 압력 조절기(pressure regulator)를 사용하여 질소(N₂) 가스를 압력 용기에 주입하여 가압 환경을 형성한다. 이 때 센서 헤드는 인장된 상태를 유지하기 위하여 에폭시 수지를 이용하여 고정하였으며, 따라서 인가 압력이 증가하여도 센서 헤드의 굽힙 및 외형 변화는 거의 없을 것이다. OFPS의 출력 간섭 스펙트럼에서 인가 압력 또는 주변 온도로 인한 스펙트럼 변화를 모니터링하기 위해 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission: 이하 ASE, FiberLabs FL7004) 광원과 광학 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer: 이하 OSA, Yokogawa AQ6370C)가 각각 PBS의 입력(T) 및 출력(R) 포트에 연결되었다. ASE에서 방출 되는 광대역 광은 PBS에서 직교 선형 편광 성분(즉 수평 및 수직 편광)으로 분할된다. 이러한 선형 수평 편광(LHP) 및 선형 수직 편광(LVP)은 각각 PBS의 1번 및 2번 포트로 출력되어 PSL 광 경로에서 시계방향(clockwise: 이하 CW) 및 반시계방향(counter clockwise: 이하 CCW)으로 전파된다. 이들 2개의 편광 빔이 테이퍼드 PMF를 통과 할 때, 각각의 빔은 PMF의 2개의 고유 축(x 및 y 축)을 따라 정렬된 2개의 편광 성분으로 분해된다. 이러한 x(고속) 및 y(고속) 축 구성 요소가 OSA에 직접 연결된 PBS의 R 포트에서 결합되면 두 구성 요소 간의 위상차가 편광 간섭 스펙트럼을 생성합니다. CW 및 CCW 경로를 따라 전파되는 편광은 PBS의 출력 포트에서 각각 선형 수평 및 수직 편광기를 통과하고 직교 출력 편광(LHP 및 LVP)를 갖는다. 따라서 2개의 반대 방향으로 전파하는 빔으로 인한 2개의 출력 편광 간섭 스펙트럼은 서로 간섭하지 않고 중첩되어 출력 편광 간섭 스펙트럼을 형성한다. 특히 제안된 OFPS의 이 출력 편광 간섭 스펙트럼은 임의의 입력 편광이 항상 2개의 직교 선형 편광 상태로 분해될 수 있기 때문에 입력 편광과 무관하다⁽¹⁵⁾. 테이퍼드 PMF의 압력에 유도된 복굴절 변화는 출력 스펙트럼의 파장 이동을 초래한다. 따라서 출력 스펙트럼의 파장 변위를 측정하고, 이를 센서의 사전에 결정된 압력 민감도로 변환하여 센서 헤드에 가해진 압력을 추산할 수 있다. 그러나 테이퍼드 PMF는 온도에 대한 교차 민감도 또한 갖기 때문에, 주변 온도와 인가 압력이 동시에 변화하는 환경에서는 인가된 압력에 의해 유도된 스펙트럼 파장 변이만을 구별할 수 없다. 이러한 교차 민감도 문제를 해결하기 위해 3cm 간격을 두고 FBG를 테이퍼드 PMF에 직접 융착 접속하였다. FBG의 공진 파장 λ_Bragg는 격자주기 Λ와 유효 굴절률 n_co,eff에 의해 정의된다. Λ 및 n_co,eff는 압력 변화의 영향을 거의 받지 않기 때문에 초고압을 적용하지 않으면 λ_Bragg의 압력으로 인한 변화는 무시할 수 있다⁽¹⁶⁾. 그러나 λ_Bragg는 n_co,eff의 온도로 인한 변화때문에 주변 온도 변화에 따라 선형으로 이동한다. 따라서 압력 및 온도 변화가 동시에 발생하더라도 FBG로 주변 온도 변화를 보상가능함으로써 가해진 압력 변화만을 분리 측정 할 수 있다. 요약하자면, 기존의 PMF와 L_TS=200, 300, 400μm인 테이퍼드 PMF로 구성된 센서헤드들의 압력민감도를 압력 반응실험을 통해 조사 및 분석한 후, 제작된 센서헤드들의 온도 교차민감도를 온도 반응 실험을 통해 분석하여, 최종적으로 최대 압력 민감도를 지님과 동시에 최저 온도 교차민감도를 지닌 센서헤드를 선정한다.

