KR102476857B1 - 도파관 간섭계 - Google Patents

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Abstract

반사 구성에서 물리적 파라미터, 특히 층의 광학적 두께의 변화를 측정하기 위해 사용되는 도파관 간섭계, 특히 광섬유 간섭계에 있어서, 광원(1), 도파관, 특히 적어도 이중 코어의 섬유 또는 평면의 섬유(6)에 만들어진 커플러(7)를 포함하며, 적어도 하나의 코어의 면이 활성화되고, 적어도 하나의 도파관 코어(6)는 광원(1)과 동일한 멀티 코어 섬유의 측면에 위치된 신호 검출기(2)에 직접 또는 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

도파관 간섭계
본 발명의 요지는 그 본질이 다음에 논의된 바와 같이 코어 활성화 프로세스를 적용하는 것인, 멀티 코어 도파관, 특히 섬유 또는 평면의 도파관에서 만들어진 간섭계이다.
마이크로미터 설정의 사용으로 수행된 층의 기하학적 두께의 측정은 변형 가능한 요소 또는 액체의 측정의 경우에 어려운 측정 도구를 이용하여 전체 층의 물리적 능력이 측정될 것을 요구한다. 이러한 형태의 디바이스의 사용은 용액 또는 생물학적 물질을 검사할 때 또는 생물학적 테스트를 수행할 때, 예를 들어, 박테리아와 바이러스를 배양하고 관찰할 때 또한 불가능하다.
차례로, 광학적 두께는 광 경로의 길이로서 지칭되며, 기하학적 층 두께와 그 굴절 계수의 곱으로 표현된다. 이러한 광학적 두께의 의미는 이후에 적용되어야 한다.
이러한 형태의 물질(변형 가능한, 액체 등)의 검사는 통상적으로 현미경으로 수행되며, 이러한 것은 시간 소모적이며 비싸고 비범용적인 측정 및 관측 도구의 사용을 요구한다. 현장 검사(in-situ examination)의 수행이 또한 상당히 방해받는다.
일반적으로, 광학적 두께 측정은 간섭계를 사용하여 수행될 수 있다. 그러므로, 위상 요소의 두께를 측정하는 공지된 방법은 간섭계, 예를 들어, 마이컬슨 간섭계(Michelson interferometer) 또는 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)를 사용하는 방법을 포함한다. 그러나, 용적 측정 간섭계(Volumetric interferometer)는 수 나노미터 내지 수백 나노미터 또는 1 마이크로미터의 비교적 작은 층에 대해 광학적 두께에서의 현장 변화를 측정할 수 없다.
도파관 간섭계의 다양한 구조는 특히 광섬유에 기반하는 간섭계의 기술에서 공지되어 있다. 또한, 그 사용을 가정한 측정 방법이 공지되어 있다.
광섬유의 테이퍼링을 가정한 광섬유 간섭계의 구조는 2013년에 PIERS Proceedings에 의해 출판된 Hun-Pin Change와 동료들이 작성한 "Tapered fiber Mach-Zehnder Interferometer for Liquid Level Sensing"라는 제목의 논문에서 기술되었다. 요소의 구조는 표준 단일 모드 광섬유의 사용과 이러한 섬유에 대한 2개의 비단열 테이퍼링(non-adiabatic tapering)의 실행에 기반한다. 이러한 간섭계의 동작 원리는 제2 테이퍼링 후에 이들 모드의 간섭의 측정에 기반한다. 간섭계는 액체 레벨을 측정하도록 사용된다. 멀티 코어 도파관은 이러한 솔루션에서 사용되지 않는다.
2007년에 Optics Express에 의해 출판된 Joel Villatoro와 동료들이 작성한 "Simple all-microconstructed-optical-fiber interferometer built via fusion splitting"라는 제목의 논문은 단일 코어 광섬유(photonic fiber) 간섭계 개념을 제시하며, 이에 의해, 섬유는 커플러로서 작용하는 개구를 둘러싸도록 2개의 부분에서 접합된다(spliced).
2011년에 PhotonicSensors에 의해 출판된 Libo Yuan이 작성한 "Recent Progress of In-Fiber Integrated Interferometers"이라는 제목의 검토 논평은 테이퍼형 이중 코어 섬유에 기반하는 마흐-젠더 및 마이컬슨 간섭계 구조에 대한 개념을 제시한다. 제안된 구조에서 마이켈슨 간섭계는 전체 광섬유 단자의 면 표면(face surface) 상에 거울을 가진다. 테이퍼링되고 거울로부터 반사되어 통과하는 신호는 간섭된다.
이중 코어 섬유의 국부적 테이퍼링의 개념은 2009년에 Journal of Sensors에서 출판된 E. Zetterlund와 동료에 의해 "Gemini Fiber for Interferometry and Sensing Applications"라는 제목의 논문으로부터 또한 공지되어 있다. 이러한 개념에 따라서, 어떠한 물질도 광섬유의 코어에 도포되지 않는다(즉, 섬유가 활성화되지 않는다). 이 논문에서 제시된 예는 동일한 측정 아암(equal-measuring arm)을 특징으로 한다.
멀티 코어 섬유 간섭계의 구조는 2013년에 Applied Physics B에서 출판된 Ming Tang과 동료들이 작성한 "All-solid multi-core fiber-based multipath Mach-Zehnder interferometer for temperature sensing"라는 제목의 논문에 기술되었다. 저자는 특히 온도를 측정하도록 사용될 수 있는 간섭계의 센서 적용을 지적한다. 이러한 개념에서, 광섬유는 특정 코어의 중심 대신에 코어 내 케이싱에 연결하는 것에 의해 SMF-28 섬유와 접합된다. 이러한 경우에, 저자는 멀티 빔 간섭의 적용을 지적한다. 전통적인 간섭계에서, 코어 내 공간에서 만들어진 접합부가 여기에서 커플러로서 작용한다.
2015년에 Optics Communications에서 출판된 L. Sojka와 동료들이 작성한 Multicore microstructured optical fiber for sensing applications"라는 제목의 논문은 7-코어 마이크로 구조 광섬유에 기반하는 멀티 빔 마흐-젠더 간섭계의 개념을 제시한다. 광섬유의 양쪽 단부에서 만들어진 접합부는 커플러로서 작용한다. 사용된 섬유는 결합된 코어를 가지며, 이 때문에, 코어 내 전력 전달에 대한 외부 요인의 영향이 진정으로 검사될 수 있다.
멀티 코어 섬유(공간 멀티플렉싱), 특히 이종 코어(heterogeneous core)를 갖는 멀티 코어에 기반하는 멀티 파라미터 센서의 구조에 대한 아이디어는 2016년에 IEE Photonics Journal에서 출판된 Lin Gan과 동료들이 작성한 "Spatial-Division Multiplexed Mach-Zehnder Interferometers in Heterogeneous Multicore Fiber for Multiparameter Measurement"라는 제목의 논문에서 제시되었다. 개념에 따르면, 마흐-젠더 간섭계는 7-코어 섬유(3개의 테이퍼링)에 구축된다. 모든 7개의 코어는 팬 인/팬 아웃(fan-in/fan-out) 요소에 의해 입력에서 활성화된다. 시스템의 종료 시에, 전력은 또한 팬 인/팬 아웃 요소를 통해 모든 코어로부터 수집된다. 테이퍼링의 파라미터를 변경하는 것에 의해, 다른 간섭 이미지가 검출기를 사용하여 출력에서 수집된다. 이러한 개념은 온도 및 변형률 측정에 전용되며, 저자는 교차 민감도가 제거될 수 있다고 주장한다.
센서 구조의 다른 예에서, 설명 문헌 US4653906에 제시된 바와 같이, 멀티 코어 섬유를 포함하는 디바이스가 변형률을 측정하도록 사용된다. 이러한 솔루션에서, 이중 코어 섬유는 변형률 전달 구조물에 고정된다. 변형률은 코어 사이의 누화(crosstalk)의 값을 변경하며, 이러한 것은 변형률이 광섬유에 영향을 미친다는 것을 나타낸다.
