1. 서 론

열전대(thermocouple), 온도계(thermometer), 저항성 온도 감지계(resistance temperature detector) 등이 있다^[1]. 하지만 상기 온도 센서 중 주로 사용되는 전자식 센서는 전자기 간섭(electromagnetic interference)에 노출될 경우, 측정의 불확실성이 초래된다는 치명적인 단점이 존재한다. 기존의 전자식 온도 센서와는 달리 광섬유(optical fiber) 기반 온도 센서는 유리 재질의 광섬유를 센서부(sensor head)로 사용하기 때문에 방수 특성을 갖고 전자기 간섭에 무관하며, 센서부에 전류가 흐르지 않는 전기적 수동성(electrical passivity)으로 폭발 위험이 존재하는 환경에서도 안전하다는 장점을 갖는다. 지금까지 다양한 광섬유 온도 센서들이 제안되었으며, 대표적으로 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating: 이하 FBG)^[2]와 FBG 쌍 기반 페브리-페로 간섭계(Fabry-Perot interferometer)^[3]를 이용한 온도 측정 기법이 보고되었다. 이외에도 장주기 광섬유 격자(long-period fiber grating: 이하 LPFG)를 이용한 온도 센서도 시도되었다^[4]. 그러나 FBG나 LPFG를 이용한 기존의 광섬유 온도 센서들은 주변 온도 변화 시 발생될 수 있는 종방향 장력(longitudinal strain)에 의해 온도 측정 결과에 오차가 발생되는 문제점이 존재한다^{[5, 6]}. 본 연구에서는 고출력 레이저(high- power laser) 여기광(pump light) 수송용으로 사용되는 이중 클래드 광섬유(double-clad fiber: 이하 DCF)^{[7, 8]}에 이중 테이퍼(dual-taper)를 형성하고 이를 센서부로 사용하여 상기 장력에 의한 온도 측정 오차 문제를 극복할 수 있는 광섬유 온도 센서를 제안하고자 한다. 나아가 센서부로 사용된 이중 테이퍼된 DCF 주변의 외부 굴절률 변화가 초래하는 온도 측정 오차를 조사하여 제안된 온도 센서가 외부 굴절률 변화에도 둔감한 특성을 보임을 증명하였다. 결과적으로 온도 측정 시 센서부 주변에서 발생할 수 있는 종방향 장력 및 외부 굴절률 변화에 둔감하게 온도 측정을 수행할 수 있는 광섬유 온도 센서를 구현하였다.

2. 센서부의 제작 및 스펙트럼 특성

Fig. 1(a)는 온도 측정을 위한 센서부로 사용하고자 하는 이중 테이퍼된 DCF(이하 DT-DCF)의 모식도를 보여주고 있다. Fig. 1(a)의 모식도에 표시된 적색 화살표는 테이퍼 영역의 허리(waist)를 지시하고 있으며, 제작된 DT-DCF의 테이퍼 허리 지름 (W)은 54.52μm로 측정되었다. 그리고, 두 테이퍼 영역 사이의 간격 D는 DT-DCF의 굽힘 측정 연구 결과를 참조 및 센서부 제작 편의성을 종합적으로 고려하여 12mm로 재단하였다^[9]. 빛이 DT-DCF로 입사하여 첫 번째 테이퍼 영역을 지나면 내측 클래딩 모드(inner-cladding mode)로 결합된 코어(core) 모드와 결합되지 않는 코어 모드가 각각 내측 클래딩과 코어를 통해 전파된다. 상기 내측 클래딩과 코어로 전파되는 모드가 D 에 해당하는 거리를 진행한 뒤 두 번째 테이퍼 영역에 도달하면 내측 클래딩 모드가 코어 모드로 재결합(recoupling)할 수 있고, 재결합된 코어 모드와 코어로 진행하던 코어 모드 간에 위상차 φ가 발생하며 그 식은 (1)과 같이 주어진다.

여기서 λ와 Δneff 는 각각 자유 공간(free space) 상 파장 및 코어 모드와 내측 클래딩 모드 간 유효 굴절률(effective refractive index) 차이를 나타낸다. 코어와 내측 클래딩으로 진행한 뒤 코어에서 만난 두 모드 간의 위상차로 인해 생성된 출력 광의 세기(intensity) IDT-DCF는 (2)와 같이 주어진다.

여기서 Icore 및 Icladding은 각각 코어 및 클래딩으로 진행해 온 모드 내에 존재하는 광의 세기를 의미한다. Fig. 1(b)는 제작된 DT-DCF의 투과 스펙트럼(transmission spectrum)을 보여주고 있으며, 스펙트럼에 나타나는 두 공진 골을 센서 표지자(indicator)로 선정하고 각각 D1 및 D2로 지정하였다. 센서 표지자로 선정된 D1 및 D2의 파장은 각각 1507.5nm 및 1578.76nm이었다. 상기 투과 스펙트럼의 삽입 손실(insertion loss)은 ∼5.59dB로 측정되었으며, 이는 DT-DCF 제작 시 테이퍼 영역을 형성하는 과정에서 발생한 손실과 단일 모드 광섬유(single- mode fiber) 및 DCF 간 융착 접속 손실 등에서 기인한 것으로 추정된다.

