KR101014421B1 - 광섬유의 브래그 격자 형성장치 및 방법 - Google Patents

광섬유의 브래그 격자 형성장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

펨토초 레이저를 사용하여 광섬유 특히 플라스틱 광섬유에 브래그 격자를 제작하는 브래그 격자 형성장치 및 방법이 개시된다. 광원부는 펨토초 레이저를 조사한다. 렌즈는 펨토초 레이저를 집광하여 초점을 형성한다. 구동 스테이지는 광섬유를 안착시키는 것으로 렌즈를 통과한 펨토초 레이저가 광섬유에 격자를 형성하도록 광섬유를 이동시킨다. 촬영부는 광섬유에 형성되는 격자 패턴을 모니터한다. 따라서, 플라스틱 광섬유에도 열 손상 없이 브래그 격자를 용이하게 제작할 수 있고, 위상마스크를 사용하지 않기 때문에 장치의 구성이 간단해지고, 격자의 가공품질이 매우 뛰어나다.
펨토초 레이저, 브래그 격자, 광섬유, 센서, 플라스틱 광섬유

Description

광섬유의 브래그 격자 형성장치 및 방법{Apparatus and method for writing fiber Bragg grating on optical fiber}
이 기술은 광섬유의 브래그 격자 형성장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펨토초 레이저를 사용하여 광섬유 특히 플라스틱 광섬유에 브래그 격자를 제작하는 브래그 격자 형성장치 및 방법에 관한 것이다.
본 연구는 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 연구기반사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[국가관리번호: 07-기반-05, 과제명: 광통신부품 개발기술지원(총괄과제명:선도기술시험지원)]
광섬유 센서(Optical fiber sensor)는 외부에서 발생하는 물리적, 화학적, 생물학적 영향요소에 의한 변화를 광섬유 내의 빛의 신호로 전달하여 그 변화를 측정한다.
이와 같은 광섬유 센서 중, 광섬유 브래그 격자(FBG : Fiber Bragg Grating)를 이용한 FBG 센서는 브래그 파장이 온도와 스트레인의 변화에 대해 거의 선형적으로 변한다는 특성을 이용한다. 브래그 파장은 광섬유 코어의 유효굴절률(Effective refractive index)과 격자의 주기에 의해 반사되는 특정 파장을 말한 다
일반적으로, FBG 센서는 이산화규소(Silicon dioxide, 실리카) 광섬유에 브래그 격자를 형성하여 사용된다. 실리카 광섬유가 많이 사용되는 이유는 중량, 대역폭, 전송속도 등의 특성이 우수하기 때문이다. 하지만, 실리카 광섬유는 복잡하고 어려운 종단처리 방법 및 취약한 구부림 특성 등으로 인해 빈번한 탈부착이 요구되는 근거리 통신용으로 사용하기엔 적합하지 못하다.
따라서, 플라스틱(Plastic) 광섬유를 사용한 FBG 센서가 연구되고 있다. 그 이유로, 플라스틱 광섬유는 유연하고 외부의 충격과 진동에 대해 민감하지 않으며 광섬유간 단면 접속이 용이하기 때문이다. 또한, 플라스틱 광섬유는 저가이기 때문에 전체적인 운용비용이 절감된다.
종래의 브래그 격자 형성장치는 위상마스크를 이용한 홀로그램 방법 또는 간섭계식 방법이 주로 사용된다. FBG의 굴절률 주기는 위상마스크의 굴절률 위상차에 의해 결정된다.
즉, 위상마스크와 광감광성(Photo-sensitive) 광섬유를 거의 접촉하다시피 근접시킨 상태에서, 엑시머 레이저 혹은 Ar-ion 레이저에서 나오는 244nm 또는 248 nm의 UV 빛을 위상마스크 위에 조사하여 브래그 격자를 제작한다. 이 경우, 위상마스크는 90° 수직교차하도록 광섬유에 정렬된다.
다른 방법으로는, 두 개의 측면 거울을 사용하여 위상마스크에서 나오는 1차 회절차수의 광 신호를 광섬유 위에 보강간섭시키는 원리를 이용할 수 있다. 이 방법은 양쪽 거울 사이 중간에 0차(Zeroth order) 레이저 빛을 막아주는 차단물 체(Blocking obstacle)를 만들어주어 FBG 형성에 필요 없는 빛을 제거한다.
하지만, 종래의 브래그 격자 형성장치는 플라스틱 광섬유에 브래그 격자를 형성하고자 할 때, 플라스틱 광섬유가 조사된 UV 레이저의 열을 견디지 못하고 격자가 제작되기 전에 녹아 버리는 문제점이 있다.
또한, 광섬유에 약간의 불순물이 남아 있는 경우에도 위상마스크에 심각한 손상을 입힐 수 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 플라스틱 광섬유에 열을 발생시키지 않고 위상마스크가 불필요한 브래그 격자 형성장치를 구현한다. 또한, 간단한 구성으로도 격자 간격을 정밀하게 제어 가능하여 가공품질이 월등히 뛰어난 브래그 격자 형성장치를 구현한다.
펨토초 레이저를 조사하는 광원부와, 펨토초 레이저를 집광하여 초점을 형성하는 렌즈와, 광섬유를 안착시키는 것으로 렌즈를 통과한 펨토초 레이저가 광섬유에 격자를 형성하도록 광섬유를 이동시키는 구동 스테이지 및 광섬유에 형성되는 격자 패턴을 모니터하는 촬영부를 포함하는 광섬유의 브래그 격자 형성장치를 제공한다.
이 경우, 광섬유는 플라스틱 광섬유일 수 있다.
