KR101025950B1 - Optical temperature sensors based on polymeric optical waveguides - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유리 기판; 상기 유리 기판상의 일면에 형성되고, 상기 유리 기판보다 열광학 계수 및 굴절률이 크고 광원으로부터 전달된 빛을 전달하는 폴리머 광도파로 코어; 상기 폴리머 광도파로 코어의 상부에 형성되고, 상기 폴리머 광도파로 코어보다 굴절률이 작고 상기 폴리머 광도파로를 통하여 전달되는 빛의 유실을 방지하는 폴리머 클래딩; 및 상기 유리 기판, 폴리머 광도파로 코어 및 폴리머 클래딩과 직교하는 형태로 일 측면에 부착되고, 상기 폴리머 광도파로 코어를 따라 전달된 빛을 반사하는 반사거울을 포함하는 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서로서, 온도가 변화됨에 따라 상기 폴리머 광도파로 코어와 유리 기판 사이의 굴절률 차이(Δn)가 증감되고 이에 따라 변화되는 빛의 손실량을 측정하는 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서를 제공한다.The present invention is a glass substrate; A polymer optical waveguide core formed on one surface of the glass substrate and having a thermo-optic coefficient and a refractive index greater than that of the glass substrate and transmitting light transmitted from a light source; A polymer cladding formed on the polymer optical waveguide core, the polymer cladding having a lower refractive index than the polymer optical waveguide core and preventing loss of light transmitted through the polymer optical waveguide; And a reflective mirror attached to one side of the glass substrate, a polymer optical waveguide core and a polymer cladding, and reflecting light transmitted along the polymer optical waveguide core. According to the present invention, a polymer optical waveguide-based optical temperature sensor measuring a loss amount of light that increases and decreases a refractive index difference Δn between the polymer optical waveguide core and a glass substrate as the temperature is changed is provided.
본 발명에 의하면, 전기적인 신호로 온도를 측정하는 온도센서가 적용될 수 없는 전력 설비에 저비용으로 적용이 가능하여 정밀한 온도를 측정함으로써 조기에 경보하여 전력 설비의 안전사고를 예방할 수 있다.According to the present invention, it is possible to apply at low cost to the power equipment that can not be applied to the temperature sensor for measuring the temperature by the electrical signal, it is possible to prevent the safety accident of the power equipment by early warning by measuring the precise temperature.
광학 온도센서, 폴리머 광도파로, 열광학 효과 Optical temperature sensor, polymer optical waveguide, thermo-optic effect
Description
본 발명은 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리머 물질의 열광학 효과를 이용하여 온도를 측정할 수 있는 폴리머 광도파로 기반 온도 센서 및 이를 이용한 온도측정 방법을 제공한다. The present invention relates to a polymer optical waveguide-based optical temperature sensor, and more particularly, to a polymer optical waveguide-based temperature sensor and a temperature measuring method using the same, which can measure temperature using a thermo-optic effect of a polymer material.
최근 전기 에너지의 소비 증가에 따라서 전력 설비가 초고압 및 대용량화 되어가고 있다. 현재 사회 전반적으로 큰 영향을 미치고 있는 전력 설비가 여러 가지 원인으로 인하여 오동작하게 될 경우 경제적 손실을 야기할 수 있기 때문에 전력설비의 안전성과 효율성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 특히 전력 설비에 있어서 한계온도 이상에서의 동작은 전력 설비가 오동작을 일으키는 주요 원인 중 하나이다. 그러므로 전력설비가 항상 적정온도에서 동작하고 사고가 발생할 경우 조기에 경보하여 전력설비의 안전사고를 예방하며 사고발생시 피해확산을 최소화할 수 있도록 전력설비 온도의 감시가 필요하다.Recently, with the increase in the consumption of electrical energy, power facilities are becoming very high voltage and high capacity. It is very important to secure the safety and efficiency of electric power facilities because the electric power equipment which has a big impact on society at present is likely to cause economic loss if it malfunctions due to various causes. In particular, the operation above the limit temperature in the power equipment is one of the main causes of the malfunction of the power equipment. Therefore, it is necessary to monitor the temperature of power equipment so that the power equipment always operates at the proper temperature and alarms early when an accident occurs to prevent safety accidents of the power equipment and minimize the spread of damage in the event of an accident.
이러한 전력설비에 사용되는 온도센서는 전자기파의 영향에 무관해야 한다. 전기적인 방법으로 측정하는 온도센서로는 많은 오차가 발생될 수 있다. 그러므로 전자기파에 무관하게 온도를 측정할 수 있는 광학적인 방법을 사용해야 한다. 이러한 광학적인 방법으로 측정하는 방법에는 여러 가지가 있다. The temperature sensors used in these power installations should be independent of the effects of electromagnetic waves. Many errors can occur with a temperature sensor that is measured by an electrical method. Therefore, an optical method that can measure temperature regardless of electromagnetic waves should be used. There are various methods of measuring by such an optical method.
