KR102059967B1 - Combined optical resonators for sensing of both temperature and strain - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도와 스트레인을 동시에 센싱하는 광섬유 복합 공진 구조체로서, 제1 광섬유; 제1 광섬유에 수직하게 배치되고, 제1 광섬유와 교차하는 부분에서 테이퍼를 갖는 제2 광섬유;를 포함하고, 제1 광섬유와 제2 광섬유가 교차하는 부분에서, 제1 광섬유는 테이퍼와 서로 접촉하고, 속삭이는 회랑모드(Whispering Gallery Mode)가 형성되는 광섬유 복합 공진 구조체에 관한 것이다.The present invention provides an optical fiber composite resonant structure that senses temperature and strain simultaneously, comprising: a first optical fiber; A second optical fiber disposed perpendicular to the first optical fiber and having a taper at a portion crossing the first optical fiber, wherein the first optical fiber contacts the taper at a portion where the first optical fiber and the second optical fiber cross each other; The present invention relates to an optical fiber composite resonant structure in which a whispering gallery mode is formed.

Description

온도 및 스트레인의 동시 측정을 위한 광섬유 복합 공진 구조체{COMBINED OPTICAL RESONATORS FOR SENSING OF BOTH TEMPERATURE AND STRAIN}COMPONENT OPTICAL RESONATORS FOR SENSING OF BOTH TEMPERATURE AND STRAIN}

본 발명은 온도 및 스트레인의 동시적 측정이 가능한 복합 공진 구조체로서, 구체적으로는 기존의 브래그 격자가 가지고 있는 온도-스트레인의 크로스토크를 해결하기 위해 브래그 격자 자체를 속삭이는 회랑모드 광공진기로 함께 사용하는 복합 공진 구조체이다.The present invention is a composite resonant structure capable of simultaneous measurement of temperature and strain, specifically used together with the corridor mode optical resonator whispering the Bragg grating itself to solve the cross-talk of the temperature-strain of the existing Bragg grating It is a composite resonant structure.

종래의 일반적인 광섬유 브래그 격자 센서는, 온도 및 스트레인이 동시에 변화하는 상황에서 두 변인의 독립적 요인을 추산할 수 없다. Conventional optical fiber Bragg grating sensors cannot estimate independent factors of two variables in situations where temperature and strain change simultaneously.

이러한 문제를 해결하기 위해 이중코어 광섬유를 사용하거나, 두 개 이상의 브래그 격자를 거리를 두고 어레이 형태로 배치하는 방안이 제시되었지만, 특수 광섬유를 사용하면 생산 공정이 복잡하고 추가적 비용이 발생하며, 다수의 브래그 격자를 사용하는 방식은 엄밀한 의미에서 단일 스팟에 대한 정보를 제공하지 못한다는 단점을 가지고 있다. In order to solve this problem, it has been proposed to use dual-core optical fiber or to arrange two or more Bragg gratings in an array at a distance, but using a special optical fiber is a complicated production process and additional costs, The Bragg grid has the disadvantage of not providing information about a single spot in a strict sense.

예를 들어, 도 10(a)에 도시된 장치(1000)는, 브래그 격자 광섬유를 이용하는 단축 열적 및 기계적 변형만을 측정할 수 있다. For example, the device 1000 shown in FIG. 10A can only measure uniaxial thermal and mechanical strain using Bragg grating optical fibers.

또한, 도 10(b)에 도시된 장치(2000)는 광섬유 격자 센서를 이용한 압력 측정 장치이고, 도 10(c)에 도시된 장치(3000)는 이중 코어 광섬유 격자를 이용하여 온도와 굴절률을 측정한다. In addition, the device 2000 shown in FIG. 10 (b) is a pressure measuring device using an optical fiber grating sensor, and the device 3000 shown in FIG. 10 (c) measures temperature and refractive index using a dual core fiber grating. do.

그러나, 전술한 바와 같이, 이러한 종래의 장치들은 온도 또는 스트레인의 개별적 측정만이 가능하고, 브래그 격자가 제공하는 전폭은 100pm로서 매우 넓은 반치전폭을 갖게 된다. However, as mentioned above, these conventional devices are only capable of individual measurements of temperature or strain, and the full width provided by the Bragg grating is 100pm, which has a very wide half-width.

특허문헌 1: 한국특허출원공개 2006-0014042호Patent Document 1: Korean Patent Application Publication No. 2006-0014042 특허문헌 2: 한국특허공보 10-1031253호Patent Document 2: Korean Patent Publication No. 10-1031253 특허문헌 3: 한국특허공보 10-1314848호Patent Document 3: Korean Patent Publication No. 10-1314848

본 발명은 상기 기술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 발명으로서, 광섬유 브래그 격자와 속삭이는 회랑모드 광 공진기의 복합 구조체를 제시한다. The present invention provides a composite structure of an optical fiber Bragg grating and a whispering corridor mode optical resonator, which can solve the above-mentioned problems.