멀티 코어 섬유에서 만들어진 간섭계를 기반으로 하는 전술한 솔루션은 주로 변형률 및 온도 측정에 전용된다. 그러나, 이러한 것은 층의 광학적 두께의 효과적인 측정에 부적합하다. 그 시스템의 구조는 어느 것도 코어 활성화를 가능하게 하지 못한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 박층의 광학적 두께 및/또는 흡수를 측정하기 위한 도파관 간섭계, 특히 광섬유 간섭계를 개발하는 것이다. 도파관 간섭계의 사용은 새로운 가능성에 대한 기술을 열며, 이에 의해 간섭계 테스트는 상당한 소형화를 요구하는 연구에서 사용되며, 이러한 적용은 용적 측정 간섭계에 접근할 수 없었다. 본 발명의 사용에 의한 효과적인 측정은 아암 활성화 공정 덕분에 가능하며, 이러한 것은 그 동작의 본질이다. 본 발명의 또 다른 이점은 용적 측정 광학 기기로부터 공지된 그 개념이 간섭계 불균형의 효과에 의해 강화된다는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 온도, 연신율/팽창, 변형률, 압력, 가스 농도 등과 같은 다른 물리적 값을 측정하는데 또한 적합한 간섭계 구조를 개발하는 것이었다. 이러한 값의 변화는 환경 요인의 변화로 또한 지칭된다.
본 발명에 따른, 물리적인 파라미터, 특히 층의 기하학적 두께 및/또는 광학적 두께를 변화시키는 층에서의 광 굴절률의 변화를 측정하기 위한 간섭계는 반사 구성으로 작용하며, 광원에 연결되고 도파관, 특히 적어도 이중 코어의 광섬유 또는 평면 도파관에서 만들어진 커플러를 포함하고, 적어도 하나의 코어의 면이 활성화되고, 도파관, 특히 광섬유의 적어도 하나의 코어가 광원으로서 멀티 코어 도파관의 동일 측면에 위치되는 신호 검출기에 직접 또는 간접적으로 연결된다.
적어도 하나의 코어의 활성화는 다음 중에서 유익하게 선택되는 방법/프로세스로서 이해된다:
- 다른 물질이 연결될 수 있는 적어도 하나의 화학적 활성 물질로 코팅하는 단계,
- 환경 요인에 노출될 때 분리될 수 있는 적어도 하나의 화학적 활성 물질로 코팅하는 단계,
- 환경 요인에 노출될 때 파라미터, 특히 두께 및/또는 굴절률 및/또는 흡수를 변화시키는 적어도 하나의 물질로 코팅하는 단계,
- 임의의 공지된 기술을 사용하여 유전체 섹션(dielectric section)을 연결하는 단계.
적어도 단일 코어의 면에 적어도 하나의 유전체 섹션을 연결하는 것에 의한 활성화는 간섭계가 바람직하게는 이러한 연결된 유전체 섹션에 영향을 미치는 온도, 연신율/팽창, 변형률, 압력과 같은 외부 요인을 측정하도록 사용되는 경우로서 이해된다.
코어를 적어도 하나의 활성 물질로 코팅하는 단계는 코어가 위치되는 영역에서 섬유의 면의 표면을 이러한 물질 또는 그 혼합물로 코팅하는 단계로서 이해된다.
일반적으로, 활성 물질은 환경과 반응하는 것에 의해 그 광학적 두께 및/또는 흡수를 변화시킨다. 특히, 활성 물질은 환경으로부터의 화학 물질 및/또는 외부 요인에 노출될 때 팽윤/수축하는 물질 및/또는 환경으로부터 화학 물질을 결합하는 물질의 흡수제이다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 각각의 코어는 전술한 방법 중 하나에 의해 활성화될 수 있으며, 특히 각각의 코어는 상이한 물질로 코팅될 수 있다. 이러한 유익한 실시형태는 본 발명에 따른 단일 간섭계의 사용으로 다양한 물질 층의 광학적 두께를 측정하도록 사용될 수 있다.
멀티 코어 도파관, 특히 광섬유 상의 커플러는 도파관의 구조가 구멍을 포함하면 임의의 공지된 방법에 의해, 바람직하게는 구멍을 테이퍼링 및/또는 에워싸는(enclosing) 것에 의해 만들어진다. 특히, 이러한 방법은 특히 발명 출원 문헌 P.411430을 위한 특허 설명에서 기술된 방법과 유사하다. 테이퍼링없이 구멍을 에워싸는 것은 추가적인 신축력(stretching force)을 인가함이 없이 구멍을 에워싸는 조치로서 이해된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 추가의 신축력을 인가함이 없이 구멍을 에워쌀 때, 도파관, 특히 광섬유의 십자형 치수는 유리가 구멍 위로 가라앉기 때문에 감소된다(테이퍼링).
본 발명에 따른 간섭계에 사용되는 멀티 코어 도파관은 특히 모세관에서 함께 놓여진 또는 그 공통 기판 상에 고정된 적어도 2개의 광섬유, 적어도 단일 코어로서 이해된다.
본 발명의 유익한 실시형태에서, 간섭계의 구조에 사용되는 도파관은 편광 유지 도파관, 특히 광섬유이다. 본 발명의 유익한 실시형태에서, 도파관을 지지하고 측정 시스템을 형성하는 요소들은 또한 편광 유지 요소들이다.
본 발명의 유익한 실시형태에서, 코어를 활성화시키는 것 외에, 적어도 하나의 도파관 코어는 다른 것들과 상이한 길이를 가진다. 특히, 유전체 섹션(특히 유리, 특히 도파관)은 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여 도파관의 코어, 특히 멀티 코어 광섬유 중 적어도 하나에 연결된다. 연결은 접합, 접착 또는 맞대기 커플링(butt-coupling)에 의해 만들어진다. 연결된 유전체 섹션은 선택된 도파관 코어의 선택적 활성화를 촉진한다. 본 발명의 이러한 유익한 실시형태에서, 간섭계를 불균형하게 하는 것은 활성 물질의 광학 파라미터에서의 예상되는 변화를 수용하기 위해 간섭계의 감도를 최적화한다. 연결된 유전체 섹션의 면을 활성 물질로 코팅하는 것에 의해 유전체 섹션이 연결된, 간섭계의 이러한 아암을 활성화하는 것이 특히 가능하다. 본 발명의 또 다른 유익한 실시형태에서, 멀티 코어 도파관의 코어들 중 하나는 공장 제조 또는 다른 방법에 의해 만들어진 나머지 코어까지 상이한 길이를 가질 수 있다. 바람직하게는, 광원은 광역 스펙트럼 광을 방출하고, 특히 초연속체 광원(supercontinuum light source), 할로겐 램프 또는 초발광 램프(super-luminescence lamp)를 포함한다. 유사한 효과가 가변 파장 레이저(tunable laser)를 사용하여 얻어질 수 있다. 유익한 실시형태에서, 검출기는 스펙트럼 분석기 또는 광학 분광기이다. 가변 파장 레이저를 사용할 때, 포토 다이오드는 검출기로서 유익하게 사용될 수 있다.
본 발명의 유익한 실시형태에서, 광은 광 서큘레이터, 광 커플러 또는 팬 인/팬 아웃 디바이스를 통해 도파관, 바람직하게는 멀티 코어 광섬유의 코어 또는 코어들에 들어간다.
본 발명의 다른 유익한 실시형태에서, 광원으로부터의 신호는 광섬유를 통해 제1 서큘레이터 포트로 진행한다. 제2 서큘레이터 포트는 멀티 코어 도파관, 특히 이중 코어 섬유의 코어 중 하나에 연결되고, 제3 포트는 검출기에 연결된다. 이러한 유익한 실시형태에서, 초발광 다이오드 또는 초연속체 광원은 광원으로서 작용하고, 검출기는 바람직하게는 분광기를 포함한다. 광섬유는 사용된 광섬유에 구멍을 가지면 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 구멍을 테이퍼링 및/또는 에워싸는 것에 의해 만들어진 커플러를 수용하는 멀티 코어 광섬유에 연결된다. 멀티 코어 도파관의 코어 중 하나는 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 접합, 접착, 맞대기 커플링에 의해 유전체 섹션, 이 예에서 광섬유를 연결하는 것에 의해 그 출력에서 활성화된다. 활성화된 코어는 간섭계 아암의 광 경로를 유익하게 구별한다.
