KR20040013732A - Optical fiber febry-perot interferometer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광섬유 페브리-페롯 간섭계에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 제조공정이 간단하여 양산이 가능하고, 편광성 패이딩 현상이 없도록 구조가 개선된 광섬유 페브리-페롯 간섭계에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber Fabry-Perot interferometer, and more particularly, to an optical fiber Fabry-Perot interferometer having an improved structure so that the manufacturing process is simple and mass-produced and there is no polarization fading phenomenon.
페브리-페롯 간섭계는 도 1에 도시된 바와 같이 거리 L만큼 떨어져 배치되고, 반사율이 서로 다른 제1거울(100)과 제2거울(105)로 구성된다. 광(Ii)이 상기 제1거울(10)에 입사되면 일부광은 제1거울(100)에서 제1반사광(Ir1)으로 반사되고, 나머지 광은 제1거울(100)을 통과하여 제2거울(105)에서 제2반사광(Ir2)으로 반사된다. 그런 다음, 상기 제1반사광(Ir1)과 제2반사광(Ir2)이 만나 간섭을 일으킨다. 간섭을 일으킨 빛의 세기와 위상은 제1거울(100)과 제2거울(105) 사이의 거리(L)와 그 사이에 채워진 매질의 굴절률의 함수로 나타난다.The Fabry-Perot interferometer is arranged at a distance L, as shown in FIG. 1, and is composed of a first mirror 100 and a second mirror 105 having different reflectances. When the light I i is incident on the first mirror 10, some light is reflected from the first mirror 100 to the first reflection light I r1 , and the remaining light passes through the first mirror 100 to form a first light. It is reflected from the second mirror 105 to the second reflected light I r2 . Then, the first reflected light I r1 and the second reflected light I r2 meet and cause interference. The intensity and phase of the interfering light appear as a function of the distance L between the first mirror 100 and the second mirror 105 and the refractive index of the medium filled therebetween.
상기와 같이 구성된 페브리-페롯 간섭계에 압력이 가해지면 상기 제1 및 제2 거울(100)(105) 사이의 거리와 매질의 굴절률이 변하기 때문에 간섭 무늬가 변한다. 이 간섭 무늬의 변화를 측정하여 외부에서 인가된 압력을 검출할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 페브리-페롯 간섭계 압력 센서를 제작할 수 있다.When the pressure is applied to the Fabry-Perot interferometer configured as described above, the interference fringes change because the distance between the first and second mirrors 100 and 105 and the refractive index of the medium change. The change in the interference fringe can be measured to detect the pressure applied from the outside. This principle can be used to fabricate Fabry-Perot interferometer pressure sensors.
페브리-페롯 간섭계에서 간섭광의 세기(Iout)와 위상(φ)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.In the Fabry-Perot interferometer, the intensity I out and the phase φ of the interfering light can be expressed as follows.
여기서, a는 상수, R은 거울의 반사율, n은 제1거울과 제2거울 사이에 채워진 매질의 굴절률, λ는 입사광의 파장을 나타낸다.Where a is a constant, R is the reflectance of the mirror, n is the refractive index of the medium filled between the first mirror and the second mirror, and λ represents the wavelength of the incident light.
한편, 최근에 개발된 광섬유 페브리-페롯 간섭계는 제1거울과 제2거울 사이의 매질로 공기 대신 광섬유가 매개된다. 이 광섬유 센서는 외부의 물리량 변화에 매우 민감하게 작용하므로 변형률, 온도, 압력 등을 측정하는 센서나 필터 등에 많이 사용된다. 광섬유 페브리-페롯 간섭계의 제작 방법을 보면, 도 2a에 도시된 바와 같이 일반 통신용 제1광섬유 조각(110)의 한쪽 단부를 깨끗하게 절단하고, 도 2b에 도시된 바와 같이 절단된 광섬유 단면에 RF 스퍼터링에 의해 TiO2유전물질을 코팅한다.On the other hand, the recently developed optical fiber Fabry-Perot interferometer is mediated instead of air as a medium between the first mirror and the second mirror. Since the optical fiber sensor is very sensitive to changes in external physical quantities, it is widely used for sensors and filters for measuring strain, temperature, and pressure. According to the fabrication method of the optical fiber Fabry-Perot interferometer, as shown in FIG. To coat the TiO 2 dielectric material.
