KR100637375B1 - 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및방법 - Google Patents

측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 기판과, 기판에 삽입되되 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 연마 부분이 기판의 상면에 노출된 측면 연마형 광섬유와, 기판 상면에 측면 연마형 광섬유의 연장방향을 중심으로 연마부분을 벗어난 위치에서 일정 높이로 상호 이격되게 설치된 스페이서와, 스페이서 위에 안착되어 기판과 이격된 블록체 및 제1측면 연마형 광섬유의 일측에서 광을 출사하는 광원과, 측면 연마형 광섬유의 타측에서 수신된 광의 공진 파장 간의 간격 데이터로부터 블록체와 기판 사이의 공간 내에 주입된 측정대상 용액의 굴절률을 산출하는 산출기를 구비한다. 이러한, 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법에 의하면 코어층보다 높은 굴절률을 갖는 용액의 굴절률을 측정할 수 있다.

Description

측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법{Refractometer for liquids based on a side-polished optical fiber and method}
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용액 굴절률 측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 제1광섬유 결합기를 확대 도시한 사시도이고,
도 3은 도 2의 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 용액 굴절률 측정과정을 나타내 보인 플로우도이고,
도 5a 내지 도 5c는 코어층 보다 높은 굴절률을 갖는 상호 다른 시료용액을 제1광섬유결합기에 주입하여 측정한 파장응답 특성 측정 그래프이고,
도 6은 주위 온도를 가변시키면서 측정한 파장응답 특성 측정그래프이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 용액 굴절률 측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 8은 도 7의 제2광섬유 결합기의 단면도이고,
도 9는 제2광섬유 결합기의 상호 다른 굴절률을 갖는 시료에 대한 파장응답특성 측정 그래프이고,
도 10은 제1광섬유 결합기의 상호 다른 굴절률을 갖는 용액시료에 대한 파장응답특성 측정 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110: 광원 120: 제1광섬유 결합기
128a, 128b: 스페이서 129: 블록체
130, 230: 산출부 220: 제2광섬유 결합기
224: 도파층
본 발명은 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 광섬유 코어의 굴절률보다 높은 용액의 굴절률도 측정할 수 있는 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
단일모드 광섬유를 측면 연마하는 기술을 이용하여 다양한 광통신 및 광센서 소자로 활용하는 기술이 다양하게 시도되고 있다.
특히 측면 연마 단일모드 광섬유와 평면 도파로가 소산장(evanescent field) 결합된 소자, 즉 광섬유-평면도파로 결합기는 매우 다양한 응용성 때문에 많은 주목을 받아 왔다.
이러한 광섬유-평면도파로 결합기는 비대칭적 결합에 의하여 특정한 파장에서 공진 결합이 발생한다. 또한, 광섬유-평면도파로 결합기는 평면도파로의 굴절률이나 두께로 공진 파장을 제어할 수 있기 때문에 광스위치/변조기나 파장 가변 필 터로 활용할 수 있다.
한편, 광섬유-평면 도파로 결합기의 구조를 응용하여 광섬유-평면 도파로 결합기의 도파층 위에 검사대상 용액을 떨어뜨린 다음 공진 파장 값을 측정하여 용액의 굴절률을 산출하는 방법이 제안되어 있다. 그런데 이러한 구조에서는 검사대상 용액의 굴절률이 광섬유 코어의 굴절률보다 크면 공진 현상이 약화 되어 광섬유 코어의 굴절률보다 높은 용액의 굴절률을 측정할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광섬유 코어의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 용액의 굴절률을 측정할 수 있는 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 측정가능한 굴절률 범위를 확장할 수 있는 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정장치는 제1기판과; 상기 제1기판에 삽입되되 제1코어층을 감싸는 제1클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 제1연마 부분을 갖으며 상기 제1연마 부분이 상기 제1기판의 상면에 노출된 제1측면 연마형 광섬유와; 상기 제1기판 상면에 상기 제1측면 연마형 광섬유의 연장방향을 중심으로 상기 제1연마부분을 벗어난 위치에서 일정 높이로 상호 이격되게 설치된 스페이서와; 상기 스페이서 위에 안착되어 상기 제1기판과 이격된 블록체와; 상기 제1측면 연마형 광섬유의 일측에 서 광을 출사하는 광원과; 상기 제1측면 연마형 광섬유의 타측에서 수신된 광의 공진 파장 간의 간격 데이터로부터 상기 블록체와 상기 기판 사이의 공간 내에 주입된 측정대상 용액의 굴절률을 산출하는 산출기;를 구비한다.
