KR100603050B1 - 잉여 라만 펌핑광을 재활용하는 희토류 첨가 광섬유기반의 광대역 광원과 라만 광섬유 증폭기 구조를이용하는 장거리 센서 - Google Patents

잉여 라만 펌핑광을 재활용하는 희토류 첨가 광섬유기반의 광대역 광원과 라만 광섬유 증폭기 구조를이용하는 장거리 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광대역 광원을 발생시키는 단순화된 장거리 센서 구조에 관한 것이다.
일반적으로 백색 광원을 이용한 장거리 광섬유 센서의 경우에는 광섬유의 손실과 Rayleigh Scattering에 의한 신호 잡음 때문에 센서 신호의 장거리 전송이 어려워 이런 문제점을 해결하기 위하여 센싱 신호 전달 광섬유 상에서 라만 증폭을 사용한다. 하지만 기존의 장거리 센서의 경우 라만 펌핑광과 별도로 센서용 광대역 광원이 독립적으로 필요하였다.
본 발명에서는 센싱 신호 전달용 광섬유에서 라만 증폭을 하고 남는 잉여의 라만 펌핑광을 재활용하여 희토류 첨가 광섬유를 사용하여 광대역 광원을 발생시키는 구조를 제시한다. 이러한 구조를 사용하여 독립적인 광대역 광원에 대한 필요를 없애 전체 시스템의 가격을 낮출 수 있는 장점이 있고, 또한 신호 감자로 광섬유 격자를 사용하게 되면 온도와 스트레인을 동시에 측정할 수 있고 센싱 신호를 장거리에 전송할 수 있는 잠정이 있다.
광섬유 센서, 라만 레이저. 펌핑광 재활용, 광섬유 격자

Description

잉여 라만 펌핑광을 재활용하는 희토류 첨가 광섬유 기반의 광대역 광원과 라만 광섬유 증폭기 구조를 이용하는 장거리 센서{Raman amplifier based long-distance remote sensor with a rare-earth doped fiber based broadband source recycling residual Raman pump}
도 1은 본 발명의 희토류 첨가 광섬유와 라만 증폭기를 이용한 장거리 원격 감지기 시스템 실험에 대한 구성도이다.
도 2는 본 발명에서의 50 km 단일모드 광섬유에서의 파장별 On-OFF 증폭 이득도이다.
도 3은 본 발명의 희토류 첨가 광섬유와 광섬유 단주기 격자를 통과한 후의 스펙트럼도이다.
도 4는 본 발명의 어븀 첨가 광섬유와 광섬유 브래그 격자를 가열 오븐에 넣어 온도에 대한 감도를 측정한 광 출력 스펙트럼도이다.
도 5 및 도 6은 온도에 따른 파장 변화와 출력 센싱 신호의 세기를 나타낸 것이다.
도 7은 광섬유 격자로 된 감자에 스트레인을 가했을 경우 출력 스펙트럼의 변화도이다.
도 8은 스트레인 변화에 따른 파장변화도이다.
도 9는 종례의 일반적인 광섬유 센서 구조이다
도 10은 도 9의 센싱 신호 전달 거리 문제를 해결하기 위하여 라만 증폭을 사용하는 것을 기반으로 하여 Y. Nakajima박사가 제안한 구조이다.
<도면의 주요부호의 설명>
100 : 펌프레이저부 100a, 100b : 레이저 다이오드
110 : 펌프콤바이너 120 : 광스펙트럼분석기
130 : 제1 파장분할다중화기 140 : 단일모드광섬유
150 : 제2 파장분할다중화기 160 : 펌핑광원
170 : 아이솔레이터 180 : 제3 파장분할다중화기
190 : 오븐 190a : 광섬유브레그격자
190b : 희토류첨가광섬유 200 : 온도계
210a, 210b : 스트레인 측정기
본 발명은 광섬유를 이용한 장거리 센서 및 이를 구현하는 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 라만 증폭을 이용하고 광대역 광원을 사용하는 장거리용 센서로서, 심해 및 땅속 온도 또는 압력 측정 등 장거리 센서에 사용되는 장거리 광섬유 센서 및 이를 구현하는 발명에 관한 것이다.