또한, 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 감쇄기를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 광섬유에 형성되는 격자에 의해 반사되는 파장을 감지하는 파장 센싱부를 더 구비할 수 있다.
한편, 펨토초 레이저를 조사하는 단계와, 펨토초 레이저를 집광하여 초점을 형성하는 단계와, 광섬유를 구동 스테이지로 X축, Y축 및 Z축으로 이동시키면서 초점이 맞춰진 펨토초 레이저를 이용하여 광섬유에 격자를 형성하는 단계 및 형성된 격자에 의해 반사되는 파장을 실시간으로 감지하는 단계를 포함하는 광섬유의 브래그 격자 형성방법을 제공한다.
이 경우, 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 단계 및 광섬유에 형성되는 격자 패턴을 모니터하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 플라스틱 광섬유에도 열 손상 없이 브래그 격자를 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 위상마스크를 사용하지 않기 때문에, 장치의 구성이 간단해지는 장점을 갖는다.
또한, 격자 간격을 정밀하게 제어 가능하여 가공품질이 매우 뛰어나며, 이에 따라 광섬유 센서의 사용분야를 보다 넓게 확장시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면에 따라서 광섬유의 브래그 격자 형성장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 위상마스크와 UV 레이저를 이용한 브래그 격자 형성장치의 개 략적인 구성을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 브래그 격자 형성장치는 광원부(101) 및 위상마스크(102)를 구비한다. 광원부(101)는 UV 레이저를 위상마스크(102)에 조사한다. 위상마스크(102)는 입사된 빔을 회절시켜 광섬유(103)에 격자무늬를 형성시킨다. UV 레이저를 이용하여 실리카 광섬유에 브래그 격자를 제작할 경우, 실리카 광섬유에 광 민감성 처리를 실시한다. 즉, 실리카 광섬유는 상온 90℃, 100기압 상태의 수소에 광섬유를 3일간 담가 놓아 수소 이온이 광섬유에 침투되게 하는 수소처리를 실시한다. 그 이유는 UV 레이저는 수소 이온에 대해 굴절률 변화가 좋아 브래그 격자를 원활히 형성하기 때문이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 브래그 격자 형성장치의 개략적인 구성을 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광섬유의 브래그 격자 형성장치(100)는 광원부(10)와, 렌즈(30)와, 구동 스테이지(40) 및 촬영부(50)를 포함한다.
광원부(10)는 펨토초 레이저를 조사한다. 펨토초 레이저는 10-15초인 펨토초(femtosecond) 단위의 펄스폭을 갖는 레이저로서, 펄스폭이 매우 좁기 때문에 광섬유(90)에 열적 손상을 일으키지 않는다. 또한, 펨토초 레이저는 펄스폭이 좁아 광섬유(90)에 브래그 격자를 형성 시 가공성이 뛰어나다.
렌즈(30)는 광원부(10)로부터 조사된 펨토초 레이저를 집광하여 브래그 격자를 형성할 광섬유(90)의 부위에 초점을 형성한다. 렌즈(30)는 원통형 렌 즈(Cylinderical lens)를 사용하는 것이 바람직하다.
구동 스테이지(40)는 광섬유(90)를 안착시킨다. 구동 스테이지(40)는 렌즈(30)를 통과한 펨토초 레이저가 광섬유에 격자를 형성하도록 광섬유(90)를 이동시킨다. 구동 스테이지(40)는 X축, Y축 및 Z축으로 구동되는 것이 바람직하다.
촬영부(50)는 광섬유(90)에 형성되는 격자 패턴을 촬영하여, 광섬유(90)에 형성되는 격자 주기를 결정 및 조절하는 수단으로 활용할 수 있다. 촬영부(50)는 CCD 카메라 등으로 이루어질 수 있으며, 광섬유(90)에 형성되는 격자를 모니터할 수 있는 것이면 어느 것이든 사용할 수 있다.
이 경우, 광섬유(90)는 플라스틱 광섬유일 수 있다. 플라스틱 광섬유는 열에 매우 취약하다. 따라서, 만약, 플라스틱 광섬유에 브래그 격자를 형성하기 위해 종래의 UV 레이저를 광원으로 사용하게 되면, 플라스틱 광섬유가 격자가 제작되기 이전에 녹아버리기 때문에 격자 형성이 불가능하다. 하지만, 광원부(10)에서 조사되는 펨토초 레이저는 펄스폭이 매우 좁기 때문에, 플라스틱 광섬유에 열적 손상 구역(Thermal affect zone)이 발생하지 않는다.
또한, 광섬유의 브래그 격자 형성장치(100)는 감쇄기(20)를 구비하는 것이 바람직하다.
감쇄기(20)는 광원부(10)로부터 조사되는 펨토초 레이저의 출력을 제어한다. 따라서, 광섬유(90)에 브래그 격자를 형성하는데 있어, 최적의 조건을 설정할 수 있다.