종래의 실린더 형태의 광섬유 브래그 격자 센서에 수 마이크론 굵기의 광섬유 테이퍼를 수직방향으로 부착하여, 실린더의 단면 자체를 속삭이는 회랑모드 광 공진기로 다시 활용하는 복합 구조체를 제시하고자 한다. By attaching a micron-thick optical fiber taper in the vertical direction to a conventional cylindrical fiber Bragg grating sensor, a composite structure that utilizes again as a corridor mode optical resonator whispering the cross section of the cylinder itself.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 온도와 스트레인을 동시에 센싱하는 광섬유 복합 공진 구조체로서, 제1 광섬유; 제1 광섬유에 수직하게 배치되고, 제1 광섬유와 교차하는 부분에서 테이퍼를 갖는 제2 광섬유;를 포함하고, 제1 광섬유와 제2 광섬유가 교차하는 부분에서, 제1 광섬유는 테이퍼와 서로 접촉하고, 속삭이는 회랑모드(Whispering Gallery Mode)가 형성되는 광섬유 복합 공진 구조체를 제공할 수 있다. In order to achieve the above technical problem, the present invention is an optical fiber composite resonant structure for sensing the temperature and strain at the same time, the first optical fiber; A second optical fiber disposed perpendicular to the first optical fiber and having a taper at a portion crossing the first optical fiber, wherein the first optical fiber contacts the taper at a portion where the first optical fiber and the second optical fiber cross each other; The present invention can provide an optical fiber composite resonant structure in which a whispering gallery mode is formed.

또한, 본 발명의 제1 광섬유는 광을 도파하는 광섬유 코어를 중심으로 클래드가 순차적으로 적층되어 있으며, 상기 광섬유 코어와 상기 클래드는 압출 성형을 통해 동시에 형성되고, 제1 광섬유의 길이 방향을 따라 상기 광섬유 코어가 식각된 복수의 브래그 격자가 형성될 수 있다. In addition, in the first optical fiber of the present invention, the clad is sequentially stacked around the optical fiber core guiding light, and the optical fiber core and the clad are simultaneously formed by extrusion molding, and the optical fiber core is formed along the longitudinal direction of the first optical fiber. A plurality of Bragg gratings in which the optical fiber core is etched may be formed.

또한, 본 발명의 복수의 브래그 격자는, 제1 광섬유의 길이 방향을 따라, 0.1cm 내지 1cm의 범위로 식각되어 있을 수 있고, 제2 광섬유는, 제1 광섬유의 수직 방향에 대하여 ±10° 범위로 경사지게 배치될 수 있다. Further, the plurality of Bragg gratings of the present invention may be etched in the range of 0.1 cm to 1 cm along the longitudinal direction of the first optical fiber, and the second optical fiber is in a range of ± 10 ° with respect to the vertical direction of the first optical fiber. It may be disposed to be inclined to.

또한, 본 발명의 테이퍼는, 제2 광섬유에 국부적으로 열을 가하여, 제2 광섬유의 길이 방향을 따라 양 방향으로 제2 광섬유를 연신하여 형성될 수 있다. In addition, the taper of the present invention may be formed by locally applying heat to the second optical fiber, and stretching the second optical fiber in both directions along the longitudinal direction of the second optical fiber.

또한, 본 발명의 테이퍼의 직경은 단일모드 조건을 만족하며, 측정 대상 광의 파장에 비례하여 직경이 정해질 수 있으며, 측정 대상 광의 파장이 1550nm인 경우, 테이퍼의 직경은 1.1㎛ 이하일 수 있다. In addition, the diameter of the taper of the present invention satisfies the single mode condition, the diameter may be determined in proportion to the wavelength of the light to be measured, and when the wavelength of the light to be measured is 1550 nm, the diameter of the taper may be 1.1 μm or less.

또한, 본 발명의 속삭이는 회랑모드는, 제1 광섬유의 외면으로부터 반경 방향 외측으로 5㎛, 반경 방향 내측으로 20㎛의 공간 내부로 형성될 수 있으며, 제1 광섬유와 테이퍼는 최대 500nm 거리로 이격할 수 있다. In addition, the whisper corridor mode of the present invention may be formed into a space of 5 μm radially outward and 20 μm radially inward from the outer surface of the first optical fiber, and the first optical fiber and the taper may be spaced apart at a distance of up to 500 nm. Can be.

또한, 본 발명의 제1 광섬유의 일단과 제2 광섬유의 일단은 융착 접속을 통해 하나의 경로로 통합되어, 하나의 광을 이용하여 센싱이 가능하다. In addition, one end of the first optical fiber and one end of the second optical fiber of the present invention is integrated into one path through the fusion splicing, it is possible to sense using one light.