가장 널리 사용되고 있는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating: FBG)는 온도에 따라 브래그 파장이 변하게 되는 것을 이용하여 온도를 측정한다. 하지만 일반적으로 온도에 따른 브래그 파장의 변화가 매우 작으며 파장의 변화를 측정하기 위해서는 고가의 광 파장 분석기를 사용하여야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 FBG와 LPG(long period grating)를 이용하여 측정하는 방법이 있다. FBG 브래그 파장을 LPG 브래그 파장이 선형적으로 변하는 기울기에 위치시켜 FBG의 브래그 파장이 변하게 되면 LPG를 통해서 나오게 되는 빛의 광파워 변화를 측정하여 온도를 감지한다[kersey et al., "Hybrid fiber Bragg grating/long period fiber grating sensor for strain/temperature discrimination," US patent 5,945,666]. 이 경우 FBG 에 입사하는 광원은 넓은 파장 범위에 걸쳐서 출력광을 방출하는 광대역 레이저를 이용해야하므로 센서 모듈의 가격을 높이는 요인이 되며, 또한 FBG 와 LPG 를 정확한 파장 특성을 가지도록 제작하는데 어려움이 있다.The most widely used fiber Bragg grating (FBG) measures the temperature by changing the Bragg wavelength with temperature. However, in general, the change in Bragg wavelength with temperature is very small, and there is a problem that an expensive optical wavelength analyzer must be used to measure the change in wavelength. In order to solve this problem, there is a method of measuring by using FBG and long period grating (LPG). By placing the FBG Bragg wavelength on the slope where the LPG Bragg wavelength changes linearly, when the Bragg wavelength of the FBG changes, the temperature is measured by measuring the change in the optical power of light emitted through the LPG [kersey et al., "Hybrid fiber Bragg grating / long period fiber grating sensor for strain / temperature discrimination, "US patent 5,945,666]. In this case, the light source incident on the FBG needs to use a broadband laser that emits output light over a wide wavelength range, which increases the price of the sensor module, and also makes it difficult to manufacture FBG and LPG to have accurate wavelength characteristics. .
온도에 따른 광투과율이 변화하는 물질을 사용하여 온도를 측정하는 방법이 있다[Kazuo Kyuma et al., "Fiber-optic instrument for temperature measurement," IEEE Transaction On Microwave Theory And Techniques, Vol. MTT-30, No. 4, April 1982]. GaAs, CdTe 등의 반도체는 흡수 스펙트럼이 온도에 따라 장파장 쪽으로 이동하는 것을 이용하여 흡수 스렉트럼 근처의 파장을 갖는 광원을 사용하여 온도가 증가함에 따라 반도체를 지난 빛의 투과량이 감소하는 것을 이용 하여 온도를 감지한다. 광원의 동작 파장이 온도에 따라 변하지 않도록 정밀하게 제어하는 회로를 부가적으로 필요로 하게 된다.There is a method of measuring temperature using a material whose light transmittance varies with temperature [Kazuo Kyuma et al., "Fiber-optic instrument for temperature measurement," IEEE Transaction On Microwave Theory And Techniques, Vol. MTT-30, No. 4, April 1982]. Semiconductors such as GaAs and CdTe use a light source having a wavelength near the absorption spectrum by shifting the absorption spectrum toward longer wavelengths and decreasing the transmittance of light passing through the semiconductor as the temperature increases. Detect it. There is an additional need for a circuit that precisely controls the operating wavelength of the light source to not vary with temperature.
측면 연마된 광섬유와 열광학 폴리머 평면 도파로를 사용하여 광결합시 특정파장의 여과 특성을 나타내고 온도가 변함에 따라 열광학 평면 도파로의 굴절률이 변하게 되어 공진되는 파장이 변하게 되므로 이를 이용하여 온도변화를 감지한다[Woong-Gyu Jung et al., "High-sensitivity temperature sensor using a side-polished single-mode fiber covered with the polymer planar waveguide," IEEE Photonics Technalogy Letters, Vol. 13, No. 11, November 2001]. 광섬유 측면 연마 공정의 특성상 동일한 응답특성을 가지는 부품을 대량 생산하기가 어려운 문제점을 가지며 파장 스펙트럼 특성을 측정하여 온도를 검출하는 방식은 고가의 장비를 필요로 한다.By using the side polished optical fiber and thermo-optic polymer planar waveguide, it shows the filtration characteristics of specific wavelengths during optical coupling. As the temperature changes, the refractive index of the thermo-optic planar waveguide changes, so that the resonant wavelength changes. Woo-Gyu Jung et al., "High-sensitivity temperature sensor using a side-polished single-mode fiber covered with the polymer planar waveguide," IEEE Photonics Technalogy Letters, Vol. 13, No. 11, November 2001]. Due to the characteristics of the optical fiber side polishing process, it is difficult to mass-produce parts having the same response characteristics, and the method of detecting temperature by measuring wavelength spectrum characteristics requires expensive equipment.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은In order to solve the above problems, the present invention
폴리머 물질의 열광학 효과를 이용하여 온도를 측정할 수 있는 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a polymer optical waveguide based optical temperature sensor capable of measuring temperature using the thermo-optic effect of a polymer material.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은In order to solve the above problems, the present invention
기존의 전기적인 신호로 온도를 측정하는 온도센서가 적용될 수 없는 전력 설비에서도 정밀한 온도를 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method for measuring precise temperature even in a power installation in which a temperature sensor that measures temperature with an existing electrical signal cannot be applied.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention
유리 기판;Glass substrates;
상기 유리 기판상의 일면에 형성되고, 상기 유리 기판보다 열광학 계수 및 굴절률이 크고 광원으로부터 전달된 빛을 전달하는 폴리머 광도파로 코어;A polymer optical waveguide core formed on one surface of the glass substrate and having a thermo-optic coefficient and a refractive index greater than that of the glass substrate and transmitting light transmitted from a light source;
상기 폴리머 광도파로 코어의 상부에 형성되고, 상기 폴리머 광도파로 코어보다 굴절률이 작고 상기 폴리머 광도파로를 통하여 전달되는 빛의 유실을 방지하는 폴리머 클래딩; 및A polymer cladding formed on the polymer optical waveguide core, the polymer cladding having a lower refractive index than the polymer optical waveguide core and preventing loss of light transmitted through the polymer optical waveguide; And
상기 유리 기판, 폴리머 광도파로 코어 및 폴리머 클래딩과 직교하는 형태로 일 측면에 부착되고, 상기 폴리머 광도파로 코어를 따라 전달된 빛을 반사하는 반사거울을 포함하는 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서로서,A polymer optical waveguide based optical temperature sensor attached to one side in a form orthogonal to the glass substrate, a polymer optical waveguide core and a polymer cladding, and including a reflective mirror reflecting light transmitted along the polymer optical waveguide core.
