KR101392860B1 - 광섬유 벤딩 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차폐층 구조를 가진 광섬유와 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용한 광섬유 벤딩 센서에 대한 것이다.
본 발명은 외력이 가해지는 변형부; 및 상기 변형부와 이격 형성된 광섬유 격자;를 포함하고, 상기 변형부와 상기 광섬유 격자는 차폐층 구조를 갖는 광섬유로 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 벤딩 센서를 제공한다. 또한, 상기 차폐층 구조를 갖는 광섬유는, 코어와, 상기 코어의 외측에 형성된 차폐층과, 상기 차폐층의 외측에 형성된 클래딩층을 구비하고, 상기 코어의 굴절률은 상기 클래딩층보다 크고, 상기 차폐층의 굴절률은 상기 클래딩층보다 작도록 형성된다.

Description

광섬유 벤딩 센서 {Optical Fiber Bending Sensor}
본 발명은 광섬유 벤딩 센서에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 depressed-index 구조를 가진 광섬유와 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용한 광섬유 벤딩 센서에 대한 것이다.
최근 광섬유를 이용한 센서 기술이 다양하게 이용되고 있다.
대표적으로, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating : FBG) 기반 광섬유 센서는 온도나 강도 등 외부의 조건 변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 변화하는 특성을 이용한 센서이다. FBG는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고 그 외의 파장은 투과시키는 특성을 갖는다. FBG의 주변 온도가 바뀌거나 FBG에 인장력이 가해지면 광섬유의 길이가 변화하므로 반사되는 빛이 파장이 변화된다. 이에 따라 FBG에서 반사되는 빛의 파장 변화를 측정함으로써 온도, 인장, 압력, 또는 벤딩 등의 센싱이 가능하게 된다.
FBG를 이용한 광섬유 센서의 일례로서 미국특허공보 제7778500호와 같은 광섬유 센서는 FBG가 형성된 부분이 압축 및 신장됨에 따라 변화되는 파장 대역의 변화를 측정하여 변형률(strain)을 측정한다.
종래의 광섬유를 이용한 벤딩 센서는 상기 FBG와 같은 장주기 격자쌍 및 Depressed inner cladding을 갖는 광섬유를 통한 클래딩 모드 공명(cladding mode resonance)를 이용한다. 이러한 종래의 광섬유 센서는 광섬유 격자나 광섬유 자체에 직접 벤딩을 주기 때문에 광섬유 격자의 손상을 줄 수 있다. 또한 광섬유 벤딩에 따른 광파워 값의 변화로 인해 실시간 측정 활용이 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 광섬유 격자를 직접 변형시키기 않고 광섬유에 가해지는 변형을 측정하는 것이 가능한 광섬유 벤딩 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 외력이 가해지는 변형부; 및 상기 변형부와 이격 형성된 광섬유 격자;를 포함하고, 상기 변형부와 상기 광섬유 격자는 차폐층 구조를 갖는 광섬유로 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 벤딩 센서를 제공한다.
바람직하게는, 상기 차폐층 구조를 갖는 광섬유는, 코어와, 상기 코어의 외측에 형성된 차폐층과, 상기 차폐층의 외측에 형성된 클래딩층을 구비하고, 상기 코어의 굴절률은 상기 클래딩층보다 크고, 상기 차폐층의 굴절률은 상기 클래딩층보다 작도록 형성된다.
또한, 상기 광섬유 격자는, 상기 차폐층이 형성된 코어에 격자를 형성한 후 폴리머로 코팅하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 광섬유 벤딩 센서는 광을 생성하여 상기 광섬유로 전달하는 레이저 발생기와, 상기 광섬유를 통과한 광을 수신하여 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광섬유 벤딩 센서는 광섬유 격자를 직접 변형시키지 않음에 따라 광섬유 격자 손상의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 광섬유 벤딩 센서는 차폐층 구조의 광섬유를 사용하여 변형부에 가해지는 변형에도 광파워의 손실이 발생하지 않거나 최소화되어, 변형부에 상당한 외력이 가해진 경우에도 그 변형을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서에 사용되는 차폐층 구조의 광섬유의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서에 사용되는 차폐층 구조의 광섬유의 굴절률 분포를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서의 측정 결과를 도시한 도면이다