3. 실험 결과 및 고찰

그림 4(a)는 0∼0.5MPa의 인가 압력 범위에서 압력을 0.1MPa씩 증가할 때 테이퍼드 영역의 길이가 400μm인 PMF와 FBG로 구성된 센서 헤드로부터 출력된 편광 간섭 스펙트럼의 압력 응답을 보여주고 있다. 외란이 없는 환경에서(=0MPa, 상온) WPC의 구성요소들의 방위각을 조정하여 출력 스펙트럼의 가시도를 극대화하였으며, 이때 출력 스펙트럼의 최소 골(dip)을 압력 감지 지시자(pressure sensing indicator)로 설정하였으며, ∼1584.68nm에 위치하고 있다. 그림에서 알 수 있듯이, 압력이 0.1MPa씩 단계별로 증가할 때마다 압력 감지 지시자의 파장(λ_PI,P)이 단파장영역으로 청색 이동(blue shift)한다. 이는 나머지 L_TS=0, 200, 300의 경우에서도 동일한 파장 이동을 보이며 결과적으로 인가 압력이 0.5MPa까지 도달하였을 때, λ_PI,P의 파장 변위 Δλ_PI,P는 L_TS=0, 200, 300, 400μm 순으로 –5.92, -6.76, -8.72, -11.46nm으로 측정되었다. 길이 L 및 복굴절 B를 갖는 PMF에 압력이 가해질 때, 압력 감지 지시자의 압력에 유도되는 파장 변이 Δλ_PI.P는 다음 식(4)와 같이 표현될 수 있다.

여기서 ΔL_P과 ΔB_P는 각각 압력에 유도된 PMF의 길이 및 광탄성 효과로 인한 복굴절의 변화를 나타내고 있다. 인가 압력이 0.5MPa까지 상승하였을 때, PMF의 길이가 변할 정도로 인가 압력이 강하지 않기 때문에 식(4)에서 ΔB_P/B보다 매우 적으므로 ΔL_P은 무시할 수 있다(ΔL_P≈0). 만약 인가된 압력에 의해 ΔL_P의 변화가 있었다면, FBG의 격자 주기 Λ에도 영향을 주기 때문에 FBG의 공진파장 λ_Bragg는 변화할 것이다. 앞에서 언급한바와 같이, 주어진 압력 환경에서 Λ 및 n_co,eff는 영향을 거의 받지 않기 때문에 λ_Bragg는 거의 변하지 않는다. 따라서 Δλ_PI.P는 ΔL_P보다 ΔB_P에 큰 영향을 받는 것으로 간주할 수 있다. 제안된 테이퍼드 PMF 기반 OFPS의 각기 다른 L_TS에 대한 압력 민감도의 영향을 조사하기 위하여 Δλ_PI.P를 선형 분석(linear fittng)하였다. 그림 4(b)는 제안된 OFPS에서 L_TS에 대한 Δλ_PI.P(유색 사각 기호)와 Δλ_Bragg(실선 사각 기호)의 압력응답의 의존성을 보여주고 있다. 앞서 조사한 바와 같이, L_TP가 증가할수록 Δλ_PI.P 또한 커지는 것을 확인할 수 있으며, 반면에 Δλ_Bragg는 L_TP와 인가 압력에 영향이 없는 것을 확인할 수 있다. Origin pro를 이용하여 선형 분석한 결과, 테이퍼드 PMF의 L_TP가 각각 0, 200, 300, 400μm 일 때의 압력 민감도 CP=Δλ_PI,P/ΔP는 각각 –11.84, -13.52, -17.44, -22.92nm/MPa으로 계산되었다. 제안된 OFPS의 압력 응답 선형성은 L_TS=0, 200, 300, 400μm 순으로 ∼0.9896, ∼0.9974, ∼0.9997, ∼0.9887으로 계산되었다. 서로 다른 4가지 L_TS를 가진 센서 헤드들 모두 보정 R²값이 0.988 이상의 높은 선형성을 보이고 있다.