바람직하게는 상기 제1기판 및 상기 블록체는 실리카 소재로 형성된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 굴절률 측정장치는 제1기판과, 상기 제1기판에 삽입되되 제1코어층을 감싸는 제1클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 제1연마 부분을 갖으며 상기 제1연마 부분이 상기 제1기판의 상면에 노출된 제1 측면 연마형 광섬유와, 상기 제1기판 상면에 상기 제1 측면 연마형 광섬유의 연장방향을 중심으로 상기 제1연마부분을 벗어난 위치에서 일정 높이로 상호 이격되게 설치된 스페이서 및 상기 스페이서 위에 안착되어 상기 기판과 이격된 블록체를 갖는 제1광섬유 결합기와; 제2기판과, 상기 제2기판에 삽입되되 제2코어층을 감싸는 제2클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 제2연마 부분을 갖으며 상기 제2연마 부분이 상기 제2기판의 상면에 노출되어 있고 상기 제2기판으로부터 외부로 연장된 일단이 상기 제1측면 연마형 광섬유의 일단과 결합된 제2측면 연마형 광섬유와, 상기 제2기판의 상기 제2연마부분 상면에 상기 제2코어층 보다 높은 굴절률을 갖는 소재로 적층된 도파층을 갖는 제2 광섬유결합기와; 직렬 연결된 상기 제1측면 연마형 광섬유와 상기 제2측면연마형 광섬유의 일측에서 광을 출사하는 광원과; 직렬 연결된 상기 제1측면 연마형 광섬유와 상기 제2측면연마형 광섬유의 타측에서 출력되는 광의 공진파장 및 공진파장간의 간격으로부터 상기 도파층 위에 올려진 시험대상 액체 또는 상기 블록체와 상기 제1기판 사이에 주입된 액체의 굴절률을 산출하는 산출기;를 구비한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 용액의 굴절률 산출 방법은 제1기판에 삽입되되 제1코어층을 감싸는 제1클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 제1연마 부분을 갖으며 제1연마 부분이 상기 제1기판의 상면에 노출된 제1 측면 연마형 광섬유와, 상기 제1기판 상면에 상기 제1측면 연마형 광섬유의 연장방향을 중심으로 일정 높이로 상호 이격되게 설치된 스페이서 및 상기 스페이서 위에 안착되어 상기 기판과 이격된 블록체를 갖는 광섬유 결합기를 이용하여 측정대상 용액의 굴절률을 측정하는 방법에 있어서, 가. 측정대상 용액을 상기 제1연마부분과 상기 블록체 사이의 내부공간 내에 주입하는 단계와; 나. 상기 제1 측면연마형 광섬유의 일측에서 광을 전송하고, 상기 제1 측면연마형 광섬유의 타측에서 출력되는 광의 공진 파장들의 간격을 측정하는 단계와; 다. 상기 공진 파장의 간격정보와 상기 제1 측면연마형 광섬유의 유효 굴절률로부터 상기 검사대상 용액의 굴절률을 측정하는 단계;를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용액 굴절률 측정장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 제1광섬유 결합기를 확대 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 용액 굴절률 측정장치(100)는 광원(110), 제1광섬유 결합기(120) 및 산출부(130)를 구비한다. 참조부호 180은 제1광섬유 결합기 (120)에 주입된 측정대상 용액이다.