도 5는 일반 광섬유를 적용한 비교 결과를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 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, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서에 사용되는 차폐층 구조의 광섬유의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서에 사용되는 차폐층 구조의 광섬유의 굴절률 분포를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서(1)는, 외력에 의해 변형되는 변형부(20)와, 상기 변형부(20)와 이격된 광섬유 격자(30)를 갖는 광섬유(10)를 포함하며, 상기 광섬유(10)는 차폐층 구조의 광섬유인 것을 특징으로 한다. 한편, 도 1에서는 변형부(20)는 링 형상으로 변형한 것으로 예시하였으나, 이는 변형부(20)의 변형을 나타내기 위한 것일 뿐이고 변형부(20)의 변형은 원호 형상 등 다양하게 이루어질 수 있음은 물론이다.
광섬유 벤딩 센서(10)는 상기 광섬유(10)의 일단에 구비되어 상기 광섬유(10)에 레이저를 입력하는 레이저 발생기(40)와, 상기 광섬유(10)를 통과한 레이저를 입력받아 광 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer : OSA, 50)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 레이저 발생기(40)는 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 광원일 수 있다.
기존의 광섬유 벤딩 센서는 FBG를 직접 변형시켜 브래그 반사 파장의 이동을 측정하였으나, 도 1에 도시된 광섬유 벤딩 센서(1)는 FBG로 구성된 광섬유 격자(30)와 변형부(20)를 이격시켜 구성한 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해 변형부(20)에 직접적인 변형을 가하고, 광섬유 격자(30)를 통과한 광신호의 대역 이동을 측정하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해, 광섬유는 종전과는 달리 차폐층 구조의 광섬유(10)로 구성한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 차폐층 구조의 광섬유(10)는, 코어(12)와, 상기 코어(12)을 둘러싸는 차폐층(14), 및, 차폐층(14)의 외주에 구성되는 클래딩층(16)을 포함한다. 도 3을 참조하면, 상기 코어(12)의 굴절률은 클래딩층(16)보다 높고, 차폐층(14)의 굴절률을 클래딩층(16)보다 낮다.
상기 차폐층 구조의 광섬유(10)를 제조하는 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.
차폐층 구조의 광섬유(10)는 수정된 화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition : MCVD) 공정을 통해 제조될 수 있다. 클래딩층(16)보다 낮은 굴절율을 갖는 차폐층(14) 구조를 형성하기 위하여, MCVD 공정 중에 사염화규소(SiCl4) 및 사염화게르마늄(GeCl4)와 함께 전구체(precursor)로서 삼염화붕소(BCl3)를 사용하는데, 이는 산화붕소(boron oxide)는 게르마늄 실리카 유리(germano-silicate glass)와 비교할 때 음의 굴절률(negative refractive index)를 갖기 때문이다. 이후, 차폐층(depressed index layer)을 갖는 실리카 유리 튜브는 콜랩스(collapse)되고 게르마늄 실리카 유리 코어봉을 이용하여 피복된다. 이렇게 만들어진 광섬유 모재(preform)는 고온 가열되어 소정 지름(예컨대, 125 ㎛)의 외경을 갖는 광섬유로 인출된다. 일 실시예에 있어서, 상기 차폐층(14)을 갖는 광섬유(10)의 코어(12)의 지름은 8.30 ㎛이고, 컷오프 파장은 1208 nm이다. 또한, 코어(12)와 차폐층(14) 간의 거리는 11.16 ㎛이고, 차폐층(14)의 폭은 8.93 ㎛이다. 코어(12)와 클래딩층(16) 간의 굴절률 차이는 0.0055이고, 클래딩층(16)과 차폐층(14) 간의 굴절률 차이는 -0.0040이다. 도 2를 참고하면, 상기 코어(12)와 상기 차폐층(14) 간에는 내부층(13)이 형성되어 그 간격을 형성한다.
다음으로 광섬유 격자(30)를 형성하는 과정을 설명한다.