또한, 본 발명의 제1 광섬유의 센싱 신호는 복수의 브래그 격자에서 반사된 파장의 측정을 통해 이루어지고, 속삭이는 회랑모드의 센싱 신호는 테이퍼를 통해 투과된 파장의 측정을 통해 이루어질 수 있다. In addition, the sensing signal of the first optical fiber of the present invention is made through the measurement of the wavelength reflected from the Bragg grating, the whisper corridor sensing signal may be made by measuring the wavelength transmitted through the taper.

또한, 본 발명의 복수의 브래그 격자에서 반사된 파장은 복수의 브래그 격자의 주기에 비례하고, 속삭이는 회랑모드의 공진 파장은 속삭이는 회랑모드 영역의 굴절률과 둘레 길이에 비례할 수 있다. In addition, the wavelength reflected from the Bragg grating of the present invention may be proportional to the period of the Bragg grating, and the resonant wavelength of the whispering corridor mode may be proportional to the refractive index and the circumferential length of the whispering corridor mode region.

또한, 본 발명의 제1 광섬유와 제2 광섬유의 온도와 스트레인에 대한 응답은 선형 범위 내에서 이루어지고, 제1 광섬유의 온도와 스트레인에 대한 응답과 제2 광섬유의 온도와 스트레인에 대한 응답은 서로 독립적으로 이루어질 수 있다. In addition, the response to the temperature and strain of the first optical fiber and the second optical fiber of the present invention is within a linear range, the response to the temperature and strain of the first optical fiber and the response to the temperature and strain of the second optical fiber are mutually It can be done independently.

본 발명에 따르면, 단일 스팟에 생성된 두 센싱 메커니즘은 온도와 스트레인의 개별적 측정이 가능해진다. According to the present invention, the two sensing mechanisms created in a single spot allow for separate measurements of temperature and strain.

또한, 본 발명은 브래그 격자와 속삭이는 회랑모드 광 공진기는 그들의 공진주파수가 온도와 스트레인 두 요인이 모두 변수로 작용하며, 두 구조체를 동시에 사용함에 따라, 매질 내부의 두 변수를 역산하여 센싱이 가능하다.In the present invention, the Bragg grating and the whispering corridor mode optical resonator have their resonant frequency as temperature and strain as both variables, and by using both structures simultaneously, the two variables inside the medium can be inverted and sensed. .

또한, 본 발명은 센싱 시그널의 반치전폭이 매우 좁은 속삭이는 회랑모드 광 공진기의 사용으로 인해, 종래의 브래그 격자가 제공하는 센싱 신호와 대비하여 매우 향상된 센싱 해상도의 증가를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide an improved increase in the sensing resolution compared to the sensing signal provided by the conventional Bragg grating due to the use of a whisper corridor mode optical resonator having a very small half width of the sensing signal.

또한, 본 발명은 개별적 일렉트로닉스 센싱 소자로 사용됨과 더불어, 어레이 구조로 연결될 경우 대형 구조체 내부의 온도 및 스트레인의 실시간 동시 모니터링이 가능한 스마트 복합소재 개발로 연구분야가 확장될 수 있다.In addition, the present invention can be extended to the research field to develop a smart composite material capable of real-time simultaneous monitoring of temperature and strain inside a large structure, as well as being used as an individual electronic sensing device.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광섬유 복합 구조체를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광섬유 복합 구조체와 다른 실시 형태를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 광섬유로 테이퍼를 형성하는 과정을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광섬유 테이퍼를 형성하는 장치의 사진이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 제1 광섬유와 제2 광섬유가 서로 이격되는 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 속삭이는 회랑모드가 형성되는 영역을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 제1 광섬유와 제2 광섬유가 접속되어 하나의 광으로 센싱이 가능한 것을 나타내는 개념도이다.
도 8(a)는 속삭이는 회랑모드와 브래그 격자의 센싱 시그널을 나타내고, 도 8(b)는 브래그 격자에서 반사된 센싱 시그널의 적색 편이를 나타내며, 도 8(c)는 광섬유 테이퍼를 통해 트랜스미션이 측정된 속삭이는 회랑모드의 적색편이를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 형성된 광섬유 테이퍼와 광섬유 브래그 격자가 서로 부착된 복합 공진 구조체의 개략적인 개념도와 SEM 이미지를 각각 나타낸 것이다.1 is a perspective view schematically showing an optical fiber composite structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram schematically showing another embodiment of the optical fiber composite structure according to the embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram schematically showing a process of forming a taper with an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph of the apparatus for forming the optical fiber taper shown in FIG.
FIG. 5 is a conceptual view schematically showing that a first optical fiber and a second optical fiber are spaced apart from each other according to another embodiment of the present invention.
6 is a conceptual diagram schematically illustrating a region in which a whispering corridor mode is formed according to an embodiment of the present invention.
7 is a conceptual diagram illustrating that the first optical fiber and the second optical fiber are connected and sensed by one light according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 (a) shows the whisper corridor mode and the sensing signal of the Bragg grating, Figure 8 (b) shows the red shift of the sensing signal reflected from the Bragg grating, Figure 8 (c) shows that the transmission is measured through the optical fiber taper Whispers indicate red shift in corridor mode.
9 is a schematic conceptual view and SEM image of a composite resonant structure in which an optical fiber taper and an optical fiber Bragg grating formed according to an embodiment of the present invention are attached to each other.