광원(110)은 제1광섬유 결합기(120)의 제1측면 연마형 광섬유(123)의 입력부(124)에 광을 출사할 수 있도록 설치되어 있다.
광원(110)은 공지된 다양한 것이 적용될 수 있다.
제1광섬유 결합기(120)는 제1기판(121), 제1측면 연마형 광섬유(123), 스페이서(128a)(128b) 및 블록체(129)을 구비한다.
제1기판(121)은 실리카소재로 형성된 것이 바람직하다.
제1측면 연마형 광섬유(123)는 공지된 단일 모드 광섬유의 측면을 길이방향을 따라 부분적으로 연마한 것이 적용되었다.
제1측면 연마형 광섬유(123)는 제1기판(121)으로부터 양측으로 연장되게 제1기판(121)에 결합하여 있고, 제1기판(121)에 삽입된 부분은 곡률을 갖게 휘어진 형태로 제1기판(121)에 결합하여 있다.
제1측면 연마형 광섬유(123)를 구분하면, 입력부(124), 출력부(125) 및 연마부분(126)을 갖는다.
입력부(124) 및 출력부(125)는 광섬유와 동일한 구조로서 제1코어층(123a)을 감싸는 제1클래드층(123b)으로 되어 있다.
제1연마부분(126)은 입력부(124)와 출력부(125) 사이에 형성된 것으로 제1코어층(123a) 상부에 있는 제1클래드층(123b)의 일부가 제거되도록 연마처리된 부분이다.
제1연마 부분(126)은 연마가 가장 많이 이루어진 중앙부분으로부터 양측으로 길이방향을 따라 점진적으로 연마처리된 부분이 줄어들게 연마 처리된 것이 적용된다. 이러한 구조의 제1연마부분(126)은 제1기판(121)상에 중앙부분의 깊이가 낮고 양측 가장자리부분의 깊이가 깊도록 곡률을 갖게 형성시킨 홈의 바닥면에 광섬유를 안착시켜 고정한 상태에서 수평 연마에 의해 형성하면 된다.
이러한 제1측면 연마형 광섬유(123)는 제1연마 부분(126)이 제1기판(121)의 상면에 노출되게 제1기판(121)에 삽입되게 결합되어 있고, 제1연마부분(126)으로부터 양측으로 연장된 입력부(124) 및 출력부(125)는 제1기판(121)으로부터 외부로 돌출되게 연장되어 있다.
여기서 입력부(124) 및 출력부(125)는 비 연마처리된 부분으로서 제1기판(121)에 일부 삽입된 부분까지 포함될 수 있음은 물론이다.
스페이서(128a)(128b)는 제1측면 연마형 광섬유(123)의 제1연마부분(126)의 노출된 부분을 벗어난 위치에서 광섬유(123)의 길이방향에 나란하게 이격되게 설치되어 있다.
블록체(129)는 스페이서(128a)(128b) 위에 안착되어 있다. 도면에서 n2는 블록체(129)의 굴절률이다.
블록체(129)는 광섬유(123)의 클래드층(123b)과 굴절율이 동일하거나 실질적인 차이가 적인 소재 예를 들면 실리카소재로 형성된 것이 바람직하다. 이러한 블록체(129)는 광섬유-평면 도파로 구조에서 상부 클래드로서 기능 한다.
측정대상 용액(180)은 블록체(129)와 스페이서(128a)(128b)에 의해 연마부분 위에 형성된 공간 내에 주입된다.
이러한 구조에서 주입된 측정대상 용액(180)의 굴절율이 클래드층(123b)의 굴절률 보다 작을 때는 공진 특성에 영향을 미치지 않고, 측정대상 용액(180)의 굴절율이 광섬유(123)의 유효 굴절률보다 클 때는 평면 도파로구조에서 도파층으로서 역할을 하여 비대칭 광결합기로서 동작한다.