또한, 광섬유의 브래그 격자 형성장치(100)는 파장 센싱부를 더 구비할 수 있다. 파장 센싱부는 광섬유(90)에 형성되는 격자에 의해 반사되는 파장을 실시간으로 감지한다. 파장 센싱부는 Laser Diode Source와 OSA(Optical Spectrum Analyzer)를 광섬유(90)의 양단에 설치하는 것으로 구현될 수 있다.
특히, 광섬유의 브래그 격자 형성장치(100)는 종래의 위상마스크를 사용하지 않고 광섬유(90)에 브래그 격자를 형성한다. 그 이유는 광원부(10)에서 조사되는 펨토초 레이저가 이광자 흡수 현상을 일으키기 때문이다.
이광자 흡수 현상은 비선형 광학 현상의 하나로서, 특정 주파수의 광자를 흡수하는 원자나 분자에 대해 동시에 각기 흡수 광자의 주파수의 반에 해당하는 주파수를 갖는 두 개의 광자가 흡수될 때 그 원자나 분자가 여기되는 현상이다. 이와 같은 이광자 흡수는 두 개의 광자가 동시에 흡수될 확률이 높은 초 고밀도 광자를 갖는 빛에서 일어난다.
이광자 흡수 현상은 매우 낮은 흡수 단면적을 갖고 있고 이 현상이 일어날 문턱세기도 상대적으로 높기 때문에, 광원부(10)로부터 조사되는 펨토초 레이저의 방향과 출력을 조절하면 회절한계에 전혀 제한되지 않는 미세 격자를 형성할 수 있다.
또한, 이광자 흡수 현상은 동시에 광자가 흡수되지 않는 한 이 현상을 일으키는 빛의 파장에 의해서만 발생되지 않는다. 즉, 이광자 흡수 현상은 초점으로 모아지는 빛의 진행방향에 대해서 원하는 부분을 초점에 일치시켰을 때만 광자 밀도가 높은 초점 근방에서 일어난다.
정리하면, 브래그 격자 형성장치(100)는 이광자 흡수 현상을 일으키는 펨토 초 레이저를 사용하여 광섬유에 브래그 격자를 용이하게 형성 가능하다. 만약, Blue 혹은 UV 레이저를 사용한다면, 빔이 감쇠되고 스캐터링 되면서 파면(Wavefront)이 왜곡된다. 특히, 플라스틱 광섬유에도 열적 손상 없이 원활히 브래그 격자를 형성할 수 있다. 또한, 위상마스크를 사용하지 않기 때문에, 장치의 구성이 간단해지고 제작 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 광섬유의 브래그 격자 형성장치(100)에 구비된 구동 스테이지(40) 및 감쇄기(20)는 광섬유(90)에 매우 정밀한 브래그 격자를 형성시켜 우수한 가공품질을 갖게 한다.
이하 첨부된 도면에 따라서 광섬유의 브래그 격자 형성방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 브래그 격자 형성방법의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 광섬유의 브래그 격자 형성방법은 펨토초 레이저를 조사하는 단계(S100)와, 펨토초 레이저를 집광하여 초점을 형성하는 단계(S200)와, 광섬유를 구동 스테이지로 이동시키면서 광섬유에 격자를 형성하는 단계(S300) 및 형성된 격자에 의해 반사되는 파장을 실시간으로 감지하는 단계(S400)를 포함한다.
(S100)단계에서, 펨토초 레이저를 조사한다. 이 경우, 펨토초 레이저는 수 킬로와트(kW) 이상의 파워를 갖는 것이 바람직하며, 100펨토초(fs) 정도의 좁은 선폭을 갖는 것이 바람직하다.
(S200)단계에서, 펨토초 레이저를 원통형 렌즈 등을 이용하여 집광하여 브래그 격자를 형성할 광섬유의 적소에 초점을 형성한다.
(S300)단계에서, 광섬유를 구동 스테이지를 이용해 X축, Y축 및 Z축으로 이동시키면서, 초점이 맞춰진 펨토초 레이저를 이용하여 광섬유에 격자를 형성한다. 이 경우, 구동 스테이지에 의해 광섬유에 형성되는 격자 간격 등을 제어할 수 있다.
(S400)단계에서, 형성된 격자에 의해 반사되는 파장을 실시간으로 감지한다. 반사 파장을 감지하여, 사용자가 원하는 파장이 되도록 격자 간격을 결정할 수 있다. 격자 간격이 Λ 이고, 광섬유 코어의 유효굴절률이 n 일 때, 격자에 의해 반사되는 브래그 파장(λB)은 다음 식에 의해 결정된다.
λB = 2nΛ
또한, 광섬유의 브래그 격자 형성방법은 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 단계 및 광섬유에 형성되는 격자 패턴을 모니터하는 단계를 더 포함할 수 있다.
지금까지 광섬유의 브래그 격자 형성장치 및 방법은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
플라스틱 광섬유에 브래그 격자를 제작함으로써 외부환경에 대한 브래그 파장의 정확한 변형률을 해석하여, 교량, 건물, 도로 등 여러 분야에 활용 가능하며, 온도에 따른 빛의 세기나 파장천이 정도를 이용하여 분포형 온도센서에도 활용할 수 있다.
도 1은 종래의 위상마스크와 UV 레이저를 이용한 브래그 격자 형성장치의 개략적인 구성을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 브래그 격자 형성장치의 개략적인 구성을 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 브래그 격자 형성방법의 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광원부 20 : 감쇄기
30 : 렌즈 40 : 구동 스테이지
50 : 촬영부 90 : 광섬유
100 : 브래그 격자 형성장치

