KR102548444B1 - Double-clad fiber Mach-Zehnder interferometer based on long-period fiber grating and apparatus and method for simultaneous measuring of bending and temperature insensitive to strain using thereof - Google Patents

Double-clad fiber Mach-Zehnder interferometer based on long-period fiber grating and apparatus and method for simultaneous measuring of bending and temperature insensitive to strain using thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유를 이용하여 굽힘 및 온도를 동시에 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 온도와 굽힘 사이의 교차 민감도로 인해 센서의 감지성능이 제한되며, 특히, 센서부에 굽힘이 인가될 때 스트레인(strain)이 동시에 가해지는 것에 의해 측정결과가 부정확해지는 한계가 있었던 종래 기술의 광섬유 브래그 격자(FBG) 및 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 이중 클래딩 광섬유(DCF)에 일정한 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사하여 DCF의 코어 굴절률을 주기적으로 변조시켜 제작되는 LPFG 2개를 일정한 간격을 두고 직렬로 연결하여 구성됨으로써, 단일 센서부를 이용하여 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있는 동시에, 측정 중 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 동시측정을 수행할 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법이 제공된다. The present invention relates to an apparatus and method for simultaneously measuring bending and temperature using an optical fiber. According to the present invention, the sensing performance of a sensor is limited due to cross-sensitivity between temperature and bending, and in particular, bending of a sensor unit In order to solve the problems of conventional fiber Bragg grating (FBG) and long period fiber grating (LPFG) based measurement devices and methods, which have limitations in that measurement results are inaccurate due to strain being applied simultaneously when strain is applied, By irradiating a double-cladding optical fiber (DCF) with carbon dioxide (CO 2 ) laser pulses at regular intervals and periodically modulating the core refractive index of the DCF, two LPFGs manufactured by connecting them in series at regular intervals are configured, so that a single sensor unit is used. A long-period fiber optic grating (LPFG)-based double-clad optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer ( MZI) and a device and method for simultaneous measurement of bending and temperature independent of strain using the same are provided.

Description

장주기 광섬유 격자 기반 이중 클래딩 광섬유 마하젠더 간섭계 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법{Double-clad fiber Mach-Zehnder interferometer based on long-period fiber grating and apparatus and method for simultaneous measuring of bending and temperature insensitive to strain using thereof} Double-clad fiber Mach-Zehnder interferometer based on long-period fiber grating and apparatus and method for simultaneous measuring of bending and temperature independent of strain using the Mach-Zehnder interferometer based on long-period fiber grating and apparatus and method for simultaneous measuring of bending and temperature insensitive to strain using its}

본 발명은 광섬유(optical fiber)를 이용하여 굽힘(bending) 및 온도(temperature)를 동시에 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating ; FBG) 및 장주기 광섬유 격자(Long-Period Fiber Grating ; LPFG) 등을 이용하여 특정한 물리량을 측정하는 기존의 광섬유 격자 기반 센서들은 온도와 굽힘 사이의 교차 민감도로 인해 센서의 감지성능이 제한되며, 특히, 센서부에 굽힘이 인가될 때 스트레인(strain)이 동시에 가해지는 것에 의해 측정결과가 부정확해지는 한계가 있었던 종래 기술의 광섬유 격자 기반 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 센서부에 인가되는 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있는 동시에, 측정 중 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 동시측정을 수행할 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(Double-Clad Fiber ; DCF) 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer ; MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for simultaneously measuring bending and temperature using an optical fiber, and more particularly, to a fiber Bragg grating (FBG) and a long period optical fiber. Existing fiber optic grating-based sensors that measure specific physical quantities using long-period fiber grating (LPFG), etc., have limited sensing performance due to cross sensitivity between temperature and bending. In order to solve the problems of prior art optical fiber grating-based measurement devices and methods that have limitations in that measurement results are inaccurate due to simultaneous application of strain when applied, bending and temperature applied to the sensor unit can be simultaneously measured. At the same time, even if a strain is applied to the sensor unit during measurement, a long-period fiber optic grating (LPFG)-based double-clad fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer configured to perform simultaneous measurement regardless of the strain. It relates to the Zehnder interferometer (MZI) and a device and method for simultaneous measurement of bending and temperature independent of strain using the same.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 측정 중 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 굽힘 및 온도를 동시에 측정할 수 있도록 하기 위해, 이중 클래딩 광섬유(DCF)에 일정한 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사(illumination)하여 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조(modulation)시켜 제작되는 LPFG 2개를 일정한 간격을 두고 직렬로 연결하여 구성됨으로써, 복수의 센서부를 사용할 필요 없이 단일 센서부를 이용하여 두 가지 물리량의 동시측정이 가능하고, 기존의 FBG에 비해 제작공정의 편의성 향상 및 제작비용 절감이 가능하며, 이산화탄소 레이저를 사용함으로써 마스크 없이 제작이 가능하여 저단가 LPFG 제작이 가능한 데 더하여, 굽힘이 인가될 때 인장/압축 스트레인이 인가되더라도 LPFG의 스펙트럼에 변화가 없으므로 굽힘 및 온도 동시측정의 정확도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법에 관한 것이다. In addition, the present invention, as described above, even if a strain is applied to the sensor unit during measurement, in order to simultaneously measure bending and temperature regardless of the strain, a carbon dioxide (CO 2 ) laser at a regular period in a double cladding optical fiber (DCF) It consists of connecting two LPFGs manufactured by periodically modulating the core refractive index of DCF by illuminating pulses in series at regular intervals, so that a single sensor unit is used without the need to use multiple sensor units. It enables simultaneous measurement of two physical quantities, improves the convenience of the manufacturing process and reduces manufacturing costs compared to conventional FBG, and can be manufactured without a mask by using a carbon dioxide laser, making it possible to manufacture low-cost LPFG. Since there is no change in the spectrum of the LPFG even when a tensile/compressive strain is applied when this is applied, a long period fiber optic grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) configured to improve the accuracy of simultaneous bending and temperature measurement ) and a device and method for simultaneous measurement of bending and temperature independent of strain using the same.

최근, 광섬유를 이용하여 특정한 물리량을 측정하는 광섬유 센서가 상용화되어 다양한 분야에 걸쳐 많이 사용되고 있다. Recently, an optical fiber sensor for measuring a specific physical quantity using an optical fiber has been commercialized and is widely used in various fields.

더 상세하게는, 광섬유 센서를 이용하여 물리량을 측정하는 원리는, 광섬유를 통해 전파되는 빛이 외부 물리량 변화에 의해 그 세기(intensity), 파장, 위상(phase), 편광(polarization) 등의 변화를 겪게 되면 이를 광전변환기(optoelectronic transducer) 등을 통해 전기신호로 바꾸어 광섬유에 인가된 외부 물리량을 분석하는 것에 의해 특정 물리량을 측정하는 것이다. More specifically, the principle of measuring a physical quantity using an optical fiber sensor is that light propagating through an optical fiber changes its intensity, wavelength, phase, polarization, etc. by a change in an external physical quantity. When it is experienced, a specific physical quantity is measured by converting it into an electrical signal through an optoelectronic transducer or the like and analyzing the external physical quantity applied to the optical fiber.

또한, 이러한 광섬유 센서의 대표적인 예로 광섬유 격자 기반 센서가 있으며, 이는 광섬유에서 실제로 빛이 전파되는 코어 영역에 주기적인 굴절률 변화를 주어 격자를 형성하면, 외부의 물리량 변화에 따라 격자 부분의 굴절률이나 격자 주기가 변하여 광섬유 격자를 통과하는 빛의 특성도 변화하게 되는 원리를 이용한 것이다. In addition, as a representative example of such an optical fiber sensor, there is an optical fiber grating-based sensor. When a grating is formed by periodically changing the refractive index in the core region where light actually propagates in the optical fiber, the refractive index of the grating part or the grating period according to the change in the external physical quantity It uses the principle that the characteristics of the light passing through the fiber optic grating are also changed by changing the .

여기서, 상기한 바와 같이 광섬유를 이용하여 특정 물리량을 측정하기 위한 측정장치 및 방법에 관한 종래 기술의 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2010-0095252호에 제시된 바와 같은 "마하젠더 간섭계형 광섬유, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 센서"가 있다. Here, as described above, an example of the prior art related to a measuring device and method for measuring a specific physical quantity using an optical fiber is, for example, a "Mach Zender" as presented in Korean Patent Publication No. 10-2010-0095252. There is an interferometric optical fiber, a manufacturing method thereof, and a sensor including the same.

더 상세하게는, 상기한 한국 공개특허공보 제10-2010-0095252호는, 코어부 및 코어부를 둘러싸는 클래딩부를 포함하는 광섬유에 있어서, 광섬유로 입사되는 광선을 분할하여 위상차를 가지는 두 개 이상의 광경로를 생성할 수 있는 공동부를 내부에 포함하도록 구성됨으로써, 단일 가닥에 기반하면서도 온도, 스트레인 및 가속 등의 물리량 변화에 민감한 마하젠더 간섭특성을 나타내는 광섬유를 제공할 수 있으므로 각종 물리량 변화를 효율적으로 감지할 수 있는 동시에, 간단한 공정 및 낮은 비용으로 제작 가능한 마하젠더 간섭계형 광섬유, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다. More specifically, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2010-0095252 discloses an optical fiber including a core portion and a cladding portion surrounding the core portion, and splits a light beam incident on the optical fiber into two or more optical sights having a phase difference. By being configured to include a cavity capable of generating a furnace therein, it is possible to provide an optical fiber that exhibits Mach-Zender interference characteristics that are sensitive to changes in physical quantities such as temperature, strain, and acceleration, even though it is based on a single strand, thereby efficiently detecting changes in various physical quantities At the same time as possible, it relates to a Mach-Zehnder interferometric optical fiber that can be manufactured at a simple process and low cost, a manufacturing method thereof, and a sensor including the same.

아울러, 상기한 바와 같이 광섬유를 이용하여 특정 물리량을 측정하기 위한 측정장치 및 방법에 관한 종래 기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국등록특허 제10-0367297호에 제시된 바와 같은 "광섬유 패브리페로(Fabry-Perot) 간섭계형 온도 측정 장치"가 있다. In addition, as described above, another example of the prior art related to a measuring device and method for measuring a specific physical quantity using an optical fiber is, for example, as presented in Korean Patent Registration No. 10-0367297 "Optical Fiber Fabry Pero ( Fabry-Perot) interferometric temperature measurement device".

더 상세하게는, 상기한 한국등록특허 제10-0367297호는, 측정 대상물의 온도변화에 따른 광위상 변화를 상호 차등적으로 일으키는 주센서 및 보조센서를 갖춘 센싱수단과, 주센서 및 보조센서로 변조된 광이 입사되고 주센서 및 보조센서에서의 반사광을 각각 전기신호로 변환하여 출력하는 광학수단 및 광학수단으로부터의 각 전기신호를 위상으로 변환하고 그 위상값을 근거로 측정 대상물의 온도를 산출하는 신호처리수단을 포함하여, 측정대상물의 온도변화에 상응하는 광위상의 변화를 검출할 때 주센서의 위상변화분이 소속하는 주기의 위치에 대한 정보를 상대적으로 주기가 수십배 내지 수백배 느린 보조센서로부터 받아들여 주센서의 정밀도를 안정적으로 유지하도록 구성됨으로써, 주센서용 고정도 광섬유 간섭계형 온도센서의 정밀도를 그대로 유지하면서 적용영역을 확장시킬 수 있도록 구성되는 광섬유 패브리페로(Fabry-Perot) 간섭계형 온도측정장치에 관한 것이다. More specifically, the above Korean Patent Registration No. 10-0367297 discloses a sensing means having a main sensor and an auxiliary sensor that differentially cause a light phase change according to a temperature change of an object to be measured, and a main sensor and an auxiliary sensor. The modulated light is incident and the optical means that converts the reflected light from the main sensor and the auxiliary sensor into electrical signals and converts each electrical signal from the optical means into a phase, and calculates the temperature of the object to be measured based on the phase value. When detecting a change in light phase corresponding to a change in temperature of an object to be measured, including a signal processing means, information on the position of the cycle to which the phase change of the main sensor belongs is transferred to an auxiliary sensor whose cycle is tens to hundreds of times slower. Fiber optic Fabry-Perot interferometer type configured to expand the application area while maintaining the precision of the high-precision fiber optic interferometer type temperature sensor for the main sensor by being configured to stably maintain the precision of the main sensor by accepting it from the main sensor It is about a temperature measuring device.

상기한 바와 같이, 종래, 특정한 물리량을 측정하기 위해 광섬유 센서를 이용하는 다양한 측정장치 및 방법들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래 기술의 광섬유 기반 측정장치 및 방법들은 다음과 같은 문제가 있다. As described above, various measuring devices and methods using an optical fiber sensor have been proposed in the prior art to measure a specific physical quantity, but the optical fiber-based measuring devices and methods of the prior art as described above have the following problems.

더 상세하게는, 광섬유 센서를 구성하는 광섬유 격자의 대표적인 예로서 일반 단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber ; SMF)의 코어에 1㎛ 이하의 주기로 굴절률 변화를 주어 제작되는 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating ; FBG)가 있으며, 이러한 FBG는 특정한 공진 파장에 해당하는 빛을 통과시키지 않고 반사시키는 특성을 가지고 있고, 이러한 공진 파장은 광섬유 코어의 유효 굴절률과 격자의 주기에 의해 결정된다. More specifically, as a representative example of an optical fiber grating constituting an optical fiber sensor, a fiber Bragg grating (FBG) manufactured by changing the refractive index in a core of a general single mode fiber (SMF) at a period of 1 μm or less ), and these FBGs have a characteristic of reflecting light corresponding to a specific resonant wavelength without passing through, and this resonant wavelength is determined by the effective refractive index of the optical fiber core and the period of the grating.

따라서 FBG에 외부 물리량이 인가되어 광섬유 코어의 유효 굴절률 또는 격자의 주기가 변화되면 FBG의 공진 파장에 천이(shift)가 일어나며, 이를 여러 가지 복조 방식을 통해 측정하면 FBG에 인가된 물리량 변화를 계산할 수 있다. Therefore, when an external physical quantity is applied to the FBG and the effective refractive index of the fiber core or the period of the grating is changed, a shift occurs in the resonance wavelength of the FBG. By measuring this through various demodulation methods, the change in the physical quantity applied to the FBG can be calculated. there is.