온도가 변화됨에 따라 상기 폴리머 광도파로 코어와 유리 기판 사이의 굴절 률 차이(Δn)가 증감되고 이에 따라 변화되는 빛의 손실량을 측정하는 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서를 제공한다.According to the present invention, a polymer optical waveguide-based optical temperature sensor measuring a loss amount of light that increases and decreases a refractive index difference Δn between the polymer optical waveguide core and a glass substrate as the temperature is changed is provided.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above another object, the present invention
폴리머 광도파로 코어의 열광학 계수가 유리 기판의 열광학 계수보다 큰 물질을 이용하는 폴리머 광도파로 코어를 이용한 온도 측정방법에 있어서,In the temperature measurement method using the polymer optical waveguide core using a material whose thermo-optic coefficient of the polymer optical waveguide core is larger than the thermo-optic coefficient of the glass substrate,
온도가 증가할수록 상기 폴리머 광도파로 코어와 유리 기판 사이의 굴절률 차이(Δn)가 작아지게 되어 빛의 손실이 발생되고, As the temperature increases, the difference in refractive index (Δn) between the polymer optical waveguide core and the glass substrate becomes smaller, resulting in loss of light.
온도가 감소할수록 상기 폴리머 광도파로 코어와 유리 기판 사이의 굴절률 차이(Δn)가 증가하게 되어 빛의 손실이 감소되고,As the temperature decreases, the difference in refractive index (Δn) between the polymer optical waveguide core and the glass substrate increases, thereby reducing the loss of light.
빛의 손실량을 측정함으로써 온도변화를 감지하는 폴리머 광도파로를 이용한 온도 측정방법을 제공한다.The present invention provides a temperature measuring method using a polymer optical waveguide that senses a change in temperature by measuring a loss of light.
본 발명은 온도가 변화됨에 따라 열광학 폴리머의 굴절률이 변화하게 되고 그로 인하여 빛의 손실이 발생되게 되고 빛의 손실량을 측정함으로써 온도의 변화를 감지한다. 본 발명에 따르면, 전기적인 신호로 온도를 측정하는 온도센서가 적용될 수 없는 전력 설비에 저비용으로 적용이 가능하여 정밀한 온도를 측정함으로써 조기에 경보하여 전력설비의 안전사고를 예방할 수 있다.According to the present invention, as the temperature is changed, the refractive index of the thermo-optic polymer is changed, thereby causing a loss of light and sensing a change in temperature by measuring the amount of light loss. According to the present invention, it is possible to apply at a low cost to the power equipment that can not be applied to the temperature sensor for measuring the temperature by the electrical signal, it is possible to prevent the safety accident of the power equipment by early warning by measuring the precise temperature.
본 발명은 유리 기판; 상기 유리 기판상의 일면에 형성되고, 상기 유리 기판보다 열광학 계수 및 굴절률이 크고 광원으로부터 전달된 빛을 전달하는 폴리머 광 도파로 코어; 상기 폴리머 광도파로 코어의 상부에 형성되고, 상기 폴리머 광도파로 코어보다 굴절률이 작고 상기 폴리머 광도파로를 통하여 전달되는 빛의 유실을 방지하는 폴리머 클래딩; 및 상기 유리 기판, 폴리머 광도파로 코어 및 폴리머 클래딩과 직교하는 형태로 일 측면에 부착되고, 상기 폴리머 광도파로 코어를 따라 전달된 빛을 반사하는 반사거울을 포함하는 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서로서, 온도가 변화됨에 따라 상기 폴리머 광도파로 코어와 유리 기판 사이의 굴절률 차이(Δn)가 증감되고 이에 따라 변화되는 빛의 손실량을 측정하는 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서를 제공한다. The present invention is a glass substrate; A polymer optical waveguide core formed on one surface of the glass substrate and having a thermo-optic coefficient and a refractive index greater than that of the glass substrate and transmitting light transmitted from a light source; A polymer cladding formed on the polymer optical waveguide core, the polymer cladding having a lower refractive index than the polymer optical waveguide core and preventing loss of light transmitted through the polymer optical waveguide; And a reflective mirror attached to one side of the glass substrate, a polymer optical waveguide core and a polymer cladding, and reflecting light transmitted along the polymer optical waveguide core. According to the present invention, a polymer optical waveguide-based optical temperature sensor measuring a loss amount of light that increases and decreases a refractive index difference Δn between the polymer optical waveguide core and a glass substrate as the temperature is changed is provided.