광섬유는 전자기적 영향 (Electro-magnetic interference)을 받지 않는 우수한 센서로 인정받고 있다. 현재 건축물 교량의 균열도 측정, 온도 측정 등 다양하게 응용되고 있다.
종래의 장거리 측정용 광섬유 격자 센서들은 보통 독립된 광대역 ASE (amplified spontaneous emission) 광을 광원으로 사용하고 있다. 이 광신호를 긴 광섬유를 이용하여 광섬유 격자의 감자가 있는 곳까지 장거리 전송을 한다. 그러나 광섬유 내에서 Rayleigh scattering 현상으로 인해 25km이상의 거리에서는 감지된 신호 즉 온도 및 스트레인 신호들을 제대로 전송할 수 없는 한계점을 갖고 있다.
따라서, 이를 신호 전달용 광섬유 내에서 라만 증폭을 이용하여 센서 신호 전달 거리를 늘리는 방법이 제시 되었다.
도 9은 종례의 일반적인 광섬유 센서 구조이다.
도 9에서 보듯이 종례의 일반적인 광섬유 센서 구조를 보면 반도체 LED 혹은 희토류 첨가 광섬유에서 나오는 백색 광원을 사용하여 이 광원 전달 물질로서 광섬유를 사용하고 신호 감자로서 광섬유 브래그 격자 등을 사용하여 감자인 광섬유 격자에서 반사되어 오는 빛의 온도 및 압력에 의한 특성 변화를 해독하는 구조를 가지고 있다.
이때 광섬유 격자의 파장이 온도 및 압력의 변화에 민감하게 반응하여 바뀐다는 성질을 이용하는 것이다.
이때 이러한 기존의 백색 광원을 기본 광원으로 사용하는 광센서의 경우 광섬유의 손실과 Rayleigh Scattering에 의한 신호 잡음 때문에 센서 신호의 장거리 전송이 어렵다.
따라서 이러한 광섬유 손실과 Scattering현상 때문에 가해지는 광센서 신호의 최대 전달거리는 25km라고 알려져 있으며 이것에 대한 이론적인 계산은 일본의 OK Electronics Co.의 Y. Nakajima 박사가 2003년 국제 광섬유 센서 학회 (OFS2003)에서 발표한 논문 ovel concept as long-distance transmission FBG sensor system using distributed Raman amplifier-Yasuyuki Nakajima, Yu Shindo, and Takashi Yoshikawa,- Optical Fiber Sensors conference(OFS-16), 2003에 나와 있다.
도 9의 문제점 즉 광섬유 손실과 Rayleigh Scattering을 해결하기 위한 방법으로 위의 논문에서 Y. Nakajima 박사는 신호 전달 매질인 광섬유 상에서 강한 펌핑광 (도 10에서는 ~1460 nm 의 파장을 갖는 강한 세기의 펌핑광을 입사하였고 1550 nm 대역에서 라만 증폭현상을 얻었음)을 입사하여 신호 전달용 광섬유 상에서 일정 수준이상 (라만 산란 현상 문턱값이라 불림)의 펌핑광이 입사되면 자연적으로 발생되는 라만 산란에 의한 광신호 증폭현상을 이용하여 광섬유 손실과 Rayleigh Scattering 현상을 억제하여 센서 신호의 세기를 일정 수준으로 유지하면 25 km이상의 장거리 전송이 가능함을 발표하였으며 실제 실험을 통해 50km거리 떨어진 곳에서도 50 km의 신호 전달용 광섬유를 사용하여 센싱 신호를 완벽하게 전달하였다.
도 10은 도 9의 센싱 신호 전달 거리 문제를 해결하기 위하여 Y. Nakajima박사가 제안한 구조이다.