그런 다음, 도 2c에 도시된 바와 같이 TiO2로 코팅된 광섬유 단면에 융착 접합기(fusion splice)(115)를 사용하여 제2광섬유(114)를 접합함으로써 제1광섬유거울(116)을 형성한다. 이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 제2광섬유(114)의 단부에 다시 TiO2코팅을 하고, 이 코팅면에 제3광섬유(118)를 접합함으로써 제2광섬유거울(120)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 2C, the first optical fiber mirror 116 is formed by bonding the second optical fiber 114 using a fusion splice 115 to the optical fiber cross section coated with TiO 2 . Subsequently, as shown in FIG. 2D, the end of the second optical fiber 114 is coated with TiO 2 again, and the second optical fiber mirror 120 is formed by bonding the third optical fiber 118 to the coating surface.
종래의 광섬유 페브리-페롯 간섭계는 광섬유 단부에 코팅을 하여제1거울(116)과 제2거울(120)을 별도로 제조해야 하고, 접합 과정을 적어도 두 번을 거쳐야 하는 등 그 제조공정이 복잡하고, 코팅 작업이나 접합을 수작업으로 처리해야 하기 때문에 제조 시간이 많이 소요되어 수율이 떨어진다. 이와 같이 수작업으로 처리해야 할 과정이 많은데 제작자마다 기술 숙련 정도가 다르기 때문에 동일한 특성을 갖는 광섬유 페브리-페롯 간섭계 제작이 매우 어려울 뿐 아니라, 숙련된 기술자가 많이 필요로 되므로 제조 단가가 상승되는 원인이 된다. 또한, 제1거울(116)과 제2거울(120) 사이의 캐비티가 광섬유로 되어 있기 때문에 편광성 페이딩(polarization fading) 현상이 발생되어 간섭이 적게 일어나 온도나 압력 등을 정확하게 측정하기 어려운 단점이 있다.In the conventional optical fiber Fabry-Perot interferometer, the first mirror 116 and the second mirror 120 must be manufactured separately by coating the optical fiber end, and the manufacturing process is complicated, such that the bonding process must be performed at least twice. However, since the coating work or the joining process must be done manually, the production time is high and the yield is reduced. As such, there are many processes that need to be handled by hand, and since the skill level of each manufacturer is different, it is very difficult to manufacture the fiber Fabry-Perot interferometer with the same characteristics, and it requires a lot of skilled technicians. do. In addition, since the cavity between the first mirror 116 and the second mirror 120 is made of an optical fiber, polarization fading occurs, which causes less interference, making it difficult to accurately measure temperature or pressure. have.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 거울과 거울 사이의 캐비티가 공기로 되어 있거나 이중 코어로 되어 있어 편광성 페이딩 현상이 발생되지 않고, 제조 공정이 간단한 페브리-페롯 간섭계를 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been created to solve the above problems, the cavity between the mirror is made of air or double core, so that no polarization fading phenomenon occurs, the Fabry-Perot interferometer simple manufacturing process The purpose is to provide.
도 1은 종래의 페브리-페롯 간섭계를 개략적으로 도시한 것이다.1 schematically illustrates a conventional Fabry-Perot interferometer.
도 2a 내지 도 2d는 종래의 광섬유 페브리-페롯 간섭계의 제조공정을 나타낸 도면이다.2A to 2D are views illustrating a manufacturing process of a conventional optical fiber Fabry-Perot interferometer.
도 3a는 일반적인 광섬유의 단면을 도시한 것이다.3A shows a cross section of a typical optical fiber.