본 발명은 열광학 폴리머 광도파로를 이용하여 새로운 형태의 온도센서에 관한 것이다. 종래의 광 센서로는 주로 광섬유 브래그 격자를 이용하는 것이 일반적이나, 본 발명에서는 폴리머 광도파로를 이용하고 있으며 폴리머 재료의 열 광학 효과를 이용하여 온도를 검출한다.The present invention relates to a new type of temperature sensor using a thermo-optic polymer optical waveguide. It is common to use a fiber Bragg grating mainly as a conventional optical sensor. However, in the present invention, a polymer optical waveguide is used and temperature is detected by using a thermo-optic effect of a polymer material.
본 발명은 온도가 변화함에 따라 열광학 폴리머의 굴절률이 변화하게 되어 빛의 손실이 생기게 되므로 이를 이용하여 온도의 변화를 감지한다. 폴리머 광도파로 코어로 사용되는 폴리머 물질은 열광학 계수가 큰 물질을 사용하게 되며, 하부 클래딩의 물질은 열광학 계수가 작은 물질인 유리기판을 사용하게 되어 온도가 증가할수록 코어와 클래드의 굴절률 차이가 작아지게 되어 빛의 손실이 발생하게 되는 원리를 이용한다. 또한 코어로 사용되는 폴리머의 굴절률을 변화시켜 온도감지범위를 조절할 수 있다.In the present invention, since the refractive index of the thermo-optic polymer is changed as the temperature is changed, the loss of light is generated, thereby detecting the change in temperature. The polymer material used as the polymer optical waveguide core uses a material having a large thermo-optic coefficient, and the material of the lower cladding uses a glass substrate, which has a low thermo-optic coefficient. It uses the principle that it becomes smaller and causes loss of light. In addition, the temperature sensing range can be adjusted by changing the refractive index of the polymer used as the core.
비굴절률차(refractive index contrast, 比屈折率差)는 광섬유 중 광도파로 의 코어와 그 코어를 둘러싸고 빛이 밖으로 새지 못하게 하는 클래딩의 굴절률의 상대적인 차이의 척도를 나타낸다. 코어의 굴절률을 n₁로, 클래딩의 굴절률을 n₂로 할 때, 비굴절률 차(Δ)는 다음 식으로 표시될 수 있다.Refractive index contrast is a measure of the relative difference in the refractive index of the optical waveguide core and its cladding that surrounds the core and prevents light from leaking out. When the refractive index of the core is n₁ and the refractive index of the cladding is n2, the specific refractive index difference Δ can be expressed by the following equation.
상기 수학식 1에서 비굴절률 차가 클수록 빛은 전반사(全反射)되기 쉽고 코어 속에 가두어 두기 쉽다는 것을 의미한다. In Equation 1, the larger the difference in refractive index, the easier the light is to be totally reflected and confined in the core.
상기 폴리머 광도파로 코어와 유리 기판의 비굴절률의 차이(Δn)는 0.001 내지 0.1인 것이 바람직하다. 상기 폴리머 광도파로 코어와 유리 기판의 비굴절률의 차이(Δn)가 0.001 미만인 경우에는 너무 작은 온도변화에도 빛의 손실량이 너무 크기 때문에 적절하지 못하고, 0.1을 초과하는 경우에는 실질적으로 사용범위에서의 온도범위에서 큰 변화를 나타내지 못하기 때문에 바람직하지 못하다.It is preferable that the difference (Δn) of the specific refractive index between the polymer optical waveguide core and the glass substrate is 0.001 to 0.1. If the difference between the refractive index (Δn) of the polymer optical waveguide core and the glass substrate is less than 0.001, the loss of light is too large even if the temperature change is too small. It is not preferable because it does not show a large change in the range.
열광학(thermo-optic; TO) 계수는 열에 의하여 대상 물질의 광학적 성질이 변화되는 것을 수치로 표현한 것이다. 열광학 계수가 큰 물질을 사용하는 경우 작은 물질을 사용하는 경우에 비하여 광학적 성질이 더욱 민감하게 반응함으로써 빛의 진행에 있어 변화가 생길 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 폴리머 광도파로 코어로 사용되는 폴리머 물질은 열광학 계수가 큰 물질을 사용하고, 하부 클래딩에 사용되는 유리 기판은 열광학 계수가 작은 물질을 사용한다. 따라서 온도가 증가함 에 따라 폴리머 광도파로 코어와 하부 유리 기판 사이의 굴절률의 차이가 작아지게 되고 그러므로 빛의 손실이 발생되는 것이다. 즉 빛의 손실량을 감지함으로써 미리 예측한 대로 온도의 변화를 확인할 수 있다. 온도가 감지되는 범위를 넓게 하거나 좁게 할 수 있으며, 그러한 선택은 폴리머 물질의 종류에 따라 굴절률이 변화될 수 고 굴절률 변화에 따른 빛의 손실을 감지함으로써 온도 변화를 측정할 있다. The thermo-optic (TO) coefficient is a numerical representation of the change in the optical properties of a target material by heat. In the case of using a material having a large thermo-optic coefficient, the optical properties may be more sensitive than in the case of using a small material, and thus a change in light may occur. Therefore, according to the present invention, the polymer material used as the polymer optical waveguide core uses a material having a high thermo-optic coefficient, and the glass substrate used for the lower cladding uses a material with a low thermo-optic coefficient. Therefore, as the temperature increases, the difference in refractive index between the polymer optical waveguide core and the lower glass substrate becomes smaller, and thus light loss occurs. In other words, by detecting the amount of light loss, it is possible to check the change in temperature as predicted. The range over which the temperature is sensed can be widened or narrowed, and such a choice can measure the change in temperature by sensing the loss of light as the refractive index changes, depending on the type of polymer material.
