338 J. Sensor Sci. & Tech. Vol. 26, No. 5, 2017 Journal of Sensor Science and Technology
Vol. 26, No. 5 (2017) pp. 338-341 http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2017.26.5.338 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
알루미늄 지지대에 고정된 융착 광섬유 커플러의 열팽창을 이용한 온도 센서
김광택+
Fiber Optic Temperature Sensor Based on the Thermal Expansion Effect of Fused Optical Fiber Coupler Fixed on a Al Support
Kwang Taek Kim+
Abstract
We have investigated a temperature sensor on a thermal expansion effect of a fused optical fiber coupler. Both side of the fused tapered region of the coupler were fixed on a metal support to induce the high thermal expansion effect. The sensor showed that the peak coupling wavelengths were shifted to shorted wavelength region with increased of environmental temperature. The sensitivity of the sensor was 0. 12 nm/
oC.
Keywords: Temperature sensor, Fused optical fiber coupler, Thermo-expansion effect
1. 서 론
융착 광섬유 커플러는 광신호를 분배하거나 합치는 기능을 가 지고 있다. 일반적으로 광섬유 커플러는 두 개의 광섬유를 고열 로 융착시키는 방식을 사용한다. 이 때 고열이 인가됨과 동시에 잡아 당겨지면서 두 광섬유가 하나의 몸체로 달려 붙으며 두 광 섬유 사이에 광 결합이 발생한다. 이때 두 광섬유가 결합되는 길이, 즉 결합길이(L)를 제어하여 광파워를 일정 비율로 분배 하는 용도로 혹은 파장이나 편광을 분리하는 소자로서 광통신 분야에 많이 이용된다[1-3].
한편 융착 광섬유 커플러는 다양한 형태의 센서로 응용된다.
매우 가늘어진 허리 부분은 소멸장(evanescent field)이 허리부 분의 표면까지 노출되어 외부물질과 결합하게 된다. 이러한 특 성을 이용하여 용액의 굴절률을 측정하거나 바이오 파라메타를 측정하는 센서로도 활용이 보고되고 있다[4,5]. 융착 광섬유 커 플러를 잡아 당기면서 회전시키면 커플러의 허리부분에 스트레 인이 가하지면서 특성이 변하게 되는데 이러한 효과를 이용하 여 회전센서로 응용이 될 수 있음이 보고되기도 하였다[6]. 광
섬유는 실리카 물질로 구성되기 때문에 열에 매우 안정적이다.
따라서 광섬유 커플러 자체는 열에 매우 안정적인 특성을 가진 다. 이러한 특성으로 인하여 광섬유 커플러를 온도센서로 활용 하기에는 부적합 하다. 온도 감도를 높이기 위하여 융착 광섬유 커플러의 허리부분에 열광학 효과가 우수한 외부 물질을 코팅 하여 온도 센서로 활용할 수 있음도 보고되었다[7]. 하지만 외 부 물질을 코팅하는 경우 장시간 고온에 노출될 경우 물질의 고 유 특성이 변하기 쉬운 단점이 있고 있다.
본 논문은 광섬유 융착 광섬유 커플러를 이용한 새로운 형태 의 온도센서를 제안한다. 융착 광섬유 결합기는 중간 허리부분 에서 광결합이 일어나며 이 부분의 결합 길에 따라 소자의 특 성이 의존한다. 광섬유는 열에 매주 안정적이며 열팽창 효과를 유도하기 위해 열팽창 계수가 높은 금속지지대에 융착 광섬유 커플러의 허리 부분을 양쪽으로 고정시켜 인위적으로 결합길이 를 온도에 따라 매우 가변적으로 바꿀 수 있는 방법을 제안하 였다. 즉 온도가 올라가면 금속지지대가 열팽창효과로 융착 광 섬유 결합기의 허리부분을 양쪽으로 잡아 당기는 효과가 발생 하도록 한 것이다. 실험을 통해 제안된 금속 지지대에 고정된 융착 광섬유 커플러는 온도 센서로서의 활용가능성을 검증하였다.