제2 서큘레이터 포트를 떠난 신호는 단일 코어 광섬유를 통해 커플러를 수용하는, 멀티 코어 광섬유의 코어 중 하나로 안내된다. 멀티 코어 광섬유에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되며, 커플러는 바람직하게는 두 광섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다. 코어 중 하나에서, 신호는 연결된 섬유의 팁으로부터 반사되고, 제2 코어로부터의 신호는 이중 코어 섬유의 팁으로부터 반사된다. 반사된 광은 이중 코어 광섬유와 이에 장착된 커플러를 통해 반사되고, 그런 다음 서큘레이터를 통해 검출기에 도달한다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트(contrast)는 연결된 광섬유의 파라미터의 변화에 의존하며, 이러한 것은 연신율, 변형률, 온도 변화 및 기타 요인으로부터 발생할 수 있다.
본 발명의 다른 유익한 실시형태에서, 광원으로부터의 신호는 광섬유를 통해 제1 서큘레이터 포트로 진행한다. 제2 서큘레이터 포트는 멀티 코어 섬유, 특히 바람직하게는 동질 코어를 갖는 이중 코어 섬유의 코어 중 하나에 연결된다. 반사된 신호는 광섬유를 통해 제2 서큘레이터 포트로 복귀되고, 검출기로의 제3 서큘레이터 포트로부터 광섬유로 보내진다. 이러한 유익한 실시형태에서, 초발광 다이오드 또는 초연속체 광원은 광원으로서 작용하고, 검출기는 바람직하게는 분광기를 포함한다. 광섬유는 사용된 광섬유에 구멍을 가지면, 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 구멍을 탬퍼링(tampering) 및/또는 에워싸는 것에 의해 만들어진 커플러를 수용하는 멀티 코어 광섬유에 연결된다. 멀티 코어 섬유의 코어 중 하나는 코팅을 도포하는 것에 의해 그 출력에서 활성화된다. 유전체 섹션, 이 예에서 광섬유는 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 접합, 접착 또는 맞대기 커플링에 의해 제2 코어에 연결된다. 연결된 섹션은 물질이 연결되지 않는 코어를 노출시키고, 그러므로 간섭계 아암의 광 경로를 구별한다.
제2 서큘레이터 포트를 떠난 신호는 단일 코어 광섬유를 통해 커플러를 수용하는, 멀티 코어 광섬유의 코어 중 하나로 안내된다. 멀티 코어 섬유에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되며, 커플러는 바람직하게는 두 섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다. 코어 중 하나에서, 신호는 연결된 섬유의 팁으로부터 반사되고, 제2 코어로부터의 신호는 이중 코어 섬유의 팁으로부터 반사된다. 반사된 광은 이중 코어 광섬유와 이에 장착된 커플러를 통해 복귀되고, 그런 다음 서큘레이터를 통해 검출기에 도달한다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 연결된 광섬유의 파라미터의 변화에 의존하며, 이러한 것은 연신율, 변형률, 온도 변화 및 기타 요인으로부터 발생할 수 있다.
본 발명의 다른 유익한 실시형태에서, 광원으로부터의 신호는 광섬유를 통해 제1 서큘레이터 포트로 진행한다. 제2 서큘레이터 포트는 멀티 코어 섬유, 특히 바람직하게는 동질 코어를 갖는 이중 코어 섬유의 코어 중 하나에 연결된다. 반사된 신호는 광섬유를 통해 제2 서큘레이터 포트로 복귀되고, 검출기로의 제3 서큘레이터 포트로부터 광섬유로 보내진다. 이러한 유익한 실시형태에서, 초발광 다이오드 또는 초연속체 광원은 광원으로서 작용하고, 검출기는 바람직하게는 분광기를 포함한다. 광섬유는 사용된 광섬유에 구멍을 가지면, 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 구멍을 탬퍼링 및/또는 에워싸는 것에 의해 만들어진 커플러를 수용하는 멀티 코어 광섬유에 연결된다. 멀티 코어 섬유의 코어 중 하나는 코팅을 도포하는 것에 의해 그 출력에서 활성화된다. 유전체 섹션, 이 예에서 광섬유는 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 접합, 접착 또는 맞대기 커플링에 의해 제2 코어에 연결된다. 연결된 섹션은 물질이 연결되지 않는 코어를 노출시키고, 그러므로 간섭계 아암의 광 경로를 구별한다.
제2 서큘레이터 포트를 떠난 신호는 단일 코어 광섬유를 통해 커플러를 수용하는, 멀티 코어 광섬유의 코어 중 하나로 안내된다. 멀티 코어 섬유에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되며, 커플러는 바람직하게는 두 섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다. 코어 중 하나에서, 신호는 연결된 섬유의 팁으로부터 반사되고, 제2 코어로부터의 신호는 그 팁에 있는 층으로부터 반사된다. 반사된 광은 이중 코어 광섬유와 이에 장착된 커플러를 통해 복귀되고, 그런 다음 서큘레이터를 통해 검출기에 도달한다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다.
본 발명의 다른 유익한 실시형태에서, 광원으로부터의 신호는 멀티 코어 섬유, 바람직하게는 3-코어의 코어 중 하나로 안내된다. 이러한 유익한 실시형태에서, 초연속체 광원 또는 2개의 연결된 초발광 다이오드는 단일 코어 입력 섬유를 통해 멀티 코어 섬유, 바람직하게는 3-코어의 중심 코어로 광을 안내하는 광원으로서 작용한다. 검출기는 입력 섬유를 통해 나머지 광섬유 코어에 연결된다. 커플러는 멀티 코어 섬유에 대해 만들어지고, 출력에 대한 코어 중 2개는 초기 층 두께를 도포하는 것에 의해 활성화된다. 간섭계 아암의 광 경로를 구별하기 위해, 유전체 섹션, 바람직하게는 유리 핀(glass pin)이 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 접합, 접착 또는 맞대기 커플링에 의해 제3 코어에 연결된다. 멀티 코어 섬유에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되고, 커플러는 섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다.
커플러는 사용된 광섬유가 구멍을 가지면, 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 구멍을 테이퍼링 및/또는 에워싸는 것에 의해 만들어진다. 광섬유의 코어의 직경은, 만들어진 커플러 덕분에, 파장(λ1)에 대해, 광이 중심 코어 및 외부 커오 중 하나에서 전파되고, 파장(λ2)에 대해, 광이 중심 코어 및 외부 코어 중 제2 코어에서 전파되는 방식으로 선택된다.
커플러를 통과한 후, 광은 특정 코어에서 더 전파되고, 측정된 층 및 연결된 섬유로부터 반사되어, 경로 상에서 멀티 코어 섬유를 통해 검출기로 복귀된다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다.
본 발명의 다른 유익한 실시형태에서, 광원으로부터의 신호는 멀티 코어 섬유, 바람직하게는 7-코어의 코어 중 하나로 안내된다. 커플러는 멀티 코어 섬유에서 만들어진다. 이러한 유익한 실시형태에서, 초연속체 광원 또는 연결된 초발광 다이오드는 단일 코어 입력 광섬유를 통해, 바람직하게는 멀티 코어 광섬유, 바람직하게는 7-코어의 중심 코어로 광을 안내하는 광원으로서 작용한다. 검출기는 입력 섬유를 통해 나머지 광섬유 코어에 연결된다. 검출기는 각각의 섬유에 연결될 수 있거나, 또는 단일 검출기는 예를 들어 수동으로 또는 광학 스위치를 사용하여 광섬유 사이에서 스위칭될 수 있다. 간섭계 아암의 광 경로를 구별하기 위해, 유전체 섹션, 바람직하게는 유리 핀이 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 접합, 접착 또는 맞대기 커플링에 의해 제3 코어에 연결된다. 나머지 코어는 초기 층 두께를 도포하는 것에 의해 출력에서 활성화된다. 본 발명의 다른 유익한 실시형태에서, 상이한 물질이 각각의 코어에 도포될 수 있다. 멀티 코어 섬유에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되며, 커플러는 섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다.