상기 폴리머 광도파로 코어의 열광학 계수(TO)는 음(-)의 값인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 열광학 계수가 -0.2×10-4 내지 -3×10-4이다. Preferably, the thermo-optic coefficient TO of the polymer optical waveguide core is a negative value. More preferably, the thermo-optic coefficient is -0.2 × 10 -4 to -3 × 10 -4 .
본 발명에 따른 폴리머 광도파로 센서과 비교하여 종래기술은 부분적으로 에칭된 실리카 광섬유의 클래딩으로서 폴리머를 활용한다. 폴리머 물질의 굴절률(Refractive Index)을 정확하게 조정하여 측정하고자 하는 온도범위에 따른 대략적인 초기 비굴절률차(refractive index contrast)를 얻을 수 있게 된다. 그러므로 폴리머 광도파로의 하부 클래딩으로서 유리 웨이퍼를 이용함으로써 증가된 온도로의 도파 모드의 복사로 인하여 온도 센서를 실현할 수 있다. Compared with the polymer optical waveguide sensor according to the present invention, the prior art utilizes polymer as cladding of partially etched silica optical fiber. By precisely adjusting the refractive index of the polymer material, it is possible to obtain an approximate initial refractive index according to the temperature range to be measured. Therefore, by using the glass wafer as the bottom cladding of the polymer optical waveguide, it is possible to realize the temperature sensor due to the radiation of the waveguide mode to the increased temperature.
파장분석(wavelength interrogation) 또는 Fabry-Perot 간섭과 같은 임의의 복합적인 광 신호없이 출력 전달 파워에 의하여 직접적으로 공정온도변화를 감지할 수 있다. 통합되어 있는 광학의 장점은 센서가 폴리머 도파로 압력 센서와 같은 기타 소자와 함께 통합을 가능하게 할 것이다. Process temperature changes can be detected directly by the output transfer power without any complex optical signals such as wavelength interrogation or Fabry-Perot interference. The advantage of integrated optics will allow the sensor to be integrated with other components such as polymer waveguide pressure sensors.
본 발명은 폴리머 광도파로 코어의 열광학 계수가 유리 기판의 열광학 계수보다 큰 물질을 이용하는 폴리머 광도파로 코어를 이용한 온도 측정방법에 있어서, 온도가 증가할수록 상기 폴리머 광도파로와 유리 기판 사이의 굴절률 차이(Δn)가 작아지게 되어 빛의 손실이 발생되고, 온도가 감소할수록 상기 폴리머 광도파로와 유리 기판 사이의 굴절률 차이(Δn)가 증가하게 되어 빛의 손실이 감소되고, 빛의 손실량을 측정함으로써 온도변화를 감지하는 폴리머 광도파로를 이용한 온도 측정방법을 제공한다.The present invention relates to a temperature measuring method using a polymer optical waveguide core using a material whose thermo-optic coefficient of a polymer optical waveguide core is larger than the thermo-optic coefficient of a glass substrate, wherein the refractive index difference between the polymer optical waveguide and the glass substrate increases as the temperature increases. (Δn) becomes smaller to cause light loss, and as the temperature decreases, the difference in refractive index (Δn) between the polymer optical waveguide and the glass substrate increases, thereby reducing the loss of light, and measuring the amount of light loss. The present invention provides a temperature measuring method using a polymer optical waveguide that senses a change.
도 1은 본 발명에 따른 온도 센서의 일 구현예를 도시한다. 도 1을 참고하면, 온도 센서는 유리 기판 위에 형성된 폴리머 물질로 제조된 광도파로 코어를 포함하는 단일 스트레이트 광도파로 구조를 갖는다. 상부 클래딩 물질은 폴리머 광도파로 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 다른 폴리머 재료이다. 폴리머 광도파로의 코어 물질은 유리 기판의 굴절률보다는 약간 높은 굴절률을 갖는 물질로 선택될 수 있다. 온도가 증가되는 경우 폴리머 광도파로 코어 및 유리 하부 클래딩 사이의 굴절률의 차이가 폴리머 및 유리에 대한 열광학(TO) 계수의 반대 신호로 인하여 선형적으로 감소한다. 상부 클래딩층은 코어 폴리머와 같이 동일한 TO 계수를 가지는 다른 폴리머 물질로 제조되고 따라서 상부 클래딩으로의 방출은 일어나지 않는다. 1 shows one embodiment of a temperature sensor according to the invention. Referring to FIG. 1, the temperature sensor has a single straight optical waveguide structure including an optical waveguide core made of a polymer material formed on a glass substrate. The upper cladding material is another polymeric material with a lower refractive index than the polymeric optical waveguide material. The core material of the polymer optical waveguide may be selected as a material having a refractive index slightly higher than that of the glass substrate. As temperature increases, the difference in refractive index between the polymer optical waveguide core and the glass bottom cladding decreases linearly due to the opposite signal of the thermo-optic (TO) coefficient for the polymer and glass. The upper cladding layer is made of another polymeric material having the same TO coefficient as the core polymer and therefore no release to the upper cladding occurs.