2. 구조 및 동작 원리
Fig. 1은 본 논문에서 제안된 융착 광섬유 결합기를 이용한 온 도 센서의 구조이다. 상업용으로 널리 활용되는 1310/1550 nm 파장 분할 다중화 기능을 가진 WDM (wavelength division multiplexing) 융착 광섬유 커플러를 실험에 이용하였다. 일반적
호남대학교 전자공학과 (Electronic Engineering, Honam University)417, Eodeung-daero, GwangngJu 62399
+Corresponding author: ktkim @honam.ac.kr
(Received: Jul. 26, 2017, Revised: Sep. 20, 2017, Accepted: Sep. 20, 2017)
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Kwang Taek Kim
J. Sensor Sci. & Tech. Vol. 26, No. 5, 2017 339 으로 융착 광섬유 커플러를 제조할 때 열팽창 계수가 광섬유와 동일한 실리카 튜브를 지지대로 활용한다.
본 논문에서는 Fig. 1과 같이 온도 변화 따른 소자의 가늘어 진 부분의 팽창을 유도하기 위해 열팽창이 높은 알루미늄 지지 대로 이용하였다. 실험에서 알루미늄 지지대와 실리카 지지대를 사용해서 소자의 특성을 비교하였다.
소자의 특성은 결합모드로 이론으로 설명이 가능하다. 온도가 올라가면 결합길이(L)가 늘어나고 융착 부분이 더 가늘어질 것 으로 예상된다. 결합계수(k)는 파장에 의존하는데, 파장이 길어 질수록 결합계수가 커진다[8]. 이는 파장이 길어줄수록 모드 크 기가 커지기 때문이다. 대칭구조의 방향성 커플러에서 결합이 최대 혹은 최소가 되는 조건은 결합계수와 결합길이의 곱(kL) 이 π의 정수배 혹은 π/2의 홀수 배 일 때 발생한다[9]. 이러한 조건을 고려하면 최대 혹은 최소 전달 특성을 가지는 파장, 즉 피크 파장은 결합길이가 늘어나면 단파장으로 이동할 것으로 사 료된다.
3. 특성측정 및 분석
소자의 특성은 광스펙트럼 분석기로 측정 하였다. 제작된 소 자를 핫플레이트(hot plate)로 가열 시키면서 온도에 따른 특성 을 분석하였다. Fig. 2은 제작된 소자의 투과 스펙트럼을 실온
에서 측정한 결과이다. Port 1로 광대역 광원을 연결하고 Port 3와 Port 4의 출력을 측정한 결과이다. 피크파장은 1310 nm 및 1550 nm 로 나타났다. 이는 통상적으로 광통신 네트워크에서 두개의 파장만을 이용한 파장분활 다중화용 광커플러의 특성이다.
본 논문에서 제안한 소자의 온도 감도의 우수성을 입증하기 위해 통상적으로 사용되는 쿼츠를 지지대로 이용한 소자와 본 논 문에서 제안한 알루미늄 지지대를 활용한 소자의 온도특성을 비 교하였다. 쿼츠와 알루미늄의 열팽창 계수는 각각
와 이다.
Fig. 3. 은 융착 광섬유 커플러의 지지대로 쿼츠 튜브를 이용 했을 때 소자의 온도에 따른 투과 특성을 측정한 결과이다. 쿼 츠 튜브는 광섬유와 동일한 재질이며 열적으로 매우 안정적인 물질이다.
반면에 Fig. 4는 열 팽창계수가 매우 큰 알루미늄 지지대를 이용하여 소자의 특성을 측정한 결과이다. 알루미늄은 금속 중 5.5 10 ×
–7[ m C ,
o] 23.1 10 ×
–6[ m C ,
o]
Fig. 1. Schematic structure of proposed fiber-optic temperature sen- sor using fused fiber coupler incorporating metal support.
Fig. 2. Transmission spectrum of fabricated fused fiber coupler at room temperature.
Fig. 3. Transmission spectrum of fused optical coupler using quartz
tube support, (a) port 3, (b) port 4.