앞서 언급하였듯이, 제안된 OFPS는 압력 민감도 외에도 온도에 대한 교차 민감도를 가지고 있으며 이러한 온도 교차 민감도를 보상하기 위하여 FBG를 테이퍼드 PMF와 직접 연결하였다. 제안된 OFPS의 온도 응답을 조사하기 위하여 테이퍼드 PMF와 FBG로 구성된 센서 헤드를 가열교반기(hotplate)에 부착하여 가열교반기의 온도를 30℃부터 80℃까지 10℃씩 상승시켜 출력 스펙트럼을 분석하였다. 그림 5(a)는 30∼80℃의 범위에서 센서 헤드 주변 온도를 10℃씩 증가할 때, L_TS가 400μm인 PMF와 FBG로 구성된 센서 헤드로부터 출력된 편광 간섭 스펙트럼의 온도 응답을 보여주고 있다. 압력 응답 실험과 마찬가지로 외란이 없는 환경에서(=0MPa) 가열교반기의 온도를 30℃로 고정하였으며, 온도 감지 지시자(temperature sensing indicator)로 사용된 최소 딥의 파장은 ∼1597.34nm으로 측정되었다. 압력 응답과 마찬가지로 센서 헤드 주변 온도가 10℃씩 단계적으로 증가할 때마다 온도 감지 지시자의 파장 λ_PI,T이 단파장영역으로 청색 이동함을 볼 수 있다. 이는 나머지 L_TS를 가지는 테이퍼드 PMF를 센서 헤드로 사용했을 때도 같은 현상을 관찰할 수 있었으며, 온도가 80℃에 도달하였을 때 λ_PI,T의 파장 변위 Δλ_PI,T는 L_TS=0, 200, 300, 400μm 순으로 각각 –90.35, -86.96, -92.22, -87.68nm으로 측정되었다. 제안된 OFPS가 L_TS에 증가에 따른 민감도가 비례하는 압력 응답과는 다르게 온도 응답은 L_TS의 길이 변화에 영향을 받지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 그림 1(d) 및 (e)가 보여주는 PMF의 테이퍼링 공정 전과 후의 구조적 변화를 조사함으로써 유추할 수 있다. PMF의 SAR은 코어 및 클래딩보다 높은 열팽창 계수를 갖기 때문에, PMF의 온도 응답은 주로 SAR의 열팽창 계수에 의해 결정된다. 또한 SAR의 기하학적 구조와 치수도 온도 응답에 영향을 준다. 테이퍼링 후 클래딩 직경이 감소함에도 불구하고, 테이퍼드 PMF의 재료 특성, 기하학적 구조는 거의 변하지 않았다. 그림에서 확인 할 수 있듯이, 테이퍼링 공정 후에 PMF의 클래딩, SAR, 코어의 단면적 비율이 12.70:3.78:1에서 12.75:3.75:1로 변경되었다. 이는 증가된 L_TS에 대한PMF 복굴절의 온도 의존성이 테이퍼링 공정 이전과 이후에 크게 다르지 않은 원인으로 보인다. 그림 5(a)에서 알 수 있듯이, λ_Bragg가 압력 응답과는 다르게 센서 헤드 주변 온도가 올라가면 FBG의 n_co,eff의 변화로 인해 영향을 받는다. 그림 5(a) 내부에 삽입된(10시방향) 그림은 L_TS=400μm를 가지는 테이퍼드 PMF와 연결된 FBG의 λ_Bragg의 온도 응답을 명확히 조사하기 위하여 확대한 그래프이다. 센서 헤드 주변 온도가 30℃이며 인가 압력이 없을 때 λ_Bragg는 ∼1542.20nm에 위치하고 있다. λ_PI,T의 이동 방향과 달리 λ_Bragg는 주변 온도의 증가에 따라 브래그 공진 스펙트럼은 장파장 영역으로 적색 이동(red shift)한다. 온도가 80℃까지 상승했을 때, L_TS=0, 200, 300, 400μm에 대응하는 λ_FBG의 파장 변위 Δλ_FBG는 각각 0.48, 0.48, 0.47, 0.47nm으로 측정되었다. 주변 온도가 증가하는 동안 관찰된 FBG 공진 파장이 딥 또는 피크의 형태로 변화하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 FBG에 도달하는 광의 편광 상태가 테이퍼드 PMF의 온도에 유도된 복굴절 변화에 의해 연속적으로 변화된다는 사실에서 비롯된다⁽¹⁷⁾.

길이 L 및 복굴절 B를 갖는 PMF의 주변 온도가 변화할 때, 온도 감지 지시자의 주변 온도 변화에 유도되는 파장 변이 Δλ_PI.T는 다음 식(5)와 같이 표현된다.

ΔL_T와 ΔB_T는 각각 온도에 유도된 PMF의 길이 및 복굴절의 변화를 나타낸다. PMF 내부의 SAR은 코어보다 큰 열팽창 계수를 가지며, 온도 변화로 인하여 PMF의 구조적 변화가 없으므로(즉 길이의 변화 없음) 식(5)에서 ΔL_T은 ΔB_T/B보다 매우 적으므로 무시할 수 있다(ΔL_T≈0). 압력 응답과 마찬가지로 테이퍼드 PMF와 FBG로 구성된 OFPS의 각기 다른 L_TS에 대한 온도 민감도의 영향을 조사하기 위하여 Δλ_PI.T와 더불어 Δλ_FBG 또한 선형 분석하였다. 그림 5(b)는 제안된 OFPS에서 Δλ_PI.T(유색 삼각 기호)와 Δλ_Bragg(실선 삼각 기호)의 온도 응답의 L_TS에 대한 의존성을 보여주고 있다. 앞서 조사한 바와 같이, L_TP가 증가하여도 Δλ_PI.T는 비례하지 않는 것을 확인할 수 있다. 온도 민감도 CT는 Δλ_PI,T/ΔT을 이용하여 계산하였으며, L_TP가 0, 200, 300, 400μm 일 때 대응하는 CT는 각각 –1.807, -1.739, -1.844, -1.754nm/℃으로 계산되었다. FBG의 온도 민감도 C_T,FBG는 Δλ_FBG/ΔT으로 주어지며, 각각 9.6, 9.6, 9.4, 9.4pm/℃으로 계산되었다. L_TS=0, 200, 300, 400μm 일 때 온도 감지 지시자의 온도 응답 선형성을 나타내는 조정 R²값은 각각 ∼0.9998, ∼0.9997, ∼0.9997, ∼0.9997으로 계산되었으며, FBG 브래그 파장의 조정 R²값은 ∼0.9954, ∼0.9987, ∼0.9991, ∼0.9984으로 계산되었다. 온도 감지 지시자와 FBG 브래그 파장 모두 0.995 이상의 매우 높은 선형성을 보이고 있다.