Claims (10)

  1. 펨토초 레이저를 조사하는 광원부;
    상기 펨토초 레이저를 집광하여 초점을 형성하는 렌즈;
    광섬유를 안착시키는 것으로, 상기 렌즈를 통과한 펨토초 레이저가 광섬유에 격자를 형성하도록 상기 광섬유를 이동시키는 구동 스테이지; 및
    상기 광섬유에 형성되는 격자 패턴을 모니터하는 촬영부;를 포함하는 광섬유의 브래그 격자 형성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유는 플라스틱 광섬유인 광섬유의 브래그 격자 형성장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 감쇄기;를 구비하는 광섬유의 브래그 격자 형성장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유에 형성되는 격자에 의해 반사되는 파장을 감지하는 파장 센싱부;를 더 구비하는 광섬유의 브래그 격자 형성장치.
  5. 펨토초 레이저를 조사하는 광원부;
    상기 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 감쇄기;
    상기 펨토초 레이저를 집광하여 초점을 형성하는 렌즈; 및
    광섬유를 안착시키는 것으로, 상기 렌즈를 통과한 펨토초 레이저가 광섬유에 격자를 형성하도록 상기 광섬유를 이동시키는 구동 스테이지;를 포함하는 광섬유의 브래그 격자 형성장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광섬유는 플라스틱 광섬유인 광섬유의 브래그 격자 형성장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광섬유에 형성되는 격자 패턴을 모니터하는 촬영부;를 구비하는 광섬유의 브래그 격자 형성장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 광섬유에 형성되는 격자에 의해 반사되는 파장을 감지하는 파장 센싱부;를 더 구비하는 광섬유의 브래그 격자 형성장치.
  9. 펨토초 레이저를 조사하는 단계;
    상기 펨토초 레이저를 집광하여 초점을 형성하는 단계;
    광섬유를 구동 스테이지로 X축, Y축 및 Z축으로 이동시키면서, 상기 초점이 맞춰진 펨토초 레이저를 이용하여 광섬유에 격자를 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 격자에 의해 반사되는 파장을 실시간으로 감지하는 단계;를 포함하는 광섬유의 브래그 격자 형성방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 단계; 및
    상기 광섬유에 형성되는 격자 패턴을 모니터하는 단계;를 더 포함하는 광섬유의 브래그 격자 형성방법.
KR1020080131657A 2008-12-22 2008-12-22 광섬유의 브래그 격자 형성장치 및 방법 KR101014421B1 (ko)

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KR100475579B1 (ko) 2000-11-07 2005-03-10 재단법인서울대학교산학협력재단 광섬유 격자 레이저 센서 및 이를 이용한 측정 장치
KR20070112693A (ko) * 2006-05-22 2007-11-27 한국전자통신연구원 평판형 광도파로의 브라그 격자 형성장치 및 그 장치를이용한 브라그 격자 형성방법

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