커플러는 사용된 광섬유에 구멍을 가지면, 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 구멍을 테이퍼링 및/또는 에워싸는 것에 의해 만들어진다. 광섬유의 코어의 직경은 만들어진 커플러 덕분에, 특정 파장이 중심 코어에서, 및 특히 외부 코어에서 전파되는 방식으로 선택된다.
커플러를 통과한 후, 광은 특정 코어에서 더 전파되고 측정된 층 및 연결된 유리 핀으로부터 반사되어, 동일한 경로 상에서 멀티 코어 섬유를 통해 검출기로 복귀된다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)의 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 측정된 층의 광학적 두께의 변화는 간섭 줄무늬의 위치를 변화시킨다.
본 발명의 다른 유익한 실시형태에서, 광원으로부터의 신호는 광섬유를 통해 제1 서큘레이터 포트로 안내된다. 제2 서큘레이터 포트는 광섬유에 의해 멀티 코어 섬유, 바람직하게는 이중 코어의 코어 중 하나에 연결된다. 이러한 유익한 실시형태에서, 초연속체 광원 또는 초발광 다이오드는 광원으로서 작용한다. 광섬유는 사용된 광섬유가 구멍을 가지면, 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 구멍을 테이퍼링 및/또는 에워싸는 것에 의해 만들어진 커플러를 수용하는 멀티 코어 섬유에 연결된다. 멀티 코어 섬유의 코어 중 하나는 층을 도포하는 것에 의해 그 출력에서 활성화된다. 멀티 코어 섬유에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되며, 커플러는 섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다.
제2 서큘레이터 포트를 떠나는 신호는 단일 코어 광섬유를 통해 커플러를 수용하는, 멀티 코어 광섬유의 코어 중 하나로 안내된다. 멀티 코어 섬유에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되며, 커플러는 바람직하게는 두 섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다. 코어 중 하나에서, 신호는 연결된 섬유의 팁으로부터 반사되고, 제2 코어로부터의 신호는 그 팁의 층으로부터 반사된다. 반사된 광은 이중 코어 광섬유 및 이에 장착된 커플러를 통해 복귀되고, 그런 다음 서큘레이터를 통해 검출기에 도달한다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)의 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 측정된 층의 광학적 두께의 변화는 간섭 줄무늬의 위치를 변화시킨다.
본 발명의 다른 유익한 실시형태에서, PLC 스플리터(Planar Lightwave Circuit splitter)에 기반하는 평면 도파관 기술이 적용된다. 이러한 유익한 실시형태에서, 동일 전력 스플리터(equal-power splitter)는 특정 파장 및 2×2의 유익한 구성을 위해 사용된다. 광역 스펙트럼 광이 파원(wave source)으로서 사용된다. 스플리터의 출력 중 하나는 초기 층 두께를 도포하는 것에 의해 활성화된다. 제2 스플리터 출력은 바람직하게는 공장에서 연장되거나 단축되고, 바람직하게는 간섭계의 불균형 및 동작 안정성을 보장하기 위해 스플리터의 하우징 내부에서 감춰진다.
광원으로부터 신호는 입력 스플리터 포트로 이어지는 광섬유를 통해 안내된다. 검출기는 입력 섬유를 통해 제2 입력 포트에 연결된다. 검출기는 바람직하게는 광 스펙트럼 분석기를 포함한다. 광원으로부터의 신호는 PLC 스플리터에 의해 분할되고, 층 및 연장된 아암으로부터 반사되어, 하우징에서 감춰진다. 팁과 층으로부터의 반사된 광은 스플리터를 통해 동일한 경로에서 복귀된다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 측정된 층의 광학적 두께의 변화는 간섭 줄무늬의 위치를 변화시킨다.
본 발명은 물리적 파라미터, 특히 층의 광학적 두께 및/또는 흡수를 측정하기 위한 센서로서 사용되며, 이러한 것은 그의 증가를 결정하도록 사용될 수 있다.
본 발명의 요지는 광학적 두께 및/또는 층 흡수의 직접적인 측정을 위해, 또는 이들 층에 영향을 미치는 다른 물리적인 값(온도, 습도, 가스 농도 등)을 측정하기 위해 간접적으로 사용될 수 있다. 본 발명을 사용하면, 변형률/연신율, 압력 또는 온도와 같은 다른 파라미터를 측정하는 것이 가능하다. 본 발명의 이점 중 하나는 광학 층의 두께에서의 나노미터 변화를 연구하는 가능성이다. 본 발명의 추가의 이점은 간섭계의 아암을 불균형하게 하는 것에 의해 간섭계의 감도를 증가시키는 가능성이다.
이하에 제시되는 본 발명의 실시형태는 설명된 바와 같이 본 발명의 본질로부터 기인하는 그의 가능한 변형을 제한하지 않는다. 특히, 측정된 층의 광학적 두께 및/또는 흡수의 측정된 변화는 다양한 외부 요인(온도, 연신율, 압력, 수축, 팽윤, 습도, 가스 농도 등)에 의해 야기될 수 없다. 광학적 두께(두께, 굴절률) 및/또는 흡수의 변화를 유발하는 방법은 모든 예에서 동일한 본 발명의 물리적 동작 원리에 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 특정 실시형태가 도면에 제시되어 있으며, 도면에서:
도 1은 광원(1), 검출기(2), 광섬유 서큘레이터(3), 단일 코어 입력 섬유(4), 멀티 코어 섬유(6), 멀티 코어 섬유(6)에서 만들어진 커플러(7), 멀티 코어 섬유(6)의 코어 중 하나에 연결된 전체 길이(d)의 단일 코어 섬유 섹션(8)과 같은 요소가 도시된 실시예 1에서의 본 발명의 유익한 실시형태를 도시한다.
도 2는 멀티 코어 섬유를 테이퍼링하는 것에 의해 만들어진 커플러(7)의 유익한 실시형태의 클로즈업 도면으로서, 초기 직경(d1)의 섬유(6)는 직경(d2)으로 테이퍼링되는데 반하여, 적절한 테이퍼링은 전체 길이(c), 및 테이퍼링의 천이 구역을 가지며, 하강 및 상승 구역은 b1 및 b2의 전체 길이를 가진다. 테이퍼링 외부의 광섬유의 길이는 광 공급 측면 및 신호가 반사되는 측면으로부터 각각 a1 및 a2로 동일하다.
도 3은 마이크로 구조 요소, 즉, 코어(9.1, 9.2) 및 구멍(10)이 케이싱(11)에서 동일한 거리(Λ)로 라이닝되는 실시예 1에 적용 가능한 광섬유(6)의 섹션을 도시한다.
도 4는 광원(1), 검출기(2), 광섬유 서큘레이터(3), 단일 코어 입력 섬유(4), 코어 중 하나에 도포된 활성화 층(5), 멀티 코어 섬유(6), 멀티 코어 섬유(6)에 만들어진 커플러(7), 멀티 코어 섬유(6)의 코어 중 하나에 연결된 전체 길이(d)의 단일 코어 섬유 섹션(8)과 같은 요소가 도시된, 실시예 2 및 실시예 6에서의 본 발명의 유익한 실시형태를 도시한다.
도 5는 마이크로 구조 요소, 즉, 코어(9.1, 9.2) 및 구멍(10)이 케이싱(11)에서 동일한 거리(Λ)로 라이닝되는 실시예 2에 적용 가능한 광섬유(6)의 섹션을 도시한다.
도 6은 광원(1), 검출기(2), 단일 코어 입력 섬유(4), 코어 중 2개에 도포된 활성화 층(5.1 및 5.2), 멀티 코어 섬유(6), 멀티 코어 섬유(6)에 만들어진 커플러(7), 멀티 코어 섬유(6)의 코어 중 하나에 연결된 전체 길이(d)의 단일 코어 섬유 섹션(8)과 같은 요소가 도시된 실시예 3에서의 본 발명의 유익한 실시형태를 도시한다.
도 7은 마이크로 구조 요소, 즉, 코어(9.1, 9.2 및 9.3) 및 구멍(10)이 케이싱(11)에서 동일한 거리(Λ)로 라이닝되는 실시예 3에 적용 가능한 광섬유(6)의 섹션을 도시한다.