앞의 실험 결과로부터, 제안된 OFPS의 압력 및 열 응답은 출력 간섭 스펙트럼의 감지 지시자와 FBG 공진 사이에서 독립적이며 상당히 선형적임을 확인할 수 있다. 이러한 독립적이고 선형적인 응답에서, 압력 및 온도 변화에 대한 테이퍼드 PMF 및 FBG의 총 파장 이동은 다음과 같이 행렬 곱으로 표현할 수 있다.

앞의 실험으로부터, FBG 공명의 압력에 유도된 파장 이동은 거의 일어나지 않는 것으로 관찰되었다 (즉 C_P,FBG≃0). Δλ_PI 및 Δλ_FBG를 측정함으로써 미리 결정된 민감도들(CP, CT, C_P,FBG, C_T,FBG)을 이용하여 ΔP 및 ΔT의 동시 측정을 수행할 수 있다. 따라서 제안된 OFPS는 테이퍼드 PMF와 직접 접합된 FBG를 사용하여 주변 온도 변화와 독립적인 압력 측정법을 제공 할 수 있다. 결과적으로 테이퍼링 공정을 통하여 복굴절 변화율 δB가 가장 높은 L_TS=400μm인 테이퍼드 PMF를 이용하여 가장 높은 압력 민감도를 얻을 수 있었다.

4. 결 론

본 논문을 요약하자면, 센서 헤드로 FBG와 접합된 3개의 다른 L_TS 값을 가지는 10.0cm 길이의 테이퍼드 PMF를 사용하는 온도 변화에 독립적인 편광계 OFPS를 제안하였으며, OFPS의 압력 민감도의 L_TS 의존성을 실험적으로 조사하였다. 압력에 유도되는 테이퍼드 PMF 복굴절의 변화는 편광 간섭 스펙트럼의 파장 이동을 일으켰다. 그러나 이러한 편광 간섭 스펙트럼의 파장 이동은 주위 온도 변화에도 반응하기 때문에 테이퍼드 PMF 세그먼트의 온도 교차 감도를 보상하기 위해 FBG가 사용되었다. 조사한 결과, 우리는 테이퍼링 공정을 통하여 기존 원형인 코어 형상이 타원으로 변형되는 것과 더불어 테이퍼드 영역에서 코어 모드의 빛이 저차 가이드 클래딩 모드로 광 결합하는 현상으로 인하여 테이퍼드 PMF의 복굴절 및 압력 민감도가 증가한다는 결론을 내릴 수 있었다. 즉 테이퍼드 PMF의 L_TS의 증가에 따른 복굴절 및 압력민감도가 증가하였다. 반면에, 테이퍼드 PMF의 온도 민감도는 L_TS에 의존적이지 않았는데, 이는 테이퍼드 PMF의 단면을 조사한 결과 SAR의 물성, 기하학적 구조, 면적 비의 큰 변화가 없었기 때문이라 예상하였다. 따라서 큰 값의 L_TS를 지닌 테이퍼드 PMF는 압력민감도는 증가하지만, 온도민감도는 증가하지 않으므로 상대적으로 낮은 온도 교차 민감도를 가진다. L_TS=400μm인 테이퍼드 PMF를 센서 헤드로 사용하는 경우, 0∼0.5MPa의 압력 범위에서 -22.92nm/MPa의 압력민감도를 얻었으며, 더불어 0.9887의 높은 선형 응답을 보여주었다. 제안된 OFPS는 다른 OFPS와 비교할 때 간단한 구조, 쉬운 제조 및 강력한 내구성과 같은 주요 장점으로 인해 다양한 산업 분야의 실제 응용 분야에 유리할 것으로 예상된다.