산출부(130)는 광원(110)에서 출사한 후 광섬유(123)의 출력부(125)를 통해 출력되는 광을 검출하고, 검출된 광의 공진 파장의 간격으로부터 측정대상 용액(180)의 굴절률을 산출한다.
산출부(130)는 광스펙트로미터만 적용될 수 있음은 물론이다.
여기서, 공진파장은 광섬유(123)의 입력부(124)로 입사된 광이 특정한 파장에서 검사대상 용액(180)으로 빠져나가 광섬유(123)의 출력부(125)로 전달되지 않는 파장을 말한다.
이하에서는 측정대상 용액(180)에 대해 굴절률을 구하는 과정을 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
먼저, 측정대상 용액을 연마부분(126)과 블록체(129) 사이의 공간내에 주입한다(단계 310).
그런 다음 광원(110)으로부터 출사된 광이 제1광섬유 결합기(120)를 거쳐 출사된 광의 공진 파장 간격을 산출한다(단계 320).
그리고 나서 공진 파장 간격으로부터 용액의 굴절률을 산출한다(단계 330).
이러한 굴절률 산출과정을 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
먼저, 광섬유 결합기(120)의 평면도파로의 고유치 방정식은 아래의 수학식 1 과 같다.
Figure 112005035974399-pat00001
여기서, m은 모드의 차수를 나타내는 정수이고, λ는 광의 파장, do는 도파층역할을 하는 측정대상 용액(180)의 두께 즉, 스페이서(128a)(128b)의 높이이고, n0 는 측정대상 용액(180)의 굴절율, nem은 평면도파로의 m번째 모드의 유효굴절율이다. 또한, ψ1과 ψ2는 측정대상 용액(180)과 블록체(129)의 경계에서 발생하는 모드의 위상천이로서 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112005035974399-pat00002
,
여기서, i=1 또는 2 이고, ζ는 편광상태에 의존하는 상수로서 TE 편광에 대해서는 ζ=1, TM 편광에 대해서는 ζ= n0 2 /ni 2 을 적용하면 된다. 여기서 ni는 평면도파로 상하부 클래드층 즉 블록체(129)와 광섬유 클래드층(123b)의 굴절율이다.
수학식 1과 2로부터 광섬유 모드와 평면도파로 모드 사이에 위상 정합 조건(n em =n ef )을 대입하면 공진 파장(λm)을 아래의 수학식 3에 의해 구할 수 있다. 여기 서 n ef 는 측면연마형 광섬유(123)의 유효굴절률을 나타낸다.
Figure 112005035974399-pat00003
한편, 앞서 설명된 바와 같이 본 발명에서는 공진 파장의 간격으로부터 측정대상 용액(180)의 굴절률을 산출한다. 즉, 평면도파로의 두께는 스페이서(128a)(128b)에 의해 미리 정해져 있기 때문에 용액의 굴절률이 증가하면 모드 사이의 간격이 감소한다.
이러한 원리를 이용하여 임의의 평면도파로의 m+1차 모드와 결합하는 공진 파장을 λm+1 이라 정의한다. 또한, 인접한 두 공진 파장의 차이가 매우 작다면 두 공진 파장 사이에서 색분산과 도파로 분산의 영향은 무시할 수 있다. 따라서 위 수학식3으로부터 m차 및 m+1차 공진파장에서 no와 nef가 일정하다고 가정하면 아래의 수학식 4가 유도된다.
Figure 112005035974399-pat00004
여기서
Figure 112005035974399-pat00005
이다.
위 수학식 4를 다시 정리하면 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005035974399-pat00006
위 수학식 5로부터 알고 있는 측면연마형 광섬유(123)의 유효굴절률(n ef ) ) 및 두께(do)와 검출된 인접된 두개의 공진파장 값을 대입하면 검사대상 용액의 굴절률을 구할 수 있다. 이러한 계산식 및 유효굴절률 값은 산출부(130)에 미리 저장되어 있다.
