* 한국과학기술연구원
1. 서론
1966년 영국 ITT의 Kao 박사가 “Theory and practice of optical fiber for communication applications” 라는 저손실 광섬유에 관한 논문을 출판하면서 광섬유에 관한 연구가 활발하게 진행되었다. 광섬유는 처음에 통신을 목표로 개발되었으나, 광섬유 센서에 대한 연구도 다양 한 학자들이 시도함으로써 광섬유 센서 역사도 광섬유의 역사만큼이나 오래되었다.
광섬유 센서는 작은 크기, 원격측정, 쉬운 다중화 등 의 장점을 갖고 있으며. 특히 유리를 기본물질로 사용 함으로써 전자기 잡음에 강하며, 고온이나 폭발가능이 있는 환경 그리고 부식성이 강한 환경에서도 사용 가능 하여 극한 환경에서 물리량 측정에 유리하다. 광섬유
센서는 광섬유 자체를 이용하는 intrinsic 센서와 측정 결과를 광섬유를 통해 받는 extrinsic 센서로 크게 구 분할 수 있으며, intrinsic 센서에는 M-Z 간섭계, F-P 간섭계, sagnac 간섭계, 광섬유 격자 등을 이용하 는 센서와 광섬유의 특성인 입사광원에 의한 후방산란 광을 이용하는 분포형 센서가 있으며, 후방 산란광의 종류에 따라 레일레이(R a y l e i g h) 산란형, 라만 (Raman) 산란형, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서가 있다. 가장 성공적인 광섬유 센서로는 광섬유 격자 센서로써 격자가 설치된 많은 지점의 온도와 스트
레인등 물리량의 변화를 고속, 고정밀도 특성으로 측정 할 수가 있고 실제 현장에도 많이 쓰이고 있으나, 센서 가 설치된 곳의 물리량만 측정할 수 있다. 이를 해결하 기 위하여 광섬유 자체를 센서로 활용하는 분포형 센서 연구가 활발히 이루어지고 있다.
본 원고에서는 광섬유 격자를 이용하여 회전체 날개의 스트레인을 실시간으로 계측할 수 있는 방법, 그리고 새 롭게 개발된 다중코어 광섬유와 이를 이용한 장,단주기 광섬유 격자 제작 기술, 편광유지 포토닉크리스탈 광섬 유를 이용한 센서 기술, 그리고 분포형 브릴루앙 산란형 광섬유 센서에 관하여 살펴보고 본 연구실의 센서관련 연구내용을 소개하고자 한다.
2. 회전체 블레이드 변형율 측정을 위한 FBG 센서 시스템
(1)회전 운동을 하는 블레이드(blade)는 헬리콥터를 비롯 한 항공기 엔진, 터빈, 선박의 스크류 등 많은 기계장치 에서 사용되는 중요한 요소이다. 회전체의 블레이드는 압력 등 변화하는 외력을 받는 환경에서 작동되므로 다 른 구조물에 비하여 높은 피로하중을 받는다. 따라서 블 레이드의 상태를 실시간으로 모니터링하여 고장의 징후 를 미리 감지하고 유지, 보수를 통해 돌발적인 파손 등의
특집 1 ■ 2017 OFS-25 국내유치 기념
특수 광섬유를 이용한 광섬유 센서 및 분포형 브릴루앙 광섬유 센서 연구동향
이관일, 이상배*
사고를 방지하는 것이 매우 중요하다. 블레이드를 포함 한 회전체의 상태를 모니터링 해야 하는 경우 베어링하 우징과 같은 부위에 센서를 설치하여 간접적으로 측정하 는 방법과 회전체에 설치된 센서의 선들을 회전축 한쪽 에 모아서 슬립링(slip ring)을 사용하는 방법이 가장 널 리 사용되고 있으나, 간접신호를 사용한 추정, 측정 신호 의 낮은 S/N비, 측정 센서의 수 제한, 회전 속도 제한 등 다양한 문제점이 있다. 무선 장치를 회전체에 설치하여 센서의 신호를 신호처리 시스템으로 전송하는 방법도 있 으나 비용이 많이 들며 전원 공급, 밸런스(balance) 및 내구성 등의 문제점을 가지고 있다. 최근 풍력 발전기의 경우 블레이드에 손상이 발생했을 때 생기는 음향의 차 이를 이용하여 회전체 블레이드의 상태를 모니터링 하는 방법이 제시되었으나 이 경우도 실시간으로 블레이드의 응력 변화를 알아낼 수 없고, 정확한 손상 부위를 알아내 기 어려운 단점을 가지고 있다.
본 실험에서는 회전체 모니터링 방법으로써 모형 헬리 콥터의 블레이드에 FBG 센서를 설치하고 회전중인 블레 이드에 발생하는 변형률을 측정하였다.