이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광섬유 복합 구조체(1)에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, the optical fiber composite structure 1 according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다. Prior to the description, in various embodiments, components having the same configuration will be representatively described in one embodiment using the same reference numerals, and in other embodiments, only other components will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광섬유 복합 구조체(1)를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광섬유 복합 구조체(1)와 다른 실시 형태를 개략적으로 나타낸 개념도이다. 1 is a perspective view schematically showing an optical fiber composite structure 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing another embodiment of the optical fiber composite structure 1 according to an embodiment of the present invention. to be.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 온도와 스트레인을 동시에 센싱하는 광섬유 복합 공진 구조체(1)로서, 제1 광섬유(100)와, 이러한 제1 광섬유(100)에 수직하게 배치되고, 제1 광섬유(100)와 교차하는 부분에서 테이퍼(200a)를 갖는 제2 광섬유(200)를 포함한다. As shown in FIG. 1, the present invention is an optical fiber composite resonant structure 1 that senses temperature and strain at the same time, and is disposed perpendicular to the first optical fiber 100 and the first optical fiber 100. And a second optical fiber 200 having a taper 200a at a portion intersecting with the optical fiber 100.

이 때, 제1 광섬유(100)와 제2 광섬유(200)가 교차하는 부분에서, 제1 광섬유(100)는 테이퍼(200a)와 서로 접촉하고, 속삭이는 회랑모드(100a, Whispering Gallery Mode)가 형성된다. At this time, at the portion where the first optical fiber 100 and the second optical fiber 200 intersect, the first optical fiber 100 is in contact with the taper 200a and a whispering gallery mode 100a is formed. do.

도 2에 도시된 바와 같이, 테이퍼(200a)는 제1 광섬유(100) 브래그 격자(103)의 축에 수직 방향으로 정렬되어 표면에 부착된다. 이러한 부착에는 부수적인 본딩과 같은 과정이 필요하지 않지만, 제1 광섬유(100)와 제2 광섬유(200)의 구조체의 거리가 500nm 이하로 유지되어야 한다. As shown in FIG. 2, the taper 200a is attached to the surface aligned in a direction perpendicular to the axis of the Bragg grating 103 of the first optical fiber 100. Such attachment does not require a process such as ancillary bonding, but the distance between the structure of the first optical fiber 100 and the second optical fiber 200 should be maintained at 500 nm or less.

이러한 조건내에서 테이퍼(200a)를 통과하는 광 모드의 일부 또는 전체가 공진 조건에 따라 제1 광섬유(100)의 단면적 테두리를 따라 전파된다. Within this condition, some or all of the optical modes passing through the taper 200a propagate along the cross-sectional edge of the first optical fiber 100 in accordance with the resonance conditions.

또한, 그 단면적은 브래그 격자(103)의 길이 방향에 수직하고, 테이퍼(200a)와 평행하게 정렬되므로, 브래그 격자(103)를 따라 전파되는 광 모드는 코어(101) 내부에 한정되므로, 클래딩(102) 표면에 집중된 속삭이는 회랑모드(100a)와 간섭을 일으키지 않는다.In addition, since the cross-sectional area is perpendicular to the longitudinal direction of the Bragg grating 103 and aligned in parallel with the taper 200a, the light mode propagated along the Bragg grating 103 is limited to the inside of the core 101, so that the cladding ( 102. The whisper concentrated on the surface does not interfere with the corridor mode 100a.

또한, 제1 광섬유(100)는 광을 도파하는 광섬유 코어를 중심으로 클래드(102)가 순차적으로 적층되어 있으며, 제1 광섬유의 길이 방향을 따라, 클래드(102)가 식각된 복수의 브래그 격자(103)가 형성될 수 있다. In addition, the clad 102 is sequentially stacked around the optical fiber core guiding light, and the first optical fiber 100 includes a plurality of Bragg gratings in which the clad 102 is etched along the longitudinal direction of the first optical fiber. 103 may be formed.

이러한 복수의 브래그 격자(103)는 레이저 파장에서 작동하는 단일모드 광섬유에 0.1cm 내지 1cm 의 길이로 식각될 수 있으며, 예를 들어, 브래그 격자(103)는 폴리머 코팅이 제거되어 클래드(102) 표면이 외부로 노출된 직경 80um 내지 500um의 용융 실리카(fused silica)가 사용될 수 있다. Such a plurality of Bragg gratings 103 may be etched in a length of 0.1 cm to 1 cm in a single mode optical fiber operating at the laser wavelength, for example, the Bragg grating 103 is removed from the polymer coating surface of the clad 102 A fused silica having a diameter of 80 μm to 500 μm exposed to the outside may be used.