또한, 계산하고자 하는 공진의 차수 차이를 더 크게 할 때 즉,
Figure 112005035974399-pat00007
일때 상기 수학식 5는 아래의 수학식 6으로 바꾸면 된다.
Figure 112005035974399-pat00008
여기서 k는 1이상의 정수이다.
이하에서는 제1광섬유 결합기(120)를 제작하고 그에 따른 광학적 특성을 산출한 실험 예를 설명한다.
먼저, 단일모드 광섬유를 지지하기 위한 곡률을 갖는 홈을 형성한 수정 기판(121)에 피복이 제거된 단일모드 광섬유를 에폭시로 고정시켰다. 여기서 수정기판(121)의 홈의 곡률은 50cm이고 폭은 140㎛이고, 중앙부분에서의 깊이는 130㎛였다. 단일모드 광섬유(123)는 클래드층(123b)의 직경이 125㎛이고, 코어층(123a)의 직경이 8.2㎛인 것을 적용하였다.
이후 광섬유 클래드층(123b)과 기판(121)을 함께 #3000의 알루미나 연마 파우더를 사용하여 황동 연마기판에서 1차 연마하였다. 1차 연마 후 세륨옥사이드(CeO2)로 폴리우레탄이나 피치로 된 연마기판에서 마무리 연마하였다. 연마된 부분에 리퀴드 드랍(liquid drop) 방식을 사용하여 정밀하게 연마부분(126)의 두께를 측정하면서 원하는 값으로 연마부분(126)의 두께를 조정하였다.
코어층(123a)으로부터 연마부분(126)까지의 두께(s)는 1㎛로 조정하였다.
연마부분(126) 형성 이후에는 스페이서(128a)(128b)로서 두께가 150㎛인 현미경용 덮개유리를 절단하여 연마된 표면 위에 에폭시로 부착하였다. 블록체(129)는 광섬유 클래드층(123b)과 동일한 굴절률을 갖는 융착 실리카(fused silica) 블록을 적당한 압력으로 가해 부착하였다.
이렇게 제작된 광섬유 결합기(120)에 카르질사(Cargille)에서 제공한 것으로 굴절률이 588nm에서 각각 1.5, 1.6 및 1.7인 세가지 기름용액을 측정대상 용액의 시료로서 적용하여 주위온도 18℃에서 파장응답을 측정하였다. 측정에 적용된 광원(110)은 상호 다른 파장영역을 갖는 고휘도 LED를 적용하였고, 출력광은 광스펙트럼 분석기로 파장응답을 측정하였으며 그 결과가 도 5a 내지 5c에 도시되었다.
도 5a는 굴절률 1.5인 용액에 대한 파장응답특성 곡선이고, 도 5b는 굴절률 1.6인 용액에 대한 파장응답특성 곡선이고, 도 7은 굴절률 1.7인 용액에 대한 파장응답특성 곡선이다.
도 5a 내지 도 5c를 통해 알 수 있는 바와 같이 공진 파장 간의 간격은 장 파장으로 갈수록 길어진다. 이러한 현상은 수학식 5로부터 예측된 사실이다. 굴절률이 높을수록 1300nm 내지 1600nm 사이에 발생하는 공진의 개수가 증가함을 알 수 있다. 1550nm파장 부근의 공진 파장 사이의 간격 데이터로부터 수학식5를 이용하여 계산한 용액의 굴절률은 각각 1.4757, 1.5722 및 1.6705 였다. 여기서 광섬유(123)의 코어(123a)의 굴절률은 1.4485, 클래드층(123b)의 굴절률을 1.4440, 코어(123a의 반지름은 4.1㎛로 적용했을 때 유효 굴절률(nef)은 1.4457이다.