도 3b는 본 발명에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계에 채용되는 중공 광섬유의 단면을 도시한 것이다.Figure 3b shows a cross section of a hollow optical fiber employed in an optical fiber Fabry-Perot interferometer according to the present invention.
도 3c는 본 발명에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계에 채용되는 이중 코아 광섬유의 단면을 도시한 것이다.Figure 3c shows a cross section of a dual core optical fiber employed in an optical fiber Fabry-Perot interferometer according to the present invention.
도 4a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계의 단면도이다.4A is a cross-sectional view of an optical fiber Fabry-Perot interferometer according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계의 단면도이다.4B is a cross-sectional view of an optical fiber Fabry-Perot interferometer according to another embodiment of the present invention.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
10,10'...코어, 13,13',19,24...클래딩10,10 '... core, 13,13', 19,24 ... cladding
14,14',20,25...광섬유 15...중공14,14 ', 20,25 ... optical fiber 15 ... hollow
17...코어, 21...내부 코어17 ... core, 21 ... inner core
23...외부 코어23.External core
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계는, 제1코어와 이 제1코어 둘레에 형성된 제1클래딩을 구비한 제1광섬유; 중공부와, 상기 중공부 둘레에 상기 제1코어와 같거나 유사한 굴절률을 갖는 코어 그리고 상기 코어 둘레에 형성된 클래딩을 구비하고, 상기 제1광섬유에 접합된 중공의 광섬유; 상기 제1코어와 같거나 유사한 굴절률을 갖는 제2코어와, 제2코어 둘레에 형성된 제2클래딩을 구비하고, 상기 중공의 광섬유에 접합된 제2광섬유;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an optical fiber Fabry-Perot interferometer according to the present invention comprises: a first optical fiber having a first core and a first cladding formed around the first core; A hollow optical fiber having a hollow portion, a core having a refractive index equal to or similar to the first core around the hollow portion, and a cladding formed around the core, the hollow optical fiber bonded to the first optical fiber; And a second optical fiber having a second core having the same or similar refractive index as that of the first core, and a second cladding formed around the second core and bonded to the hollow optical fiber.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계는, 제1코어와 이 제1코어 둘레에 형성된 제1클래딩을 구비한 제1광섬유; 내부코어와, 상기 내부코어 둘레에 형성된 외부코어 및 상기 외부코어 둘레에 형성된 클래딩을 구비하고, 상기 제1광섬유에 접합된 이중 코어 광섬유; 상기 제1코어와 같거나 유사한 굴절률을 갖는 제2코어와 제2코어 둘레에 형성된 제2클래딩을 구비하고, 상기 이중 코어 광섬유에 접합된 제2광섬유;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an optical fiber Fabry-Perot interferometer according to the present invention comprises: a first optical fiber having a first core and a first cladding formed around the first core; A dual core optical fiber having an inner core, an outer core formed around the inner core, and a cladding formed around the outer core, and bonded to the first optical fiber; And a second optical fiber having a second core having a refractive index equal to or similar to that of the first core and a second cladding formed around the second core, and bonded to the dual core optical fiber.
상기 내부코어는 상기 제1코어 및 제2코어와 굴절률이 서로 다른 재질로 되어 있는 것이 바람직하다.Preferably, the inner core is made of a material having a different refractive index from that of the first core and the second core.
이하, 본 발명에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an optical fiber Fabry-Perot interferometer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계는 전자파에 영향을 받지 않고 외부의 온도 및 압력을 측정할 수 있는 중공(hollow)의 광섬유 또는 이중 코어를 가지는 광섬유를 이용하여 제작되는 것을 특징으로 한다.The optical fiber Fabry-Perot interferometer according to a preferred embodiment of the present invention is manufactured using a hollow fiber or a fiber having a double core that can measure external temperature and pressure without being affected by electromagnetic waves. It is done.