한편, 본 발명의 일 실시 형태에서는 제2 광섬유(200)의 테이퍼(200a)가 제1 광섬유(100)의 축 방향에 대하여 수직하여 배치되지만, 다른 실시 형태에서는 제1 광섬유(100)의 수직 방향에 대하여 ±10° 내외로 경사(α)지게 배치될 수 있다. Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the taper 200a of the second optical fiber 200 is disposed perpendicular to the axial direction of the first optical fiber 100, but in another embodiment, the vertical direction of the first optical fiber 100 is It may be arranged to be inclined (α) to about ± 10 ° with respect to.

도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 제2 광섬유(200)로 테이퍼를 형성하는 과정을 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 4는 광섬유 테이퍼를 형성하는 장치(300)의 사진이다. 3 is a conceptual diagram schematically illustrating a process of forming a taper with the second optical fiber 200 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a photograph of an apparatus 300 for forming an optical fiber taper.

도 3에 도시된 바와 같이, 테이퍼(200a)는 제2 광섬유(200)에 국부적으로 열(F)을 가하여, 도 4에 도시된 연신 장치(300)를 이용하여 형성될 수 있다. As illustrated in FIG. 3, the taper 200a may be formed using the stretching apparatus 300 illustrated in FIG. 4 by locally applying heat F to the second optical fiber 200.

구체적으로, 용융 실리카인 단일모드 제2 광섬유(200)의 양단을 클램프(301)로 고정하고, 이러한 클램프(301)들을 각각 좌/우로 50um/s 의 속도(V)로 이동하는 모터 스테이지에 고정한다. 이 때, 제2 광섬유(200) 중앙 부분은 부탄 토치로 가열(F)되면서 연신된다. Specifically, both ends of the single mode second optical fiber 200, which is fused silica, are fixed with the clamp 301, and these clamps 301 are fixed to the motor stage moving at a speed V of 50um / s to the left and right, respectively. do. At this time, the central portion of the second optical fiber 200 is stretched while being heated (F) with a butane torch.

연신작업 동안 제2 광섬유(200)의 트렌스미션을 실시간으로 관측하고, 연신중에 광섬유 내부에서 생성된 여러 종류의 광모드들이 간섭을 일으키므로 트랜스미션에 요동이 관측될 수 있다. During the stretching operation, the transmission of the second optical fiber 200 may be observed in real time, and various kinds of optical modes generated inside the optical fiber may cause interference, thereby causing fluctuations in the transmission.

본 발명에서 사용되는 테이퍼(200a)는 단일 광모드만을 전달해야 한다. 연신이 계속될수록 광섬유(200) 내부의 광모드 수가 감소하고, 최종적으로 하나의 모드가 남아있을 때 트랜스미션의 요동이 사라진다. 이 순간, 연신을 중지하고 도 3(b)에 나타난 형태의 광섬유 테이퍼(200a)를 얻는다. The taper 200a used in the present invention should transmit only a single optical mode. As the stretching continues, the number of optical modes in the optical fiber 200 decreases, and the fluctuation of the transmission disappears when one mode is finally left. At this moment, stretching is stopped and an optical fiber taper 200a of the form shown in Fig. 3B is obtained.

한편, 전술한 바와 같이, 본 발명의 테이퍼(200a)의 직경은 단일모드 조건을 만족해야하고, 측정 대상 광의 파장에 비례하여 직경(d)이 정해질 수 있다. 예를 들어, 측정 대상 광의 파장이 1550nm인 경우, 테이퍼(200a)의 직경은 1.1㎛ 이하일 수 있다. 이러한 방식으로 제작된 테이퍼(200a)는 후술할 속삭이는 회랑모드의 발현에 사용될 수 있다. On the other hand, as described above, the diameter of the taper 200a of the present invention must satisfy a single mode condition, the diameter (d) can be determined in proportion to the wavelength of the light to be measured. For example, when the wavelength of light to be measured is 1550 nm, the diameter of the taper 200a may be 1.1 μm or less. Tapered 200a produced in this manner can be used for the expression of the whisper corridor mode to be described later.

도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 제1 광섬유(100)와 제2 광섬유(200)가 서로 이격되는 것을 개략적으로 나타낸 개념도로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 광섬유(100)와 제2 광섬유 테이퍼(200a) 사이의 이격 거리는 직접적인 접촉을 기본으로 하지만, 용도에 따라서 500nm까지의 이격이 허용될 수 있다. FIG. 5 is a conceptual view schematically illustrating that the first optical fiber 100 and the second optical fiber 200 are spaced apart from each other according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, FIG. The separation distance between the second optical fiber taper 200a is based on direct contact, but up to 500 nm separation may be allowed depending on the application.