아울러, 상기한 FBG 이외에도, FBG에 비해 훨씬 큰 격자 주기를 가지는 장주기 광섬유 격자(Long-Period Fiber Grating ; LPFG)가 FBG와 함께 꾸준히 연구되어 광통신 및 광센서 분야에서 중요한 광 수동소자로 많은 관심을 받고 있다. In addition, in addition to the above-mentioned FBG, Long-Period Fiber Grating (LPFG), which has a much larger grating period than FBG, has been steadily researched along with FBG, receiving a lot of attention as an important optical passive device in the field of optical communication and optical sensor. there is.

이러한 LPFG는 광섬유 코어에 100 ~ 1000㎛ 범위의 주기로 굴절률을 주기적으로 변조하여 제작될 수 있으며, 격자 주기, 격자 강도 및 위상 천이와 같은 격자의 매개변수(parameter)를 변경하여 원하는 민감도와 투과(transmission) 성능을 달성할 수 있는 유연성을 가지고 있고, UV 레이저 노출(exposure), 전기 아크(arc) 방전 및 이산화탄소 레이저 방사(irradiation) 등의 방법들을 통해 제작이 가능하다. Such an LPFG can be manufactured by periodically modulating the refractive index of an optical fiber core with a period ranging from 100 to 1000 μm, and by changing grating parameters such as grating period, grating intensity, and phase shift, desired sensitivity and transmission. ) performance, and can be fabricated through methods such as UV laser exposure, electric arc discharge, and carbon dioxide laser irradiation.

더욱이, LPFG는 전자기 간섭(electromagnetic interference) 내성, 절연성, 방수성, 경량, 다중화 기능 및 빠른 응답 등의 장점을 가짐으로 인해 다양한 격자 조건에서 제작된 LPFG들이 온도, 굽힘, 스트레인(길이 방향 장력), 비틀림(torsion/twist) 및 굴절률과 같은 기계적 및 물리적 변수들을 측정하기 위한 센서부로 사용되어 왔다. Furthermore, because LPFG has advantages such as electromagnetic interference immunity, insulation, waterproofness, light weight, multiplexing function, and fast response, LPFGs manufactured under various grid conditions are resistant to temperature, bending, strain (longitudinal tension), and torsion. It has been used as a sensor unit to measure mechanical and physical variables such as (torsion/twist) and refractive index.

특히, 이러한 측정 변수들 중 굽힘은 필수적이고 핵심적인 측정변수 중의 하나로, 광섬유 굽힘 센서는 자율주행, 항공우주, 건축 및 토목, 풍력 및 수력 발전 등과 같은 여러 응용 분야에서 구조물 안전진단에 유용하게 활용될 수 있다. In particular, among these measurement variables, bending is one of the essential and key measurement variables, and the fiber optic bending sensor will be useful for structural safety diagnosis in various application fields such as autonomous driving, aerospace, architecture and civil engineering, wind power and hydroelectric power generation. can

그러나 FBG 뿐만 아니라 LPFG 기반 센서에서도 온도와 굽힘 사이의 교차 민감도가 센서의 감지성능을 제한할 수 있는 문제점이 있으므로, 정확한 굽힘 측정을 위해서는 센서의 온도 교차 의존성이 반드시 해결되어야 하며, 이러한 LPFG의 온도 교차 의존성 문제를 해결하기 위해 현재까지 스트레인과 온도, 비틀림과 온도 그리고 굴절률과 온도와 같은 변수를 동시 측정하는 연구들이 수행되어 왔고, 특히, 센서부에 굽힘이 인가될 때 스트레인이 동시에 가해지는 상황이 많이 발생하기 때문에 굽힘 센서의 경우 굽힘 인가 시 수반되는 스트레인에 의한 영향을 최소화하는 것이 요구된다. However, in both FBG and LPFG-based sensors, there is a problem that cross-sensitivity between temperature and bending can limit the sensing performance of the sensor. Therefore, the temperature cross-dependence of the sensor must be resolved in order to accurately measure bending, and this temperature cross-over of LPFG In order to solve the dependency problem, studies have been conducted to simultaneously measure variables such as strain and temperature, torsion and temperature, and refractive index and temperature. In particular, there are many situations where strain is simultaneously applied when bending is applied to the sensor unit. Therefore, in the case of a bending sensor, it is required to minimize the influence of the strain accompanying bending application.

즉, 상기한 바와 같이, 광섬유 브래그 격자(FBG)나 장주기 광섬유 격자(LPFG) 등을 이용하여 특정한 물리량을 측정하는 종래 기술들의 광섬유 격자 기반 측정장치 및 방법들은 온도와 굽힘 사이의 교차 민감도로 인해 센서의 감지성능이 제한되는 문제가 있으며, 일반적으로 하나의 센서로 하나의 물리량만이 측정 가능한 것이 대부분으로 복수의 물리량을 측정하기 위하여는 그만큼 센서의 수를 늘려야 하는 문제가 있었다. That is, as described above, conventional optical fiber grating-based measuring devices and methods for measuring a specific physical quantity using a fiber Bragg grating (FBG) or a long period fiber grating (LPFG) have a sensor sensitivity due to the cross sensitivity between temperature and bending. There is a problem that the sensing performance of is limited, and in general, only one physical quantity can be measured with one sensor, so there is a problem that the number of sensors must be increased by that much to measure a plurality of physical quantities.

또한, 상기한 FBG나 LPFG 등과 같은 종래 기술의 광섬유 격자 기반 측정장치 및 방법들은, 특히, 센서부에 굽힘이 인가될 때 스트레인(strain)이 동시에 가해지는 것에 의해 측정결과가 부정확해지는 문제도 있었다. In addition, the prior art optical fiber grating-based measurement devices and methods, such as the FBG or LPFG, have a problem in that measurement results are inaccurate due to strain being simultaneously applied when bending is applied to the sensor unit.

이에, 상기한 바와 같은 종래 기술의 광섬유 격자 기반 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 예를 들면, 굽힘 및 온도와 같이, 단일의 센서로 센서부에 인가되는 복수의 물리량을 동시에 측정할 수 있는 동시에, 측정 중에 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 동시측정을 수행할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 광섬유 격자 기반 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다. Accordingly, in order to solve the problems of the prior art fiber optic grating-based measuring devices and methods as described above, a plurality of physical quantities applied to the sensor unit, such as bending and temperature, must be simultaneously measured with a single sensor. At the same time, it is desirable to propose a new optical fiber lattice-based simultaneous measurement device and method for simultaneous measurement of bending and temperature, which is configured to perform simultaneous measurement regardless of strain even if strain is applied to the sensor unit during measurement. A device or method that satisfies all the requirements has not yet been presented.

한국 공개특허공보 제10-2010-0095252호 (2010.08.30.)Korean Patent Publication No. 10-2010-0095252 (2010.08.30.) 한국 등록특허공보 제10-0367297호 (2002.12.23.)Korean Registered Patent Publication No. 10-0367297 (2002.12.23.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 온도와 굽힘 사이의 교차 민감도로 인해 감지성능이 제한되고, 특히, 센서부에 굽힘이 인가될 때 스트레인(strain)이 동시에 가해지는 것에 의해 측정결과가 부정확해지는 한계가 있었던 종래 기술의 광섬유 격자 기반 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 센서부에 인가되는 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있는 동시에, 측정 중 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 동시측정을 수행할 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다. The present invention is intended to solve the problems of the prior art as described above, and therefore, an object of the present invention is that sensing performance is limited due to cross sensitivity between temperature and bending, and in particular, strain when bending is applied to the sensor unit. In order to solve the problems of the prior art optical fiber grating-based measuring devices and methods, which have limitations in that measurement results are inaccurate due to simultaneous application of strain, it is possible to simultaneously measure the bending and temperature applied to the sensor unit, A long-period optical fiber grating (LPFG)-based double-cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) configured to perform simultaneous measurement regardless of strain even if strain is applied to the sensor unit during measurement, and strain-independent bending and It is intended to provide a device and method for simultaneous temperature measurement.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 측정 중 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있도록 하기 위해, 이중 클래딩 광섬유(DCF)에 일정한 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사하여 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조시켜 제작되는 LPFG 2개를 일정한 간격을 두고 직렬로 연결하여 구성됨으로써, 복수의 센서부를 사용할 필요 없이 단일 센서부를 이용하여 두 가지 물리량의 동시측정이 가능하고, 기존의 FBG에 비해 제작공정의 편의성 향상 및 제작비용 절감이 가능하며, 이산화탄소 레이저를 사용함으로써 마스크 없이 제작이 가능하여 저단가 LPFG 제작이 가능한 데 더하여, 굽힘이 인가될 때 인장/압축 스트레인이 인가되더라도 LPFG의 스펙트럼에 변화가 없으므로 굽힘 및 온도 동시측정의 정확도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다. In addition, another object of the present invention, as described above, even if strain is applied to the sensor unit during measurement, in order to simultaneously measure bending and temperature regardless of strain, carbon dioxide (CO 2 ) By irradiating laser pulses and periodically modulating the refractive index of the core of DCF, it is composed of connecting two LPFGs in series at regular intervals. Simultaneous measurement of physical quantities is possible, it is possible to improve the convenience of the manufacturing process and reduce the manufacturing cost compared to the existing FBG, and it is possible to manufacture low-cost LPFG by using a carbon dioxide laser, which can be manufactured without a mask. long-period optical fiber grating (LPFG)-based double-cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) configured to improve the accuracy of simultaneous bending and temperature measurement because there is no change in the spectrum of the LPFG even when tensile / compressive strain is applied, and It is intended to provide a device and method for simultaneous measurement of bending and temperature independent of the strain used.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 센서부에 인가되는 스트레인(strain)에 무관하게 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(Long-Period Fiber Grating ; LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(Double-Clad Fiber ; DCF) 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer ; MZI)에 있어서, 상기 이중 클래딩 광섬유(DCF)의 코어(core)에 미리 정해진 일정 간격을 두고 직렬로 연결된 2개의 장주기 광섬유 격자(LPFG)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)가 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, a long-period fiber grating (LPFG) configured to simultaneously measure bending and temperature regardless of strain applied to the sensor unit. In a Double-Clad Fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) based double-clad fiber (DCF), two cores of the double-clad fiber (DCF) are connected in series at a predetermined interval. A long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) is provided, characterized in that it is configured to include a long period fiber grating (LPFG).

여기서, 상기 LPFG는, 상기 DCF에 미리 정해진 일정 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사(illumination)하여 상기 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조(modulation)시키는 것에 의해 각각 형성되는 것을 특징으로 한다. Here, the LPFG is formed by periodically modulating the core refractive index of the DCF by illuminating the DCF with a carbon dioxide (CO 2 ) laser pulse at a predetermined period. do.

또한, 상기 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)는, 상기 DCF MZI의 투과 스펙트럼에서 클래딩 모드 차수(cladding-mode order)가 서로 다른 두 골(dip)을 각각 굽힘과 온도의 측정을 위한 센서 표지자(indicator dip)로 선택하고, 상기 센서 표지자의 굽힘 및 온도에 의한 파장 이동량을 측정하는 것에 의해 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the long-period optical fiber grating (LPFG)-based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) measures two dips having different cladding-mode orders in the transmission spectrum of the DCF MZI, respectively. It is characterized in that it is configured to measure bending and temperature simultaneously by selecting a sensor indicator (indicator dip) for measuring bending and temperature, and measuring the amount of wavelength shift by bending and temperature of the sensor marker.

아울러, 상기 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)는, 상기 DCF의 내부클래딩(inner cladding) 지름이 미리 정해진 기준보다 크게 형성되는 것에 의해 측정 중 스트레인(strain)이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 굽힘과 온도의 동시측정이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the long-period optical fiber grating (LPFG)-based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) is formed so that the diameter of the inner cladding of the DCF is larger than a predetermined standard, so that the strain during measurement Even if this is applied, it is characterized in that it is configured to enable simultaneous measurement of bending and temperature regardless of strain.

여기서, 상기 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)는, 상기 DCF의 내부클래딩 지름이 외부 클래딩(outer cladding) 지름의 80% 이상으로 형성되는 것을 특징으로 한다. Here, the long-period optical fiber grating (LPFG)-based double-cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) is characterized in that the inner cladding diameter of the DCF is formed to be 80% or more of the outer cladding diameter.

또는, 상기 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)는, 상기 DCF의 내부클래딩 지름이 100㎛ 이상으로 형성되는 것을 특징으로 한다. Alternatively, the long-period optical fiber grating (LPFG)-based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) is characterized in that the inner cladding diameter of the DCF is formed to be 100 μm or more.

더욱이, 상기 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)는, 상기 DCF의 코어에 상기 장주기 광섬유 격자(LPFG)를 3개 이상 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. Moreover, the long-period fiber optic grating (LPFG)-based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) is configured to include three or more long-period fiber optic gratings (LPFG) in the core of the DCF.

또한, 본 발명에 따르면, 센서부에 인가되는 스트레인(strain)에 무관하게 굽힘 및 온도를 동시에 측정 가능하도록 구성되는 굽힘 및 온도 동시 측정장치에 있어서, 상기 센서부는, 상기에 기재된 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 굽힘 및 온도 동시 측정장치가 제공된다. In addition, according to the present invention, in the simultaneous bending and temperature measuring device configured to simultaneously measure bending and temperature regardless of strain applied to the sensor unit, the sensor unit includes the above-described long-period fiber optic grating (LPFG). )-based double cladding optical fiber (DCF) is provided with a simultaneous bending and temperature measuring device characterized in that it is configured to include a Mach-Zehnder interferometer (MZI).

