KR101094702B1 - 광섬유격자 제작방법 및 이를 이용한 온도 측정 방법 - Google Patents

광섬유격자 제작방법 및 이를 이용한 온도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 와이어 또는 리본 및 변형이 가능한 지지대를 활용하여 격자를 형성하는 광섬유 격자의 제작 방법 및 광섬유 격자의 투과율의 변화량을 측정함으로써 온도 센서 등으로 활용하는 방법을 제공한다.

Description

광섬유격자 제작방법 및 이를 이용한 온도 측정 방법 {METHOD FOR FABRICATING FIBER GRATING AND MEASURING TEMPERATURE}
본 발명은 광섬유 격자(Fiber Grating)의 제작 방법 및 광섬유 격자 소자에 관한 것으로, 특히 와이어 또는 리본 및 변형이 가능한 지지대를 활용하여 격자를 형성하는 광섬유 격자의 제조방법에 관한 것이다.
광섬유 격자는 통상 광섬유가 자외선에 일정 시간 노출되었을 때 노출된 정도에 따라 광 굴절률의 변화를 일으켜 생성된 일정한 굴절률 변화 패턴을 지칭한다. 광섬유 격자는 굴절률의 변화 주기에 따라 특정한 파장의 빛을 선택적으로 반사 또는 제거하는 특성이 있으므로 이러한 특성을 이용하면, 광통신용 필터, 광 분산 보상기, 광섬유 레이저 등에 이용할 수 있다.
종래의 광섬유 격자 제작 방법은 주로 자외선(Ultraviolet), 활성방사선 (actinic radiation) 등을 활용한 광조사 방법을 사용하여 제작된다. 이러한 종래의 광섬유 격자 제작방법은 고가의 광조사 장치 모듈을 사용해야 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 고가의 광원 모듈을 구비하지 않고도 광섬유 격자를 저렴하고 대량으로 제작할 수 있고 온도 센서 등에 활용하는 발명을 제공하는 데 목적이 있다.
전술한 과제를 달성하기 위하여 일측면에서 본 발명은, 광섬유를 일정 형상의 지지대에 고정하는 단계;지지대에 고정된 광섬유 상에 와이어 또는 리본을 감아 주기적인 압력을 유도하여 광섬유 격자를 형성하고 이로 인해서 광섬유의 주기적인 굴절률 변화를 확보하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제작 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 고가의 광원 모듈을 구비하지 않고도 광섬유 격자를 저렴하고 대량으로 제작하여 온도 센서 등에 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 격자의 제작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2 내지 5는 광섬유 격자의 제작 방법의 일예이다.
도 6은 광섬유 격자를 포함한 광섬유의 온도에 따른 투과 스펙트럼의 차이를 예시하고 있다.
도 7은 광섬유 격자의 온도에 따른 투과 스펙트럼의 차이를 이용하여 온도를 측정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 광섬유격자의 제작방법을 도면을 통해 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예로에 따른 광섬유격자의 제작방법 (S100)은 광섬유를 일정 형상의 지지대에 고정하는 단계(S110)와, 일정한 격자 생성 주기를 지정하여 지지대에 고정된 광섬유 상에 와이어 또는 리본을 감아 일정 압력을 인가하여 주기적인 광섬유 격자를 형성하는 단계(S120)와, 격자 생성 주기의 변경 여부를 판단하는 단계(미도시)와, 지지대에 고정된 광섬유 상에 와이어 또는 리본을 제거하는 단계(S140) 등을 포함한다.
광섬유를 일정 형상의 지지대에 고정하는 단계(S110)에서, 광섬유는 지지대의 일면에 접촉하여 고정될 수도 있고, 광섬유를 어떤 형상으로 고정하기 위한 지지부재로 활용하여 고정될 수도 있다. 예를 들어 지지대가 광섬유 양쪽에서 장력을 인가하고 광섬유에 와이어를 직접 감는 방법으로도 실시할 수 있다.
주기적인 광섬유 격자를 형성하는 단계 (S120)에서, 광섬유가 고정된 지지대를 회전체에 연결하고, 회전체를 회전시켜 와이어 또는 리본을 일정간격으로 광섬유가 고정된 지지대에 감을 수 있다. 이때 지지대는 와이어 또는 리본을 감기 쉽도록 원통 형상을 할 수 있으나 이에 제한되지 않고 어떤 형상이라도 관계없다. 또한 연속적이지 않은 와이어를 일정 간격으로 배열하고 광섬유에 한번에 압력을 인가하여 광섬유 격자를 형성할 수도 있고, 와이어나 리본을 감지 않고, 압력 인가장치를 이용하여 지지대에 고정된 광섬유에 직접 압력을 인가하여 광섬유 격자를 광섬유 표면에 형성할 수도 있다.