일반 통신용 광섬유(14)는 도 3a에 도시된 바와 같이 굴절률이 약간 다른 유리 재질로 된 코어(10)와 코어 둘레의 클래딩(13)을 구비하여 구성된다. 한편, 본 발명의 일실시예에 따른 간섭계에 사용되는 특수 광섬유(20)는 도 3b를 참조하면 중심이 중공부(15)로 되어 있고, 그 둘레에 코어(17)와 클래딩(19)이 구비되어 형성된다. 이와 같이 중심이 중공부(hollow)로 되어 있을 때 이를 중공의 광섬유라고한다. 상기 중공부(15)는 공기로 채워져 있는 것이 바람직하다.The general communication optical fiber 14 is composed of a core 10 made of glass material with slightly different refractive index and a cladding 13 around the core as shown in FIG. 3A. Meanwhile, referring to FIG. 3B, the special optical fiber 20 used in the interferometer according to the embodiment of the present invention has a hollow portion 15 having a core 17 and a cladding 19 around the core. It is formed. As such, when the center is hollow, it is called a hollow fiber. It is preferable that the hollow part 15 is filled with air.
다음, 본 발명의 다른 실시예에 따른 간섭계에 사용되는 광섬유(24)는 도 3c에 도시된 바와 같이 서로 다른 재질로 된 내부코어(21) 및 외부코어(23)가 형성되고, 상기 외부코어(23) 둘레에 클래딩(24)이 구비된다. 이와 같이 내부코어와 외부코어의 이중 코어로 되어 있는 광섬유를 이중 코어 광섬유라고 한다.Next, the optical fiber 24 used in the interferometer according to another embodiment of the present invention is formed with an inner core 21 and an outer core 23 made of different materials, as shown in Figure 3c, the outer core ( 23. A cladding 24 is provided around it. As described above, an optical fiber having a dual core of an inner core and an outer core is called a dual core optical fiber.
상기한 바와 같은 중공의 광섬유(20)와 일반 통신용 광섬유(14)로 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계가 도 4a에 도시되어 있다. 우선, 제1코어(10)와 제1클래딩(13)으로 구성된 제1광섬유(13)의 한쪽 단면을 깨끗하게 절단하고, 이 절단면에 이어지는 상기 중공의 광섬유(20)의 일단면을 절단한 다음 두 절단면을 접합한다. 이때, 융착 접합기를 사용하여 두 절단면을 용이하게 접합할 수 있다. 그리고, 상기 중공의 광섬유(20)를 소정 길이(L)로 절단하고, 이 절단면에 제2코어(10')와 제2클래딩(13')으로 구성된 제2광섬유(14')를 접합한다.An optical fiber Fabry-Perot interferometer according to a preferred embodiment of the present invention consisting of a hollow optical fiber 20 and a general communication optical fiber 14 as described above is shown in FIG. 4A. First, one end surface of the first optical fiber 13 composed of the first core 10 and the first cladding 13 is cleanly cut, and one end surface of the hollow optical fiber 20 subsequent to the cut surface is cut. Join the cut surface. At this time, the two cut surfaces can be easily joined by using a fusion splicer. The hollow optical fiber 20 is cut to a predetermined length L, and the second optical fiber 14 'composed of the second core 10' and the second cladding 13 'is bonded to the cut surface.