Fiber Optic Temperature Sensor Based on the Thermal Expansion Effect of Fused Optical Fiber Coupler Fixed on a Al Support
340 J. Sensor Sci. & Tech. Vol. 26, No. 5, 2017 에서 가장 큰 열팽창 계수를 가지는 물질이다.
주위 온도가 올라가면 알루미늄 튜브 양쪽에서 광섬유 커플 러의 가늘어진 부분을 양쪽으로 당겨 커플러의 결합길이가 늘 어나는 효과를 가지게 된다. Fig.3에서 알 수 있듯이 쿼츠 지지 대를 이용했을 때 소자의 스펙트럼은 구분하기 힘들 정도로 온 도 변화에 안정적인 특성을 보였다. 반면 Fig.4에서 알 수 있듯 이 약 80
oC의 변화에 피크 파장이 약 10 nm로 매우 민감하게 이동함을 알 수 있다. 감도는 0.12 [nm/
oC] 로 측정되었다. 이는 단순이 피크 파장의 이동 감도만을 비교하면 광섬유 브래그 격 자의 온도감도보다 10배 정도 되는 값이다[9]. 제작된 소자는 이 론적 예측과 동일하게 온도가 올라가면 피크 파장은 단파장으 로 이동함을 보였다.
고온을 가한 후 다시 온도를 내렸을 때 원래의 특성으로 회 복되는 되는 특성은 소자의 신뢰성에 매우 중요하다. Fig. 5는
센서 소자에 가해지는 온도를 처음 실온에서 100
oC까지 온도를 올리고 다시 실온으로 하강시키면서 40
oC와 60
oC에서 투과 스 펙트럼을 측정한 결이다.
제안된 소자는 온도를 올릴 때와 내릴 때 동일 동일한 특성 을 보임을 일 수 있다. 즉 온도를 올리고 난 후 완전한 회복 특 성을 보임을 보인다. 물론 본 논문에서는 장기간 신뢰특성을 분 석하기 위한 반복 실험은 수행하지는 못하였다. 제안된 소자는 특정 파장에서 보면 온도 변화에 따라 출력광의 세기 변조가 일 이 나며 레이저 광원을 이용하면 두 출력광의 세기를 비교하여 온도를 측정하는 것도 가능할 것으로 예상된다.
본 논문에서는 광섬유 코팅 물질의 내열 특성을 고려하여 최 대 100
oC 까지 가열하는 실험을 하였다. 실제 실험에서 측정한 온도 이상에서 제안된 구조의 센서가 동작하기 위해서는 광섬 유 외부 코팅물질과 고정을 위한 에폭시의 고온에 대한 내열특 성이 필요하다. 실제 광섬유의 외부 코팅 물질을 고온에 견디는 폴리이미드 코팅재료로 바꾸고, 광섬유와 지지대를 고정할 때 사용하는 에폭시도 고온용으로 변경하면 온도 측정 범위가 확 장될 수 있을 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 논문에서는 융착 광섬유 커플러의 열팽창 효과를 이용한 온도센서를 제안하였다. 열 팽창 효과를 유도하기 위하여 융착 결합된 광섬유 커플러의 양쪽을 열팽창 계수가 매우 높은 알루 미늄 지지대에 고정 하였다. 실험결과 온도가 올라감에 따라 소 자의 투과 스펙트럼의 민감한 변화를 확인 할 수 있었고 이는 이론적 예측과 잘 일치함을 알 수 있었다. 피크 파장의 감도는 0.12 [nm/
oC] 로 측정 되었다. 제안된 센서는 전자파 간섭으로 Fig. 4. Transmission spectrum of fused optical coupler using alu-
minum tube support, (a) port 3, (b) port 4.
Fig. 5. Recovery characteristic of the fabricated sensor device. The
sensor device was heated to 100
oC.
Kwang Taek Kim
J. Sensor Sci. & Tech. Vol. 26, No. 5, 2017 341 부터 자유롭고 원거리 센싱이 가능하여 전력계통의 가열 감지 기로 사용하기에 적합하다고 사료된다.
REFERENCES