격자 생성 주기의 변경 여부를 판단하는 단계(미도시)는, 격자 생성의 간격 패턴을 미리 입력하여 자동으로 일정 주기의 격자를 생성할 수도 있고, 격자 생성 주기가 변동될 때마다 확인하여 변경할 수도 있다. 이 단계는 격자 생성주기를 고정하거나 기계적으로 격자 생성주기를 변경하는 경우 생략될 수 있다.
지지대에 고정된 광섬유 상에 와이어 또는 리본을 제거하는 단계(S140)는, 와이어가 감긴 역방향으로 회전체를 회전하여 광섬유와 지지대에 감겨 있는 와이어 또는 리본을 제거할 수도 있고, 절단하여 제거할 수도 있다. 이때, 광섬유 자체 또는 형성된 광섬유 표면상의 격자가 파괴되지 않아 제품의 균일도를 유지할 수 있어야 한다.
전술한 일 실시예에 따른 광섬유 격자의 제작방법을 다양한 광섬유 격자 형성장치들을 이용하여 설명한다. 지지대에 광섬유를 고정하는 형태와, 지지대와 광섬유에 와이어를 감는 방식을 다양하게 응용하여 실시할 수 있다. 광섬유를 고정하는 지지대는, 일 예로서, 금속 등의 재질로 되어 있을 수 있으며, 원통형의 막대일 수 있으며, 금속 이외의 다른 재질, 또는 원통형 이외의 다른 형태로도 가능하다. 또한 와이어는, 일 예로서 금속 와이어 일 수 있으며, 리본일 수 있으며, 금속 이외의 다른 재질, 또는 리본 이외의 다른 부재로도 실시 가능하다. 또한 와이어는 광섬유에 주기적인 압력을 유도하고 이로 인한 광탄성 효과로 인해서 광섬유의 주기적인 굴절률 변화를 유도시키는 역할을 한다.
도 2를 참조하면, 광섬유 격자 제작 장치(100)는, 지지대(110)와, 지지대(110)를 회전시키는 모터(121)를 포함할 수 있다. 또한, 광섬유 격자 제작 장치(100)는, 와이어 실패(122)에서 풀려져 나온 와이어(130)의 방향을 전환해주는 방향 전환체(123)와, 이러한 방향 전환체(123)를 통과한 나일론 실(130)이 고정체(110)에 고정된 광섬유(120) 위에 감기는 위치를 이동시키는 이동체(124)를 포함할 수 있다.
이러한 광섬유 격자 제작 장치(100)는, 방향 전환체(123)의 위치를 제어하여 와이어(130)에 의해 광섬유(120)에 인가되는 압력을 조절할 수 있다.
광섬유 격자 제작 장치(100)는, 이동체(124)의 이동을 제어하여 광섬유(120) 위에 감기는 와이어(130)의 간격 및 길이 등을 조절할 수 있다.
광섬유 격자 제작 장치(100)는, 광섬유(120) 위에 감기는 와이어 (130)의 두께를 제어하여 와이어(130)의 두께에 따라 상이한 광섬유 격자가 제작되도록 할 수 있다.
광섬유 격자 제작 장치(100)에 포함된 모터(121) 및 이동체(124) 등과, 고정체(110)의 고정부는 벤치(Bench, 140)에 거치시킬 수 있다. 단, 이동체(124)는 벤치(140)에서 이동이 가능하도록 거치 된다.
또한 광섬유 격자 제작 장치(100)에서, 지지대(110)는 광섬유 자체 또는 형성된 광섬유 격자에 손상을 주지 않은 재질 일 수 있고, 회전체와 결합하여 회전체의 회전력에 의해 회전될 수도 있고 지지대(110) 자체가 회전체가 되어 회전할 수도 있다. 회전은 모터(121)를 사용할 수도 있고 다른 회전 수단을 사용할 수도 있다. 회전체(미도시) 또는 지지대(110)의 회전 속도 및 와이어가 감기는 압력은 형성하고자 하는 광섬유의 격자간격과 광섬유의 세기(경도)를 고려하여 조절될 수 있다. 또한 회전체(미도시) 또는 지지대(110)는 지지대에 광섬유가 고정된 리본 또는 와이어를 감을 때와 제거할 때 서로 반대 방향으로 회전할 수 있다.
도 3을 참조하면, 광섬유 격자 제작 장치(100)에서, 봉형 지지대(110)에 광섬유(120), 와이어(130)를 직선의 형태로 고정하고 그 외부에 와이어를 감아 광섬유 격자를 형성하는 방법으로 실시할 수 있다.
도 4를 참조하면, 광섬유 격자 제작 장치(100)에서, 봉형 지지대(110)에 광섬유(120)를 중첩하여 여러 겹으로 고정하고, 그 외부에 와이어(130)를 감아 광섬유 격자를 형성하는 방법으로 실시할 수 있다.