굴절률 측정 정밀도는 통상적으로는 스펙트럼 분석기의 해상도에 비례한다. 일반적인 광스펙트럼 분석기의 해상도는 0.05nm까지 가능하다. 앞서 실험에서 굴절률 1.5인 매질과 굴절률 1.6인 매질의 1550nm 파장 부근에서 인접한 공진 파장의 차이가 각각 27.2nm 및 12.8nm였다. 즉, 굴절률 0.1의 변화가 공진파장 간격에서 14.4nm만큼의 차이를 발생시킨 것이다. 이러한 결과로부터 광스펙트럼 분석기로 파장응답을 구할 때 0.1nm 혹은 0.05nm 의 해상도로 측정하면 10-4 이하의 굴절률 변화도 측정할 수 있음을 의미한다.
한편, 굴절률 측정시 해상도를 높이려면 공진 파장간의 간격을 넓히면 된다. 즉, 수학식6을 이용하면 되고, 이 경우 10- 5 까지의 해상도를 제공할 수 있다. 다만 앞서 수학식 5 및 6을 유도하는 과정에서 무시했던 분산에 의한 오차가 증가할 수 있기 때문에 이를 고려하여 적절하게 적용하면 된다.
이러한 굴절률 측정장치(100)는 주위 온도 변화에 따른 용액의 굴절률 변화도 측정할 수 있다.
이 경우, 스페이서(128a)(128b)의 온도 변화에 따른 두께 변화가 발생될 수 있는 지를 고려하여야 하는데 100℃까지 주위 온도를 가변시키면서 실험에 사용된 덮개 유리의 두께를 측정한 결과 주위 온도 변화에 대해 거의 변동이 없었다. 실험에서는 주위 온도를 40, 60, 80 및 100℃일 때 광섬유 결합기(120)의 파장응답을 측정하고, 대표적으로 40도 및 100℃에 대한 파장응답을 도 6에 도시하였다.
도 6에 도시된 그래프를 이용하여 1550nm파장 부근에서 측정한 두 인접한 공진 파장과 이를 바탕으로 계산한 용액의 굴절률의 변화를 아래의 표 1에 나타냈다.
온도(℃) no λm(nm) λm+1(nm)
40 1.5661 1562.6 1549.2
60 1.5556 1560.3 1546.3
80 1.5537 1558.8 1544.7
100 1.5433 1566.5 1551.5
위 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이 주위 온도가 증가함에 따라 공진 파장 간의 간격은 점진적으로 늘어난다. 이러한 결과는 용액(180)의 굴절률이 온도가 증가함에 따라 감소함을 의미한다. 산출된 용액의 단위 온도 변화에 따른 굴절률 변화, 즉 열광학 계수는 대략 -3.6×10- 4 로 계산되었다.
이러한 장치는 측정하고자 하는 파장영역에 대응한 광섬유(123)의 유효굴절률 값을 미리 산출부(130)에 저장해 놓고, 해당 파장 부근에서 발생하는 인접한 두 공진파장을 측정하면 쉽게 용액(180)의 굴절률을 산출할 수 있다. 예를 들면 1310nm 파장영역에 대응한 광섬유의 유효굴절률 값을 미리 산출하여 저장해 놓고, 해당 파장 부근에서 발생하는 인접한 두 공진 파장 값을 측정하면 1310nm에서의 용액의 굴절률을 산출할 수 있다.
한편, 이러한 구조체는 기존의 평면광도파로 구조체와 직렬 연결하여 광대역의 굴절률을 측정할 수 있다.
도 7은 본 고안의 또 다른 실시예에 따른 굴절률 측정장치를 나타내 보인 도면이고, 도 8은 도 7의 제2광섬유 결합기의 단면도이다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
제2광섬유 결합기(220)는 제2 기판(221)과, 클래드층(223b)의 일부가 연마된 제2연마부분을 갖는 제2측면 연마형 광섬유(223), 도파층(224)을 갖는 구조로 되어 있다.