도 8은 광원(1), 검출기(2), 팬 인/팬 아웃 요소(12)를 통해 멀티 코어 섬유(6)에 연결된 단일 코어 입력 섬유(4), 코어 중 2개에 도포된 활성화 층(5), 멀티 코어 섬유(6), 멀티 코어 섬유(6)에 만들어진 커플러(7), 멀티 코어 섬유(6)의 코어 중 하나에 연결된 전체 길이(d)의 단일 코어 섬유(8)와 같은 요소가 도시된 실시예 4에서의 본 발명의 유익한 실시형태를 도시한다.
도 9는 마이크로 구조 요소, 즉, 코어(9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7) 및 구멍(10)이 케이싱(11)에서 동일한 거리(Λ)에서 육각형 격자의 노드에 배치되는 실시예 4에 적용 가능한 광섬유(6)의 섹션을 도시한다.
도 10은 광원(1), 검출기(2), 편광 유지 섬유 서큘레이터(3), 편광 유지 단일 코어 입력 섬유(4), 코어 중 2개에 인가된 활성화 층(5), 멀티 코어 섬유(6), 멀티 코어 섬유(6)에 만들어진 커플러(7)와 같은 요소가 도시된 실시예 4에서의 본 발명의 유익한 실시형태를 도시한다.
도 11은 마이크로 구조 요소, 즉, 코어(9.1, 9.2) 및 구멍(10)이 케이싱(11)에서 동일한 거리(Λ)에서 라이닝되는 실시예 5에 적용 가능한 광섬유(6)의 섹션을 도시한다.
도 12는 코어(9.1, 9.2)가 케이싱(11)에서 동일한 거리(Λ)에서 라이닝되는 실시예 6에 적용 가능한 광섬유(6)의 섹션을 도시한다.
도 13은 광원(1), 검출기(2), 하우징(14) 및 아암 중 하나의 팁에 도포된 활성화 층(5)에 배치된 2개의 출력 아암(13.1 및 13.2)을 구비하는 PLC 스플리터(13)가 도시된 실시예 7로부터의 본 발명의 유익한 실시형태를 도시한다.
실시예 1
광원(1)은 광섬유(4)를 통해 제1 서큘레이터(3) 포트(C.1)에 연결되고, 제2 포트(C.2)에 연결된 광섬유(4)는 커플러(7)가 만들어지는 이중 코어 섬유(6)에 또한 연결되며, 이중 코어 섬유(6)의 코어 중 하나의 면은 광섬유(8)의 섹션에서 접합에 의해 활성화된다. 검출기는 광섬유(4)를 통해 제3 서큘레이터(3) 포트(C.3)에 연결된다.
광원(1)으로부터의 신호는 광섬유(4)를 통해 제1 서큘레이터(3) 포트(C.1)로 진행한다. 제2 서큘레이터(3) 포트(C.2)는 광섬유(4)에 의해 멀티 코어 섬유(6)의 코어 중 하나에 연결되고, 제3 포트(C.3)는 검출기(2)에 연결된다. 초발광 다이오드는 광원(1)으로서 작용하고, 검출기는 바람직하게는 분광기를 포함한다. 멀티 코어 섬유(6)의 코어 중 하나는 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 접합에 의해 광섬유(8)를 연결하는 것에 의해 그 출력에서 활성화된다. 활성화된 코어는 간섭계 아암의 광 경로를 유익하게 구별한다.
광섬유는,
- 3.5 몰% GeO2가 도핑된, GeO2가 도핑된 SiO2로 만들어지고, 전체 직경이 8.2㎛인 2개의 코어(9.1 및 9.2);
- 도핑되지 않은 SiO2 실리카로 만들어지고 전체 직경이 d1 = 125㎛인 케이싱(11);
- 전체 직경이 7.2㎛인, 코어 사이에 7개의 공기 구멍을 포함한다.
코어와 구멍은 함께 라이닝되며, 중심들은 Λ = 9㎛마다 걸쳐 이어진다(spanned).
결속된 광섬유(8) 섹션의 길이는 1㎜이다.
커플러(7)는 구멍 에워쌈과 함께 테이퍼링으로서 만들어진다. 테이퍼링의 파라미터는 b1 = 7㎜, c = 10㎜, b2 = 8㎜이다. 섬유는 d2 = 0.3ㆍd1인 방식으로 테이퍼링된다.
제2 서큘레이터(3) 포트(C.2)를 떠나는 신호는 단일 코어 광섬유(4)를 통해 커플러(7)를 수용하는, 멀티 코어 광섬유(6)의 코어 중 하나로 안내된다. 멀티 코어 섬유(6)에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되며, 커플러는 바람직하게는 두 섬유(6) 코어 사이에서 신호를 분할한다. 코어 중 하나에서, 신호는 연결된 섬유(8)의 팁으로부터 반사되고, 제2 코어로부터의 신호는 이중 코어 섬유의 팁으로부터 반사된다. 반사된 광은 이중 코어 섬유(6) 및 이에 장착된 커플러(7)를 통해 복귀되고, 그런 다음 서큘레이터(3)를 통해 검출기(2)에 도달한다. 검출기는 간섭 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 연결된 광섬유(8)의 파라미터의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 간섭 줄무늬의 위치의 측정된 변화는 대략 1με만큼의 섹션(8) 연신율에 대해 대략 5㎚이다.
실시예 2
광원(1)은 광섬유(4)를 통해 제1 서큘레이터(3) 포트(C.1)에 연결되고, 제2 포트(C.2)에 연결된 광섬유(4)는 커플러(7)가 만들어진 이중 코어 섬유(6)에 또한 연결되며, 이중 코어 섬유(6)의 코어 중 하나의 면은 코팅(5), 및 광섬유(8)의 섹션에 의해 활성화된다. 검출기는 광섬유(4)를 통해 제3 서큘레이터(3) 포트(C.3)에 연결된다.
광원(1)(초발광 다이오드)으로부터의 신호는 단일 코어 광섬유(4)를 통해 서큘레이터(3)로 진행한다. 제2 서큘레이터(3) 포트(C.2)는 단일 코어 광섬유(4)에 의해 동질 코어(9.1 및 9.2)를 구비한 이중 코어 섬유(6)의 코어 중 하나에 연결된다. 제3 포트(C.3)는 분광기의 형태를 하는 스펙트럼 분석기인 검출기(2)로 이어진다. 광섬유(4)는 추가의 테이퍼링없이 구멍을 에워싸는 것에 의해 만들어진 커플러(7)를 수용하는 이중 코어 섬유(6)에 연결된다. 멀티 코어 섬유(6)의 코어 중 하나는 층(5)을 도포하는 것에 의해 그 출력에서 활성화된다. 단일 코어 섬유(8)의 섹션은 멀티 코어 섬유(6)의 제2 코어(9.1)에 연결된다.
광섬유는:
- 3.5% GeO2가 도핑된 SiO2로 만들어지고 전체 직경이 8.2㎛인 2개의 도핑된 코어(9.1 및 9.2)로서, 코어 사이의 거리가 126㎛인, 상기 코어,
- 도핑되지 않은 SiO2 실리카로 만들어지고 전체 직경이 d1 = 250㎛인 케이싱(11);
- Λ = 18㎛의 격자 상수를 가진 육각형 격자의 노드에 코어가 배치되는 공기 구멍(10)으로서, d/Λ = 0.8, 즉, 구멍의 직경이 0.8ㆍΛ인, 상기 공기 구멍를 포함한다.
커플러(7)는 추가의 테이퍼링없이 3㎜의 길이로 구멍을 에워싸는 것에 의해 만들어진다. 이중 코어 섬유에 접합된 단일 코어 섬유 섹션(8)은 코어(9.1 및 9.2)와 동일한 도핑 및 코어 치수를 특징으로 하며, 길이는 50㎛이다.
코어(9.2)에 도포되는 사용 물질은 약 1.33의 굴절률을 갖는 불소계 폴리머(perfluorinated polymer)이다. 물질(5)은 섬유를 중합체 용액에 침지시키는 것에 의해 코어(9.2) 상에 배치될 수 있다. 탄소, 염소 및 1,1,2-트라이클로로-1,2,2-트라이플루오로에탄과 같은 불화 화합물을 포함하는 냉각 매체의 효과에 노출되면, 층은 팽윤한다. 이러한 구성에서, 물질의 두께는 약 10㎚만큼 변하며, 이러한 것은 약 2㎚만큼의 줄무늬 시프트에 대응한다.