도 10에서는 센싱 신호 전달 매질인 장거리 광섬유 즉 50 km 광섬유에 라만 펌핑광을 입사시켜 그 50 km 광섬유 내에서 라만 산란 현상에 의한 신호 증폭을 유발하여 광손실과 Rayleigh Scattering을 억제하여 장거리 센싱이 가능하게 한다.
상기한 바와 같이 라만 증폭이라 함은 광섬유에서 일정 수준이상(라만 산란 현상 문턱값이라 불림)의 펌핑광이 입사되면 자연적으로 발생되는 라만 산란에 의해 광신호가 광섬유에서 자연적으로 증폭되는 현상을 의미한다.
상술한 바와 같이 종래의 장거리 측정용 광섬유 격자 센서들은 보통 독립된 광대역 ASE (amplified spontaneous emission) 광을 광원으로 사용하고 있다. 이 광신호를 긴 광섬유를 이용하여 광섬유 격자의 감자가 있는 곳까지 장거리 전송을 한다. 그러나 광섬유 내에서 Rayleigh scattering 현상으로 인해 25km이상의 거리에서는 감지된 신호 즉 온도 및 스트레인 신호들을 제대로 전송할 수 없는 한계점을 갖고 있다.
따라서, 이를 신호 전달용 광섬유 내에서 라만 증폭을 이용하여 센서 신호 전달 거리를 늘리는 방법이 제시 되었다. 그러나 이는 광대역 ASE 광원과 더불어 라만 펌프용 광원을 동시에 사용해야 하므로 전체적인 시스템 구현 비용 면에서 고가인 문제점이 있다.
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본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
본 발명의 목적은 전체적인 시스템이 단순화되고, 제작단가가 저렴하며 대량 생산할 수 있는 구조의 25㎞ 이상의 장거리 광섬유 센서 및 그 구현 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 온도 및 스트레인을 동시에 측정하면서 그 측정 범위를 극대화 시킬 수 있는 장거리 광섬유 센서 및 그 구현 방법을 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서, 본 발명에서는 펌프레이저 광원을 사용하고, 라만 펌핑광은 4XX/C-band 파장분할 다중화기(WDM)를 이용하여 50km 단일모드 신호 전달용 광섬유에 들어가도록 하였고, 이 광섬유를 통과하고 남은 펌핑광은 두개의 14XX/C-band 파장분할 다중화기(WDM)를 이용하여 10m 길이의 희토류 첨가 광섬유에 넣어 넓은 대역의 ASE광를 발생시키도록 하고, 희토류 첨가 광섬유 끝단에 센서 감지 역할을 하는 광섬유브레그 격자가 연결되는 구조의 장거리 광섬유 센서를 제시한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 그 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예인 희토류 첨가 광섬유와 라만 증폭기를 이용한 장거리 원격 감지기 시스템에 대한 개략적인 구성도 이다.
본 발명은 온도측정부와 스트레인측정부를 포함한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 온도측정부는 라만 광원으로서 두개의 파장 가변 레이저 다이오드(100a,100b)를 포함하는 펌프 레이저부(100)와, 상기 펌프레이저부(100)로부터의 광원을 결합하기 위한 펌프콤바이너(110)와, 상기 펌프콤바이너(110)로부터 라만 광원을 공급받는 제1 파장분할다중화기(130)와, 상기 제1 파장분할다중화기(130)의 일단에 접속되어 있는 광스펙트럼분석기(120)와, 제2 파장분할다중화기(150)와, 상기 제1 파장분할다중화기(130)의 타단과 상기 제2 파장분할다중화기(150)의 일단 사이에 접속되어 있는 광센싱 신호 전달용 광섬유인 50Km 단일모드광섬유(SMF)(140)과, 제3 파장분할다중화기(180)와, 상기 제2 파장분할다중화기(150)로부터 상기 제3 파장분할다중화기(180)로 공급되는 펌핑광원(160)과, 상기 제2 파장분할다중화기(150)과 상기 제3 파장분할다중화기(180) 사이에 설치되는 아이솔에이터(170)와, 상기 제3 파장분할다중화기(180)와 접속되고 광섬유브레그격자(FBG)(190a)와 희토류첨가광섬유(EDF)(190b)를 포함하는 오븐(190)과, 온도계(200)로 구성되어 있다.