여기서, 상기 제1 및 제2 광섬유(14)(14')는 유리 재질로 된 제1 및 제2코어(10)(10')와 그 둘레에 제1 및 제2 클래딩(13)(13')을 구비한 일반 광섬유이다. 상기 구성에서, 상기 제1코어(10)와 중공부(15)는 굴절률이 서로 달라 입사광(Ii) 중 일부광 즉, 제1반사광(Ir1)이 상기 제1코어(10)와 중공부(15) 사이의 제1경계면(15a)에서 반사된다. 그리고, 나머지 광이 상기 중공부(15)를 통과하여 상기 중공부(15)와 제2코어(10')의 제2경계면(15b)에서 다시 일부광 즉, 제2반사광(Ir2)이 반사된다. 상기 제1반사광(Ir1)과 제2반사광(Ir2)의 경로차에 의한 간섭에 의해 외부 온도나 압력을 측정할 수 있다.Herein, the first and second optical fibers 14 and 14 'may include first and second cores 10 and 10' made of glass and around the first and second claddings 13 and 13 '. It is a general optical fiber with). In the above configuration, the first core 10 and the hollow part 15 have different refractive indices, so that some of the incident light Ii, that is, the first reflected light Ir1, is formed in the first core 10 and the hollow part 15. Is reflected at the first boundary surface 15a between the lines. Then, the remaining light passes through the hollow portion 15, and the partial light, ie, the second reflected light Ir2, is reflected back from the second boundary surface 15b of the hollow portion 15 and the second core 10 ′. . The external temperature or the pressure can be measured by the interference caused by the path difference between the first reflected light Ir1 and the second reflected light Ir2.
한편, 상기 코어(17)는 상기 제1 및 제2 코어(10)(10')와 굴절률이 같거나 유사한 재질로 되어 있고, 상기 제1 및 제2 클래딩(13)(13')과 상기 클래딩(19)도 굴절률이 서로 유사한 재질로 되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 일반 광섬유의 제1코어(10) 또는 제2코어(10')와 중공부(15) 사이의 경계면에서 굴절률 차로 인해 반사가 일어나므로 광섬유의 절단면에 별도의 코팅을 할 필요가 없으므로 제조 공정이 간단해지는 이점이 있다.Meanwhile, the core 17 is made of a material having the same or similar refractive index as that of the first and second cores 10 and 10 ', and the first and second claddings 13 and 13' and the cladding. (19) is also preferably made of a material having similar refractive indices. In the present invention, since reflection occurs due to the difference in refractive index at the interface between the first core 10 or the second core 10 'and the hollow portion 15 of the general optical fiber, no separate coating is required on the cut surface of the optical fiber. There is an advantage that the process is simplified.
다음, 도 4b에 도시된 바와 같이 일반 광섬유 사이에 상기 이중 코어 광섬유(25)가 삽입되어 구성될 수 있다. 상기 이중 코어 광섬유(25)는 내부코어(21) 및 외부코어(23)의 이중 코어를 가지고 상기 외부코어(23) 둘레에 클래딩(24)이 구비된 이중코어 광섬유이다. 상기 내부코어(21)는 상기 제1 및 제2 코어(10)(10')와 굴절률이 다른 재질로 되어 있고, 상기 외부코어(23)는 상기 제1 및 제2 코어(10)(10')와 굴절률이 같거나 유사한 재질로 되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 및 제2 클래딩(13)(13')과 상기 클래딩(24)도 굴절률이 서로 유사한 재질로 되어 있다. 따라서, 상기 제1광섬유(14)로 입사된 광 중 상기 외부코어(23)와 클래딩(24)쪽으로 향하는 광은 거의 모두 통과되는 한편, 내부코어(21)쪽으로 향하는 광은 제1코어(10)와 내부코어(21)가 굴절률이 서로 다르기 때문에 상기 제1코어(10)와 내부코어(15) 사이의 제1경계면(21a)에서 일부광(Ir1)은 반사되고, 나머지 광은 투과된다. 그리고, 투과되어 상기 내부코어(21)를 통과한 광 중일부광(Ir2)이 상기 내부코어(21)와 제2광섬유(14')의 제2코어(10') 사이의 경계면인 제2경계면(21b)에서 반사되어 제1광섬유(14)쪽으로 되돌아온다.Next, as shown in FIG. 4B, the dual core optical fiber 25 may be inserted between the normal optical fibers. The dual core optical fiber 25 is a dual core optical fiber having a double core of an inner core 21 and an outer core 23 and having a cladding 24 around the outer core 23. The inner core 21 is made of a material different in refractive index from the first and second cores 10 and 10 ', and the outer core 23 is formed of the first and second cores 10 and 10'. ) Is preferably made of the same or similar material. In addition, the first and second claddings 13 and 13 ′ and the cladding 24 are also made of materials having similar refractive indices. Therefore, almost all of the light directed toward the outer core 23 and the cladding 24 passes through the light entering the first optical fiber 14, while the light directed toward the inner core 21 passes through the first core 10. Since the refractive indexes of the and the inner core 21 are different from each other, the partial light I r1 is reflected at the first boundary surface 21a between the first core 10 and the inner core 15, and the remaining light is transmitted. In addition, a second boundary surface, which is a boundary between the inner core 21 and the second core 10 ′ of the second optical fiber 14 ′, is a part of the light I r2 transmitted through the inner core 21. Reflected by 21b, it returns to the first optical fiber 14 side.