제2 서큘레이터(3) 포트(C.1)를 떠나는 신호는 단일 코어 광섬유(4)를 통해 커플러(7)를 수용하는 이중 코어 광섬유(6)로 안내된다. 이중 코어 섬유(6)에서, 신호는 커플러(7)에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되고, 커플러는 섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다. 코어 중 하나에서, 신호는 연결된 섬유(8)의 팁으로부터 반사되고, 제2 코어로부터의 신호는 그 팁 상의 층(5)으로부터 반사된다. 반사된 광은 이중 코어 섬유(6) 및 이에 장착된 커플러(7)를 통해 복귀되고, 그런 다음 서큘레이터(3)를 통해 검출기(2)에 도달한다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트 광학적 두께 및/또는 층(5) 흡수의 변화에 의존한다.
실시예 3
광원(1)은 광섬유(4)를 통해, 커플러(7)가 만들어지는, 3-코어 섬유(6)의 코어 중 하나의 입력에 연결되고, 유리 핀은 커플러 뒤의, 코어 중 하나에 접합되고, 3-코어 섬유(6) 코어의 나머지 면은 층(5.1 및 5.2)을 도포하는 것에 의해 활성화되고, 3-코어 섬유(6)의 코어는 광원의 측면 상의 섬유(4)에 의해 검출기(4)에 연결된다.
광원(1)으로부터의 신호는 3-코어 섬유(6)의 코어 중 하나로 안내된다. 초연속체 광원이 광원(1)으로서 작용하며, 광원은 단일 코어 입력 섬유(4)를 통해 3-코어 섬유의 중심 코어로 광을 진입시킨다. 검출기는 입력 섬유(4)에 의해 섬유(6)의 나머지 코어에 연결된다. 커플러(7)는 3-코어 섬유(6) 상에 만들어지고, 코어 중 2개는 초기 층 두께(5.1 및 5.2)를 도포하는 것에 의해 그 출력에서 활성화된다. 유리 핀 섹션(8)은 코어의 제3 코어에 접합된다. 멀티 코어 섬유(6)에서의 신호는 커플러(7)에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되고, 커플러는 3개의 광섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다.
커플러(7)는 추가의 테이퍼링없이 광섬유(6)에 있는 구멍을 에워싸는 것에 의해 만들어진다.
광섬유는:
- GeO2가 도핑된 SiO2로 만들어진 3개의 코어(9.1, 9.2 및 9.3)로서: 전체 직경이 8.2㎛인 중심 코어(9.1)는 3.5 몰% GeO2가 도핑되고, 전체 직경이 6.1㎛인 측면 코어(9.2)는 4.5 몰% GeO2가 도핑되고, 전체 직경이 6.24㎛인 측면 코어(9.3)는 4.5 몰%의 GeO2가 도핑되는, 3개의 코어,
- 도핑되지 않은 SiO2 실리카로 만들어지고 전체 직경이 d1 = 125㎛인 케이싱(11);
- 전체 직경이 10㎛인, 코어 사이의 7개의 공기 구멍을 포함한다.
코어(9)와 구멍(10)은 함께 라이닝되며, 중심은 Λ = 20㎛마다 걸쳐 이어진다.
커플러(7)는 추가의 테이퍼링없이 5㎜의 길이로 구멍을 에워싸는 것에 의해 만들어진다. 섬유의 직경은, 만들어진 커플러 덕분에, 광이 중심 코어(9.1) 및 외부 코어(9.3) 중 하나에서 1.57㎛의 파장으로 전파되고, 중심 코어(9.1) 및 외부 코어(9.2) 중 제2 코어에서 1.45㎛의 파장으로 전파되는 방식으로 선택된다. 3-코어 섬유(6)에 접합된 유리 핀 섹션(8)은 80㎛ 길이이고 실리카로 만들어진다.
코어(9.2)에 도포된 물질(5.1)은 산화 이트륨이며, 작은 다공성 및 약 1.8의 굴절률을 특징으로 한다. 물질(5.1)은 그의 증기가 섬유 상에 정착되는 방식으로 산화이트륨에서 고출력 레이저 펄스 샷(high-power laser pulses shot)을 사용하여 얻어질 수 있다. 이러한 방식으로 만들어진 층은 염산 플러딩 센서(hydrochloric acid flooding sensor)로서 작용할 수 있다. 염산의 효과에 노출될 때, 층의 두께는 약 50㎚만큼 변하며, 이러한 것은 약 5㎚만큼의 줄무늬의 시프트를 유발한다.
동시에, 코어(9.2) 상에 도포된 물질은 대략 1.33의 굴절률을 갖는 불소계 폴리머이다. 물질(5)은 섬유를 중합체 용액에 침지시키는 것에 의해 코어(9.2) 상에 배치될 수 있다. 탄소, 염소 및 1,1,2-트라이클로로-1,2,2-트라이플루오로에탄과 같은 불화 화합물을 포함하는 냉각 매체의 효과에 노출되면, 층은 팽윤한다. 이러한 구성에서, 물질의 두께는 약 10㎚만큼 변하며, 이러한 것은 약 2㎚만큼의 줄무늬 시프트에 대응한다. 광이 커플러(7)를 통과한 후에, 광은 특정 코어에서 전파되며, 측정된 층(5.1 및 5.2)과 연결된 섬유(8)로부터 반사되고, 멀티 코어 섬유(6)를 통해 검출기(2)로 동일한 경로 상에서 복귀된다.
검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 간섭 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층(5.1 및 5.2)의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다.
실시예 4
광원(1)은 팬 인/팬 아웃 요소를 통해 7-코어 섬유(6)의 코어 중 하나의 코어의 입력에 광섬유(4)를 통해 연결되고, 커플러(7)는 7-코어 섬유 상에 만들어지며, 유리 핀은 중심 코어(9.1)의 면에 접합되고, 7-코어 섬유(6)의 외부 코어의 면은 층(5)을 도포하는 것에 의해 활성화되며, 7-코어 섬유(6)의 코어는 팬 인/팬 아웃 요소(12)를 통과한 후에, 섬유(4)에 의해 광원의 측면 상의 검출기(2)에 연결된다.
광원으로부터의 신호는 7-코어 섬유(6)의 코어 중 하나로 안내된다. 초연속체 광원이 광원(1)으로서 작용하며, 광원은 단일 코어 입력 섬유(4)를 통해 멀티 코어 섬유(6)의 중심 코어로 광을 안내한다. 검출기(2)는 입력 섬유(4)를 통해 나머지 광 섬유 코어에 연결된다. 검출기(2)는 섬유의 각각에 연결될 수 있거나, 또는 단일 검출기는 예를 들어 수동으로 또는 광학 스위치의 사용으로 광섬유 사이에서 스위칭될 수 있다. 커플러(7)는 7-코어 섬유(6)에서 만들어지고, 외부 코어는 초기 층(5) 두께를 도포하는 것에 의해 그 출력에서 활성화된다. 유리 핀 섹션(8)은 중심 코어(9.1)에 접합된다. 7-코어 섬유(9.1)에서, 신호는 커플러(7)에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되고, 커플러는 섬유 코어 사이에서 신호를 분할한다.
커플러는 추가의 테이퍼링없이 광섬유(6)에 있는 구멍을 에워싸는 수단에 의해 만들어진다. 광섬유의 코어의 직경은 만들어진 커플러 덕분에 특정 파장이 중심 코어 및 특히 외부 코어에서 전파되는 방식으로 선택된다.
광섬유는:
- GeO2가 도핑된 SiO2로 만들어진 7개의 코어(9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6 및 9.7)로서,
3.5 몰% GeO2가 도핑된 8.2㎛의 중심 코어(9.1),
4.5 몰% GeO2가 도핑된 6.24㎛의 외부 코어(9.2),
4.5 몰% GeO2가 도핑된 6.1㎛의 외부 코어(9.3),
4.5 몰% GeO2가 도핑된 5.96㎛의 외부 코어(9.4),
4.5 몰% GeO2가 도핑된 5.82㎛의 외부 코어(9.5),
4.5 몰% GeO2가 도핑된 5.86㎛의 외부 코어(9.6),
4.5 몰% GeO2가 도핑된 5.54㎛의 외부 코어(9.7)의, 상기 코어,
- 도핑되지 않은 SiO2 실리카로 만들어지고 전체 직경이 d1 = 300㎛인 케이싱(11);
- 전체 직경이 10㎛인, 코어 사이의 공기 구멍을 포함한다.