도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 속삭이는 회랑모드(100a)가 형성되는 영역을 개략적으로 나타낸 개념도이다. 6 is a conceptual diagram schematically illustrating a region in which the whispering corridor mode 100a is formed according to an embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, 속삭이는 회랑모드(100a)는, 제1 광섬유(100)의 외면으로부터 반경 방향 외측(o)으로 5㎛, 반경 방향 내측(i)으로 20㎛의 공간 내부로 형성될 수 있다. As shown in FIG. 6, the whispering corridor mode 100a may be formed into a space of 5 μm radially outward (o) from the outer surface of the first optical fiber 100 and 20 μm radially inwardly (i). Can be.

구체적으로, 광섬유(100) 브래그 격자(103) 내부의 광에너지는, 광섬유(100)의 코어(101) 내부에 한정되며, 클래딩(102) 표면에 노출되지 않는다. 또한, 속삭이는 회랑모드(100a)는 광섬유(100) 브래그 격자(103)의 수직 단면적인 원의 최외각 경로로 전파되며, 이 모드의 광에너지는 외적으로 5 um, 내적으로 20um 의 공간 내부로 한정된다. Specifically, the light energy inside the optical fiber 100 Bragg grating 103 is limited to the inside of the core 101 of the optical fiber 100 and is not exposed to the cladding 102 surface. In addition, the whispering corridor mode 100a propagates in the outermost path of the vertical cross-sectional circle of the Bragg grating 103 of the optical fiber 100, and the optical energy of this mode is limited to the space inside of the space of 5um externally and internally 20um internally. do.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에서는 제1 광섬유(100)와 제2 광섬유(200)가 융착 접속(400)되어 하나의 광 경로 센싱으로 통합될 수 있다. In addition, as shown in FIG. 7, in another embodiment of the present invention, the first optical fiber 100 and the second optical fiber 200 may be fusion-connected 400 to be integrated into one optical path sensing.

도 8(a)는 속삭이는 회랑모드(100a)와 브래그 격자(103)의 센싱 시그널을 나타내고, 도 8(b)는 브래그 격자(103)에서 반사된 센싱 시그널의 적색 편이를 나타내며, 도 8(c)는 광섬유 테이퍼(200a)를 통해 트랜스미션이 측정된 속삭이는 회랑모드(100a)의 적색편이를 나타낸다. FIG. 8 (a) shows the sensing signal of the whispering corridor mode 100a and the Bragg grating 103, and FIG. 8 (b) shows the red shift of the sensing signal reflected by the Bragg grating 103, and FIG. 8 (c). ) Represents the red shift of the whispering corridor mode 100a in which the transmission is measured through the optical fiber taper 200a.

전술한 방법으로 완성된 복합 구조체(1)는 두 구조체의 접촉 부분의 온도 변화와 광섬유 브래그 격자의 축방향에 작용하는 스트레인 변화를 측정할 수 있다. The composite structure 1 completed by the above-described method can measure the change in temperature of the contact portions of the two structures and the strain change acting in the axial direction of the optical fiber Bragg grating.

첫번째로, 속삭이는 회랑모드(100a)의 공진 주파수는 모드 주변의 굴절률과 모드경로의 길이에 비례한다. 또한, 광섬유(100)의 주재료인 용융 실리카(fused silica)는 온도가 상승 할 때 굴절률이 상승하고 부피도 소폭 증가하므로 공진 주파수가 적색편이를 일으킨다. First, the resonant frequency of the whispering corridor mode 100a is proportional to the refractive index around the mode and the length of the mode path. In addition, the fused silica which is the main material of the optical fiber 100 has a refractive index and a slight increase in volume as the temperature increases, so that the resonance frequency causes a red shift.

또한, 광섬유(100) 양단에 축방향 바깥쪽으로 스트레인이 작용하는 경우 광섬유의 단면적이 감소하므로, 속삭이는 회랑모드(100a)의 공진주파수가 청색편이 된다. In addition, when the strain is applied to both ends of the optical fiber 100 in the axial direction outward, since the cross-sectional area of the optical fiber is reduced, the resonant frequency of the whispering corridor mode (100a) is a blue piece.

다음으로, 광섬유 브래그 격자(103)에 의해 나타나는 브래그 주파수는 브래그 격자(103)의 주기에 비례한다. 따라서, 외부 온도가 증가하거나 축방향 스트레인이 작용할 경우, 브래그 주파수에 적색편이가 관측된다. Next, the Bragg frequency represented by the optical fiber Bragg grating 103 is proportional to the period of the Bragg grating 103. Thus, when the external temperature increases or the axial strain acts, a red shift is observed at the Bragg frequency.