가. 새로운 회전체 변형률 측정 장치
(1) FBG 센서그림 1은 FBG 센서의 원리를 나타낸 그림이다. FBG 센서를 피측정 물체에 접착시킨 후, 접착부에 변형이 일어나면 격자 간극이 변하게 되고 이에 따라 반사되는 빛의 파장도 변한다. 따라서 반사되는 빛의 파장변화를 측정하면 온도나 응력에 의한 접착부의 변형률을 알 수 있다.
본 실험에서는 그림 2와 같이 회전체의 동적 특성을 측 정하기 위해 광필터를 복조기로 사용하는 동적 FBG 센 서시스템을 제작 사용하였으며, 분해능을 높이기 위해서
광필터를 두 개 직렬 연결하여 사용하기도 하였고, 동시 에 10채널의 신호를 측정할 수 있도록 시스템을 구성 하 였다. FBG의 파장변화는 복조기로 쓰이는 광필터를 거 치면서 파장변화에 비례하는 광량 변화로 바뀌며 포토다 이오드를 거쳐서 전기신호로 변환된다. 이 전기신호로부 터 FBG 센서가 부착된 지점의 변형률을 계산하였다.
(2) 빔 결합기
빛은 자유 공간을 통해 이동이 가능하다. 그러므로 회 전체에 FBG 센서가 있는 광섬유를 설치하고, 공간을 통 해 회전체의 광섬유에 빛을 넣어주고 FBG 센서에서 반 사되는 빛을 받는다면 기존의 회전체 모니터링 방식이 가지고 있던 회전부의 센서와 신호처리부와의 연결 문제 가 해결될 수 있다. 그림 3은 새롭게 제안된 회전체 모니 터링 시스템 개념도이다. 그림에서 센서시스템은 FBG를 이용한 회전체 블레이드 모니터링시스템의 개략도인 그
림 2에서의 광대역 광원과 광 서큘레이터(optical circulator), 포토다이오드, 신호처리기를 모두 포 함하는 FBG 센서용 광원 및 신호처리장치이다.
그림 3의 왼쪽은 다수의 FBG 센서가 설치된 회전 축이고, 오른쪽은 고정부이다. 그림에서 빔 커플 러는 두 개의 광학 렌즈를 포함하는 자유공간이 다. 이 빔 커플러는 고정부의 센서시스템으로부터
그림 1. Principle of FBG sensor
그림 2. FBG sensor system using beam coupler
그림 3. New rotor strain monitoring method with FBG sensors and beam coupler
나온 광대역의 빛을 광학 렌즈를 통해 회전축에 부착된 광학렌즈로 전달하여 FBG 센서로 보내며, 각각의 FBG 센서로부터 반사된 특정 파장의 빛을 다시 광학 렌즈들 을 통해 고정부의 센서시스템으로 보내어 광섬유가 없이 도 자유공간을 통하여 광신호를 주고받을 수 있도록 설 계되었다.
그림 4와 같은 장치에서 빛이 빔 결합기를 통과할 때는 필연적으로 손실이 발생하는데, 사용될 렌즈의 정렬에 따 른 전달 특성을 알아보기 위하여 한쪽 렌즈를 이동시켜며 광축의 오프셋(offset)에 따른 전달 특성을 측정하였다.
그 결과는 빔 커플러에 사용된 광학 렌즈의 자유 공간에 서의 전달된 광량은 두 렌즈가 약 ± 25 μm 어긋난 상태 에서도 거의 일정하게 나타났으며, 어긋남이 커짐에 따라 통과하는 광량이 줄어드는 것을 확인하였다.
나. 회전하는 블레이드의 변형률 측정
(1) 실험장치 구성제안된 회전체 변형률 측정 장치로 회전하는 블 레이드의 스트레인을 측정하기 위하여 그림 5와 같이 시스템을 구성하였다. 테이블 위에 서보모터 를 장착하고 구동축과 부하축을 분리하여 V 벨트 로 동력을 전달하도록 하였으며, 부하축의 한 끝 에는 FBG 센서를 부착한 블레이드를 설치하였고 다른 한끝에는 축의 가운데로 광섬유 센서를 유도 하여 빔 커플러에 연결하였다.
블레이드에는 5개의 FBG 센서를 가진 광섬유를 표면에 길이 방향으로 그림 6과 같이 부착하였다.
블레이드는 무선조종 모형 헬리콥터의 목재 블레
이드로서 길이는 550mm 이고, 바람을 받는 방향으로 4°
기울어지도록 설치하여 정상적인 대기상태에서 모형 헬 리콥터가 공중에 정지하고 있는 상황을 재현하였다.
그림 5에서와 같이 빔 결합기의 한 렌즈는 오른쪽 고정 부에 설치하였으며, 왼쪽은 회전축의 중심에 설치하였 다. 고정부쪽 렌즈는 XYZ 작업대에 설치된 각도 조절 작업대에 고정하여 렌즈의 위치와 각도의 조절이 가능하 도록 하였다. 회전부의 렌즈는 회전시에도 움직이지 않 고 축 중심에 위치하도록 회전축 중심에 고정하여 광축 의 흔들림을 방지하였다.