코어는 Λ = 20㎛의 격자 상수를 갖는 육각형 격자의 노드에 배치된다.
커플러(7)는 추가의 테이퍼링없이 10㎜의 길이로 구멍을 에워싸는 것에 의해 만들어진다. 섬유의 직경은 만들어진 커플러 덕분에 다음과 같은 방식으로 선택된다:
- 대략 1.57㎛의 파장이 코어 커플(9.1 및 9.2)에서 전파되며,
- 대략 1.45㎛의 파장이 코어 커플(9.1 및 9.3)에서 전파되며,
- 대략 1.35㎛의 파장이 코어 커플(9.1 및 9.4)에서 전파되며,
- 대략 1.25㎛의 파장이 코어 커플(9.1 및 9.5)에서 전파되며,
- 대략 1.15㎛의 파장이 코어 커플(9.1 및 9.6)에서 전파되며,
- 대략 1.05㎛의 파장이 코어 커플(9.1 및 9.7)에서 전파된다.
유리 핀 섹션(8)은 100㎛ 길이이고, 실리카로 만들어진다.
도포된 물질(5)은 1의 굴절률을 갖는 가수분해된 콜라겐이다. 물질(5)은 가수분해된 콜라겐의 1% 수용액에 섬유를 침지시키고 이를 건조시키는 것에 의해 도포된다. 이러한 구성은 냉수와 공기중 습기에 노출될 때 콜라겐이 팽윤함에 따라서 습도를 측정하도록 사용된다. 20℃의 물에 침지되면, 콜라겐은 팽윤되어 두께가 100㎚로부터 200㎚로 변하고, 줄무늬를 약 2㎚ 시프트시킨다. 커플러(7)를 통과한 후에, 광은 특정 코어에서 더욱 전파되고, 측정된 층(5) 및 연결된 섬유(8)로부터 반사되어, 멀티 코어 섬유(6)를 통해 검출기(2)로 동일한 경로에서 복귀된다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 측정된 층(5)의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 측정된 층의 광학적 두께의 변화는 간섭 줄무늬의 위치를 변화시킨다.
실시예 5
광원(1)은 편광 유지 광섬유(4)를 통해 제1 편광 유지 서큘레이터 포트(C.1)에 연결되고, 제2 포트(C.2)에 연결된 편광 유지 광섬유(4)는 커플러(7)가 만들어진 이중 코어 섬유(6)에 또한 연결되며, 이중 코어 섬유(6)의 코어 중 하나의 면은 층(5)을 도포하는 것에 의해 활성화된다. 검출기는 광섬유(4)를 통해 제3 서큘레이터(3) 포트(C.3)에 연결된다.
광원(1)으로부터의 신호는 광섬유(4)를 통해 제1 서큘레이터(3) 포트(C.1)로 진행한다. 서큘레이터(3)는 편광 유지 서큘레이터이다. 제2 서큘레이터(3) 포트(C.2)는 편광 유지 광섬유(4)에 의해 이중 코어 섬유(6)의 코어 중 하나에 연결된다. 초발광 다이오드가 광원(1)으로서 작용한다.
제2 서큘레이터(3) 포트(C.2)를 떠나는 신호는 편광 유지 단일 코어 광섬유(4)를 통해, 커플러(7)를 수용하는, 멀티 코어 광섬유(6)의 코어 중 하나로 안내된다. 멀티 코어 섬유(6)에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되고, 커플러는 바람직하게는 두 섬유(6) 코어 사이에서 신호를 분할한다. 코어 중 하나에서, 신호는 연결된 섬유(6)의 팁으로부터 반사되고, 제2 코어로부터의 신호는 그 팁에 있는 층(5)으로부터 반사된다. 반사된 광은 이중 코어 섬유(6) 및 이에 장착된 커플러(7)를 통해 복귀되고, 그런 다음 서큘레이터(3)를 통해 검출기(2)에 도달한다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층(5)의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 측정된 층(5)의 광학적 두께의 변화는 간섭 줄무늬의 위치를 변화시킨다.
커플러는 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 구멍을 테이퍼링 및 에워싸는 것에 의해 만들어진다.
광섬유는:
- 3,5 몰%의 GeO2가 도핑된 SiO2로 만들어지고 전체 직경이 8.2㎛인 2개의 코어(9.1 및 9.2),
- 도핑되지 않은 SiO2 실리카로 만들어지고 전체 직경이 d1 = 125㎛인 케이싱(11);
- 전체 직경이 15㎛인, 코어 사이의 공기 구멍을 포함한다.
코어와 구멍은 함께 라이닝되며, 중심은 Λ = 15㎛마다 걸쳐 이어진다. 이중 코어 섬유(6)는 편광 유지 섬유이다.
커플러(7)는 구멍 에워쌈과 함께 테이퍼링으로서 만들어진다. 테이퍼링의 파라미터는 b1 = b2 = 5㎜, c = 5㎜이다. 섬유는 d2 = 0.6ㆍd1인 방식으로 테이퍼링된다.
도포된 물질(5)은 대략 1.5의 굴절률을 갖는 폴리스티렌이다. 물질(5)은 섬유를 염화메틸렌의 1% 용액에 침지시키고 이를 건조시키는 것에 의해 섬유에 도포된다. 층은 아세톤에 노출될 때 팽윤되고, 이러한 것은 센서가 아세톤 센서로서 사용될 수 있는 이유이다. 상온의 아세톤에 침지되면, 층 두께가 약 900㎚만큼 증가되고, 줄무늬가 약 120㎚만큼 시프트되게 한다.
실시예 6
광원(1)은 광섬유(4)를 통해 제1 서큘레이터 포트(C.1)에 연결되고, 제2 포트(C.2)에 연결된 광섬유(4)는 커플러(7)가 만들어진 이중 코어 섬유(6)에 또한 연결되며, 이중 코어 섬유(6)의 코어(9.1) 중 하나의 면은 활성 물질로 코팅하는 것에 의해 활성화된다. 검출기는 광섬유(4)를 통해 제3 서큘레이터(3) 포트(C.3)에 연결된다.
광원(1)으로부터의 신호는 광섬유(4)를 통하여 제1 서큘레이터(3) 포트(C.1)로 진행한다. 제2 서큘레이터(3) 포트(C.2)는 광섬유(4)에 의해 이중 코어 섬유(6)의 코어 중 하나에 연결된다. 초발광 다이오드가 광원(1)으로서 작용한다.
제2 서큘레이터(3) 포트(C.2)를 떠나는 신호는 단일 코어 광섬유(4)를 통해 커플러(7)를 수용하는, 멀티 코어 광섬유(6)의 코어 중 하나로 안내된다. 멀티 코어 섬유(6)에서, 신호는 커플러에 도달할 때까지 코어 중 하나에서 전파되며, 커플러는 바람직하게는 두 섬유(6) 코어 사이에서 신호를 분할한다. 코어 중 하나에서, 신호는 연결된 섬유(8)의 팁으로부터 반사되고, 제2 코어로부터의 신호는 그 팁에 있는 층(5)으로부터 반사된다. 반사된 광은 이중 코어 섬유(6) 및 이에 장착된 커플러(7)를 통해 복귀되고, 그런 다음 서큘레이터(3)를 통해 검출기(2)에 도달한다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층(5)의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 측정된 층(5)의 광학적 두께의 변화는 간섭 줄무늬의 위치를 변화시킨다.
커플러는 공지된 방법 중 임의의 방법을 사용하여, 특히 테이퍼링에 의해 만들어진다.
광섬유는:
- 3.5 몰% GeO2가 도핑된 SiO2로 만들어지고 전체 직경이 8.2㎛인 2개의 코어(9.1 및 9.2),
- 도핑되지 않은 SiO2 실리카로 만들어지고 전체 직경이 d1 = 125㎛인 케이싱(11)을 포함한다.