본 발명에서는 상기 제1경계면(15a)(21a)과 제2경계면(15b)(21b)이 제1거울과 제2거울로 작용한다. 상기 제1경계면(15a)(21a)과 제2경계면(15b)(21b)에서 반사된 제1반사광(Ir1)과 제2반사광(Ir2)이 서로 간섭하여 간섭무늬가 생성된다. 여기서, 상기 중공의 광섬유(20) 또는 이중 코어 광섬유(25)가 페브리-페롯 공진기로 작용하는 것이다. 간섭광의 세기와 위상은 앞서 설명한 수학식 1과 같이 제1경계면(15a)(21a)과 제2경계면(15b)(21b) 사이의 거리(L)와 상기 중공부(15) 또는 내부코어(21)의 굴절률(n)의 함수로 나타난다.In the present invention, the first boundary surface 15a, 21a and the second boundary surface 15b, 21b act as a first mirror and a second mirror. The first reflection light I r1 and the second reflection light I r2 reflected from the first boundary surface 15a, 21a and the second boundary surface 15b, 21b interfere with each other to generate an interference fringe. Here, the hollow optical fiber 20 or the dual core optical fiber 25 acts as a Fabry-Perot resonator. The intensity and phase of the interfering light may be determined by the distance L between the first boundary surfaces 15a and 21a and the second boundary surfaces 15b and 21b and the hollow portion 15 or the inner core 21 as shown in Equation 1 described above. It is expressed as a function of the refractive index n of.
상기와 같이 구성된 광섬유 페브리-페롯 간섭계는 온도 변화나 압력 변화를 감지하는 센서로 사용될 수 있다. 간섭계 주변의 온도나 압력이 변하면 간섭계의 길이와 매질의 굴절률이 변하여 간섭광의 세기와 위상이 변하므로 이들 변화량으로부터 온도 변화 및 압력 변화를 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 간섭계는 소형화가 가능하므로 자동차 엔진 내부와 같이 복잡한 구조의 압력 측정에도 유용하게 적용할 수 있다.The optical fiber Fabry-Perot interferometer configured as described above may be used as a sensor for detecting a temperature change or a pressure change. When the temperature or pressure around the interferometer changes, the interferometer's length and the refractive index of the medium change, so that the intensity and phase of the interfering light change. In addition, since the interferometer according to the present invention can be miniaturized, it can be usefully applied to pressure measurement of a complicated structure such as an automobile engine.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유 페브리-페롯 간섭계는 중공부 또는 내부코어와 일반 광섬유의 코어 경계면에 의해 입사광을 반사시킴으로써 별도의 거울을 제작할 필요가 없어 제작 공정이 간단해지고, 중심이 공기로 되어 있거나 내부코어가 일반 광섬유의 코어와 다른 굴절률을 갖는 재질로 되어 있어 편광성 페이딩 현상이 발생될 염려가 없다.As described above, the optical fiber Fabry-Perot interferometer according to the present invention does not need to manufacture a separate mirror by reflecting the incident light by the hollow portion or the inner core and the core interface of the general optical fiber, which simplifies the manufacturing process, and the center is air. The inner core is made of a material having a refractive index different from that of a general optical fiber, so that there is no fear of polarizing fading.
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