즉, 본 발명은 온도와 스트레인 두가지 변인에 의해 나타나는 센싱 신호 변화를 다른 두가지 센싱 매커니즘으로 측정하므로, 각각의 변인은 역으로 추산될 수 있다.That is, since the present invention measures the change in the sensing signal represented by the two variables of temperature and strain by two different sensing mechanisms, each variable can be estimated inversely.

또한, 광섬유 브래그 격자(103)의 센싱 신호는 격자에서 반사된 파장의 측정으로 구현되고, 속삭이는 회랑모드(100a)의 센싱 신호는 광섬유 테이퍼(200a)를 통해 투과된 파장의 측정으로 구현된다. In addition, the sensing signal of the optical fiber Bragg grating 103 is implemented by the measurement of the wavelength reflected from the grating, whisper the sensing signal of the corridor mode (100a) is implemented by the measurement of the wavelength transmitted through the optical fiber taper 200a.

한편, 광섬유 브래그 격자(103)를 따라 전파되는 광모드와 단면적 최외각에서 전파되는 속삭이는 회랑모드(100a)는 서로 간섭하지 않는다. On the other hand, the optical mode propagating along the optical fiber Bragg grating 103 and the whispering corridor mode 100a propagating at the outermost cross-sectional area do not interfere with each other.

이 때, 광섬유 브래그 격자(103)의 반사 파장은 브래그 격자의 주기에 비례하고, 속삭이는 회랑모드(100a)의 공진파장은 속삭이는 회랑모드가 형성되는 영역의 굴절률과 외부 원주의 경로 길이에 비례한다. At this time, the reflection wavelength of the optical fiber Bragg grating 103 is proportional to the period of the Bragg grating, and the resonant wavelength of the whisper corridor mode 100a is proportional to the refractive index of the region where the whisper corridor mode is formed and the path length of the outer circumference.

한편, 브래그 격자(103)의 주기는, 복합 구조체(1)의 온도 상승과 광섬유 브래그 격자(103)의 축방향으로 작용하는 스트레인에 의해 길어질 수 있고, 속삭이는 회랑모드(100a)가 전파되는 영역의 굴절률은 복합 구조체(1)의 온도상승에 따라 증가할 수 있다. On the other hand, the period of the Bragg grating 103 can be lengthened by the temperature rise of the composite structure 1 and the strain acting in the axial direction of the optical fiber Bragg grating 103, and the whispering of the region where the corridor mode 100a propagates. The refractive index may increase with increasing temperature of the composite structure 1.

또한, 속삭이는 회랑모드(100a) 영역의 외부 원주 경로의 길이는, 광섬유 브래그 격자(103)의 축방향 외부로 작용하는 스트레인에 의해 짧아질 수 있다. In addition, the length of the outer circumferential path of the whispering corridor mode 100a region can be shortened by the strain acting axially outward of the optical fiber Bragg grating 103.

또한, 광섬유 브래그 격자(103)와 속삭이는 회랑모드(100a) 광 공진기의 온도와 스트레인에 대한 응답은 선형적인 범위 내에서 이루어지기 때문에, 두 개별 센싱 구조의 온도와 스트레인에 대한 응답성의 크기는 같지 않음을 확인할 수 있다. In addition, since the response to the temperature and strain of the optical fiber Bragg grating 103 and the whisper corridor mode 100a optical resonator is within a linear range, the magnitudes of the responsiveness to the temperature and strain of the two sensing structures are not the same. can confirm.

전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.With reference to the above description, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are exemplary in all respects, and are not intended to limit the present invention to the above-described embodiments, and the scope of the present invention is defined in the following claims rather than the foregoing description. It is to be construed that all changes or modifications represented by the meaning and scope of the claims and equivalent concepts are included in the scope of the present invention.

1 광섬유 복합 구조체 100 제1 광섬유
100a 속삭이는 회랑모드 101 코어
102 클래딩 103 브래그 격자
200 제2 광섬유 200a 테이퍼
300 연신 장치 400 융착 접속 경로1 optical fiber composite structure 100 first optical fiber
100a Whispering Corridor 101 Core
102 Cladding 103 Bragg Grating
200 second optical fiber 200a taper
300 drawing device 400 fusion splicing path

Claims (13)