코어들은 함께 라이닝되며, 중심은 Λ = 25㎛마다 걸쳐 이어진다.
커플러(7)는 테이퍼링으로서 만들어진다. 테이퍼링의 파라미터는 b1 = b2 = 5mm, c = 5㎜이다. 섬유는 d2 = 0.5ㆍd1인 방식으로 테이퍼링된다.
이중 코어 섬유에 접합된 단일 코어 섬유(8)의 섹션은 코어(9.1 및 9.2)와 동일한 도핑 및 코어 치수를 특징으로 하며, 길이는 75㎛이다.
섬유는 황산 및 30% 퍼하이드롤(perhydrol)을 3:1 비율로 함유하는 용액에 1시간 동안 침지되는 것에 의해 준비되었다. 이러한 방식으로 준비된 표면은 활성이고, 알릴아민 폴리하이드로클로라이드를 함유하는 용액에 섬유를 배치한 후에, 2㎚ 두께이고 대략 굴절률이 약 1.5인 중합체 층이 섬유에 연결된다. 2㎚ 층을 연결하는 것은 줄무늬의 0.5㎚ 시프트를 유발한다. 이러한 센서는 알릴아민 폴리하이드로클로라이드를 검출하도록 사용된다.
실시예 7
본 발명의 유익한 실시형태에서, PLC 스플리터(Planar Lightwave Circuit splitter)에 기반하는 평면 도파관 기술이 적용된다. 광섬유(4)를 사용하여, 광원(1)은 PLC 스플리터(14)에 연결된다. 스플리터의 출력 중 하나(13.1)는 초기 층(5) 두께를 도포하는 것에 의해 활성화되고, 제2 스플리터 출력(13.2)은 공장에서 40㎛이며, 스플리터 간섭계의 불균형 및 동작 안정성을 보장하기 위해 하우징(14) 내부에 감춰진다. 스플리터의 복귀 아암은 광섬유(4)에 의해 디코더(2)에 연결된다.
광원으로부터 신호는 스플리터의 입력 포트로 이어지는 광섬유를 통해 안내된다. 검출기는 입력 광섬유를 통해 제2 입력 포트에 연결된다. 검출기는 바람직하게는 광 스펙트럼 분석기를 포함한다. 광원으로부터의 신호는 PLC 스플리터에 의해 분할되고, 층 및 연장된 아암의 팁으로부터 반사되어, 하우징에서 감춰진다. 팁과 층으로부터 반사된 광은 스플리터를 통해 동일한 경로에서 복귀된다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 측정된 층의 광학적 두께의 변화는 간섭 줄무늬의 위치를 변화시킨다.
이러한 유익한 실시형태에서, 동일-전력 스플리터(13)가 1500㎚ 파장 및 2×2 구성을 위해 사용된다. 1900 K의 흑체(black body)에 대응하는 밝은 색상의 텅스텐 전구가 광원으로서 사용된다.
광원(1)으로부터의 신호는 입력 섬유(1)를 통해 입력 스플리터 포트로 안내된다. 검출기(2)는 입력 섬유(4)에 의해 제2 입력 스플리터 포트에 연결된다. 검출기는 광 스펙트럼 분석기이다. 광원(1)으로부터의 신호는 PLC 스플리터에서 분할되고, 그런 다음 층(5)으로부터 및 연장된 아암의 팁으로부터 반사되고, 하우징(13.2)에 감춰진다. 팁(13.2) 및 층(5)으로부터 반사된 광은 스플리터(13)를 통해 동일한 경로 상에서 복귀된다. 검출기는 스펙트럼 대역(파장)에서 간섭 줄무늬를 보이며, 줄무늬의 시프트 및/또는 콘트라스트는 층(5)의 광학적 두께 및/또는 흡수의 변화에 의존한다. 이러한 경우에, 측정된 층(5)의 광학적 두께의 변화는 간섭 줄무늬의 위치를 변화시킨다.
출력 포트 상에 도포된 물질(5)은 대략 1.4의 굴절률을 갖는 에틸셀룰로스이다. 물질(5)은 0.5% 부틸 아세테이트 용액에 이중 코어 섬유를 침지시키고 이를 추출하고 건조시키는 것에 의해 포트에 도포된다. 이러한 방식으로 코팅된 광섬유는 에탄올 증기에 반응하고, 이러한 것은 광섬유를 팽윤시킨다. 층 두께에서의 대략 50㎚의 변화는 줄무늬를 약 10㎚만큼 시프트시킨다.

Claims (15)

  1. 광학적 파라미터를 측정하기 위한 도파관 간섭계로서, 상기 도파관 간섭계는 스플리터(7, 13)를 구비한 멀티 코어 도파관(6)의 일측에 광을 공급하는 광원(1)을 갖고, 상기 멀티 코어 도파관(6)은 적어도 제1 코어 및 제2 코어를 갖고, 상기 제1 코어는 상기 멀티 코어 도파관(6)의 타측에 출력을 갖고,
    상기 스플리터(7, 13)는 상기 멀티 코어 도파관(6)에 제공되며, 적어도 하나의 코어의 출력이 활성화되며, 활성화는 적어도 하나의 화학적 활성 물질(5, 5.1, 5.2)로 코팅하는 것을 포함하고, 상기 제1 코어는 상기 광원(1)으로부터의 광이 공급되는 상기 멀티 코어 도파관의 동일한 측면 상의 신호 검출기(2)에 직접 또는 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학적 활성 물질(5)은 또 다른 물질에 연결가능한 것을 특징으로 하는 간섭계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학적 활성 물질(5)의 하나의 면은 환경 요인에 노출될 때 분리가능한 것을 특징으로 하는 간섭계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학적 활성 물질(5)은, 환경 요인에 노출될 때 두께 및/또는 흡수 및/또는 굴절률을 변화시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  5. 제1항에 있어서, 상기 멀티 코어 도파관(6)은 2개보다 많은 코어를 갖는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  6. 제1항에 있어서, 상기 멀티 코어 도파관(6)의 코어들 중 상기 제1 코어는 상기 제2 코어와는 상이한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  7. 제1항에 있어서, 상기 멀티 코어 도파관(6)의 적어도 하나의 코어의 출력은 이에 연결된 유리 핀, 도파관 및 광섬유를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 유전체 섹션(8)을 갖는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  8. 제5항에 있어서, 상기 멀티 코어 도파관(6)에 연결된 팬 인/팬 아웃 요소(12), 및 상기 팬 인/팬 아웃 요소(12)에 연결된 1개보다 많은 검출기(2) 및 광원(1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광원(1)에 연결된 제1 포트(C.1), 상기 신호 검출기에 연결된 제3 포트(C.3), 및 상기 멀티 코어 도파관에 연결된 제2 포트(C.2)를 구비한 서큘레이터(3)를 갖는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  10. 제5항에 있어서, 적어도 2개의 코어가 서로 다른 화학적 활성 물질(5.1, 5.2)로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  11. 제1항에 있어서, 상기 멀티 코어 도파관(6)은 편광 유지 도파관인 것을 특징으로 하는 간섭계.
  12. 제1항에 있어서, 상기 멀티 코어 도파관(6)은 멀티 코어 섬유이고 상기 제1 코어와 상기 제2 코어 사이에 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계.
  13. 제1항에 있어서, 상기 스플리터는 테이퍼링된 영역으로서 상기 멀티 코어 도파관(6)에 제공된 멀티 코어 섬유 커플러(7)인 것을 특징으로 하는 간섭계.
  14. 제1항에 있어서, 상기 스플리터는 PLC 스플리터(Planar Lightwave Circuit splitter)(13)이고, 상기 멀티 코어 도파관은 PLC(Planar Lightwave Cirucit) 도파관인 것을 특징으로 하는 간섭계.
  15. 제1항에 있어서, 상기 화학적 활성 물질(5, 5.1, 5.2)은 이트륨 산화물, 과불화 폴리머(perfluorinated polymer), 가수분해된 콜라겐, 폴리스티렌 및 에틸셀룰로스를 포함하는 그룹에서 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계.
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