폴리머 광도파로의 코어 및 유리 기판 사이의 초기 비굴절률차(Δn)는 온도 센싱의 특징에 영향을 준다. 대상물에 센서를 용이하게 부착하기 위해서는 광도파로는 한쪽이 거울로 마감될 수 있다. 광도파로 끝 부분에 부착된 반사거울은 도파광을 반대 방향으로 진행시키게 하여 지금까지 지나온 경로를 반대로 돌아가게 한다. 또한 결합기를 이용하여 반사된 신호를 얻을 수 있다.The initial refractive index difference Δn between the core of the polymer optical waveguide and the glass substrate affects the characteristics of the temperature sensing. In order to easily attach the sensor to the object, the optical waveguide may be closed by one mirror. The reflecting mirror attached to the end of the optical waveguide propagates the waveguide in the opposite direction and reverses the path that has been passed. You can also use a combiner to get the reflected signal.
온도에 따른 광도파로의 특성 변화를 광도파 방법(Beam Propagation Method: BPM) 설계 프로그램을 이용하여 살펴보고 최적화된 소자 구조를 도출한다. The characteristic change of the optical waveguide with temperature is examined by using the Beam Propagation Method (BPM) design program and the optimized device structure is derived.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 폴리머 코어층을 통하여 도파 증가된 온도에서 낮은 클래딩층으로 방출되는 것을 도시한다. 본 발명의 실시예로서 센서의 응답 변수를 얻기 위하여, 광도파 방법(BPM)에 따라 시뮬레이션을 수행한다. 이 시뮬레이션에서 폴리머 광도파로 코어층 및 유리 하부 클래딩을 포함하는 평면 광도파로 구조는 초기 비굴절률차(Δn)가 0.015인 것을 이용한다. 도 2a 및 도 2b를 참고하면, 온도가 변화하지 않으면(△T = 0℃), 도파광은 다른 층으로 굴절되지 않고 수평으로 진행하고 있다. 그러나 온도가 증가하면(△T = 40℃) 유리 기판이 위치한 곳에서 z가 5mm 이후부터 도파광이 점차적으로 하부 클래딩층으로 방출되게 된다. 상부 클래딩층은 코어 폴리머와 같이 동일한 TO 계수를 가지는 다른 폴리머 물질로 제조되고 따라서 상부 클래딩으로의 방출은 발생되지 않는다. 또한 도 2c를 참고하면, 온도가 더 증가하면(△T = 80℃) 유리 기판 방향으로 빛의 손실이 많이 발생됨을 확인할 수 있다. Figures 2a to 2c show the release into the low cladding layer at an elevated temperature waveguided through the polymer core layer in accordance with the present invention. In order to obtain the response variable of the sensor as an embodiment of the present invention, a simulation is performed according to the optical waveguide method (BPM). In this simulation, the planar optical waveguide structure including the polymer optical waveguide core layer and the glass bottom cladding uses an initial specific refractive index difference Δn of 0.015. 2A and 2B, when the temperature does not change (ΔT = 0 ° C.), the waveguide is traveling horizontally without refracting to another layer. However, as the temperature increases (ΔT = 40 ° C.), waveguide light is gradually emitted to the lower cladding layer from 5 mm after z where the glass substrate is located. The upper cladding layer is made of another polymeric material having the same TO coefficient as the core polymer and therefore no release to the upper cladding occurs. In addition, referring to Figure 2c, it can be seen that if the temperature is further increased (△ T = 80 ℃) a lot of light loss occurs in the glass substrate direction.
본 발명은 온도가 변화됨에 따라 열광학 폴리머의 굴절률이 변화하게 되고 그로 인하여 빛의 손실이 발생되게 되고 빛의 손실량을 측정함으로써 온도의 변화를 감지한다. According to the present invention, as the temperature is changed, the refractive index of the thermo-optic polymer is changed, thereby causing a loss of light and sensing a change in temperature by measuring the amount of light loss.
도 3은 온도에 변화에 따른 광전달의 변화를 설계한 결과를 도시한다. 도 3을 참고하면, 초기 비굴절률차(Δn) 0.005, 0.015, 0.025에 대하여 센서 전달 파워는 온도차의 함수로서 계산된다. 온도에 따른 파워의 손실은 단조적(monotonical)으로 감소하는 모습을 나타낸다. 초기 비굴절률차에 따라, 본 발명의 소자는 파워 가 전달되는 잔존하지 않는 컷-오프 온도뿐만 아니라 광학 파워가 감소하기 시작하는 온도 경우의 분명한 특징을 나타낸다. 각각의 비굴절률차가 상이하지만, 폴리머 광도파로 코어 및 상부 클래딩 폴리머 사이의 차이에 의하여 결정되기 때문에 단일 모드 조건이 유지된다.3 shows a result of designing a change in light transmission with a change in temperature. Referring to FIG. 3, for the initial specific refractive index difference Δn 0.005, 0.015, 0.025, the sensor transmission power is calculated as a function of the temperature difference. The loss of power with temperature is monotonically decreasing. In accordance with the initial specific refractive index difference, the device of the present invention exhibits distinct characteristics in the case of the temperature at which the optical power starts to decrease as well as the remaining cut-off temperature at which power is transferred. Although each refractive index difference is different, the single mode condition is maintained because it is determined by the difference between the polymer optical waveguide core and the upper cladding polymer.