온도와 스트레인을 동시에 센싱하는 광섬유 복합 공진 구조체로서,
제1 광섬유;
상기 제1 광섬유에 수직하게 배치되고, 상기 제1 광섬유와 교차하는 부분에서 테이퍼를 갖는 제2 광섬유;를 포함하고,
상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유가 교차하는 부분에서, 상기 제1 광섬유는 상기 테이퍼와 서로 접촉하고, 상기 제1 광섬유의 외면으로부터 반경 방향 외측으로 5㎛, 반경 방향 내측으로 20㎛의 공간 내부로 속삭이는 회랑모드(Whispering Gallery Mode)가 형성되고,
상기 제1 광섬유는, 광을 도파하는 광섬유 코어를 중심으로 클래드가 순차적으로 적층되어 있으며, 상기 광섬유 코어와 상기 클래드는 압출 성형을 통해 동시에 형성되고, 상기 제1 광섬유의 길이 방향을 따라 상기 광섬유 코어가 식각된 복수의 브래그 격자가 형성되며,
상기 제1 광섬유와 상기 테이퍼는 최대 500nm 거리로 이격할 수 있고,
상기 제1 광섬유의 일단과 상기 제2 광섬유의 일단은 융착 접속을 통해 하나의 경로로 통합되어, 하나의 광을 이용하여 센싱이 가능한 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.
An optical fiber composite resonant structure that senses temperature and strain simultaneously,
A first optical fiber;
And a second optical fiber disposed perpendicular to the first optical fiber and having a taper at a portion crossing the first optical fiber.
At a portion where the first optical fiber and the second optical fiber intersect, the first optical fiber contacts each other with the taper, and has a space inside of 5 μm radially outward and 20 μm radially inward from the outer surface of the first optical fiber. Whispering Gallery Mode is formed,
The first optical fiber, the clad is sequentially stacked around the optical fiber core for guiding light, the optical fiber core and the clad is formed at the same time by extrusion molding, the optical fiber core along the longitudinal direction of the first optical fiber A plurality of Bragg gratings are etched is formed,
The first optical fiber and the taper may be spaced apart at a distance of up to 500 nm,
One end of the first optical fiber and one end of the second optical fiber is integrated into one path through a fusion connection, the optical fiber composite resonant structure, characterized in that the sensing using one light.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 브래그 격자는, 상기 제1 광섬유의 길이 방향을 따라, 0.1cm 내지 1cm의 범위로 식각되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.
The method of claim 1,
And said Bragg grating is etched in the range of 0.1 cm to 1 cm along the longitudinal direction of said first optical fiber.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 광섬유는, 상기 제1 광섬유의 수직 방향에 대하여 ±10° 범위로 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.
The method of claim 1,
The second optical fiber is an optical fiber composite resonant structure, characterized in that disposed inclined in the range ± 10 ° with respect to the vertical direction of the first optical fiber.
제 1 항에 있어서,
상기 테이퍼는, 상기 제2 광섬유에 국부적으로 열을 가하여, 상기 제2 광섬유의 길이 방향을 따라 양 방향으로 상기 제2 광섬유를 연신하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.
The method of claim 1,
And said taper is formed by stretching heat to said second optical fiber in both directions along a longitudinal direction of said second optical fiber by applying heat locally to said second optical fiber.
제 5 항에 있어서,
상기 테이퍼의 직경은 단일모드 조건을 만족하며, 측정 대상 광의 파장에 비례하여 직경이 정해지는 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.
The method of claim 5,
The diameter of the taper satisfies the single mode condition, the diameter is determined in proportion to the wavelength of the light to be measured, characterized in that the optical fiber composite resonant structure.
제 6 항에 있어서,
상기 측정 대상 광의 파장이 1550nm인 경우, 상기 테이퍼의 직경은 1.1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.
The method of claim 6,
When the wavelength of the light to be measured is 1550nm, the diameter of the taper is 1.1㎛ less than the optical fiber composite resonant structure.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제1 광섬유의 센싱 신호는 상기 복수의 브래그 격자에서 반사된 파장의 측정을 통해 이루어지고, 상기 속삭이는 회랑모드의 센싱 신호는 상기 테이퍼를 통해 투과된 파장의 측정을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.
The method of claim 1,
The sensing signal of the first optical fiber is made by measuring the wavelength reflected from the Bragg grating, the whisper corridor sensing signal is made by measuring the wavelength transmitted through the taper Resonant structure.
제 11 항에 있어서,
상기 복수의 브래그 격자에서 반사된 파장은 상기 복수의 브래그 격자의 주기에 비례하고, 상기 속삭이는 회랑모드의 공진 파장은 상기 속삭이는 회랑모드 영역의 굴절률과 둘레 길이에 비례하는 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.
The method of claim 11,
Wherein the reflected wavelengths of the Bragg gratings are proportional to the periods of the Bragg gratings, and the resonant wavelength of the whispering corridor mode is proportional to the refractive index and the circumferential length of the whispering corridor mode region. .
제 12 항에 있어서,
상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유의 온도와 스트레인에 대한 응답은 선형 범위 내에서 이루어지고, 상기 제1 광섬유의 온도와 스트레인에 대한 응답과 상기 제2 광섬유의 온도와 스트레인에 대한 응답은 서로 독립적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 복합 공진 구조체.The method of claim 12,
The response to the temperature and strain of the first and second optical fibers is within a linear range, and the response to the temperature and strain of the first optical fiber and the response to the temperature and strain of the second optical fiber are independent of each other. Optical fiber composite resonant structure, characterized in that consisting of.
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