Fig. 1. (a) Schematic diagram of DT-DCF and (b) transmission spectrum of fabricated DT-DCF

3. 온도, 종방향 장력 및 외부 굴절률 변화에 대한 실험 결과

Fig. 2는 제작된 DT-DCF를 이용하여 온도, 종방향 장력, 외부 굴절률의 변화에 따른 지정된 표지자(D1 및 D2)의 파장 변화를 분석하기 위한 실험 셋업의 모식도를 나타내고 있다. 광원으로 1460∼1610nm의 출력 파장 대역을 갖는 광대역 광원(broadband light source)을 사용하며, 광대역 광원 출력을 두 광섬유 홀더(holder)에 고정된 DT-DCF에 입사시키고, DT-DCF의 출력은 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)를 이용하여 분석하였다. 또한, DT-DCF에 온도 변화를 인가하기 위해 판상형 히터(plate heater)를 DT-DCF와 접촉한 상태로 위치시켰다.

우선 두 표지자 D1 및 D2의 온도에 따른 파장 변화를 관측하기 위해 판상형 히터를 이용하여 주변 온도를 30∼80°C 범위에서 10°C 단위로 증가시키면서 투과 스펙트럼 관측을 수행하였다. Fig. 3(a)에서 확인할 수 있듯이 DT-DCF에 50°C 만큼의 온도 변화가 인가되었을 때, D1 및 D2는 각각 3.98 및 3.8nm의 파장 이동을 나타내었다. Fig. 3(b)는 D1 및 D2의 온도에 따라 이동하는 파장값들에 대해 선형 회귀 분석(linear regression analysis)을 수행한 결과를 보여주고 있고, 분석 결과에서 D1 및 D2의 보정 상수 R 2는 각각 0.99746 및 0.99863으로 평가되었으며 매우 선형적인 파장 변화가 나타난다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 선택된 표지자의 주변 온도 변화에 따른 파장 변화 민감도를 계산할 결과, D1 및 D2의 온도 민감도는 각각 ∼79.6 및 ∼76.0pm/°C로 계산되었다. 이와 같은 온도에 따른 표지자의 파장 변화는 코어 모드와 클래딩 모드가 서로 다른 광열 효과(thermo-optic effect)로 인하여 유효 굴절률에서 차이가 발생하기 때문인 것으로 추정된다^[10]. 이러한 실험 결과로 볼 때, 센서 표지자(D1 및 D2)는 주변 온도 변화에 대해 선형적인 파장 변화를 보이며 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다.

Fig. 2. Schematic diagram of experimental setup to investigate responses of D1 and D2 to temperature, longitudinal strain, and external refractive index variations

Fig. 3. (a) Measured transmission spectra of DT-DCF for temperature variations (from 30 to 80°C) and (b) linear regression results (including adjusted R2 values) of two indicators (i.e., D1 and D2)

한편 제작된 DT-DCF의 종방향 장력에 대한 반응성을 분석하기 위해 Fig. 2에 제시된 두 광섬유 홀더 간 간격을 증가시키면서 DT-DCF의 투과 스펙트럼을 관측하였다. 제작된 DT-DCF에 인가된 종방향 장력의 범위는 0∼4137.9με이었으며, 인가되는 장력 간 간격은 ∼800με이었다. 조사 결과 Fig. 4와 같이 D1 및 D2에 대해 각각 0.08 및 -0.48nm에 해당하는 장력에 따른 파장 변화가 관측되었다. 전체 종방향 장력 변화에 대한 D1 및 D2의 파장 변화 민감도는 각각 1.93×10-2 및 -1.16×10-1pm/με으로 계산되었다. 이때 100με의 종방향 장력이 DT-DCF의 온도에 따른 파장 변화에 어느 정도의 오차를 발생시키는지 계산하였다. 먼저 표지자 D1의 경우 장력에

Fig. 4. Measured transmission spectra of DT-DCF for longitudinal strain variations (from 0 to 4137.9με).