본 발명에 따른 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서는 예를 들어, 대한민국의 켐옵틱스(ChemOptics)사로부터 구입가능한 ZPU 폴리머의 스핀코팅 및 UV 커빙에 의하여 제조될 수 있다. 폴리머 광도파로 코어 물질의 굴절률은 각각 1.460, 1.470 및 1.480로 상이한 코어를 이용하여 세 개의 소자를 제조한다. 상부 폴리머 클래딩 물질의 굴절률은 1.455이고, 유리 기판의 굴절률은 1.456이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 유리 기판의 광학(TO) 계수는 1.0×10-5/℃인 것과 비교하여 폴리머의 광학(TO) 계수는 -1.8×10-4/℃이다. 단일 모드 조건을 충족하는 리브 구조의 스트레이트 채널 광도파로는 통상적인 광리소그래피 및 산소 플라즈마 에칭을 이용하여 제조된다.The polymer optical waveguide-based optical temperature sensor according to the present invention can be produced, for example, by spin coating and UV curving of ZPU polymers available from Chemoptics, South Korea. The refractive index of the polymer optical waveguide core material is 1.460, 1.470 and 1.480, respectively, to fabricate three devices using different cores. The refractive index of the upper polymer cladding material is 1.455 and the refractive index of the glass substrate is 1.456. According to one embodiment of the invention, the optical (TO) coefficient of the polymer is −1.8 × 10 −4 / ° C. as compared to the optical (TO) coefficient of the glass substrate of 1.0 × 10 −5 / ° C. Ribbed straight channel optical waveguides that meet single mode conditions are fabricated using conventional photolithography and oxygen plasma etching.
도 4a는 센서가 가열되기 전 CCD(Charge-Coupled Device)를 이용하여 관측된 폴리머 광도파로 센서의 출력모드 광그래프를 나타내고, 도 4b는 샘플 하부에 가열패드가 구비되어 온도가 90℃까지 증가된 경우 관측된 폴리머 광도파로 센서의 출력모드 광그래프를 도시한다. 도 4a 및 도 4b을 참고하면, 샘플을 전기적인 가열 패드를 이용하여 샘플 하부에서 가열하는 경우 도파 모드 파워의 감소는 명확하게 관측되었고, 빛은 유리 기판을 통하여 방출되었다. 온도 조절된 오븐에서 소자 성 능을 측정하기 위하여, 샘플을 소자의 극성 의존성을 점검하기 위해 각 편에 섬유를 유지하는 편광 및 정규의 단일 모드 섬유를 이용하여 접속될 수 있다.4A shows an output mode optical graph of a polymer optical waveguide sensor observed using a CCD (Charge-Coupled Device) before the sensor is heated, and FIG. 4B shows that a heating pad is provided under the sample to increase the temperature to 90 ° C. The output mode optical graph of the observed polymer optical waveguide sensor is shown. 4A and 4B, a decrease in waveguide mode power was clearly observed when the sample was heated under the sample using an electrical heating pad, and light was emitted through the glass substrate. To measure device performance in a temperature controlled oven, samples can be connected using polarized and regular single mode fibers that hold the fiber on each side to check the device's polarity dependence.
온도 센싱 실험을 위해서는 접속 소자를 일반적인 온도 조절기를 구비한 오븐에 위치시킨다. Febry-Pet 레이저 다이오드(LD)는 광을 결합하여 섬유를 접속하는데 이용된다. 센서를 출력 전달이 없는 컷-오프 조건에 도달할 때까지 오븐의 온도를 증가시키고, 이어서 이를 오프(off)시킨다. 폴리머 광도파로 센서에 근접하는 실제 온도는 표준 열-결합 온도 센서로 모니터링한다. For temperature sensing experiments, the connection element is placed in an oven equipped with a general temperature controller. Febry-Pet laser diodes (LDs) are used to connect fibers by combining light. The temperature of the oven is increased until the sensor reaches a cut-off condition with no output delivery, which is then turned off. The actual temperature close to the polymer optical waveguide sensor is monitored by a standard heat-coupled temperature sensor.