(2) 회전시 광신호 측정
XYZ 작업대에 설치된 각도 조절 작업대를 조절하여 빔 커플러의 두 광축이 일치하도록 정렬한 후, 블레이드를 회전시키면서 블레이드의 FBG 센서로부터 되돌아오는 신호를 관찰하였다. 그림 7은 블레이드를 100 rpm으로 회전시키면서 1 kHz의 샘플링 속도(sampling rate)로 FBG 센서 신호를 측정한 결과이며, 시간에 따른 전압변 화를 보여준다. 한 회전 당 한 번의 신호만 받을 수 있었 던 이전의 연구 결과들과는 달리 5개 센서 신호를 동시에 각각 1 kHz의 샘플링 속도로 측정할 수 있었다.
그림 7의 결과를 자세히 관찰하면 각각의 센서로부터 나온 신호들이 일정한 주기를 가지고 신호가 크게 변하 고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 주기적인 변화는 회전 각도에 따른 빔 커플러에서 전달되는 광량의 변화 문제 는 사용되는 렌즈의 특성이 완벽하지가 않으며 기계적으
그림 4. Rotary optical coupler
그림 5. Rotor blade simulator
그림 6. Rotor blade and FBG sensor location
로 정렬을 잡는 것에도 물리적인 한계가 있으므로 크기 의 문제일 뿐 항상 존재하게 된다. 따라서 본 논문에서는 블레이드의 응력에 의한 변형률이 없는 부위인 회전축 중심에 빔 커플러의 광량 변화 성분만을 감지하는 별도 의 FBG 센서(기준 센서)를 설치하고, 이 기준 센서에서 측정된 신호로 다른 센서 신호를 보정하여 회전 중인 블 레이드의 변형률을 측정하는 방법을 사용하였다.
첫 번째 그래프가 기준 센서의 신호이며, 두 번째 그래 프가 블래이드 FBG로부터 수신된 신호이며, 세번째 그 래프는 기준 센서에 의해 보정된 FBG 센서 신호이다. 회 전하는 블레이드에 충격을 가하여 진동을 발생시켜 진동 신호를 측정 하였다.
그림 8은 속도가 증가함에 따라 증가하는 다섯 지점에 서의 블레이드의 변형률을 온라인으로 측정하고 있음을 보여준다. 회전속도는 약 270 rpm에서 2,000 rpm까지 증가시켰으며, 샘플링 속도는 1 kHz였다. 회전축에 가까 운 부분에서 측정할수록 블레이드의 평균 변형률이 증가 하고 있다. 이는 이미 충분히 예상할 수 있었던 결과로 회전체 변형률 측정장치가 효과적으로 작동하고 있음을 입증하고 있다. 이와 같은 결과는 제안된 회전체 변형률 측정장치와 회전보상 방법이 잘 작동하고 있다. 이렇게
측정된 변형률은 피측정체 물질의 재료적 특성과 기하학 적 치수를 알 수 있다면, 응력이나 변위로 변환할 수 있 기에, 본 논문에서 제안된 방법은 실제로 여러 분야에서 사용될 수 있다.
다. 결 론
본 실험에서는 FBG 센서를 회전하는 블레이드에 설치 하고 빛의 공간이동 특성을 이용한 빔 커플링 장치를 고 안하여, 외부에서 회전하는 블레이드에 부착된 FBG 센 서에 빛을 넣어주고, 센서로부터 반사된 빛을 되돌려 받 아 블레이드에 가해진 응력에 대한 변형률을 실시간으로 측정할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 실제 적용 시 발생하는 광축 정렬 문제로 나타나는 회전에 의한 광량 의 변화를 보상하기 위하여 회전축의 중심에 설치하는 기준 센서를 이용한 보상방안을 제시하였고 회전중인 블 레이드 상의 변형률을 정확히 측정할 수 있음을 실험으 로 입증하였다.
이 방법은 그 동안 직접적인 측정이 매우 어려웠던 회 전체와 회전체에 부착된 구조물의 응력 변화에 따른 변 형률 측정에 새로운 돌파구를 열어주는 기술이 될 수 있 으며, 향후 실시간 토크 측정이나 회전중인 팬의 실시간 작동 모드 분석 등 다양한 분야에 적용이 기대된다.
3. 다중코어 광섬유 격자 제작
최근에 한 가닥의 광섬유에 다수의 코어를 가지고 있 어, 독립된 다수의 신호를 보낼 수 있는 다중코어광섬유 의 제작 및 이를 통신과 센서 분야에서 활용하려는 연구 가 활발하다. 본 연구진은 7-코어 광섬유를 제작하였으 며, 이를 활용하여 단주기 격자, 장주기 격자, 그리고 테 이퍼링(tapering)에 관한 연구를 진행하고 있다.