아울러, 본 발명에 따르면, 센서부에 인가되는 스트레인(strain)에 무관하게 굽힘 및 온도를 동시에 측정 가능하도록 구성되는 굽힘 및 온도 동시 측정방법에 있어서, 상기에 기재된 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)를 이용하여 상기 센서부를 구현하는 단계; 및 상기 센서부를 통하여 굽힘 및 온도의 동시측정을 수행하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 굽힘 및 온도 동시 측정방법이 제공된다. In addition, according to the present invention, in the simultaneous bending and temperature measurement method configured to simultaneously measure bending and temperature regardless of the strain applied to the sensor unit, the long-period fiber optic grating (LPFG)-based double cladding described above Implementing the sensor unit using a optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI); and simultaneously measuring bending and temperature through the sensor unit.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이중 클래딩 광섬유(DCF)에 일정한 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사하여 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조시켜 제작되는 LPFG 2개를 일정한 간격을 두고 직렬로 연결하여 이루어지는 것에 의해 스트레인에 무관하게 굽힘 및 온도의 동시측정이 가능하도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법이 제공됨으로써, 온도와 굽힘 사이의 교차 민감도로 인해 감지성능이 제한되고, 특히, 센서부에 굽힘이 인가될 때 스트레인(strain)이 동시에 가해지는 것에 의해 측정결과가 부정확해지는 한계가 있었던 종래 기술의 광섬유 브래그 격자(FBG) 및 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the present invention, two LPFGs manufactured by periodically modulating the refractive index of the core of the DCF by irradiating the double-cladding optical fiber (DCF) with carbon dioxide (CO 2 ) laser pulses at regular intervals. long-period optical fiber grating (LPFG)-based double-cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) configured to enable simultaneous measurement of bending and temperature regardless of strain by connecting in series and strain-independent bending using the same And by providing a temperature simultaneous measurement device and method, the sensing performance is limited due to the cross sensitivity between temperature and bending, and in particular, when bending is applied to the sensor unit, strain is simultaneously applied, resulting in inaccurate measurement results. It is possible to solve the problems of conventional fiber Bragg grating (FBG) and long period fiber grating (LPFG)-based measuring devices and methods, which have limitations.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 측정 중 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법이 제공됨으로써, 복수의 센서부를 사용할 필요 없이 단일 센서부를 이용하여 두 가지 물리량의 동시측정이 가능하고, 기존의 FBG에 비해 제작공정의 편의성 향상 및 제작비용 절감이 가능하며, 이산화탄소 레이저를 사용함으로써 마스크 없이 제작이 가능하여 저단가 LPFG 제작이 가능한 데 더하여, 굽힘이 인가될 때 인장/압축 스트레인이 인가되더라도 LPFG의 스펙트럼에 변화가 없으므로 굽힘 및 온도 동시측정의 정확도를 향상시킬 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, even if a strain is applied to the sensor unit during measurement, a long period fiber optic grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zender configured to simultaneously measure bending and temperature regardless of the strain By providing an interferometer (MZI) and a device and method for simultaneous measurement of bending and temperature independent of strain using the same, it is possible to simultaneously measure two physical quantities using a single sensor unit without using a plurality of sensor units, compared to the existing FBG. It is possible to improve the convenience of the manufacturing process and reduce the manufacturing cost, and by using a carbon dioxide laser, it is possible to manufacture LPFG at low cost because it can be manufactured without a mask. In addition, even if tensile/compressive strain is applied when bending is applied, the spectrum of LPFG changes Since there is no measurement, the accuracy of simultaneous measurement of bending and temperature can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 DCF MZI의 투과 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 도면이다
도 3은 도 1에 나타낸 DCF MZI에 대하여 굽힘 반응과 온도 반응 및 스트레인 반응을 각각 측정하기 위한 실험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 선택된 센서 표지자들에 대하여 굽힘 반응에 대한 측정결과를 나타내는 도면이다
도 5는 선택된 센서 표지자들에 대하여 온도 반응에 대한 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 선택된 센서 표지자들에 대하여 스트레인 반응에 대한 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 외부 섭동 없이 실온에서 측정한 제작된 DCF MZI의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 8은 상온에서 1.484 ~ 4.451m-1의 곡률 범위에 대해 측정된 DA, DB 및 DC의 굽힘으로 인한 스펙트럼 변화를 각각 나타내는 도면이다.
도 9는 굽힘을 인가하지 않고 30 ~ 100℃의 주변 온도 범위에 대하여 측정된 DA, DB 및 DC의 온도에 의한 스펙트럼 변화를 각각 나타내는 도면이다.
도 10은 1.484 ~ 4.451m-1의 곡률 범위와 30 ~ 100℃의 주변 온도 범위에서 측정된 DA, DB 및 DC의 굽힘 및 온도에 의한 파장 이동을 각각 나타내는 도면이다.
도 11은 DA, DB 및 DC의 스트레인에 의한 스펙트럼 변화를 나타내는 도면이다.
도 12는 2개의 표지자 골(DA 및 DB)을 이용하여 적용된 ΔC, ΔT의 값에 대하여 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서에 의해 측정된 ΔC, ΔT 값을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서와 종래 기술에 제안된 광섬유 센서들의 굽힘, 온도, 변형에 대한 민감도 및 동시측정 기능을 포함하는 센서특성을 비교한 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the results of measuring the transmission spectrum of the DCF MZI shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram schematically showing the overall configuration of an experimental device for measuring the bending response, temperature response, and strain response, respectively, for the DCF MZI shown in FIG. 1.
4 is a diagram showing the measurement results for the bending response with respect to selected sensor markers.
5 is a diagram showing measurement results for temperature response with respect to selected sensor markers.
6 is a diagram showing measurement results for strain response with respect to selected sensor markers.
7 is a diagram showing the transmission spectrum of the fabricated DCF MZI measured at room temperature without external perturbation.
8 is a diagram showing spectral changes due to bending of DA, DB, and DC measured for a curvature range of 1.484 to 4.451 m −1 at room temperature.
FIG. 9 is a diagram showing spectral changes according to temperature of DA, DB, and DC measured for an ambient temperature range of 30 to 100° C. without applying bending.
FIG. 10 is a diagram showing the bending and temperature-dependent wavelength shifts of DA, DB, and DC measured in a curvature range of 1.484 to 4.451 m −1 and an ambient temperature range of 30 to 100° C.
11 is a diagram showing spectral changes due to strain of DA, DB, and DC.
12 is a diagram showing ΔC and ΔT values measured by an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention with respect to ΔC and ΔT values applied using two marker valleys (DA and DB).
13 is a table showing the comparison results of sensor characteristics, including sensitivities to bending, temperature, and deformation, and simultaneous measurement functions of an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention and an optical fiber sensor proposed in the prior art.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, detailed implementation of a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) and a strain-independent bending and temperature simultaneous measurement device and method using the same according to the present invention An example is described.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Here, it should be noted that the contents described below are only one embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래 기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. In addition, in the following description of the embodiments of the present invention, with respect to parts that are identical or similar to the contents of the prior art or are determined to be easily understood and implemented at the level of those skilled in the art, the detailed descriptions are provided in order to simplify the description. It should be noted that .

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 온도와 굽힘 사이의 교차 민감도로 인해 감지성능이 제한되고, 특히, 센서부에 굽힘이 인가될 때 스트레인(strain)이 동시에 가해지는 것에 의해 측정결과가 부정확해지는 한계가 있었던 종래 기술의 광섬유 격자기반 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 센서부에 인가되는 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있는 동시에, 측정 중 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 동시측정을 수행할 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법에 관한 것이다. That is, in the present invention, as will be described later, sensing performance is limited due to cross sensitivity between temperature and bending. In order to solve the problems of the prior art optical fiber grating-based measuring devices and methods, which have limitations, it is possible to simultaneously measure the bending and temperature applied to the sensor unit, and at the same time, even if strain is applied to the sensor unit during measurement, regardless of the strain It relates to a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) configured to perform simultaneous measurement, and an apparatus and method for simultaneous measurement of bending and temperature independent of strain using the same.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 이중 클래딩 광섬유(DCF)에 일정한 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사하여 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조시켜 제작되는 LPFG 2개를 일정한 간격을 두고 직렬로 연결하여 구성됨으로써, 복수의 센서부를 사용할 필요 없이 단일 센서부를 이용하여 두 가지 물리량의 동시측정이 가능하고, 기존의 FBG에 비해 제작공정의 편의성 향상 및 제작비용 절감이 가능하며, 이산화탄소 레이저를 사용함으로써 마스크 없이 제작이 가능하여 저단가 LPFG 제작이 가능한 데 더하여, 굽힘이 인가될 때 인장/압축 스트레인이 인가되더라도 LPFG의 스펙트럼에 변화가 없으므로 굽힘 및 온도 동시측정의 정확도를 향상시킬 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법에 관한 것이다. In addition, as will be described later, the present invention, as will be described later, irradiates carbon dioxide (CO 2 ) laser pulses on a double-cladding optical fiber (DCF) at regular intervals to periodically modulate the refractive index of the core of the DCF to create two LPFGs at regular intervals. By being configured by connecting in series with a plurality of sensor units, it is possible to simultaneously measure two physical quantities using a single sensor unit without using a plurality of sensor units, and it is possible to improve the convenience of the manufacturing process and reduce manufacturing costs compared to the existing FBG, carbon dioxide In addition to being able to manufacture low-cost LPFG because it can be manufactured without a mask by using a laser, even when tensile/compressive strain is applied when bending is applied, there is no change in the spectrum of LPFG, so that the accuracy of simultaneous bending and temperature measurement can be improved. It relates to a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) and an apparatus and method for simultaneous measurement of bending and temperature independent of strain using the same.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Continuing, with reference to the drawings, the details of the long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) and the strain-independent bending and temperature simultaneous measurement device and method using the same according to the present invention. explain about.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. First, referring to FIG. 1, FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to an embodiment of the present invention.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 굽힘 및 온도 동시 측정장치는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 외부클래딩(outer cladding)과 내부클래딩(inner cladding)으로 구성되는 DCF의 코어(core)에 LPFG 2개가 일정 간격(L)을 두고 직렬로 연결된 형태로 형성되는 DCF MZI를 센서부(sensor head)로 이용하여, 센서부에 인가되는 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있는데 더하여 측정 중 센서부에 스트레인(strain), 즉, 길이 방향의 장력이 인가되더라도 그에 무관하게 동시측정을 수행할 수 있도록 구성되는 것이다. That is, as shown in FIG. Using DCF MZI, which is formed in a form in which two LPFGs are connected in series at a regular interval (L) to the core of DCF, which consists of cladding and inner cladding, as a sensor head, the sensor Bending and temperature applied to the unit can be simultaneously measured, and in addition, even if strain, that is, tension in the longitudinal direction is applied to the sensor unit during measurement, simultaneous measurement can be performed regardless of it.

여기서, 상기한 센서부의 핵심요소인 LPFG는 DCF에 일정한 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사(illumination)하여 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조(modulation)시켜 제작되며, 이러한 LPFG를 일정한 간격을 두고 2개를 제작하여 두 LPFG를 직렬로 연결하는 것으로 DCF MZI를 구현할 수 있다. Here, the LPFG, which is a key element of the sensor unit, is manufactured by periodically modulating the refractive index of the core of the DCF by illuminating the DCF with carbon dioxide (CO 2 ) laser pulses at regular intervals. DCF MZI can be implemented by manufacturing two at intervals and connecting two LPFGs in series.

더 상세하게는, 일반적으로 LPFG는 동일방향 모드 결합(co-directional mode coupling)에 의해 수백 나노미터의 파장(wavelength) 대역에 걸쳐 여러 개의 불연속적인 손실 골(dip)을 가지며, DCF MZI는 두 LPFG가 직렬로 연결되어 있기 때문에 첫번째 LPFG에서 코어로부터 클래딩으로 결합된 모드가 LPFG가 없는 영역의 클래딩으로 일정 거리를 도파한 뒤, 두번째 LPFG를 만나면 다시 코어 모드로 재결합될 수 있다. More specifically, LPFG generally has several discontinuous loss dips over a wavelength band of hundreds of nanometers by co-directional mode coupling, and DCF MZI is two LPFG Since are connected in series, the modes coupled from the core to the cladding in the first LPFG can be recombined into the core mode when they meet the second LPFG after being guided a certain distance to the cladding in the area without the LPFG.

이때, 재결합된 클래딩 모드와 첫번째 LPFG에서 모드 결합되지 않고 그대로 진행하여 두번째 LPFG에 도달된 코어 모드는 두번째 LPFG의 코어 영역에서 서로 만나게 되어 간섭을 발생시킨다. At this time, the recombined cladding modes and the core modes that proceed as they are without mode coupling in the first LPFG and reach the second LPFG meet each other in the core region of the second LPFG, causing interference.

이러한 DCF MZI의 간섭 스펙트럼에서 클래딩 모드 차수(cladding-mode order)가 다른 두 골을 굽힘과 온도의 동시측정을 위한 센서 표지자(indicator dip)로 선택할 수 있으며, 이와 같이 하여 선택된 두 센서 표지자 골에 대해 굽힘 및 온도 반응을 독립적으로 측정하는 것이 가능하다. In the DCF MZI interference spectrum, two valleys with different cladding-mode orders can be selected as indicator dips for simultaneous measurement of bending and temperature. It is possible to measure the bending and temperature response independently.

즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 DCF MZI의 투과(transmission) 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 도면이다. That is, referring to FIG. 2, FIG. 2 is a diagram showing the result of measuring the transmission spectrum of the DCF MZI according to the embodiment of the present invention shown in FIG.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같이 하여 이산화탄소 레이저를 이용하여 제작된 본 발명의 실시예에 따른 DCF MZI의 투과 스펙트럼은 1522.8 nm 및 1590.4 nm에서 투과 극소값을 나타내고 있으며, 본 실시예에서는 이러한 손실 골들을 각각 DA와 DB로 지정하여 센서 표지자로 사용하였다. As shown in FIG. 2, the transmission spectrum of the DCF MZI according to an embodiment of the present invention manufactured using a carbon dioxide laser as described above shows transmission minima at 1522.8 nm and 1590.4 nm, and in this embodiment, these losses The valleys were designated as DA and DB, respectively, and used as sensor markers.

다음으로, 도 3 내지 도 6을 참조하면, 먼저, 도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 DCF MZI에 대하여 굽힘 반응과 온도 반응 및 스트레인 반응을 각각 측정하기 위한 실험장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. Next, referring to FIGS. 3 to 6, first, FIG. 3 is the overall configuration of the experimental apparatus for measuring the bending response, temperature response, and strain response, respectively, for the DCF MZI according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It is a diagram schematically showing.