의한 온도 측정 오차는 (100με)×|(1.93×10-2pm/με)/ (76pm/°C)| = ∼0.03°C로 계산되었고, 이는 전체 온도 변화량 대비 ∼0.06%(= 0.03°C / 50°C × 100)에 해당한다. 즉, D1으로 온도를 측정할 경우 100με의 종방향 장력은 전체 온도 변화량에 대해 ∼0.06%의 오차를 초래한다는 것을 알 수 있다. 유사한 방식으로 동일한 종방향 장력이 표지자 D2 기반 온도 측정에 초래하는 오차는 (100με)×|(-1.16×10-1pm /με)/(79.6pm /°C)| = ∼0.15°C로 계산되었다. 이 오차 값은 전체 온도 변화량(50°C) 대비 0.3%에 해당되며, 온도 측정에 미치는 영향은 매우 미미하다는 것을 알 수 있다. 결과적으로 DT-DCF를 이용한 온도 측정 결과는 DT-DCF에 인가되는 종방향 장력에 의해 거의 영향을 받지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5는 외부 굴절률 변화에 따른 DT-DCF의 투과 스펙트럼 변화를 보여주고 있다. 굴절률 반응 조사를 위해 우선 자당 용액(sucrose solution)을 0∼50%(1.3330∼1.4201 RIU)의 농도 범위에서 10% 단위로 준비하였다. 이때 저농도부터 고농도 순으로 자당 용액의 농도를 높이면서 DT-DCF의 표지자 D1 및 D2의 파장 변화를 관측하였다. 관측 결과 D1 및 D2는 각각 -0.16 및 0.08nm의 파장 변화를 나타내었으며, 외부 굴절률에 따른 파장 변화량의 민감도는 각각 -1.84 및 0.92nm/RIU로 계산되었다. 종방향 장력의 영향에 대한 분석과 마찬가지로 0.01 RIU의 굴절률 변화가 DT-DCF의 온도에 따른 파장 변화에 어느 정도의 오차를 발생시키는지 계산하였다. 표지자 D1의 경우 외부 굴절률 변화에 의한 온도 측정 오차는 (0.01 RIU)×|(-1.84×103pm/RIU)/ (79.6pm/°C)| = ∼0.23°C로 계산되었고, 표지자 D2의 경우 상기 온도 측정 오차는 (0.01 RIU)×|(0.92×103pm/ RIU)/(76pm/°C)| = ∼0.12°C로 계산되었다. 이러한 측정 오차는 전체 온도 변화량에 대해 D1의 경우 ∼0.46%(= 0.23°C / 50°C × 100) 그리고 D2의 경우 ∼0.24% (= 0.12°C / 50°C × 100)에 해당하였다. 결과적으로 0.01 RIU의 외부 굴절률 변화는 전체 온도 변화량 대비 1% 미만의 미미한 측정 오차를 유발한다는 것을 실험적으로 확인하였다. 또한, 굴절률 반응 특성 분석을 통해 DT-DCF에 입사되는 빛의 대부분은 외측 클래딩보다 내측 클래딩으로 도파된다는 것을 유추할 수 있었다. 상기 측정된 온도, 종방향 장력 및 외부 굴절률 변화에 따른 투과 스펙트럼의 파장 민감도는 Table 1에 정리하였다.

Fig. 5. Measured transmission spectra of DT-DCF for external refractive index variations (from 1.3330 to 1.4201RIU).

4. 결 론

본 논문에서는 DT-DCF의 코어 및 내측 클래딩 모드 간 내부 마하젠더 간섭에 의해 생성된 투과 스펙트럼을 이용하여 종방향 장력 및 외부 굴절률에 둔감한 온도 센서를 제안하였다. 제작된 DT-DCF의 투과 스펙트럼 내 두 센서 표지자(즉, D1 및 D2)를 지정하고 주변 온도 변화(30∼80°C)에 따른 표지자들의 파장 변화를 관측하였다. 관측 결과 표지자 D1은 3.98nm 그리고, 표지자 D2는 3.80nm의 파장 변화가 측정되었다. 상기 두 표지자의 온도 민감도는 각각 ∼79.6 및 ∼76.0pm/°C로 계산되었으며, 선형 회귀 분석을 통한 보정 R 2 값은 각각 0.99746 및 0.99863으로 평가되었다. 특히, 온도 측정 시 외부 환경 변화에 따라 발생될 수 있는 종방향 장력 및 외부 굴절률 변화가 초래하는 온도 측정 오차를 확인하기 위해 센서 표지자들의 장력 및 굴절률 반응을 조사하였다. 먼저 종방향 장력이 0με에서 4137.9με까지 증가할 때, 표지자 D1 및 D2는 각각 0.08 및 –0.48nm의 파장 변화를 나타내었다. 상기 파장 변화량은 전체 온도 변화량에 대해 각각 0.06 및 0.30%에 해당되는 오차로 DT-DCF는 종방향 장력에 대해 매우 둔감함을 실험적으로 증명하였다. 다음으로 외부 굴절률 변화에 대한 표지자 D1 및 D2의 파장 변화를 관측하였다. 외부 굴절률이 1.333 RIU에서 1.4201 RIU로 증가할 때, 표지자 D1 및 D2는 각각 -0.16 및 0.08nm의 파장 변화를 나타내었다. 상기 외부 굴절률 변화에 의한 파장 변화량은 전체 온도 변화량에 대해 각각 0.46 및 0.24%에 해당되는 값이다. 즉, 외부 굴절률 변화(0.01 RIU)에 의해 발생될 수 있는 온도 측정 오차 또한 1% 미만이므로 DT-DCF는 외부 굴절률 변화에도 둔감하다는 사실을 확인할 수 있었다. 결론적으로 제작된 DT-DCF는 온도 측정 시 외부에서 인가될 수 있는 종방향 장력 및 굴절률 변화에 둔감하여 온도 측정 정확도와 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다.