한편, 본 발명의 스트레인측정부는 상기 광섬유브레그격자(FBG)(190a)의 양단부에 각각 스트레인측정기(210a, 210b)가 설치되도록 구성되어 있다.
상기 단일모드광섬유(SMF)(140) 대신 분산 천이 광섬유(DSF), 분산 보상 광섬유(DCF) 및 포토닉 크리스탈 광섬유(PCF), 고비선형 광섬유 (HNLF), 및 다중 모드 광섬유 (MMF) 등의 광섬유중 어느 하나라도 좋다.
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이하, 상기 본 발명의 구성에 대한 작용을 설명하기로 한다.
상기 펌프콤바이너(110)로부터 공급된 라만 펌핑광은 4XX/C-band 제1 파장분할 다중화기(WDM)(130)를 이용하여 50km 단일모드 신호 전달용 광섬유(140)에 들어간다.
그러므로, 펌프콤바이너(110)로부터 공급된 라만 펌핑광과 4XX/C-band 제1 파장분할 다중화기(WDM)(130)가 펑핑광원 공급수단이 된다.
상기 50km 단일모드 신호 전달용 광섬유(140)에서 라만증폭을 하면서 통과하고 남은 펌핑광(160)은 14XX/C-band 제2 파장분할다중화기(WDM)(150) 및 제3 파장분할다중화기(WDM)(180)를 이용하여 10m 길이의 희토류 첨가 광섬유(EDF)(190b)에 넣어 넓은 대역의 ASE광를 발생시키도록 한다. 이때 제1 및 제2파장분할다중화기(150, 180) 사이에 삽입된 아이솔레이터(isolator)(170)는 신호경로에서 원치 않는 레이징을 억제하는 역할을 한다.
그러므로, 14XX/C-band 제2 파장분할다중화기(WDM)(150) 및 제3 파장분할다중화기(WDM)(180)를 이용하여 10m 길이의 희토류 첨가 광섬유(EDF)(190b) 및 아이솔레이터(isolator)(170)가 라만 증폭후 남은 잉여 라만 펌핑광을 이용하여 광대역 광원을 발생시키기 위한 광대역 광원 발생수단이 된다.
또한, 희토류 첨가 광섬유(EDF)(190b)의 끝단에 센서 감지 역할을 하는 광섬유브레그격자(FBG)(190a)가 연결되어 센서 감지기능을 수행한다. 본 발명의 실시예에서는 희토류첨가광섬유에 어븀을 첨가하였다.
또한, 상기 광섬유브레그격자(FBG)(190a)의 양단부에 각각 스트레인 측정기를 설치하여 스트레인을 측정함으로서, 온도측정과 동시에 스트레인 측정을 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 라만 증폭을 사용하는 장거리 센서에서는 독립된 광대역 광원을 사용하지 않고 라만 증폭 후 남은 잉여의 라만 펌핑광을 희토류 첨가 광섬유를 사용하여 재활용함으로써 전체 시스템을 단순화시킴은 물론, 동시에 신호 감지부로서 광섬유브 레그격자를 사용하고 희토류 첨가 광섬유의 온도 의존성을 이용하여 온도 및 스트레인을 동시에 측정하는 작용을 한다.
이하, 본 발명의 작용을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 원리를 증명하기 위하여 관련된 실험을 수행하였다. 도 1에서 나타낸 것과 같이 라만 펌프광원으로 각각 1455nm와 1465nm의 중심파장을 가지는 두 개의 레이저 다이오드(100a, 100b)를 이용하였고, 각각의 펌프광원은 14XX/C-band 파장분할다중화기(WDM)(130)를 이용하여 600mW 세기를 가지고 50km 단일모드 광섬유(140)에 들어가도록 하였다.