또한, 도 4 내지 도 6은 상기한 바와 같이 하여 선택된 센서 표지자들에 대한 굽힘 반응과 온도 반응 및 스트레인 반응을 도 3에 나타낸 바와 같은 실험장치를 통하여 각각 측정한 결과를 그래프로 나타내는 도면이다. In addition, FIGS. 4 to 6 are graphs showing the results of measuring the bending response, temperature response, and strain response for the sensor markers selected as described above through the experimental device shown in FIG. 3 .

여기서, 도 4 내지 도 6에 있어서, 도 4는 굽힘 반응에 대한 측정결과이고, 도 5는 온도 반응에 대한 측정결과이며, 도 6은 스트레인 반응에 대한 측정결과를 각각 나타내고 있다. Here, in FIGS. 4 to 6, FIG. 4 is a measurement result for a bending response, FIG. 5 is a measurement result for a temperature response, and FIG. 6 shows a measurement result for a strain response, respectively.

즉, 본 발명자들은, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 DCF MZI를 제작하고 센서 표지자(DA, DB)를 각각 선정하여 도 3에 나타낸 바와 같은 실험장치를 통해 1.48 ~ 4.45 m-1의 곡률 범위와 30 ~ 110 ℃의 온도 범위에 대하여 굽힘, 온도, 스트레인 반응을 각각 측정하였다. That is, the present inventors fabricated the DCF MZI according to the embodiment of the present invention as described above with reference to FIGS. The bending, temperature, and strain responses were respectively measured for a curvature range of 1.48 to 4.45 m -1 and a temperature range of 30 to 110 °C.

측정결과, 먼저, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상온에서 DCF MZI에 인가되는 굽힘이 증가함에 따라 DA와 DB는 각각 청색 천이와 적색 천이를 나타내었으며, 측정된 굽힘 반응으로부터 DA와 DB의 굽힘 민감도는 각각 -911.3 pm/m-1와 233.3 pm/m-1로 주어진다. As a result of the measurement, first, as shown in FIG. 4, as the bending applied to the DCF MZI at room temperature increased, DA and DB showed a blue transition and a red transition, respectively, and the bending sensitivity of DA and DB from the measured bending response They are given as -911.3 pm/m -1 and 233.3 pm/m -1 respectively.

또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 굽힘 반응과는 달리 DA와 DB는 주변 온도가 증가함에 따라 서로 다른 양의 적색 천이를 나타내었으며, 이때, 센서부는 굽힘이 인가되지 않도록 평평하게 유지되었고, 측정된 온도 반응으로부터 DA와 DB의 온도 민감도는 각각 56.4 pm/℃와 74.6 pm/℃로 주어진다. In addition, as shown in FIG. 5, unlike the bending response, DA and DB showed different amounts of red transition as the ambient temperature increased. At this time, the sensor unit was kept flat so that no bending was applied, and the measured From the temperature response, the temperature sensitivities of DA and DB are given as 56.4 pm/℃ and 74.6 pm/℃, respectively.

도 4 및 도 5의 측정결과로부터 알 수 있듯이, 두 센서 표지자들은 굽힘과 온도에 대해 선형적이고 서로 독립적인 반응을 나타내며, 따라서 도 4 및 도 5로부터 결정되는 두 센서 표지자들의 굽힘 및 온도 민감도를 이용하면 두 센서 표지자들의 굽힘 및 온도에 의한 파장 이동량을 측정하여 DCF MZI에 인가되는 굽힘과 온도 변화량을 동시에 측정하는 것이 가능하다. As can be seen from the measurement results of FIGS. 4 and 5, the two sensor markers exhibit linear and independent responses to bending and temperature, and therefore, using the bending and temperature sensitivities of the two sensor markers determined from FIGS. 4 and 5 It is possible to simultaneously measure the amount of bending and temperature change applied to the DCF MZI by measuring the amount of wavelength shift due to bending and temperature of the two sensor markers.

특히, 도 6에 나타낸 바와 같이, 0 ~ 1136 με의 스트레인 범위에서 센서 표지자들의 스트레인 인가에 따른 파장 변화를 측정한 결과, DA와 DB의 스트레인 민감도는 각각 -0.048 pm/με과 0.045 pm/με으로 측정되었고, 이러한 스트레인 인가에 따른 파장 천이량은 너무 작아서 굽힘과 온도의 동시측정 결과에 거의 영향을 미치지 않는다. In particular, as shown in FIG. 6, as a result of measuring the wavelength change according to the strain application of the sensor markers in the strain range of 0 to 1136 με, the strain sensitivities of DA and DB were -0.048 pm/με and 0.045 pm/με, respectively. measured, and the amount of wavelength shift according to the strain application is so small that it hardly affects the results of simultaneous measurement of bending and temperature.

따라서 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 DCF MZI는 외부 스트레인에 영향받지 않고 굽힘과 온도를 동시에 정확히 측정할 수 있는 센서부로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. Therefore, the DCF MZI according to the embodiment of the present invention configured as described above is expected to be used as a sensor unit that can accurately measure bending and temperature at the same time without being affected by external strain.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 굽힘 및 온도 동시 측정장치는, 이중 클래딩 광섬유(DCF)의 코어에 장주기 광섬유 격자(LPFG)가 직렬로 연결된 형태로 구현되는 DCF MZI를 센서부(sensor head)로 이용하여 센서부에 인가되는 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있도록 구성되는 것으로, 이때, 동시측정 중 센서부에 스트레인(strain), 즉, 길이 방향의 장력이 인가되더라도 그에 무관하게 동시측정을 수행할 수 있는 장점을 가지는 것이다. As described above, the long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) and simultaneous bending and temperature measuring device using the same according to an embodiment of the present invention are the core of the double cladding optical fiber (DCF) It is configured to measure the bending and temperature applied to the sensor unit at the same time by using the DCF MZI implemented in the form of a long-period fiber optic grating (LPFG) connected in series as a sensor head. At this time, during simultaneous measurement Even if strain, that is, tension in the longitudinal direction is applied to the sensor unit, it has the advantage of being able to perform simultaneous measurement regardless of it.

이를 위해, DCF에 일정한 주기로 이산화탄소 레이저 펄스를 조사(illumination)하여 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조(modulation)시키는 것에 의해 센서부의 핵심 요소인 LPFG를 제작하며, 이러한 LPFG를 일정한 간격을 두고 2개를 제작하고 직렬로 연결하여 DCF MZI를 구현한다. To this end, the LPFG, which is a key element of the sensor unit, is manufactured by periodically modulating the refractive index of the core of the DCF by illuminating the DCF with a carbon dioxide laser pulse at regular intervals. Two are fabricated and connected in series to implement DCF MZI.

또한, 일반적으로 LPFG는 동일방향 모드 결합(co-directional mode coupling)에 의해 수백 나노미터의 파장(wavelength) 대역에 걸쳐 여러 개의 불연속적인 손실 골(dip)을 가지며, 본 발명의 실시예에 따른 DCF MZI는 2개의 LPFG가 직렬로 연결되어 있으므로 첫번째 LPFG의 코어에서 클래딩으로 결합된 모드가 LPFG가 없는 영역의 클래딩으로 일정 거리를 도파한 뒤, 두번째 LPFG를 만나면 다시 코어 모드로 재결합될 수 있다. In addition, LPFG generally has several discontinuous loss dips over a wavelength band of hundreds of nanometers due to co-directional mode coupling, and the DCF according to an embodiment of the present invention In the MZI, since two LPFGs are connected in series, the mode coupled from the core of the first LPFG to the cladding can be recombined into the core mode when it encounters the second LPFG after guiding a certain distance to the cladding in the region where there is no LPFG.

이때, 재결합된 클래딩 모드와 첫번째 LPFG에서 모드 결합되지 않고 그대로 진행하여 두번째 LPFG에 도달된 코어 모드는 두번째 LPFG의 코어 영역에서 서로 만나게 되어 간섭을 발생시킨다. At this time, the recombined cladding modes and the core modes that proceed as they are without mode coupling in the first LPFG and reach the second LPFG meet each other in the core region of the second LPFG, causing interference.

이러한 DCF MZI의 투과 스펙트럼에서 클래딩 모드 차수(cladding-mode order)가 다른 두 골(dip)을 굽힘과 온도의 동시측정을 위한 센서 표지자(indicator dip)로 선택할 수 있으며, 이와 같이 하여 선택된 두 센서 표지자 골을 골 I 및 골 II라고 하면, 두 표지자 골에 대해 굽힘 및 온도 반응을 독립적으로 측정하는 것이 가능하다. In the transmission spectrum of DCF MZI, two dips with different cladding-mode order can be selected as indicator dips for simultaneous measurement of bending and temperature. Letting the bones be Bone I and Bone II, it is possible to measure the flexural and temperature responses independently for the two marker bones.

여기서, 측정된 굽힘 반응이 선형적이면 골 I과 골 II의 굽힘 민감도(SB,I 및 SB,II)를 구할 수 있고, 마찬가지로 측정된 온도 반응이 선형적이면 골 I과 골 II의 온도 민감도(ST,I 및 ST,II)를 구할 수 있다. Here, if the measured bending response is linear, the bending sensitivities (S B,I and S B,II ) of valley I and valley II can be obtained, and similarly, if the measured temperature response is linear, the temperature of valley I and valley II The sensitivities (S T,I and S T,II ) can be obtained.

즉, 상기한 두 골(골 I 및 II)의 굽힘 반응 및 온도 반응이 각각 독립적이라면, 다시 말해, SB,I/ST,I이 SB,II/ST,II와 같지 않다면, 센서부에 인가되는 굽힘 및 온도 변화를 2원 1차 연립방정식을 통해 동시에 구할 수 있다. That is, if the bending response and temperature response of the above two bones (bones I and II) are independent, that is, if S B,I /S T,I is not equal to S B,II /S T,II , the sensor Bending applied to the part and temperature change can be obtained simultaneously through a system of binary linear equations.

특히, DCF에 제작된 LPFG는 DCF의 내부클래딩(inner cladding) 지름이 클수록 외부에서 인가되는 스트레인에 대해 둔감한 특성을 가지므로, 예를 들면, 내부클래딩 지름이 100㎛ 이상, 또는, 내부클래딩 지름이 외부클래딩(outer cladding) 지름의 80% 이상인 DCF를 사용할 경우, 스트레인 민감도가 일반 단일 모드 광섬유(single-mode fiber ; SMF)에 제작된 LPFG에 비해 20배 이상 감소된 LPFG를 제작할 수 있다. In particular, the LPFG made of DCF has a characteristic that is insensitive to externally applied strain as the diameter of the inner cladding of the DCF increases. When using a DCF of 80% or more of the diameter of the outer cladding, it is possible to fabricate an LPFG whose strain sensitivity is reduced by more than 20 times compared to LPFG fabricated on a general single-mode fiber (SMF).

이와 같이 스트레인에 둔감한 DCF에 제작된 LPFG를 기반으로 하는 DCF MZI는 추가적으로 인가되는 스트레인에 의한 파장 이동량이 매우 작으므로 스트레인이 굽힘과 온도의 측정결과에 큰 영향을 미치지 않는다. Since the DCF MZI based on the LPFG fabricated on the strain-insensitive DCF is very small in the amount of wavelength shift by the additionally applied strain, the strain does not greatly affect the measurement results of bending and temperature.

따라서 내부클래딩 지름이 큰 DCF를 이용하여 제작된 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법은 스트레인에 무관하게 굽힘과 온도의 동시측정을 수행할 수 있다. Therefore, a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to an embodiment of the present invention manufactured using a DCF having a large internal cladding diameter and a device and method for simultaneous bending and temperature measurement using the same Simultaneous measurement of bending and temperature can be performed regardless of strain.

즉, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)를 이용하여 센서부를 구성함으로써, 스트레인에 무관하게 굽힘과 온도의 동시측정을 수행할 수 있는 굽힘 및 온도 동시 측정장치를 용이하게 구현할 수 있으며, 아울러, 그러한 굽힘 및 온도 동시 측정장치를 구현하고 굽힘 및 온도의 동시측정을 수행함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 굽힘 및 온도 동시 측정방법을 용이하게 구현할 수 있다. That is, by configuring the sensor unit using the long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to an embodiment of the present invention configured as described above, bending and temperature regardless of strain It is possible to easily implement a simultaneous bending and temperature measuring device capable of performing simultaneous measurement of, and in addition, by implementing such a simultaneous bending and temperature measuring device and performing simultaneous measurement of bending and temperature, according to an embodiment of the present invention Simultaneous measurement of bending and temperature can be easily implemented.

여기서, 도 1 내지 도 4를 참조하여 상기한 실시예에서는 본 발명의 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)가 직렬로 연결된 2개의 장주기 광섬유 격자(LPFG)를 포함하여 구성되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 상기한 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 예를 들면, DCF의 코어에 3개 이상 복수의 LPFG를 포함하여 구성될 수도 있는 등, 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양한 형태로 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다. Here, in the above-described embodiment with reference to FIGS. 1 to 4, the long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) of the present invention uses two long period fiber gratings (LPFG) connected in series. Although the present invention has been described as an example of a case configured to include, the present invention is not necessarily limited to the contents of the above-described embodiment, that is, the present invention is, for example, three or more LPFGs in the core of the DCF. It should be noted that it may be configured by modifying and changing in various forms as needed by those skilled in the art within the scope not departing from the spirit and essence of the present invention, such as may be configured including.

계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)를 실제로 구현하여 실험을 수행한 내용 및 결과에 대하여 설명한다. Continuing, the contents and results of experiments performed by actually implementing a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described. do.

즉, 본 발명자들은 도 1에 나타낸 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)를 실제 구현하고 실험을 통해 그 성능을 증명하였다. That is, the present inventors actually implemented a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to an embodiment of the present invention configured as shown in FIG. 1 and proved its performance through experiments. did

더 상세하게는, 도 1에 나타낸 DCF MZI의 구성을 구현함에 있어서, DCF의 양쪽 끝은 단일 모드 광섬유(SMF)와 융합 접속되었고, DCF의 3개층(즉, 코어, 내부 클래딩 및 외부 클래딩)의 직경은 각각 9, 105 및 125 ㎛로 형성되었다. More specifically, in implementing the configuration of the DCF MZI shown in FIG. 1, both ends of the DCF are fusion-spliced with a single-mode optical fiber (SMF), and the three layers of the DCF (ie, the core, inner cladding, and outer cladding) are The diameters were formed to be 9, 105 and 125 μm, respectively.