가. 다중코어 광섬유 제작(Multi Core Fiber, MCF)
그림 9는 KIST에서 제작된 다중코어 광섬유의 단면이 다. 광섬유의 직경은 125μm 이고, 각 코어의 직경은 9μ m, 그리고 코어사이의 간격은 32μm로 설계 및 제작되
그림 7. Optical powers at impact test
그림 8. On-line strains during run-up test
었다. 이 설계 조건은 각 코어들이 서로 간섭을 일어나지 않는 범위 내에서 균일하게 떨어져 있으며, 각각의 코어 는 각자 독립된 단일모드 광섬유로써 역할을 할 수 있다.
광섬유는 적층과 인출(stack & draw) 방식으로 제작 되었으며, 광섬유 모재를 1차 인장 한 후 2차 인장을 하 여, 적층된 튜브와 코어 막대 사이의 공기층을 제거하여 다중 코어 광섬유를 제작하였다.
나. 다중코어 단주기 광섬유 격자
각 광섬유 코어가 0.3% GeO2가 첨가되어 있으므로 광 민감성을 증가시키기 위해 100기압, 120°C 수소 분위기 에서 48시간 처리하여 1062nm 주기의 위상 마스크, 244nm 주파수 배가된 아르곤 레이저(frequency- doubled Ar laser)를 사용하여 광섬유 격자를 제작하였 다. 그림 10에서와 같이 광섬유 중앙의 코어에서는 전형 적인 광섬유 격자가 제작 되었지만, 외각 코어에서는 자 외선 레이저 노출 조건에 따라 각기 다른 세기의 광섬유 격자가 제작 되었으며, 광섬유 격자가 강하게 새겨진 외 각코어의 맞은편 외각코어에서는 광섬유격자가 약하게 새겨졌음을 알 수 있다. 이러한 부분은 자외선 레이저를 조사하는 시스템의 보완으로 해결될 것으로 사료된다.
광섬유 격자를 센서 헤드로 사용할 때 온도, 스트레인등 두가지 측정치가 있을 경우, 두 개의 광섬유 격자를 쓰 거나 편광을 이용한 방법으로 두가지 측정치를 계측 할 수 있다. 만약 7개의 코어를 갖는 다중 코어 광섬유를 센서 헤드로 사용할 경우, 7가지의 각기 다른 변수를 측 정 할 수 있으며, 또한, 수 개의 측정치가 있을 경우 각 코어에서의 격자 신호를 연동할 경우 더욱 높은 분해능 을 갖는 센서의 구축이 가능할 것으로 사료된다.
다. 다중코어 장주기 광섬유 격자
다중코어 광섬유의 광 민감성을 증가시키기 위해 100 기압, 120°C 수소 분위기에서 48시간 처리하여 344μm 주기의 진폭 마스크, 248nm 엑시머 레이저를 사용하여 장주기 광섬유 격자를 제작하였다. 그림 11에서 표시된 하얀 점의 코아에서 측정된 장주기 격자의 광투과 스펙 트럼이며, 측정 범위는 1350~1450nm이었다.
그림 11에서와 같이 광섬유 중앙의 코어에서는 전형적
그림 9. 제작된 다중코어 광섬유의 단면 사진
1563.6 1564.0 1564.4 1564.8 1565.2
-50 -40 -30 -20 -10 0
dBm
wavelength
1563.5 1564.0 1564.5 1565.0 1565.5
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
dBm
wavelength
1563.5 1564.0 1564.5 1565.0 1565.5
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
dBm
wavelength
1563.5 1564.0 1564.5 1565.0 1565.5
-50 -40 -30 -20 -10 0
dBm
wavelength
1563.5 1564.0 1564.5 1565.0 1565.5
-50 -40 -30 -20 -10 0
dBm
wavelength
그림 10. 다중코어 광섬유의 각 코어에 형성된 FBG
인 장주기 광섬유 격자가 제작되었지만, 외각 코어에서 는 엑시머 레이저 노출 조건에 따라 각기 다른 강도의 장 주기 광섬유 격자가 제작 되었으며, 광섬유 격자가 세게 새겨진 외각코어의 맞은편 외각코어에서는 광섬유 격자 의 세기가 약했다. 이는 엑시머 레이저를 조사할 때 광섬 유 코아의 위치를 정렬하거나 렌즈 시스템을 사용하여 고른 분포의 레이저 조사가 이루어지게 한다면 개선이 가능할 것으로 생각된다. 다중코어 단주기 광섬유 격자 와 마찬가지로 7개의 코어를 갖는 다중 코어 장주기 광
섬유 격자를 센서 헤드로 사용할 경우, 7가지의 각기 다 른 변수를 측정 할 수 있으며, 또한, 수 개의 측정치가 있 을 경우 각 코어에서의 격자 신호를 연동할 경우 더욱 높 은 분해능을 갖는 센서의 구축이 가능할 것으로 사료된 다. 장주기 광섬유 격자는 클래딩 모드와 코아 모드의 간 섭에 의해 투과특성이 결정되므로 다중 코어들 사이의 간섭에 의한 신호 분석을 하면 재미있는 연구 결과들이 도출될 것으로 사료된다.