첫 번째로 파장 가변 레이저 다이오드를 이용하여 50km 단일모드 광섬유(140)의 켜기-끄기 라만 이득(on-off Raman gain)을 측정하였고 이를 나타낸 것이 도면 2에 도시되어 있다.
도 2에서 도시 되었듯이 이때 1550nm 대역에서 약 12dB의 켜기-끄기 라만 이득을 나타내었고, 이는 기저손실을 포함한 단일모드 광섬유의 세기 손실을 보상하게 된다.
두 번째로는 50km 단일모드 광섬유(140)를 통과한 펌프광원의 세기를 측정하였고 약 23mW의 세기를 가지고 있다. 라만이득에 사용되고 남은 펌프광원을 두개의 14XX/C-band 제1 및 제2 파장분할다중화기(WDM)(150, 180)를 이용하여 10m 길이의 희토류 첨가 광섬유 (본 실험에서는 어븀 첨가 광섬유 사용)에 넣어 넓은 대역의 ASE를 발생시키도록 하였다. 상기 두개의 제1 및 제2 파장분할다중화기(150, 180) 사이에 삽입된 아이솔레이터(isolator)(170)는 신호경로에서 원치 않는 레이징을 억제하는 역할을 한다.
온도와 스트레인을 감지하는 실제적인 감자 부분인 어븀첨가 광섬유(190b)와 광섬유 브래그 격자(FBG)(190a)를 직접 아크방전을 이용하여 용융 접착하여 구성하였다.
도면 3은 희토류 첨가 광섬유(EDF)(190b)와 광섬유 브래그 격자(FBG)(190a)를 통과한 후의 스펙트럼을 표시한 것이다. 여분의 라만 펌프만으로 생성된 ASE의 광대역 광원 세기는 광섬유 브래그 격자(FBG)(190a)가 감지기로써의 역할을 하기에 충분한 것으로 나타났다.
어븀 첨가 광섬유(EDF)(190b)와 광섬유 브래그 격자(FBG)(190a)를 가열 오븐(190)에 넣어 온도에 대한 감도를 측정하였다. 이 때 가열 오븐은 30℃에서 100℃ 까지 온도조절이 가능하나 온도의 안정성이 좋지 않기 때문에 실험적인 한계가 있었다. 본 발명의 실시예에서는 온도를 변화시키면서 중심파장의 변화와 최대 출력 세기의 변화를 측정하였다. 도 4는 온도가 변화하면서 감지기로부터의 광 출력 스펙트럼의 변화를 나타낸 것이다. 온도가 증가 할수로 출력 광신호의 중심파장이 큰 쪽으로 이동함을 알 수 있고 동시에 출력 신호의 세기가 감소한다.
도 5와 도 6에는 상기 측정 결과를 요약해서 보여주는데 온도에 대한 파장 변화 감도는 8.19 pm/℃ 이고 출력 세기 변화 감도는 -0.04 dB/℃ 로 나타남을 도시하고 있다.
그리고, 스트레인을 광섬유브레그격자(FBG)(190a)에 가해 스트레인 감도를 측정하였는데 도 7에 나타났듯이 스트레인을 증가시키면 출력 신호의 중심 파장이 장파장으로 이동함을 알 수 있다. 하지만 온도 변화와는 달리 출력 신호의 세기는 변화가 없다. 이때 스트레인 감도는 0.56pm/100με 이다. 상기 구조에서 온도와 스트레인의 효과는 출력 신호의 광세기 변화 및 중심 파장의 변화를 감지함으로써 효과적으로 분리 될 수 있다.
도 8은 스트레인 변화에 따른 파장변화도이다.