제2기판(221), 제2측면 연마형 광섬유(223)는 제1광섬유 결합기(120)의 제1기판(121), 제1측면연마형 광섬유(123)와 동일한 구조로 형성한 것을 적용하면 된다.
도파층(224)은 코어층(223a)의 굴절률 보다 높은 소재로 형성한다. 이러한 제2광섬유 결합기(220)는 도파층(224) 위에 코어층(223a)의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 갖는 측정대상 용액(280)을 올려놓고 출력되는 공진 파장 값과 알고 있는 유효굴절율을 이용하여 수학식 3에 근거하여 굴절률을 산출하면 된다. 즉, 알고 있는 도파층(224)의 두께(do)와, 도파층(224)의 굴절률(no) 값과, 측정된 공진파장 위치값으로부터 유효굴절률을 먼저 산출하고, 유효굴절률 값으로부터 측정대상 용액의 굴절률을 산출하면 된다.
제2광섬유 결합기(220)에서 도파층(224) 위에 올려진 검사대상 용액(280)은 공진모드에서 평면도파로의 클래드층 역할을 한다.
제2광섬유 결합기(220) 자체의 파장응답특성을 확인하기 위해 굴절률이 1.0, 1.3, 1.445, 1.45, 1.46, 1.5, 1.6, 1.7인 시료를 각각 이용하여 파장응답특성을 측정한 결과가 도 9에 도시되어 있다. 도 9를 통해 알 수 있는 바와 같이 제2광섬유 결합기(220)는 도파층(224) 위에 올려 놓은 검사대상 용액(280)이 코어층(223a)의 굴절률보다 낮은 경우 공진 조건을 만족시켜 굴절률을 산출할 수 있음을 알 수 있고, 코어층(223a)의 굴절률보다 높은 액체에 대해서는 출력 특성이 거의 변화가 없다. 따라서 제1광섬유 결합기(120)로 코어층(123a)의 굴절률보다 높은 용액(180)의 굴절률 측정시 최종 파장응답 특성에 영향이 미치지 않는다.
한편, 도시된 굴절률 측정장치(200)에서 제1광섬유 결합기(120)는 코어층(123a)보다 굴절률이 낮은 용액(180)이 주입되거나 비주입된 경우 공진 결합 조건을 만족시키지 못하기 때문에 제2광섬유 결합기(220)에 의한 측정에 영향을 미치지 않는다. 앞서와 같이 굴절률이 1.0, 1.3, 1.445, 1.45, 1.46, 1.5, 1.6, 1.7인 시료를 각각 이용하여 제1광섬유 결합기(120)의 파장응답특성을 측정한 결과가 도시된 도 10을 통해 알 수 있는 바와 같이 코어층(123a)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 시료에 대해서는 출력 값의 변동이 거의 없다. 따라서 제2광섬유 결합기(220)를 이용하여 코어층(223a)보다 낮은 굴절률을 갖는 용액(280)의 굴절률을 측정시 제1광섬유 결합기(120)는 영향을 미치지 않는다.
이러한 특성에 따라, 코어(123a)(223a)의 굴절률보다 큰 용액에 대해서는 제1광섬유 결합기(120)를 이용하여 굴절률을 측정하고, 코어(123a)(223a)의 굴절률보다 낮은 용액에 대해서는 제2광섬유 결합기(220)를 이용하여 굴절률을 측정하면 된다.
산출기(230)는 앞서 설명된 바와 같이 알고 있는 광섬유의 유효굴절률 값과 측정된 공진파장 및 공진 파장 간의 간격으로부터 앞서 설명된 식에 의해 측정대상 용액의 굴절률을 산출할 수 있도록 구축되면 된다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정 장치 및 방법에 의하면 코어층보다 높은 굴절률을 갖는 용액의 굴절률 측정뿐만 아니라 코어층의 굴절률 보다 낮은 용액의 굴절률까지 넓은 대역에 걸쳐 굴절률을 측정할 수 있다.