라. 다중코어광섬유의 테이퍼링(tapering)
다중코어 광섬유를 테이퍼링하게 되면 각 코어 사이의 간격이 줄어들어 가운데 코어에 입사시킨 광원이 외각 코어에도 유도된다. 1.5μm 대역의 광대역 광원과 적외 선 카메라를 이용하여 테이퍼링 길이에 따라 가운데 코 어의 광원이 외각으로 어떻게 유도되는지 실시간으로 조 사하였다. 테이퍼링 길이 30mm, 최소 직경이 20μm가 되도록 실험한 결과, 1500nm-1570nm 사이 파장에서 가운데 코어와 외각 코어들에서의 광세기 변화는 그림 12와 같이 나타났으며, 테이퍼링 조건에 따라 외각 코어 들 사이에도 광 파워 교환이 있음을 확인하였다. 이렇게 테이퍼링한 소자를 이용하여 굴절률정합 오일 등 외부 환경 변화에 따른 코어들 간의 파워 교환을 측정하거나 외각 코어의 에바네슨트(evanescent)파를 이용함으로써 새로운 다중코어 광섬유 센서를 개발할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 중앙 코어와 외각코어들 사이의 광 파워
1350 1400 1450
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
dBm
wavelength
1350 1400 1450
-50 -40 -30 -20 -10
dBm
wavelength
1350 1400 1450
-60 -50 -40 -30 -20 -10
dBm
wavelength
1350 1400 1450
-50 -40 -30 -20 -10
dBm
wavelength
1350 1400 1450
-50 -40 -30 -20 -10
dBm
wavelength
그림 11. 다중코어 광섬유에 제작한 장주기 광섬유 격자
그림 12. 다중코어 광섬유 테이프링 시, 파장에 따른 코어간 광파워 결합 그래프.
1536.2nm, 1565.2nm, 1594.4nm 광원을 중앙코어에 입사할 경우, 다중코어 광섬유의 출력단에서 찍은 단면 사진
1536.2nm 1565.2 nm 1594.4nm
교환 현상을 이용하면 1×7 커플러, 빔 결합기 등의 소자 를 개발할 수 있을 것이다.
4. 포토닉크리스탈 광섬유 기반 센서
(2)-(7)1996년 개발된 포토닉크리스탈 광섬유 (PCF)는 클래 딩영역에 공기구멍이 길이방향으로 주기적으로 배열되 어 있는 구조로써, 공기구멍 크기나 간격을 조절하여 코어와 클래딩의 유효굴절률 차이를 쉽게 조절할 수 있 어 기존 단일모드 광섬유로는 구현하기 어려운 특성들 을 쉽게 얻을 수 있다. 포토닉크리스탈 광섬유는 코어 가 클래딩보다 굴절률이 높아 전반사 원리로 빛이 도파 되는 굴절률도파형 PCF와 굴절률이 낮아 광 밴드갭 효 과에 의해 빛이 도파되는 광밴드갭(P h o t o n i c Bandgap) PCF 로 구분된다. 특히 PCF의 공기구멍 칼 럼은 빛이 전파되기도 하지만 액체나 기체분자를 채울 수 있어 다양한 센싱 분야에 응용될 수 있다.
또한 온도, 곡률, 변위, 비틀림, 압력, 굴절률, 진동 등 의 물리량을 측정하거나 케미컬이나 바이오 샘플의 특성 을 측정할 수 있다. 아래에서는 본연구팀이 수행한 PCF 를 이용한 곡률/구부림 센서와 가스센서에의 응용을 기 술하고자 한다.
가. 곡률/구부림센서
곡률/ 구부림 센싱은 구조물의 건전성 모니터링이나 로봇 팔 제어 등에 필요한 센서로 흔히 다중코어 광섬유 를 이용하거나, 간섭계 형태로 구성한다.
본 연구에서는 그림 13과 같이 편광유지 PCF 구조를 제작하여 사용하였다. 즉 작은 공기구멍으로 이루어진 1 차클래딩 바깥부분에 대칭으로 2개의 큰 공기구멍을 추 가하면 광섬유 인출도중 코어와 1차클래딩 영역에 비대
칭적인 압력이 가해져 코어가 타원형이 되면서 복굴절을 갖는 PCF를 만들 수 있다. 본 광섬유는 모두 실리카로 재작되므로 온도변화에 무관한 곡률/구부림 센서를 구현 할 수 있었다.
새로운 구조의 편광유지 PCF 15 cm 를 사용하여 그림 14처럼 사냑루프형의 간섭계를 구성하여 곡률 및 구부림 센서를 구현하였다. 이때 곡률 C는 아래 수식으로 근사 할 수 있다.
C = 2h/(h2+L2)
여기서 h는 편광유지 PCF 중앙지점의 수직변위 이고, L은 편광유지 PCF 길이의 반을 나타낸다.
PCF가 비대칭의 구조를 갖고 있어 x 방향으로 구부렸 을때와 y 방향으로 구부렸을때의 간섭무늬 파장 이동이 서로 반대방향임을 알 수 있다. 이는 편광유지 광섬유의 복굴절 특성으로 설명할 수 있다.