도 5를 참조하면, 원통형 지지대(210)에 광섬유를 감는 형식으로 고정하고, 그 외부에 와이어(230)를 광섬유와 교차하도록 감아 광섬유 격자를 형성하는 방법으로 실시할 수 있다. 원통형 지지대(210)에 와이어(230)가 감기는 방법은 수작업으로 시행될 수도 있고,원통형 지지대(210)의 안쪽면과 바깥쪽면을 반복적으로 넘나들면서 와이어(230)를 감는 장치(미도시)를 활용하여 시행할 수도 있다.
다른 실시예로서, 본 발명이 제시하는 광섬유 격자의 제작방법(S100)은 지지대(110)에 고정된 광섬유(120) 주변으로 와이어(130)를 감아주어 Phase-shift 격자와 sampled 격자 등 다양한 광섬유 격자를 형성할 수 있다. Phase-shift 광섬유 격자는 광섬유 격자 사이에 일정한 굴절률변화가 없는 영역이 필요하며 이를 위해서 제안하는 방법에서는 일정한 영역에 와이어(130)를 감지 않는 공백영역을 줌으로써 제작할 수 있다. 그리고, Sampled 격자는 광섬유 코어에 단주기 광섬유 격자가 제작된 광섬유를 사용하여 일정한 길이만큼 와이어(130)를 감아줌으로써 제작가능하다.
이상에 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 격자의 제작방법(S100)이 제작하는 광섬유 격자는 장주기 광섬유 격자일 수 있으며, 단주기 광섬유 격자일 수도 있다.
한편, 도 6은 광섬유 격자가 생성된 광섬유를 활용하여 투과율의 변화량을 측정한 것이다. 본 발명의 제조 방법으로 제작된 광섬유의 온도 변화에 따른 투과 스펙트럼의 변화를 나타낸다.
도 7은 광섬유의 온도 변화에 따른 투과 스펙트럼의 변화를 이용하여 온도를 측정하는 방법을 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 본 발명은, 광섬유 격자를 가지는 광섬유에 빛을 투과하는 단계; 측정된 투과율의 값을 미리 저장한 온도에 따른 고유한 투과율의 값과 비교하여 온도를 판단하는 단계;를 포함하는 광섬유 격자를 가지는 광섬유를 활용하여 온도를 측정하는 방법을 제공한다.
이와 같이 제안된 광섬유 격자는 투과율의 변화량을 이용하여 온도를 측정할 수 있어 다양한 분야에 온도센서로 활용할 수 있다.
통상의 레이져 광모듈을 이용한 광섬유 격자의 제작방법에서는 광민감성을 가지는 단일 모드 광섬유를 amplitude 마스크의 뒤에 위치시키고 cylindrical lens를 사용하여 UV를 광섬유에 조사시키는 방법으로 제작을 한다.
기존 레이져 광모듈을 이용한 광섬유 격자의 제작은 광섬유 위에 직접적으로 주기적인 홈을 인가하기 위해서 레이저 등 외부 장비가 필요한 반면, 본 발명에서 제시하는 광섬유 격자의 제작방법은, 고가의 레이저 광원과 광원 모듈을 구비하지 않고도 광섬유 격자를 저렴하고 대량으로 제작할 수 있도록 해준다.
또한 광섬유의 온도에 따른 투과 특성을 이용하여, 격자가 형성된 광섬유를 이용한 온도센서, 압력센서 등의 다양한 장치를 제작하는데 많은 비용과 시간을 줄일 수 있게 해준다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 광섬유를 일정 형상의 지지대에 고정하는 단계;
    일정한 격자 생성 주기를 지정하여 지지대에 고정된 광섬유 상에 와이어 또는 리본을 감아 일정 압력을 인가하여 주기적인 광섬유 격자를 형성하는 단계;
    지지대에 고정된 광섬유 상에 와이어 또는 리본을 제거하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제작 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지대는 원통형, 봉형, 또는 판형으로 형성될 수 있으며, 광섬유는 여러 겹으로 고정될 수 있음을 특징으로 하는 광섬유 격자 제작 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 주기적인 광섬유 격자를 형성하는 단계는 와인더 장치를 사용하여 지지대와 광섬유의 외부에 와이어를 감아 광섬유 격자를 형성하는 방법을 포함함을 특징으로 하는 광섬유 격자 제작 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 격자는 장주기 광섬유 격자인 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 제작 방법.
  5. 제 1항에 있어,
    제작된 광섬유 격자는 위상변화(Phase-shift) 장주기 광섬유 격자임을 특징으로 하는 광섬유 격자 제작 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    광섬유는 광섬유 코어에 단주기 광섬유 격자가 제작된 광섬유를 적용한 것을 특징으로 하여, 추출(Sampled) 광섬유 격자를 제작하는 방법을 포함하는 광섬유 격자 제작 방법.
  7. 삭제
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