Claims (4)

  1. 제1기판과;
    상기 제1기판에 삽입되되 제1코어층을 감싸는 제1클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 제1연마 부분을 갖으며 상기 제1연마 부분이 상기 제1기판의 상면에 노출된 제1측면 연마형 광섬유와;
    상기 제1기판 상면에 상기 제1측면 연마형 광섬유의 연장방향을 중심으로 상기 제1연마부분을 벗어난 위치에서 일정 높이로 상호 이격되게 설치된 스페이서와;
    상기 스페이서 위에 안착되어 상기 제1기판과 이격된 블록체와;
    상기 제1측면 연마형 광섬유의 일측에서 광을 출사하는 광원과;
    상기 제1측면 연마형 광섬유의 타측에서 수신된 광의 공진 파장 간의 간격 데이터로부터 상기 블록체와 상기 제1기판 사이의 공간 내에 주입된 측정대상 용액의 굴절률을 산출하는 산출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1기판 및 상기 블록체는 실리카 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정장치.
  3. 제1기판과, 상기 제1기판에 삽입되되 제1코어층을 감싸는 제1클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 제1연마 부분을 갖으며 상기 제1연마 부분이 상기 제1 기판의 상면에 노출된 제1 측면 연마형 광섬유와, 상기 제1기판 상면에 상기 제1 측면 연마형 광섬유의 연장방향을 중심으로 상기 제1연마부분을 벗어난 위치에서 일정 높이로 상호 이격되게 설치된 스페이서 및 상기 스페이서 위에 안착되어 상기 기판과 이격된 블록체를 갖는 제1광섬유 결합기와;
    제2기판과, 상기 제2기판에 삽입되되 제2코어층을 감싸는 제2클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 제2연마 부분을 갖으며 상기 제2연마 부분이 상기 제2기판의 상면에 노출되어 있고 상기 제2기판으로부터 외부로 연장된 일단이 상기 제1측면 연마형 광섬유의 일단과 결합된 제2측면 연마형 광섬유와, 상기 제2기판의 상기 제2연마부분 상면에 상기 제2코어층 보다 높은 굴절률을 갖는 소재로 적층된 도파층을 갖는 제2 광섬유결합기와;
    직렬 연결된 상기 제1측면 연마형 광섬유와 상기 제2측면연마형 광섬유의 일측에서 광을 출사하는 광원과;
    직렬 연결된 상기 제1측면 연마형 광섬유와 상기 제2측면연마형 광섬유의 타측에서 출력되는 광의 공진파장 및 공진파장간의 간격으로부터 상기 도파층 위에 올려진 측정대상 액체 또는 상기 블록체와 상기 제1기판 사이에 주입된 측정대상 액체의 굴절률을 산출하는 산출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정장치
  4. 제1기판에 삽입되되 제1코어층을 감싸는 제1클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 제1연마 부분을 갖으며 제1연마 부분이 상기 제1기판의 상면에 노출된 제1 측면 연마형 광섬유와, 상기 제1기판 상면에 상기 제1측면 연마형 광섬유의 연장방향을 중심으로 일정 높이로 상호 이격되게 설치된 스페이서 및 상기 스페이서 위에 안착되어 상기 제1기판과 이격된 블록체를 갖는 광섬유 결합기를 이용하여 측정대상 용액의 굴절률을 측정하는 방법에 있어서,
    가. 측정대상 용액을 상기 제1연마부분과 상기 블록체 사이의 내부공간 내에 주입하는 단계와;
    나. 상기 제1 측면연마형 광섬유의 일측에서 광을 전송하고, 상기 제1 측면연마형 광섬유의 타측에서 출력되는 광의 공진 파장들의 간격을 측정하는 단계와;
    다. 상기 공진 파장의 간격정보와 상기 제1 측면연마형 광섬유의 유효 굴절률로부터 상기 검사대상 용액의 굴절률을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 측면연마형 광섬유를 이용한 용액 굴절률 측정방법.
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