B=|nx-ny|
여기서 nx는 x방향(fast axis)의 굴절률, ny는 y방향 (slow axis)의 굴절률이다. 광섬유를 y축 방향으로 구부 릴 때 nx에 비해 ny의 변화가 상대적으로 커져 복굴절이 증가하고, x축 방향으로 구부림이 가해질 때는 복굴절 이 감소하게 된다. 편광유지 포토닉크리스탈 광섬유를 y
그림 13. High birefringent photonic crystal fiber made in KIST fiber laboratory.
그림 14. Hi-Bi PCF based curvature/bend sensor
그림 15. Spectral response of the proposed curvature sensor depending on the bending direction.
축 방향으로 구부리면 간섭무늬 간격이 좁아지며 장파장 으로 이동하며, x축으로 구부림이 가해지면 복굴절이 줄 어들어 피크간의 간격이 넓어지며 단파장으로 이동함을 볼 수 있다.
또한 PCF는 코어에 Ge 등을 첨가하는 일반광섬유와는 달리, 기본적으로 코어와 클래드가 동일한 실리카로만 구성되기 때문에 그림 16에서와 같이 온도변화의 영향을 받지 않음을 볼 수 있다. 이상의 PCF 기반 곡률/구부림 센서는 온도변화에 따른 광학적 특성변화가 매우 작아, 온도변화가 심한 환경에서 매우 유용하게 활용될 수 있 을 것이다.
나. PCF 기반 가스 센서
포토닉크리스탈 광섬유는 앞서 기술한 바와 같이 주 기적인 공기구멍이 있어 이 안에 바이오 케미컬이나 가 스분자를 채울 수 있어서 바이오케미컬이나 가스 센싱 에 활용이 가능하다. 광섬유를 이용한 가스센서는 그림 17 (a)과 같이 클래딩 영역의 공기구멍에 가스를 삽입하 여 에바네슨트파(evanescent field)를 이용하여 가스의 흡수선을 측정하는 방법이었다. 특히 할로우 코어 포 토닉밴드갭 광섬유의 경우 코어가 공기구멍으로 되어있 어 특정 매질과 빛의 관계를 이용한 센서로써 매우 유 용하다.
본 연구진은 최근 할로우 코어 포토닉밴 드갭 광섬유를 이용한 프로브타입의 새로운 광섬유 가스센서를 구 현하였다. 포토닉밴드
갭 광섬유는 특정 파장대역에서만 빛전송이 가능하지만, 빛이 진행하는 코어에 삽입된 가스에 직접 영향을 받으 므로 고감도의 가스감지가 가능한 장점이 있다. 또한 공 기구멍의 크기가 상대적으로 크기 때문에 가스를 삽입하 여 측정하는 시간도 매우 단축된다. 반사형으로 할로우 코어 포토닉밴드갭 광섬유의 코어에 효율적으로 가스를 삽입할 수 있도록 구조적인 설계를 하였으며, 반사율을 높이기 위해 포토닉밴드갭 광섬유에 금을 코팅하여 사용 하였다. 아세틸렌가스가 채워진 할로우 코어 포토닉밴드 갭 광섬유의 끝단면에서 반사되어 광경로를 두 번 통과 한 광신호를 측정하여 가스 흡수 신호를 검출하였다. 본 실험에서는 센서로써 활용 가치를 높이기 위해 빠른 응 답 속도를 가질 수 있도록 진공 펌프를 연결하여 1분 이 내로 검출 가능한 센서를 구현하였다(그림 18).
할로우 코어 포토닉밴드갭 광섬유의 한쪽 끝에 커넥터 가 들어갈 수 있는 셀을 제작하여 진공 펌프를 연결하였 고 펌프의 압력을 조절하여 0.7 bar, 0.4 bar의 압력이 되도록 가스셀에 10% 아세틸렌가스를 채우고 실험하였 다. 측정은 1m의 할로우 코어 광 밴드갭 광섬유를 사용 했고 1520nm R9의 흡수점을 측정했다. 측정 결과 기존 의 자연 확산에 의한 흡수와 비교했을 때 약 20배의 빠 른 응답속도를 얻을 수 있게 되었다. 그림 19에서와 같이 예상했던 대로 높은 압력을 인가했을 때 더 빠른 응답속 도를 보였다. 진공 펌프의 압력을 더 크게 한다면 더욱
그림 16. Spectral response of the proposed curvature sensor for temperature variation.
(a) (b)
그림 17. 할로코어 포토닉밴드갭광섬유 단면사진.
그림 18. 프로브 타입 가스 검출 시스템의 구성도
빠른 응답속도를 가질 것 이라고 예상할 수 있다.
기존의 광학식 가스 검출 시스템의 단점을 보완한 저 가격, 소형화가 가능한 전체 시스템이 광섬유로 이루어 진 새로운 형태의 가스 검출 시스템을 구현하였고, 특히 프로브 타입으로 제작이 되었기 때문에 기존의 센서들이 닿기 힘든 좁은 틈이나 구멍에도 쉽게 닿을 수 있어 현장 적용형 센서로써의 활용 가치가 뛰어나다.