2개의 동일한 LPFG로 구성된 센서부는 라인별 기술(line-by-line technique)에 의해 10.6 ㎛ CO2 레이저(SYNRAD FSVI30SAC)로 DCF를 조사하여 제조되었으며, 평균출력이 ~ 2.78 W인 집속 레이저빔의 스폿(spot) 크기를 2D 광학스캐너(MINI SCAN)에 설치된 F-θ 렌즈를 사용하여 ~ 70 ㎛로 조정하였다. The sensor unit composed of two identical LPFGs was fabricated by irradiating the DCF with a 10.6 μm CO 2 laser (SYNRAD FSVI30SAC) by the line-by-line technique, and the spot of a focused laser beam with an average power of ~ 2.78 W. (Spot) size was adjusted to ~ 70 μm using an F-θ lens installed on a 2D optical scanner (MINI SCAN).

또한, LPFG의 제조 시, 굽힘 및 온도의 동시측정을 위하여, 굽힘 및 온도 반응에서 서로 다른 섭동 반응(perturbation response)을 얻기 위해, 서로 다른 클래딩 모드를 가지고 파장 영역(wavelength domain)에 널리 퍼진 공진 파장(resonance wavelength)에서 약 5dB의 대역소거비(Band Rejection Ratio ; BRR)를 가지는 감쇠 골(attenuation dip)을 가능한 많이 얻도록 하였으며, 이는, 동일하게 형성된 2개의 LPFG로 구성된 DCF MZI의 제조를 위한 첫 번째 전제조건이다. In addition, for the simultaneous measurement of bending and temperature in the manufacture of LPFG, to obtain different perturbation responses in bending and temperature responses, resonant wavelengths widely spread over the wavelength domain with different cladding modes It was aimed to obtain as many attenuation dips as possible with a Band Rejection Ratio (BRR) of about 5 dB at the resonance wavelength, which is the first for the fabrication of a DCF MZI composed of two identically formed LPFGs. is the second prerequisite.

각각의 LPFG의 제조에 있어서, 관찰 가능한 파장 범위(1460 ~ 1600 nm)에서 뚜렷한 공진 골(resonance dip)이 생성되는 격자의 수를 찾기 위해, 격자 피치(grating pitch), 새김 속도(mark speed) 및 스캔 주기(scanning cycle)의 수 등과 같은 다른 격자 제작 조건을 고정된 상태로 유지하고 격자의 수를 변경해 가면서 LPFG를 제작하여 최적의 격자 수를 결정하였고, 격자 수를 결정한 후, 상기한 첫번째 요구사항을 가장 잘 충족하는 격자 피치를 조정하고 선택하였다. In the manufacture of each LPFG, grating pitch, mark speed and While maintaining other grid fabrication conditions, such as the number of scanning cycles, in a fixed state and changing the number of grids, LPFG was manufactured to determine the optimal number of grids. After determining the number of grids, the first requirement described above The grating pitch that best satisfies the was adjusted and selected.

이러한 격자 제작 조건의 최적화 과정을 통해 첫번째 LPFG의 격자 피치, 격자 수(격자 길이), 새김 속도 및 레이저 스캔 주기 수는 각각 ~ 551.02 ㎛, 40(~ 21.49 mm), 40.0 mm/s 및 1로 결정되었다. Through the optimization process of these grating fabrication conditions, the grating pitch, the number of gratings (lattice length), the engraving speed, and the number of laser scan cycles of the first LPFG were determined to be ~ 551.02 ㎛, 40 (~ 21.49 mm), 40.0 mm/s, and 1, respectively. It became.

한 번의 레이저 스캔 주기 동안, CO2 레이저 빔은 각각의 굴절률 변조된(index-modulated) 층을 만들기 위해 광섬유의 종(longitudinal) 방향에 수직인 양방향(즉, 수평 이동(lateral movement) 없이 위에서 아래로 그리고 아래에서 위로)으로 스캔되었다. During one laser scan cycle, the CO 2 laser beam moves from top to bottom in both directions (ie, without lateral movement) perpendicular to the longitudinal direction of the fiber to create each index-modulated layer. and bottom to top).

센서부(sensor head)의 광섬유 내 MZ 간섭(in-fiber MZ interference)의 선명하고 높은 대조비를 가지는 간섭 스펙트럼을 위해 센서부를 구성하는 두 LPFG의 스펙트럼 특성은 가능한 한 유사해야 하므로, 이에, 두번째 LPFG는 동일한 제작 조건에서 ~ 86.20 mm 길이의 격자 없는 영역(즉, 두 LPFG 간의 분리)을 사이에 두고 형성되었다. The spectral characteristics of the two LPFGs constituting the sensor head should be as similar as possible for a clear and high-contrast interference spectrum of the in-fiber MZ interference of the sensor head. Therefore, the second LPFG Under the same fabrication conditions, a ~86.20 mm long grid-free region (i.e., the separation between the two LPFGs) was formed in between.

DCF MZI의 전체 제작 과정 동안, DCF의 한쪽 끝을 전동 선형 스테이지(motorized linear stage)에 장착된 광섬유 홀더(holder)에 고정한 뒤 광섬유에 약간의 길이 방향 장력을 인가하고 정확한 격자 주기(grating period)를 확보하기 위해 다른 쪽 끝에 10g의 추를 매달았다. During the entire fabrication process of DCF MZI, after fixing one end of the DCF to an optical fiber holder mounted on a motorized linear stage, a slight lengthwise tension is applied to the optical fiber and an accurate grating period is applied. A 10 g weight was hung from the other end to secure it.

또한, 광대역 광원(Fiberlabs FL7701)과 광학 스펙트럼 분석기(OSA, Yokogawa AQ6370C)를 사용하여 DCF MZI의 투과 스펙트럼(transmission spectrum)에 대한 현장 모니터링(in-situ monitoring)을 수행하였다. In addition, in-situ monitoring of the transmission spectrum of the DCF MZI was performed using a broadband light source (Fiberlabs FL7701) and an optical spectrum analyzer (OSA, Yokogawa AQ6370C).

LPFG에서 유도되는 코어 모드(guided core mode)는 기본 코어 모드(fundamental core mode)와 전방 전파 클래딩 모드(forward propagating cladding mode) 사이의 상호작용에 의해 다중 방사 클래딩 모드(multiple radiative cladding mode)로 결합된다(coupled). The guided core mode derived from the LPFG is coupled into multiple radiative cladding modes by the interaction between the fundamental core mode and the forward propagating cladding mode. (coupled).

이러한 모드 결합은 파장에 따라 다르므로 파장에 따라 다른 손실을 얻을 수 있으며, 종래 LPFG의 위상정합 조건(phase-matching condition)은 이하의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. Since this mode coupling differs depending on the wavelength, different losses can be obtained depending on the wavelength, and the phase-matching condition of the conventional LPFG can be expressed as Equation 1 below.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112021005129880-pat00001
Figure 112021005129880-pat00001

여기서, λres는 공진 파장(resonance wavelength)이고, Λ는 격자 주기(grating period)이며, nco,eff 및 nicl,eff는 각각 LPFG의 유도 코어 모드(guided core mode) 및 i번째 클래딩 모드의 유효굴절률(effective refractive index)을 각각 나타낸다. where λ res is the resonance wavelength, Λ is the grating period, and n co,eff and ni cl,eff are the guided core mode and the ith cladding mode of the LPFG, respectively. Each represents an effective refractive index.

종래의 LPFG의 공진 골(resonance dip)은 특정 곡률(curvature) 또는 온도 범위 내에서 매우 선형적인 굽힘(bending) 또는 온도 응답을 나타내고, 서로 다른 클래딩 모드 차수(cladding-mode order)를 가지는 이러한 다중 감쇠 골(multiple attenuation dip)은 굽힘 또는 온도 민감도(sensitivity)가 동일하지 않다. The resonance dip of a conventional LPFG exhibits a highly linear bending or temperature response within a specific curvature or temperature range, and these multiple dampings with different cladding-mode orders The multiple attenuation dips do not have the same bending or temperature sensitivity.

직렬 연결된 2개의 LPFG에 있어서, 각각의 LPFG가 λres에서 3dB의 BRR을 가지는 경우 λres에서의 코어 모드는 첫번째 LPFG를 통과하는 동안 50%가 클래딩 모드와 결합되고(coupled), 결합된 클래딩 모드가 격자 없는 영역(grating-free- region)의 클래딩을 통해 유도되는(guided) 동안, 결합되지 않은 코어 모드(즉, 초기 코어 모드의 나머지 50%)는 코어를 따라 계속 전파된다. In two LPFGs connected in series, when each LPFG has a BRR of 3dB at λ res , the core mode at λ res is 50% coupled with the cladding mode while passing through the first LPFG, and the coupled cladding mode The uncoupled core modes (i.e., the remaining 50% of the initial core modes) continue to propagate along the core while p is guided through the cladding of the grating-free-region.

결합된 클래딩 모드가 두번째 LPFG를 만나면, 코어 모드로 다시 결합되고 첫번째 LPFG에서 코어를 따라 유도된 비결합(uncoupled) 코어 모드와 간섭되며(interfere), 격자 없는 영역의 코어와 클래딩은 광섬유 내 MZ 간섭계의 두 광 경로(optical path)를 형성한다. When the coupled cladding mode encounters the second LPFG, it is coupled back to the core mode and interferes with the uncoupled core mode induced along the core in the first LPFG, and the core and cladding in the grating-free region is the MZ interferometer in the fiber. forms two optical paths of

이와 같이 두 광 경로를 따라 유도되는 2개의 전방 전파 모드 사이의 위상차 ΔΨ는 이하의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다. The phase difference ΔΨ between the two forward propagation modes induced along the two optical paths can be expressed as in [Equation 2] below.

[수학식 2] [Equation 2]

Figure 112021005129880-pat00002
Figure 112021005129880-pat00002

여기서, λ, Lg 및 L은 각각 자유공간 파장(free-space wavelength), 격자 길이(grating length) 및 두 격자 중심 간 거리(center-to-center separation)를 각각 나타내고, Δng,eff = ng,eff,co - ng,eff,cl 이며, 이때, ng,eff,co 및 ng,eff,cl은 각각 격자 영역 내에서 코어 및 클래딩 모드의 유효 굴절률을 나타낸다. where λ, L g and L represent the free-space wavelength, grating length, and center-to-center separation, respectively, and Δn g,eff = n g,eff,co - n g,eff,cl , where n g,eff,co and n g,eff,cl represent the effective refractive indices of the core and cladding modes within the grating region, respectively.

또한, Δneff = neff,co - neff,cl 이고, 여기서, neff,co 및 neff,cl은 각각 격자 없는 영역(격자 영역 외부)에서 코어 및 클래딩 모드의 유효 굴절률을 나타낸다. Also, Δn eff = n eff,co - n eff,cl , where n eff,co and n eff,cl represent the effective refractive indices of the core and cladding modes in the lattice-free region (outside the lattice region), respectively.

아울러, ΔΨ는 LPFG 직렬 쌍에 의해 생성되는 간섭 프린지(interference fringe)를 결정하며, 제작된 DCF MZI에서는 각 LPFG의 격자 강도(grating strength)를 1460 ~ 1600 nm의 파장 범위에서 평균 ~ 3.60 dB로 조정하였다. In addition, ΔΨ determines the interference fringe generated by the LPFG series pair, and in the fabricated DCF MZI, the grating strength of each LPFG is adjusted to an average of ~3.60 dB in the wavelength range of 1460 ~ 1600 nm did

격자 강도가 높지 않으므로, 굴절률 차 변동(differential index variation)(예를 들면, |Δng,eff - Δneff|)은 5% 미만으로 예상되며, 간섭 패턴 간격(fringe spacing)은 이하의 [수학식 3]과 같이 근사할 수 있다. Since the grating strength is not high, the differential index variation (eg, |Δn g,eff - Δn eff |) is expected to be less than 5%, and the fringe spacing is 3] can be approximated.

[수학식 3] [Equation 3]

Figure 112021005129880-pat00003
Figure 112021005129880-pat00003

여기서, Δm은 유효 군굴절률(effective group refracive index)을 나타낸다. Here, Δm represents the effective group refractive index.

섭동(peturbation)으로 인한 Δm의 변화는 간섭 패턴 파장 간격을 변화시킬 수 있고 따라서 간섭 스펙트럼의 파장을 이동(shift)시킬 수도 있다. A change in Δm due to a perturbation may change the interference pattern wavelength spacing and thus shift the wavelength of the interference spectrum.

즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 외부 섭동 없이(예 : ΔC = 0 및 Δε = 0) 실온(예 : ΔT = 0)에서 측정한 제작된 DCF MZI의 투과 스펙트럼(transmission spectrum)(검은색 실선으로 표시)을 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 7, FIG. 7 shows the transmission spectrum of the fabricated DCF MZI measured at room temperature (eg ΔT = 0) without external perturbation (eg ΔC = 0 and Δε = 0) (black indicated by solid lines).

여기서, Δε는 DCF MZI에 인가되는 스트레인의 변화를 나타내며, 비교를 위해, DCF에 제작된 첫번째 LPFG의 투과 스펙트럼도 함께 자주색 실선으로 표시하였다. Here, Δε represents the change in strain applied to the DCF MZI, and for comparison, the transmission spectrum of the first LPFG fabricated on the DCF is also shown as a purple solid line.

간섭 스펙트럼의 측정된 파장 간격은 ~ 5.1 nm이었고, L을 변화시키면 이러한 파장 간격을 조정할 수 있으며, 제작된 DCF MZI의 측정된 삽입손실(insertion loss)은 ~ 1.88 dB이었는데, 이는 주로 SMF와 DCF 간의 융착 접합 손실(fusion splicing loss)로 인해 발생하였다. The measured wavelength spacing of the interference spectrum was ~5.1 nm, and this wavelength spacing can be adjusted by changing L, and the measured insertion loss of the fabricated DCF MZI was ~1.88 dB, which is mainly due to the difference between SMF and DCF. It occurred due to fusion splicing loss.