도 5a 및 도 5b는 센서의 전달 파워의 작동에 관한 내용을 도시한다. 상이한 초기 비굴절률차를 갖는 각 소자에 대하여 센서 전달은 도 5b에 도시한 바와 같이 온도의 변수로서 측정되고 도시된다. 센서의 전체 거동은 3차원 빔 전송법(BPM) 디자인 결과와 유사하다. 그러나 실험결과는 낮은 컷-오프 온도를 나타낸다. 이는 유리 전이 온도보다 높은 폴리머의 비선형 TO 계수에 의하여 발생될 수 있거나 또는 유리 기판의 굴절률보다 예상보다 약간 높기 때문에 발생된다.5A and 5B show the contents regarding the operation of the transmission power of the sensor. For each device with a different initial specific refractive index difference, sensor delivery is measured and shown as a variable of temperature as shown in FIG. 5B. The overall behavior of the sensor is similar to the results of three-dimensional beam transmission (BPM) design. However, the experimental results show a low cut-off temperature. This can be caused by the nonlinear TO coefficient of the polymer above the glass transition temperature or because it is slightly higher than expected than the refractive index of the glass substrate.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 1일 동안 온도센싱 실험을 수행한 결과를 도시한다. 단계적으로 오븐 온도를 변경하면서 하루 동안 장시간 센서의 응답을 모니터링하였다. 초기 비굴절률차(Δn)를 0.025로 하고, 온도를 점차 증가시키면서 최종적으로 약 100℃ 부근에서 오프함에 따라 센서의 출력은 점차적으로 감소하였다. 고정된 세팅 온도에 대한 실제의 오븐 온도는 열-결합 신호로부터 확인할 수 있고, 광학 센서는 상기 변동에 정확하게 일치한다. 도 6의 실시예는 온도가 약 85℃ 근처에서 센서가 가장 민감한 반응을 보여주고 있음을 나타낸다. 이는 센서가 특정한 온도에서 소자의 작동을 모니터링하는 경우에 적용될 수 있기 때문에 온도가 특정한 임계점을 지나는 경우 경고 신호를 발생시킬 수 있다. 폴리머의 굴절률을 적절하게 변화시킴으로써 측정하고자 하는 특정 온도범위를 조절할 수 있다. 따라서, 전기적인 신호로 온도를 측정하는 온도센서가 적용될 수 없는 전력 설비에 저비용으로 적용이 가능하여 정밀한 온도를 측정함으로써 조기에 경보하여 전력설비의 안전사고를 예방할 수 있다.Figure 6 shows the results of performing a temperature sensing experiment for one day according to an embodiment of the present invention. The response of the sensor was monitored for a long time during the day, changing the oven temperature in stages. As the initial specific refractive index difference Δn was set to 0.025, and the temperature was gradually increased and finally turned off at about 100 ° C, the sensor output gradually decreased. The actual oven temperature for a fixed set temperature can be ascertained from the heat-coupled signal, and the optical sensor corresponds exactly to this variation. The example of FIG. 6 shows that the sensor shows the most sensitive response when the temperature is about 85 ° C. This can be applied when the sensor is monitoring the device's operation at a certain temperature, which can generate a warning signal when the temperature crosses a certain threshold. By appropriately varying the refractive index of the polymer, the particular temperature range to be measured can be controlled. Therefore, it is possible to apply at low cost to the power equipment that can not be applied to the temperature sensor for measuring the temperature by the electrical signal, it is possible to prevent the safety accident of the power equipment by early warning by measuring the precise temperature.
본 발명에 따른 폴리머 광도파로 기술에 따른 광 온도 센서는 제조비용 면에서 종래기술보다 효과적으로 제조될 수 있다. 광학 소자용으로 개발된 폴리머 물질은 정밀하게 조절된 비굴절률을 제공할 수 있어서 폴리머 광도파로 코어 및 하부 클래딩인 유리 사이의 초기 비굴절률차는 일반적인 광도파방법(BPM)의 디자인에서 필요로 하는 대로 조절할 수 있다. The optical temperature sensor according to the polymer optical waveguide technology according to the present invention can be manufactured more effectively than the prior art in terms of manufacturing cost. Polymer materials developed for optical devices can provide precisely controlled specific refractive indices so that the initial refractive index difference between the polymer optical waveguide core and the glass, the bottom cladding, can be adjusted as required by the design of conventional optical waveguide methods (BPM). Can be.
따라서 본 발명에 따른 센서는 온도가 증가함에 따라 단조적으로 광학 파워를 감소시킬 수 있다는 것을 나타내고 이것은 단순한 신호 공정이 광학 신호로부터 온도를 찾는 것을 가능하게 한다는 것이다. The sensor according to the invention thus shows that it is possible to monotonously decrease the optical power as the temperature increases, which means that a simple signal process makes it possible to find the temperature from the optical signal.
본 발명은 위 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.It is apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiments and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, such modifications or variations will have to be belong to the claims of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 폴리머 광도파로 기반 광 온도 센서의 일 구현예를 도시한다. 1 illustrates one embodiment of a polymer optical waveguide based optical temperature sensor according to the present invention.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 폴리머 코어층을 통하여 도파 증가된 온도에서 낮은 클래딩층으로 방출되는 것을 도시한다.Figures 2a to 2c show the release into the low cladding layer at an elevated temperature waveguided through the polymer core layer in accordance with the present invention.
도 3은 본 발명에 따라 온도에 변화에 따른 광전달의 변화를 도시한다.Figure 3 illustrates the change in light transmission with change in temperature in accordance with the present invention.
도 4a는 센서가 가열되기 전 CCD를 이용하여 관측된 폴리머 도파로 센서의 출력모드 광그래프를 나타내고, 도 4b는 샘플 하부의 가열패드가 구비되어 실온보다 90℃ 증가된 경우를 도시한다.4A shows an output mode optical graph of a polymer waveguide sensor observed using a CCD before the sensor is heated, and FIG. 4B shows a case in which a heating pad under the sample is provided and increased by 90 ° C. from room temperature.
도 5a는 본 발명의 일 구현예에 따라 비굴절률차(Δn)가 0.014인 센서가 컷오프에 도달할 때까지 온도를 70℃로 승온하는 곳에서 온도 센싱 실험 동안에 출력 광 파워의 변화를 나타내고, 도 5b는 온도 변수가 증가함에 따라 센서 전달 파워가 나타나 있다.5A illustrates the change in output optical power during a temperature sensing experiment where the temperature is raised to 70 ° C. until the sensor with a specific refractive index Δn of 0.014 reaches a cutoff, according to one embodiment of the invention. 5b shows the sensor delivery power as the temperature variable increases.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 1일 동안 온도센싱 실험을 수행한 결과를 도시한다. Figure 6 shows the results of performing a temperature sensing experiment for one day in accordance with one embodiment of the present invention.
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