5. 분포형 브릴루앙 광섬유 센서
(8)-(11)광섬유 분포형 센서는 펄스 광원 또는 연속파 (Continuous Wave; CW) 광원을 사용하여, 센싱광섬 유 내부의 후방산란광의 특성을 분석하여 광섬유와 접 착된 각 지점의 물리량을 측정한다. 따라서 장거리 센싱 이 가능하며 광섬유가 포설된 전구간의 물리량 측정이 가능하다. 이때 사용하는 후방산란광의 종류에 따라 레 일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬 유 센서 등으로 구분된다. 레일레이 산란형 광섬유 센서 는 외부의 온도 또는 변형률 변화에 민감하지 못하며, 특수한 광섬유의 굽힘이 발생하는 경우에만 사용할 수 있다. 라만 산란형 광섬유 센서는 대부분 온도 센서로 사용되고 있다. 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는, 외부에 서 작용하는 온도 또는 응력 등에 따라 광섬유 고유의 브릴루앙 주파수 값이 변화하는데, 이러한 브릴루앙 주 파수의 변화량을 구하여 외부 물리량 변화를 측정하는 센서이다.
브릴루앙 산란을 이용한 분포형 광섬유 센서로는 (1)브 릴루앙 광학적 시간영역 반사율 측정(Brillouin Optical
Time Domain Reflectometry; BOTDR) 방식, (2) 브릴 루앙 광학적 시간영역 분석(Brillouin Optical Time Domain Analysis; BOTDA) 방식 (3) 브릴루앙 광학적 공간영역 해석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis; BOCDA) 방식등이 있다. 이중 BOTDA 방식 은 장거리 계측은 가능하나 공간분해능이 제한되는 단점 이 있다. 반면 BOCDA 방식은 공간분해능은 좋지만 특 정범위가 제한되는 단점이 있다. 최근 본 연구진은 BOCDA에서 공간분해능을 유지하면서 측정범위를 확장 시키는 다양한 연구 결과를 발표하였으며, 최근 발표한 위상변조기를 이용한 락인 검출 방식을 적용하여 공간 분해능을 향상 시킬 수 있는 방법을 소개하고자 한다.
일반적인 브릴루앙 상관영역 측정법에서의 로렌치안 형 태의 브릴루앙 이득 스펙트럼은 펌프신호와 프로브 신호 의 로컬 비트 스펙트럼과 컨볼루션되어 시험 광섬유 전 구간에 대한 신호들의 합으로 출력된다. 그러므로 측정 된 브릴루앙 이득 스펙트럼은 그림 20 (가)와 같이 약 30 MHz의 순수한 브릴루앙 이득에 대한 대역폭보다 항 상 크게 측정되어 신호 대 잡음비와 공간 분해능이 나빠 지는 현상이 나타난다. 일반적인 브릴루앙 상관영역 측 정법에서는 연속파인 프로브 광 신호의 노이즈를 억제시 키기 위하여 락인 앰프를 사용하여 신호를 검출한다. 이 를 위하여 펌프 신호 경로에 초퍼와 같은 광 강도 변조 기가 필요하지만, 기존의 광 강도 변조기를 위상 변조기 로 대체하여 실험할 수 있다. 펌프광의 초핑 주파수에 의한 온/오프 신호를 대체하여 위상 변조기로 인가되는 캐리어 주파수를 온/오프 하고, 락인 검출을 하면 브릴 루앙 이득 스펙트럼의 신호 대 잡음비가 향상된다. 위상 변조기를 이용한 락인 검출 방식은 그림 21과 같으며, 그림 20 (가)는 위상 변조기에 캐리어 주파수를 인가하 지 않을 경우의 브릴루앙 이득 스펙트럼을 보여 주고 있 으며, 그림 20 (나)는 캐리어 주파수가 인가되었을 경우 인가된 캐리어 주파수 만큼 브릴루앙 이득 스펙트럼이 양측파대로 이동하게 되는 것을 보여준다. 이 두 신호들 은 락인 앰프로 인가되고 신호처리를 거쳐 그림 20 (다) 와 같이 순수한 브릴루앙 이득 스펙트럼과 비슷한 대역 폭을 얻을 수 있다. 실험은 그림 21과 같이 위상 변조기 를 사용한 브릴루앙 상관영역 측정법을 사용하였으며, 측정 범위와 공간 분해능은 50 m와 10 cm로 설정을 하 였다. 시험용 광섬유는 그림 23과 같이 50 m의 SMF
그림 19. 시간 변화와 압력 변화에 따른 가스 흡수
(Single Mode Fiber)를 사용하였으며, 이 안에 각각 길 이가 다른 8개의 DSF (Dispersion Shifted Fiber)로 융 착 접속을 시켰다. 또한 락인 검출을 위하여 펌프 신호 경로의 위상 변조기는 5 MHz의 캐리어 주파수로 AM (Amplitude modulation)변조를 시켰다. 실험 결과 SMF와 DSF의 브릴루앙 주파수는 각각 10.87 GHz와 10.52 GHz로 측정되었다. 그림 22에서와 같이 브릴루 앙 이득 주파수의 대역폭이 매우 좁게 출력된 것을 볼 수 있었으며, 그림 23에서는 거리 별 브릴루앙 주파수 이동 그래프에서 볼 수 있듯이 설정된 공간 분해능 10 cm 이었지만 실제 측정은 2 cm까지 측정된 것을 확인 할 수 있었다. 이는 일반적인 브릴루앙 상관영역 측정법 보다 5 배 좋은 공간 분해능을 얻을 수 있다는 것을 보여 주고 있다.