이상에서 본 발명에 대한 실시예를 설명 했지만, 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명은 당업자가 예측 가능한 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 다양한 실시예를 포함한다고 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 잉여 라만 펌핑광을 재활용하는 희토류 첨가 광섬유 기반의 광대역 광원을 갖는 라만 증폭기 구조의 장거리 센서는 기본적으로 독립된 광대역 광원이 필요치 않고, 온도 및 스트레인을 쉽게 측정할 수 있으며, 라만 증폭을 이용하여 기존의 센서 기술에서 한계점을 보여 온 25 km 이상 거리에서도 쉽게 사용될 수 있는 효과가 있다.
또한, 구성이 단순하여 전체 시스템 단가를 줄일 수 있는 효과가 있다.
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Claims (11)

  1. 라만 증폭을 사용하는 장거리 센서에 있어서,
    펌핑광원 공급수단과,
    상기 펌핑광원으로부터 공급된 광원을 광섬유에 공급하는 라만 증폭수단과,
    상기 라만 증폭후 남은 잉여 라만 펌핑광을 이용하여 광대역 광원을 발생시키기 위한 광대역 광원 발생수단을 포함하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 라만 증폭수단은 제1 파장분할다중화기와,
    상기 제1 파장분할다중화기로부터 펌핑광을 공급받는 광센싱 신호 전달용 광섬유를 포함하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광대역 광원 발생수단은 제2 파장분할다중화기 및 제3 파장분할다중화기를 포함하고,
    상기 제2 파장분할다중화기와 제3 파장분할다중화기의 사이에 레이징 효과를 억제하기 위한 아이솔레이터가 설치되며,
    상기 제2 파장분할다중화기로부터 상기 라만 증폭후 남은 잉여 라만 펌핑광을 제3 파장분할다중화기를 통하여 공급하는 것을 특징으로 하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제3 파장분할다중화기에 접속된 희토류첨가 광섬유 및 광섬유브레그격자를 더 포함하고,
    상기 제3 파장분할다중화기를 통하여 공급되는 잉여 라만 펌핑광을 상기 희토류첨가 광섬유을 이용하여 재활용하는 것을 특징으로 하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  5. 라만 광원으로서 두개의 레이저 다이오드를 포함하는 펌프 레이저부와,
    상기 펌프레이저부로부터의 광원을 결합하기 위한 펌프콤바이너와,
    상기 펌프콤바이너로부터 라만 광원을 공급받는 제1 파장분할다중화기와,
    제2 파장분할다중화기와,
    상기 제1 파장분할다중화기의 타단과 상기 제2 파장분할다중화기의 일단 사이에 접속되어 있는 광센싱 신호 전달용 광섬유와,
    제3 파장분할다중화기와,
    상기 제2 파장분할다중화기로부터 상기 제3 파장분할다중화기로 공급되는 라만 펌핑광과,
    상기 제2 파장분할다중화기와 상기 제3 파장분할다중화기 사이에 설치되는 아이솔에이터와,
    상기 제3 파장분할다중화기와 접속되고 광섬유브레그격자(FBG)와 희토류첨가광섬유(EDF)를 포함하는 오븐을 포함하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 광섬유브레그격자(FBG)의 양단부에 각각 스트레인측정기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 장거리 광섬유 센서 시스템은 온도와 스트레인을 동시에 측정하고 온도 및 스트 레인의 효과를 분리시키는 것을 특징으로 하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 아이솔레이터는 레이징 억제 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 파장분할다중화기로부터 상기 제3 파장분할다중화기로 공급되는 라만 펌핑광은 상기 광섬유를 통과한 라만 증폭후에 남은 잉여 라만 펌핑광인 것을 특징으로 하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  10. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 희토류첨가광섬유(EDF)에서 희토류는 어븀인 것을 특징으로 하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
  11. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 광센싱 신호 전달용 광섬유는 단일모드광섬유(SMF), 분산 천이 광섬유(DSF), 분산 보상 광섬유(DCF), 포토닉 크리스탈 광섬유 (PCF), 고비선형 광섬유 (HNLF), 및 다중 모드 광섬유 (MMF) 등의 광섬유인 것을 특징으로 하는 장거리 광섬유 센서 시스템.
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