첫번째 LPFG의 투과 스펙트럼의 경우 1470, 1520 및 1590 nm 근처의 3 개의 공진 골은 LP03 및 LP04 클래딩 모드와 모두 연관되며, 이러한 세 골 중에서 스펙트럼 상 가장 왼쪽 및 가장 오른쪽 골은 각각 LP03 및 LP04 클래딩 모드의 영향을 주로 받는다. In the transmission spectrum of the first LPFG, the three resonant valleys near 1470, 1520 and 1590 nm are all associated with the LP 03 and LP 04 cladding modes, and among these three valleys, the leftmost and rightmost valleys in the spectrum are LP 03 and LP, respectively. 04 It is mainly affected by the cladding mode.

따라서 마찬가지로 DCF MZI에 있어서, LP03 및 LP04 클래딩 모드와 비결합 코어 모드 사이의 광섬유 내 MZ 간섭이 간섭 스펙트럼을 주로 결정하며, LP03 클래딩 모드는 1470 nm 근처의 간섭 스펙트럼에 주로 영향을 주는 반면, 1590 nm 근처의 간섭 스펙트럼은 주로 LP04 클래딩 모드로부터 발생되는데, 다시 말해, 짧은 파장 영역일수록 간섭 스펙트럼은 LP03 클래딩 모드의 영향을 더 많이 받으며, LP04 클래딩 모드의 영향을 덜 받는다. Therefore, likewise for the DCF MZI, the MZ interference in the fiber between the LP 03 and LP 04 cladding modes and the uncoupled core mode mainly determines the interference spectrum, while the LP 03 cladding mode mainly affects the interference spectrum around 1470 nm. , the interference spectrum around 1590 nm is mainly generated from the LP 04 cladding mode. In other words, the interference spectrum is more influenced by the LP 03 cladding mode and less influenced by the LP 04 cladding mode in the shorter wavelength region.

이에, 도 7에 나타낸 바와 같이, 각각 λDA = ~ 1462.3 nm, λDB = ~ 1522.8 nm, λDC = ~ 1589.4 nm의 공진 파장을 가지는 세 감쇠 골이 센서 표지자로 선택되어 각각 DA, DB 및 DC로 지정되었고, λDA, λDB 및 λDC에서 세 표지자 골(DA, DB 및 DC)의 측정된 BRR은 각각 ~ 7.40, ~ 15.53 및 ~ 10.28 dB이었다. Therefore, as shown in FIG. 7, three damping valleys having resonance wavelengths of λ DA = ~ 1462.3 nm, λ DB = ~ 1522.8 nm, and λ DC = ~ 1589.4 nm were selected as sensor markers, respectively, and DA, DB, and DC , and the measured BRRs of the three marker valleys (DA, DB and DC ) at λ DA , λ DB and λ DC were ~7.40, ~15.53 and ~10.28 dB, respectively.

또한, 본 발명자들은, 각 표지자에 영향을 미치는 클래딩 모드를 구별하기 위해 서로 가능한 한 스펙트럼 상에서 먼 거리를 유지할 수 있도록 이러한 세 표지자를 선택하였다. In addition, the present inventors chose these three markers to keep as far apart on the spectrum as possible from each other in order to distinguish the cladding modes affecting each marker.

여기서, LP03 및 LP04 클래딩 모드는 각각 DA 및 DC에 강한 영향을 미칠 것으로 예상되며, 따라서 각 센서 표지자에 대한 2가지 클래딩 모드의 효과가 다르므로, 센서 표지자에 따라 굽힘 또는 온도 민감도가 다를 것으로 예상된다. Here, the LP 03 and LP 04 cladding modes are expected to have a strong influence on DA and DC, respectively, and thus the effect of the two cladding modes on each sensor marker is different, so the bending or temperature sensitivity is expected to be different depending on the sensor marker. expected

세 표지자 골(DA, DB 및 DC) 중에서 선택된 두 골(D1 및 D2)에 대하여, D1의 굽힘 및 온도 응답이 D2의 굽힘 및 온도 응답에 독립적이고, 굽힘 및 온도 응답이 선형이라고 가정하면, 이하의 [수학식 4]에 나타낸 바와 같은 민감도 계수 행렬(sensitivity coefficient matrix)을 이용하여 굽힘 및 온도 변화(즉, ΔC 및 ΔT)를 동시에 측정할 수 있다. For two valleys (D1 and D2) selected among the three marker valleys (DA, DB, and DC), assuming that the bending and temperature responses of D1 are independent of those of D2 and that the bending and temperature responses are linear, the following Bending and temperature changes (ie, ΔC and ΔT) can be simultaneously measured using a sensitivity coefficient matrix as shown in [Equation 4] of [Equation 4].

[수학식 4] [Equation 4]

Figure 112021005129880-pat00004
Figure 112021005129880-pat00004

여기서, ΔλD1 및 ΔλD2는 각각 D1 및 D2의 파장 이동(wavelength shift)을 나타낸다. Here, Δλ D1 and Δλ D2 represent wavelength shifts of D1 and D2, respectively.

SC,D1 = ΔλD1 /ΔC|ΔT=0 및 SC,D2 = ΔλD2/ΔC|ΔT=0은 D1 및 D2의 굽힘 민감도 계수(bending sensitivity coefficient)이고 ST,D1 = ΔλD1/ΔT|ΔC=0 및 ST,D2 = ΔλD2/ΔT|ΔC=0은 D1 및 D2의 온도 민감도 계수(temperature sensitivity coefficient)를 각각 나타낸다. S C,D1 = Δλ D1 /ΔC| ΔT=0 and S C,D2 = Δλ D2 /ΔC| ΔT=0 is the bending sensitivity coefficient of D1 and D2 and S T,D1 = Δλ D1 /ΔT| ΔC=0 and S T,D2 = Δλ D2 /ΔT| ΔC=0 represents temperature sensitivity coefficients of D1 and D2, respectively.

따라서 선택된 각 표지자 골에 대하여 측정된 독립적인 굽힘 및 온도 응답으로부터 이 네가지 민감도 계수를 결정할 수 있으며, 이하의 [수학식 5]에 나타낸 바와 같은 민감도 계수 행렬의 역행렬과 측정된 파장 이동(ΔλD1 및 ΔλD2)을 이용하여 ΔC 및 ΔT의 동시측정이 이루어질 수 있다. Therefore, these four sensitivity coefficients can be determined from the independent bending and temperature responses measured for each selected marker valley, and the inverse matrix of the sensitivity coefficient matrix as shown in [Equation 5] below and the measured wavelength shift (Δλ D1 and Simultaneous measurements of ΔC and ΔT can be made using Δλ D2 ).

[수학식 5] [Equation 5]

Figure 112021005129880-pat00005
Figure 112021005129880-pat00005

여기서, Det = SC,D1ST,D2 - ST,D1SC,D2는 민감도 계수 행렬의 행렬식(determinant)이다. Here, Det = S C,D1 S T,D2 - S T,D1 S C,D2 is the determinant of the sensitivity coefficient matrix.

계속해서, 상기한 바와 같이 하여 제작된 DCF MZI를 이용하여 실험을 진행한 내용 및 결과에 대하여 설명한다. Subsequently, the contents and results of the experiment using the DCF MZI produced as described above will be described.

즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 하여 제작된 DCF MZI의 굽힘, 온도 및 스트레인 응답을 측정하기 위해 도 3에 나타낸 바와 같은 실험장치를 이용하여 실험을 진행하였으며, DCF MZI의 투과 스펙트럼을 측정하기 위해 광대역 광원과 OSA를 사용하여 투과 스펙트럼에서 섭동으로 인한 스펙트럼 변화를 다시 모니터링하였다. That is, the present inventors conducted an experiment using the experimental apparatus as shown in FIG. 3 to measure the bending, temperature and strain responses of the DCF MZI manufactured as described above, and to measure the transmission spectrum of the DCF MZI Spectral changes due to perturbations in the transmission spectrum were again monitored using a broadband light source and OSA.

이때, OSA의 분해능 대역폭(resolution bandwidth)과 샘플링 포인트는 각각 0.02nm와 7501이었고, 먼저, 굽힘 응답을 조사하기 위해, 센서부의 한쪽 끝을 고정 스테이지(fixed stage)에 부착하고 이동 스테이지(translation stage)에 고정된 다른 쪽 끝에 10g의 추를 매달아 측정 중에 센싱 광섬유가 곧게 유지되도록 하였다. At this time, the resolution bandwidth and sampling point of the OSA were 0.02 nm and 7501, respectively. First, in order to investigate the bending response, one end of the sensor unit was attached to a fixed stage and a translation stage A 10 g weight was suspended at the other end fixed to the sensor to keep the sensing fiber straight during measurement.

또한, 굽힘을 인가하기 위해 이동 스테이지를 도 3에서 우측 화살표 방향으로 미세하게 이동하였으며, 두 스테이지의 홀더 사이 거리 D는 굽힘이 인가되지 않았을 때 ~ 17.6 cm이었다. In addition, in order to apply bending, the moving stage was slightly moved in the direction of the right arrow in FIG. 3, and the distance D between the holders of the two stages was ~ 17.6 cm when no bending was applied.

아울러, 굽힘으로 인한 곡률(curvature) C는 C = R-1 = (24ΔD/D3)1/2로 주어지며, 여기서 R 및 ΔD는 각각 센서부의 곡률 반경(curvature radius)과 이동 스테이지의 변위(displacement)를 나타낸다. In addition, the curvature C due to bending is given by C = R -1 = (24ΔD/D 3 ) 1/2 , where R and ΔD are the curvature radius of the sensor unit and the displacement of the moving stage, respectively ( displacement).

격자 없는 영역과 2개의 LPFG 및 DCF MZI의 양쪽 끝에 접합된(spliced) SMF 가닥(segment)의 길이의 합으로 결정되는 길이 D는 센서의 측정 정확도와 분해능(resolution)을 고려하여 선택되었다. The length D, which is determined by the sum of the lengths of the lattice-free region and the SMF segments spliced at both ends of the two LPFG and DCF MZI, was selected considering the measurement accuracy and resolution of the sensor.

다음으로, 도 8을 참조하면, 도 8은 상온에서 1.484 ~ 4.451 m-1의 곡률 범위에 대해 측정된 DA, DB 및 DC의 굽힘으로 인한 스펙트럼 변화를 각각 나타내는 도면이다. Next, referring to FIG. 8 , FIG. 8 is a diagram showing spectral changes due to bending of DA, DB, and DC measured for a curvature range of 1.484 to 4.451 m -1 at room temperature.

도 8에 나타낸 바와 같이, DA와 DB는 곡률이 증가함에 따라 더 짧은 파장 영역으로 이동하여, λDA의 경우 1462.30에서 1461.08nm로, λDB의 경우 1522.84에서 1520.06 nm로 청색천이(blueshift)를 나타내었으며, 반대로, DC는 곡률이 증가함에 따라 더 긴 파장 영역으로 이동하여, λDC의 경우 1589.44에서 1590.12 nm로 적색천이(redshift)를 나타내었다. As shown in FIG. 8, DA and DB move to a shorter wavelength region as the curvature increases, showing a blueshift from 1462.30 to 1461.08 nm for λ DA and from 1522.84 to 1520.06 nm for λ DB . Conversely, DC moved to a longer wavelength region as the curvature increased, and λ DC showed a redshift from 1589.44 to 1590.12 nm.

λDA, λDB 또는 λDC의 굽힘에 의한 변화는 유효 굴절률 차(effective refractive index difference)(Δneff)와 격자 없는 영역의 길이(L - Lg)의 굽힘에 의한 변화에 기인하는 것으로, DCF MZI의 표지자 골 λdip의 굽힘 민감도는 상기한 [수학식 2]로부터 유도될 수 있고, Δng,eff 및 그 온도 의존성(dΔng,eff/dT)이 Δneff 및 dΔneff/dT와 유사한 경우 이하의 [수학식 6]과 같이 근사될 수 있다. The bending-induced change in λ DA , λ DB or λ DC is due to the bending-induced change in the effective refractive index difference (Δn eff ) and the length of the grating-free region (L - L g ), DCF The bending sensitivity of the marker bone λ dip of MZI can be derived from [Equation 2], and Δn g,eff and its temperature dependence (dΔn g,eff /dT) are similar to Δn eff and dΔn eff /dT It can be approximated as in [Equation 6] below.

[수학식 6] [Equation 6]

Figure 112021005129880-pat00006
Figure 112021005129880-pat00006

다음으로, DA, DB 및 DC의 온도 반응을 조사하기 위해 센서부를 온도 챔버(thermal chamber)에 위치시키고 세 표지자 골의 스펙트럼 변화를 30 ~ 100 ℃(5 ℃씩 증가)의 주변 온도 범위(ambient temperature range)에서 모니터링하였으며, 온도 반응을 관찰하는 동안 센서부가 똑바로 유지되고 온도로 인한 굽힘의 영향을 받지 않도록 DCF MZI에 약간의 장력이 인가되도록 하였다. Next, to investigate the temperature response of DA, DB, and DC, the sensor unit was placed in a thermal chamber, and the spectral changes of the three marker valleys were measured in the ambient temperature range of 30 to 100 °C (in increments of 5 °C). range), and while observing the temperature response, a slight tension was applied to the DCF MZI so that the sensor part was kept upright and not affected by bending due to temperature.

즉, 도 9를 참조하면, 도 9는 굽힘을 인가하지 않고 상기한 주변 온도 범위에 대하여 측정된 DA, DB 및 DC의 온도에 의한 스펙트럼 변화를 각각 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 9 , FIG. 9 is a diagram illustrating spectral changes according to temperature of DA, DB, and DC measured for the above ambient temperature range without applying bending.

도 9에 나타낸 바와 같이, λDA, λDB 및 λDC는 각각 1462.00에서 1466.24 nm, 1523.76에서 1527.80 nm, 1587.58에서 1592.84 nm로 증가하였고, 굽힘 반응과 달리 모든 표지자 골이 온도가 증가함에 따라 더 긴 파장 영역으로 이동하여 적색천이를 나타내었으며, λDA, λDB 또는 λDC의 이러한 온도에 의한 변화는 Δneff 및 (L - Lg)의 온도에 의한 변화로 인해 발생한다. As shown in Fig. 9, λ DA , λ DB and λ DC increased from 1462.00 to 1466.24 nm, 1523.76 to 1527.80 nm, and 1587.58 to 1592.84 nm, respectively, and unlike the bending response, all marker valleys became longer as the temperature increased. It shifted to the wavelength region and showed a red shift, and these temperature-induced changes in λ DA , λ DB or λ DC occur due to temperature-induced changes in Δn eff and (L - L g ).