상기 분포형 센서는 특히 많은 지점 혹은 연속체에서 광섬유 경로를 따라 연속되는 측정량을 모니터해야 할 필요가 있는 분야에서 유용하게 쓰일 수 있다.
6. 결론
본 원고에서는 광섬유 격자와 공간 광결합기를 이용하 여 회전중인 회전체의 스트레인을 실시간으로 계측할 수 있는 시스템을 소개하였으며, 앞으로 많은 응용이 기 대되는 다중코어 광섬유를 이용한 장, 단주기 광섬유 격 자 기술을 소개 하였다. 그리고 새롭게 개발된 다중코어 광섬유와 이를 이용한 장,단주기 광섬유 격자 제작 기 술, 편광유지 포토닉크리스탈 광섬유를 이용한 온도 변 화에 무관한 곡률/구부림 센서 기술, 포토닉밴드갭 광섬 유를 이용한 가스 센서 기술, 그리고 분포형으로써 브릴 루앙 산란형 광섬유 센서시스템에 대한 연구 결과를 소 개하였다.
향후 광섬유 센서의 발전 방향은 기존 광섬유 센서의 특성과 응용성 향상을 통해 실제 적용 사례가 많이 증가 할 것으로 판단되며, 다른 한편에서는 새롭게 개발되고 있는 다양한 특수 광섬유를 이용하여 일반 광섬유센서
-400 -200 0 200 400
30 40 50 60
Φ f [MHz]
Gai n [a .u.]
-400 -200 0 200 400
30 40 50 60
Gai n [a .u.]
Φ f [MHz]
-400 -200 0 200 400 0
5 10
Gai n [a .u.]
Φ f [MHz]
Final signal
|Un-modulated signal – Modulated signal|
(가) (나)
(다)
그림 20. 브릴루앙 이득 스펙트럼의 생성원리 그림 21. 실험 구성 및 시험용 광섬유의 구성
그림 22. 시험용 광섬유 전구간의 브릴루앙 이득스펙트럼의 3차원 그래프
8 9 10 11 12 13 14 15
10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11.0
Fr eq ue nc yo ffs et [G H z]
15 cm 12 cm 10 cm 5 cm 3.3c m 2.5 cm 2.0 cm 1.0 cmPosition[m]
그림 23. 거리 별 브릴루앙 주파수의 변화 그래프
로는 계측하기 힘든 분야에 적용하거나 센서감도를 향 상시키는 방향으로 진행될 것으로 보인다.
참고문헌
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약 력
이관일
•2011년 - 현재
한국과학기술연구원 책임연구원
•2007년 - 2010년 한국과학기술연구원 선임연구원
•2000년 - 2007년 Novera Optics
•1999년 - 2000년 KAIST 박사후연구원
•1994년 - 1999년 서울대학교 물리학과, 이학박사
•1992년 - 1994년 서울대학교 물리학과, 이학석사
•1988년 - 1992년 서울대학교 물리학과, 이학사
이상배
주요경력•1985년 10월 - 1993년 08월 한국과학기술연구원 연구원
•1993년 09월 - 1999년 02월 한국과학기술연구원 선임연구원
•1999년 03월 - 현재 한국과학기술연구원 책임연구원
•1999년 09월 - 2004년 08월 국가지정 광섬유 연구실 실장
•2008년 01월 - 2011년 12월 국가지정 KIST 광섬유 연구실 실장
•2000년 03월 - 2007년 02월 한국과학기술연구원 광기술연구센터 센터장
•2004년 08월 - 현재
연합대학원 나노전자소자공학과 겸임 교수
•2011년 04월 - 2013년 02월
국가과학기술위원회 첨단융합분과 전문위원
•2004년 01월 - 2007년 02월 한국광기술원 이사
•2007년 03월 - 2010년 02월 한국광학회 사업이사
•2010년 03월 - 2012년 02월 한국광학회 부회장
•2013년 03월 - 현재 한국광학회 감사 수상 경력
•기초 기술 이사회 이사장상 (2002)
•대통령 표창 (2006)
•한국광학회 학술상 (2008)
•이탈리아정부 문화 훈장 수훈(2009)
•대한민국정부 과학기술훈장 도약장 수훈 (2011)
•한국광학회 해림광자공학상 (2012)