광섬유의 광감도(photosensitivity)를 증가시켜 광섬유 격자(30)를 생성하기 위하여, 수소 처리(hydrogen loading) 공정을 차폐층(14)을 가진 광섬유에 대해 수행한다. 광섬유 격자(30)는 Phase mask를 이용하여 UV 레이저(예를 들면, KrF 엑시머 레이저)를 광섬유의 벗겨진 부분(stripped portion)에 조사하여 형성한다. 그 후, 수소 처리 공정 중에 광섬유 코어내로 침투된 수소 분자로부터의 약한 photo-induced 변화를 경감하기 위해 10시간 동안 80℃의 온도에서 어닐링한다. 그 후 격자가 형성된 부분은 아크릴레이트 폴리머(acrylate polymer)로 다시 코팅되고 자외선으로 큐어링된다. 이에 따라, 광섬유 격자(30)는 격자부(32)와 재코팅층(34)으로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 벤딩 센서의 측정 결과를 도시한 도면이고, 도 5는 일반 광섬유를 적용한 비교 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 이상에서 설명한 차폐층 구조의 광섬유(10)를 이용하여 광섬유 벤딩 센서(1)를 구성한 경우의 측정 결과를 도시한 것이다. 이에 대해, 도 5는 일반적인 단일 모드 광섬유에 광섬유 격자를 형성하여 도 1과 같이 시스템으 구성하여 측정한 결과를 도시한 것이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 변형부(12)에 변형을 가하여 곡률이 20 m-1에서 133 m-1로 변화하는 동안, 차페층을 가진 광섬유 격자(14)에서의 파장 이동이 명확히 나타난다. 즉, 변형부(12)에 가해지는 외부 변형이 커질수록 브라그 반사 파장은 단파장쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 변형부(12)의 변형에도 불구하고 광손실의 변화가 거의 없으며 반가폭 및 반사율의 변화없이 일정한 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 도 4의 (b)를 참조하면, 변형부(12)의 변형과 반사 파장의 이동 간의 관계를 선형화할 수 있으며, 결과적으로 광 스펙트럼 분석기(50)의 결과를 바탕으로 변형부(12)의 변형 정도를 산출할 수 있게 된다.
반면, 통상적인 단일 모드 광섬유에 FBG를 형성하여 도 1과 같이 시스템을 구성한 경우에는, 도 5의 (a)와 같이 변형부(12)에 변형을 가하여도 브라그 반사 파장의 이동은 확인되지 않는 것을 볼 수 있다. 더 나아가 변형부(12)에 가해지는 변형에 따라 광파워 값이 반응하는 것을 볼 수 있다. 더 나아가 변형부(12)에 가해지는 변형이 더 커지게 되면 광신호의 전송은 불가능하게 된다. 이는 광섬유의 벤딩에 의해 클래딩의 유효 굴절률을 증가시켜 코어에서의 광 파워가 클래딩으로 누설되기 때문이다. 또한, 도 5의 (b)와 같이 변형부(12)의 변형에 따른 브라그 반사 파장의 변화가 없으므로 도 4와 같은 활용은 불가하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유 벤딩 센서(1)는 종래의 벤딩 센서와는 달리 광섬유 격자를 직접 변형시키지 않음에 따라 기계적인 취약성을 감소시키고 재현성 및 안정성을 증가시킨 특징이 있다.
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 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 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.
1 : 광섬유 벤딩 센서
10 : 차폐층 구조의 광섬유
12 : 코어
14 : 차폐층
16 : 클래딩층
20 : 변형부
30 : 광섬유 격자
40 : 레이저 발생기
50 : 광 스펙트럼 분석기

Claims (4)

  1. 외력이 가해지는 변형부; 및
    상기 변형부와 이격 형성된 광섬유 격자;
    를 포함하고,
    상기 변형부와 상기 광섬유 격자는 차폐층 구조를 갖는 광섬유로 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 벤딩 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차폐층 구조를 갖는 광섬유는,
    코어와, 상기 코어의 외측에 형성된 차폐층과, 상기 차폐층의 외측에 형성된 클래딩층을 구비하고, 상기 코어의 굴절률은 상기 클래딩층보다 크고, 상기 차폐층의 굴절률은 상기 클래딩층보다 작은 것을 특징으로 하는 광섬유 벤딩 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광섬유 격자는, 상기 차폐층이 형성된 코어에 격자를 형성한 후 폴리머로 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 벤딩 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광을 생성하여 상기 광섬유로 전달하는 레이저 발생기와, 상기 광섬유를 통과한 광을 수신하여 스펙트럼을 분석하는 광 스펙트럼 분석기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 벤딩 센서.


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