또한, 굽힘 민감도의 경우와 마찬가지로, 표지자 골 λdip의 온도 민감도는 이하의 [수학식 7]과 같이 근사할 수 있다. In addition, as in the case of bending sensitivity, the temperature sensitivity of the marker valley λ dip can be approximated as shown in [Equation 7] below.

[수학식 7] [Equation 7]

Figure 112021005129880-pat00007
Figure 112021005129880-pat00007

다음으로, 도 10을 참조하면, 도 10은 각각 1.484 ~ 4.451 m-1의 곡률 범위와 30 ~ 100 ℃의 주변 온도 범위에서 측정된 세 표지자의 굽힘 및 온도에 의한 파장 이동(wavelength shift)을 각각 나타내는 도면이다. Next, referring to FIG. 10, FIG. 10 shows the bending of the three markers measured in the curvature range of 1.484 to 4.451 m -1 and the ambient temperature range of 30 to 100 ° C. and the wavelength shift by temperature, respectively. It is a drawing that represents

도 10에 있어서, 적색, 청색, 녹색 직사각형 또는 원형 기호는 각각 λDA, λDB, λDC의 측정값을 나타내며, 적색, 청색, 녹색 실선은 각각 DA, DB 및 DC에 대하여 측정된 데이터의 선형 회귀분석 결과를 나타내고, 측정점(measured point)의 오차 막대(error bar)는 각 센서 표지자의 측정된 파장 변화를 나타내고 있다. 10, red, blue, and green rectangular or circular symbols represent the measured values of λ DA , λ DB , and λ DC, respectively, and the red, blue, and green solid lines represent the linearity of the measured data for DA, DB, and DC, respectively. Regression analysis results are shown, and error bars of measured points indicate the measured wavelength change of each sensor marker.

도 10에 나타낸 바와 같이, DA, DB 및 DC는 각각 ~ 0.9901, ~ 0.9912 및 ~ 0.9915의 조정된 R2 값으로 상기한 곡률 범위에서 충분히 선형적인 굽힘 응답을 나타내고 있으며, 추정된(evaluated) DA, DB, DC의 굽힘 민감도는 각각 SC,DA = -427.63 pm/m-1, SC,DB = -911.29 pm/m-1, SC,DC = 233.33 pm/m-1이었고, 이로부터 세 굽힘 민감도가 각기 다른 것을 확인할 수 있으며, DA, DB 및 DC의 평균 변동(mean variation)은 각각 ~ 0.102, ~ 0.12 및 ~ 0.082 nm이었다. As shown in FIG. 10, DA, DB, and DC exhibit sufficiently linear bending responses in the above curvature range with adjusted R 2 values of ~ 0.9901, ~ 0.9912, and ~ 0.9915, respectively, and the evaluated DA, The bending sensitivities of DB and DC were S C,DA = -427.63 pm/m -1 , S C,DB = -911.29 pm/m -1 , and S C,DC = 233.33 pm/m -1 , respectively. It can be confirmed that the bending sensitivity is different, and the mean variation of DA, DB, and DC was ~ 0.102, ~ 0.12, and ~ 0.082 nm, respectively.

마찬가지로, 도 10에 나타낸 바와 같이, 세 표지자 골은 각각 ~ 0.9991, ~ 0.9983 및 ~ 0.9994의 조정된 R2 값으로 상기한 온도 범위에서 매우 선형적인 온도 응답을 나타내었고, DA, DB, DC의 추정된 온도 민감도는 각각 ST,DA = 60.49 pm/℃, ST,DB = 56.44 pm/℃, ST,DC = 74.61 pm/℃이며, 이는 세 표지자 골의 온도 민감도 또한 서로 다른 것을 나타내고, DA, DB 및 DC의 평균 변동은 각각 ~ 0.095, ~ 0.061 및 ~ 0.047 nm이었다. Similarly, as shown in Fig. 10, the three marker valleys exhibited highly linear temperature responses in the above temperature range with adjusted R 2 values of ~0.9991, ~0.9983, and ~0.9994, respectively, and the estimation of DA, DB, and DC The obtained temperature sensitivities are S T,DA = 60.49 pm/℃, S T,DB = 56.44 pm/℃, and S T,DC = 74.61 pm/℃, respectively, indicating that the temperature sensitivities of the three marker bones are also different from each other, and DA , the average fluctuations of DB and DC were ~0.095, ~0.061 and ~0.047 nm, respectively.

또한, 온도 민감도와 굽힘 민감도의 비(ratio)를 고려하면, SC,DA/ST,DA, SC,DB/ST,DB 및 SC,DC/ST,DC는 대략 -7.07, -16.15 및 3.13 ℃/m-1로 각각 계산되었고, 이러한 비율 간의 명백한 차이는 세 표지자 골, 즉, λDA(ΔC, ΔT), λDB(ΔC, ΔT) 및 λDC(ΔC)의 굽힘 및 온도 응답은 골 간에 서로 상관관계가 없음(uncorrelated)을 재확인시켜준다. In addition, considering the ratio of temperature sensitivity and bending sensitivity, S C,DA /S T,DA , S C,DB /S T,DB and S C,DC /S T,DC are approximately -7.07, −16.15 and 3.13 °C/m −1 respectively , and the apparent difference between these ratios is the bending and The temperature response reaffirms that the bones are uncorrelated with each other.

상기한 바와 같이, 실험적으로 확인된 굽힘 및 온도에 대한 센서 응답의 선형성과 독립성은 DA, DB 및 DC 중에서 선택된 두 센서 표지자의 섭동에 의한(perturbation-induced) 파장 이동(wavelength shift)을 이용하여 DCF MZI에 인가된 굽힘 및 온도 변화(ΔC 및 ΔT)를 동시에 측정할 수 있도록 해준다. As described above, the linearity and independence of the sensor response to bending and temperature, which were experimentally confirmed, were determined by DCF using the perturbation-induced wavelength shift of two sensor markers selected from DA, DB, and DC. It allows simultaneous measurement of the bending applied to the MZI and the temperature change (ΔC and ΔT).

아울러, 3개의 표지자 골이 있으므로 그 중 2개를 선택하여 3가지 경우의 민감도 계수 행렬을 얻을 수 있으며, 특히, 센서 표지자의 3가지 가능한 조합으로, "DA 및 DB", "DB 및 DC" 및 "DA 및 DC"를 선택하면, 상기한 바와 같이 하여 얻어진 민감도 계수(sensitivity coefficient)를 SC,DA, SC,DB, SC,DC, ST,DA, ST,DB 및 ST,DC로 각각 대체하는(substitute) 것에 의해 상기한 [수학식 5]를 이하의 [수학식 8] 내지 [수학식 10]으로 변경할 수 있다. In addition, since there are three marker valleys, it is possible to select two of them to obtain a sensitivity coefficient matrix for three cases. In particular, three possible combinations of sensor markers are "DA and DB", "DB and DC" and If “DA and DC” is selected, the sensitivity coefficients obtained as described above are S C,DA , S C,DB , S C,DC , S T,DA , S T,DB and S T, The above [Equation 5] can be changed to the following [Equation 8] to [Equation 10] by substituting each with DC .

[수학식 8] [Equation 8]

Figure 112021005129880-pat00008
Figure 112021005129880-pat00008

[수학식 9] [Equation 9]

Figure 112021005129880-pat00009
Figure 112021005129880-pat00009

[수학식 10] [Equation 10]

Figure 112021005129880-pat00010
Figure 112021005129880-pat00010

더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서의 원치 않는 섭동에 대한 안정성을 확인하기 위해, 조건수(condition number) κ = ∥M∥·∥M-1∥가 각각의 민감도 계수 행렬에 대하여 평가되었다. Moreover, in order to confirm the stability of the fiber optic sensor according to an embodiment of the present invention against unwanted perturbation, the condition number κ = │M│ │M -1 │ was evaluated for each sensitivity coefficient matrix .

여기서, ∥M∥은 행렬 M의 놈(norm)이고, 상기한 [수학식 8] 내지 [수학식 10]에서 민감도 계수 행렬의 계산된 조건수는 각각 ~ 32.89, ~ 10.92 및 ~ 5.16이었으며, 이러한 조건수는 기존의 종래 기술들에서 제시된 경우보다 훨씬 낮은 것으로, 즉, 조건수가 크면 조건이 나쁜(안정성이 낮은) 행렬을 의미하므로 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서의 민감도 계수 행렬은 조건이 좋은(안정성이 높은) 것으로 볼 수 있다. Here, ΘMΠ is the norm of the matrix M, and the calculated condition numbers of the sensitivity coefficient matrix in [Equation 8] to [Equation 10] were ~ 32.89, ~ 10.92, and ~ 5.16, respectively, and these Since the condition number is much lower than the case presented in the prior art, that is, a large condition number means a matrix with a bad condition (low stability), the sensitivity coefficient matrix of the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention has a good condition. (high stability) can be seen.

또한, 본 발명자들은, 도 3에 나타낸 바와 같은 굽힘 및 온도 반응의 면밀한 조사에 사용된 것과 동일한 실험 설정을 이용하여 스트레인 반응도 조사하였다. In addition, we also investigated the strain response using the same experimental setup used for the close examination of the bending and temperature response as shown in FIG. 3 .

더 상세하게는, 스트레인이 인가된 광섬유 길이는 굽힘 응답에 사용된 것과 동일하게 D(= ~ 17.6 cm)와 같고, DCF MZI에 축방향 스트레인(axial strain)을 인가하기 위해 이동 스테이지를 도 3의 우측 화살표 방향으로 이동하여, 실온에서 0에서 1136 με(114 με씩 증가)까지 스트레인을 인가하였다. More specifically, the fiber length to which the strain is applied is equal to D (= ~ 17.6 cm) as used for the bending response, and the moving stage is used to apply the axial strain to the DCF MZI as shown in FIG. Moving in the direction of the right arrow, strain was applied from 0 to 1136 με (in increments of 114 με) at room temperature.

즉, 도 11을 참조하면, 도 11은 DA, DB 및 DC의 스트레인에 의한 스펙트럼 변화를 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 11, FIG. 11 is a diagram illustrating spectrum changes due to strains of DA, DB, and DC.

도 11에 나타낸 바와 같이, 이동 스테이지의 길이 방향 변위(longitudinal displacement)가 ΔD이면 DCF MZI에 인가되는 길이 방향 스트레인(longitudinal strain)은 ΔD/D0가 되고, 인가되는 스트레인이 점진적으로(gradually) 증가하면 세 표지자 골을 포함하는 DCF MZI의 간섭 스펙트럼에서 매우 작은 변화를 관찰할 수 있다. As shown in FIG. 11, if the longitudinal displacement of the moving stage is ΔD, the longitudinal strain applied to the DCF MZI is ΔD/D0, and if the applied strain is gradually increased, A very small change can be observed in the interference spectrum of the DCF MZI containing the three marker valleys.

또한, 1136με의 인가된 스트레인에 대하여 세 표지자는 0.06 nm의 최대 파장 이동을 나타내었고, 측정된 파장 이동에 대한 선형회귀 분석을 기반으로 평가된 DA, DB 및 DC의 스트레인 민감도(strain sensitivity)는 각각 -0.019, -0.048 및 0.045 pm/με로, 종래 기술의 LPFG의 스트레인 민감도(~ 1.2 pm/με)와 비교할 때 우수한 스트레인 둔감성( < 0.05 pm/με)을 나타내었다. In addition, for an applied strain of 1136 με, the three markers showed a maximum wavelength shift of 0.06 nm, and the strain sensitivities of DA, DB, and DC evaluated based on linear regression analysis for the measured wavelength shift were respectively With -0.019, -0.048 and 0.045 pm/με, they exhibited excellent strain insensitivity (<0.05 pm/με) compared to the strain sensitivity (~ 1.2 pm/με) of prior art LPFG.

즉, 이러한 스트레인에 의한 파장 이동은 너무 작아서 굽힘 및 온도 측정결과에 거의 영향을 미치지 않으며, 예를 들면, 단순히 개별 측정량(예 : 굽힘 또는 온도)을 고려하면, 100 με의 스트레인 변화는 DC 및 DB를 사용한 굽힘 및 온도 측정에서 (0.045 pm/με)×(100 με)/(233.33 pm/m-1) = ~ 0.019 m-1 및 (-0.048 pm/με)×(100 με)/(56.44 pm/℃) = ~ 0.085 ℃의 불확실성을 각각 야기할 수 있다(최악의 상황(worst-case)을 가정한 경우). That is, the wavelength shift due to this strain is so small that it has little effect on the results of bending and temperature measurements. From bending and temperature measurements using DB, (0.045 pm/με)×(100 με)/(233.33 pm/m −1 ) = ~ 0.019 m −1 and (-0.048 pm/με)×(100 με)/(56.44 pm/°C) = ~ 0.085°C, respectively (worst-case assumption).

이와 같이 종래 기술의 LPFG에 비해 낮은 스트레인 민감도는 DCF의 외부클래딩 치수와 관련이 있는 것으로 판단되며, 특히, 외부 변형이 직접 인가되는 외부클래딩이 광섬유에서 차지하는 규모가 클수록 코어에 전달되는 스트레인이 커지는 것으로 추정된다. As such, it is believed that the lower strain sensitivity than the LPFG of the prior art is related to the outer cladding dimension of the DCF. It is estimated.

이러한 추정은 LPFG가 본 실시예에 사용된 DCF보다 약 2배 더 작은 내부클래딩 직경을 가지는 다른 DCF에 형성된 이전의 연구에서 ~ 0.8 pm/με의 스트레인 민감도를 나타내었던 것에 의해 뒷받침되며, 본 실시예의 DCF MZI에 있어서 DCF의 큰 내부클래딩 직경과 그로 인해 외부클래딩이 차지하는 규모가 작은 것이 낮은 스트레인 민감도의 원인인 것으로 판단된다. This assumption is supported by previous studies in which LPFG was formed on another DCF having an inner cladding diameter about 2 times smaller than the DCF used in this example, which showed a strain sensitivity of ~ 0.8 pm/με. In the DCF MZI, the large internal cladding diameter of the DCF and the small size occupied by the external cladding are considered to be the cause of the low strain sensitivity.

마지막으로, 본 발명자들은, 1.484 ~ 3.925 m-1의 인가 곡률(ΔC) 범위 및 15 ~ 75 ℃의 인가 온도(ΔT) 범위 내에서 임의의 16개(ΔC, ΔT) 지점에 대해 동시측정을 수행하였다. Finally, the present inventors, 1.484 ~ 3.925 m -1 Applied curvature (ΔC) range and applied temperature (ΔT) range of 15 ~ 75 ℃ Random 16 (ΔC, ΔT) for simultaneous measurement for the point did

이를 위해, 4가지의 서로 다른 ΔC( = 1.484, 2.570, 3.317, 3.925 m-1)의 값과 4 가지의 ΔT(= 15, 35, 55, 75 ℃)의 값에 대하여 10회 동시측정을 수행하였고, 그 결과를 도 12에 나타내었다. To this end, 10 simultaneous measurements were performed for 4 different values of ΔC (= 1.484, 2.570, 3.317, 3.925 m -1 ) and 4 values of ΔT (= 15, 35, 55, 75 °C). And the results are shown in Figure 12.

즉, 도 12를 참조하면, 도 12는 2개의 표지자 골(DA 및 DB)을 이용하여 인가된 ΔC, ΔT의 값에 대하여 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서에 의해 측정된 ΔC, ΔT 값을 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 12, FIG. 12 shows the values of ΔC and ΔT measured by the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention with respect to the values of ΔC and ΔT applied using the two marker valleys DA and DB. It is a drawing that represents

여기서, 도 12에 있어서, 측정된 지점의 오차막대(error bar)는 적용된 파라미터 값의 평균편차(mean deviation)를 나타낸다. Here, in FIG. 12, the error bar of the measured point represents the mean deviation of the applied parameter values.

또한, 상기한 측정 범위 내에서 측정된 (ΔC, ΔT) 값의 표준편차(standard deviation)는, DA 및 DB의 경우 각각 ~ 0.059 m-1 및 ~ 0.85 ℃이고, DB 및 DC의 경우 각각 ~ 0.075 m-1 및 ~ 1.31 ℃이며, DA 및 DC의 경우 각각 ~ 0.086 m-1 및 ~ 0.64.℃이다. In addition, the standard deviation of the (ΔC, ΔT) values measured within the above measurement range is ~ 0.059 m -1 and ~ 0.85 ° C for DA and DB, respectively, and ~ 0.075 for DB and DC, respectively. m -1 and ~ 1.31 ° C, and ~ 0.086 m -1 and ~ 0.64. ° C for DA and DC, respectively.

이러한 측정결과를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서는 충분한 측정 정확도로 굽힘과 온도의 분리 측정(separate measurement)을 수행할 수 있음을 알 수 있다. Through these measurement results, it can be seen that the optical fiber sensor according to the embodiment of the present invention can perform separate measurement of bending and temperature with sufficient measurement accuracy.

더욱이, 동시측정의 표준편차, 굽힘 민감도(bending sensitivity), 변형 둔감도(strain insensitivity) 등을 고려하는 것에 의해, 선택된 3가지 경우의 표지자 중 DA와 DB가 최적의 센서 표지자로 결정될 수 있다. Moreover, by considering the standard deviation of simultaneous measurement, bending sensitivity, strain insensitivity, etc., DA and DB among the markers in the selected three cases can be determined as optimal sensor markers.

감지 가능한 최소 수준(detectable minimum level)(C 또는 T)과 관련하여, 본 발명자들은, ΔC 또는 ΔT의 감지를 위해 |ΔλDA| ≥ 20 pm, |ΔλDB| ≥ 20 pm 및 |ΔλDC| ≥ 20 pm의 세 부등식 중 적어도 하나가 만족되어야 함을 확인하였으며, 이는 OSA의 분해능 대역폭(resolution bandwidth)에 의해 감지될 수 있는 최소 감지 가능 파장 이동(minimum detectable wavelength shift)이 20 pm이기 때문이다. Regarding the detectable minimum level (C or T), the present inventors use |Δλ DA | for detection of ΔC or ΔT. ≥ 20 pm, |Δλ DB | ≥ 20 pm and |Δλ DC | It was confirmed that at least one of the three inequalities of ≥ 20 pm must be satisfied, because the minimum detectable wavelength shift that can be detected by the resolution bandwidth of OSA is 20 pm.

또한, 본 실시예의 센서 시스템에 있어서, 최소 감지 가능 굽힘 및 온도는 고정된 값을 가지지 않는 ΔC 및 ΔT의 함수이고, 여기서, ΔC 또는 ΔT가 0인 것으로 가정하면, 최소 감지 가능 굽힘 또는 온도는 최적 표지자(즉, DA 및 DB)를 이용할 경우 각각 ~ 0.022 m-1 또는 ~ 0.331 ℃로 추정된다. In addition, in the sensor system of this embodiment, the minimum detectable bending and temperature are functions of ΔC and ΔT that do not have fixed values, where assuming that ΔC or ΔT is 0, the minimum detectable bending or temperature is optimal Using the markers (ie DA and DB), it is estimated to be ~ 0.022 m -1 or ~ 0.331 °C, respectively.

아울러, 본 발명자들은, 상기한 [수학식 8] 내지 [수학식 10]에 근거하여, 감지 가능 파장 이동(20 pm)의 정수 배수(예를 들면, δλDA, δλDB 및 δλDC = 20 N, N은 정수)로 정의된 세 표지자 골의 몇 가지 이산 파장 이동(discrete wavelength shift)에 대하여 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서의 굽힘 및 온도 분해능을 도출하였다. In addition, the present inventors, based on the above [Equation 8] to [Equation 10], integer multiples of the detectable wavelength shift (20 pm) (eg, δλ DA , δλ DB and δλ DC = 20 N , N is an integer) for several discrete wavelength shifts of the three marker troughs, the bending and temperature resolutions of the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention were derived.

계산 결과로부터, 추정된 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서의 굽힘 및 온도 분해능은 각각 최적의 센서 표지자를 이용할 경우 약 -0.0026 m-1 및 0.312 ℃로 나타났으며, 특히, 1 pm의 파장 정확도(wavelength accuracy)를 가지는 광센서 복조기(optical sensing interrogator)(Micron Optics HYPERION si155)를 사용할 경우 이러한 분해능을 각각 약 -0.0001 m-1 및 ~ 0.016 ℃로 향상시킬 수 있다. From the calculation results, the estimated bending and temperature resolutions of the optical fiber sensor according to the embodiment of the present invention were about -0.0026 m -1 and 0.312 ° C when using the optimal sensor marker, respectively, and in particular, the wavelength accuracy of 1 pm. When using an optical sensing interrogator (Micron Optics HYPERION si155) with wavelength accuracy, these resolutions can be improved to about -0.0001 m -1 and ~ 0.016 °C, respectively.

즉, 도 13을 참조하면, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서와 종래 기술에 제안된 광섬유 센서들의 굽힘, 온도, 변형에 대한 민감도 및 동시측정 기능을 포함하는 센서특성(sensor characteristics)을 비교한 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다. That is, referring to FIG. 13, FIG. 13 shows sensor characteristics including sensitivity to bending, temperature, deformation, and simultaneous measurement of the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention and the optical fiber sensors proposed in the prior art. It is a diagram showing the results of the comparison in a table.

여기서, 도 13에 나타낸 비교결과에 있어서, PCF는 광자 결정 광섬유(photonic crystal fiber), HST는 험프형 테이퍼(hump-shaped taper), PSS는 땅콩형 구조(peanut-shaped structure)이며, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서는 하단의 Cascaded LPFG's on DCF 항목에 나타나 있고, 나머지는 종래 기술에 제시된 광섬유 센서이며, 3가지 측정량(굽힘, 온도, 변형)에 대한 각각의 민감도는 실험에서 얻어진 민감도 중 최고값을 적용하였다. Here, in the comparison results shown in FIG. 13, PCF is a photonic crystal fiber, HST is a hump-shaped taper, and PSS is a peanut-shaped structure. The optical fiber sensor according to the embodiment is shown in the Cascaded LPFG's on DCF section at the bottom, and the rest are optical fiber sensors presented in the prior art. The highest value was applied.

도 13의 표에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서는 굽힘 민감도 측면에서 종래 기술의 광섬유 센서들보다 우수하지는 않지만 이것이 동시측정 정확도에 영향을 미치지는 않으며, 이는 센서 표지자의 섭동에 의한 응답(perturbation-induced response)의 독립성과 낮은 조건수(condition number)에 의해 충분히 보장되고, 또한, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서의 고유한 특징인 변형 둔감도(strain insensitivity)는 측정 정확도와 안정성을 향상시킬 수 있다. As shown in the table of Fig. 13, the fiber optic sensor according to the embodiment of the present invention is not superior to the prior art fiber optic sensors in terms of bending sensitivity, but this does not affect the simultaneous measurement accuracy, which is not affected by the perturbation of the sensor markers. Strain insensitivity, which is a unique feature of the optical fiber sensor according to the embodiment of the present invention, is sufficiently guaranteed by the independence of perturbation-induced response and low condition number, and the measurement accuracy and stability can be improved.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는, DCF에 CO2 레이저로 제작된 LPFG를 이용하여 스트레인에 무관하게(strain-insensitive) 굽힘과 온도의 동시측정을 수행할 수 있는 광섬유 센서를 제시하였으며, 이를 위해, 굽힘 및 온도를 동시에 측정하기 위한 센서 표지자로서 본 발명의 실시예에 따라 제작된 DCF MZI의 간섭 스펙트럼의 다중 투과 골에서 3가지(즉, DA, DB 및 DC)를 선택하였다. As described above, in the present invention, an optical fiber sensor capable of simultaneously measuring strain-insensitive bending and temperature using an LPFG manufactured by a CO 2 laser in DCF was proposed. To this end, As sensor markers for simultaneously measuring bending and temperature, three (i.e., DA, DB, and DC) were selected from multiple transmission valleys of the interference spectrum of the DCF MZI fabricated according to an embodiment of the present invention.

또한, 측정된 DA, DB, DC의 굽힘 민감도는 1.484 ~ 4.451 m-1의 곡률 범위에서 -427.53, -911.29 및 233.33 pm/m-1이었고, 측정된 온도 민감도는 30 ~ 100 ℃의 온도 범위에서 각각 60.49, 56.44 및 74.61 pm/℃이었으며, 따라서 굽힘 및 온도에 대한 선형 및 독립적 응답으로 인해, 미리 결정된 굽힘 및 온도 민감도로 측정된 파장 이동을 변환함으로써 3가지 골 중 2개(총 3가지 경우)로 센서부에 인가된 굽힘 및 온도 변화를 동시에 추정할 수 있다. In addition, the measured bending sensitivities of DA, DB, and DC were -427.53, -911.29, and 233.33 pm/m -1 in the curvature range of 1.484 to 4.451 m -1 , and the measured temperature sensitivity was in the temperature range of 30 to 100 °C. were 60.49, 56.44 and 74.61 pm/°C, respectively, and thus, due to linear and independent responses to bending and temperature, two of the three valleys (a total of three cases) by transforming the measured wavelength shift into predetermined bending and temperature sensitivities. It is possible to simultaneously estimate the bending applied to the sensor unit and the temperature change.

특히, 본 발명에서는, 0 ~ 1136με의 스트레인 범위에서 세 표지자 골의 변형에 의한(strain-induced) 스펙트럼 변화도 조사하였고, 평가된 스트레인 민감도는 -0.019, -0.048 및 0.045 pm/με이었으며, 이러한 민감도는 기존의 LPFG보다 25배 이상 낮은 것으로 굽힘 및 온도 측정결과에 미치는 스트레인의 영향을 크게 감소시킨다. In particular, in the present invention, strain-induced spectral changes of the three marker valleys were also investigated in the strain range of 0 to 1136 με, and the strain sensitivities evaluated were -0.019, -0.048 and 0.045 pm/με, and these sensitivities is more than 25 times lower than that of conventional LPFG, which greatly reduces the influence of strain on bending and temperature measurement results.

마지막으로, 인가된 곡률 범위 1.484 ~ 3.925 m-1 및 인가된 온도 범위 15 ~ 75 ℃ 내에서 임의의 16 개 지점에 대하여 굽힘과 온도의 동시측정을 수행한 결과, 세 표지자 골 중에서 선택된 2개의 최적 표지자(DA 및 DB)의 경우 측정된 굽힘 및 온도 값의 표준편차는 각각 ~ 0.059 m-1 및 ~ 0.85 ℃로 나타났다. Finally, as a result of simultaneous measurement of bending and temperature at 16 random points within the applied curvature range of 1.484 to 3.925 m -1 and the applied temperature range of 15 to 75 °C, two optimal values selected from the three marker valleys were obtained. In the case of markers (DA and DB), the standard deviations of the measured bending and temperature values were ~0.059 m -1 and ~0.85 °C, respectively.

이러한 실험결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 DCF MZI는, 실질적으로 스트레인에 둔감하고(strain-insensitive) 비용면에서 효율적인(cost-effective) 센서부로서 다양한 산업분야에서 구조 건전성 진단(structure health monitoring)을 위한 굽힘 및 온도의 구별(discrimination)에 유익하게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. From these experimental results, the DCF MZI according to the embodiment of the present invention is a substantially strain-insensitive and cost-effective sensor unit for structure health monitoring in various industrial fields. ) is expected to contribute beneficially to the discrimination of bending and temperature for

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 이중 클래딩 광섬유(DCF)에 일정한 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사하여 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조시켜 제작되는 LPFG 2개를 일정한 간격을 두고 직렬로 연결하여 이루어지는 것에 의해 스트레인에 무관하게 굽힘 및 온도의 동시측정이 가능하도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법이 제공됨으로써, 온도와 굽힘 사이의 교차 민감도로 인해 감지성능이 제한되고, 특히, 센서부에 굽힘이 인가될 때 스트레인(strain)이 동시에 가해지는 것에 의해 측정결과가 부정확해지는 한계가 있었던 종래 기술의 광섬유 브래그 격자(FBG) 및 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다. Therefore, as described above, a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to an embodiment of the present invention and a strain-independent bending and temperature simultaneous measurement device and method using the same can be implemented. Thereby, according to the present invention, carbon dioxide (CO 2 ) laser pulses are irradiated at regular intervals to the double cladding optical fiber (DCF) to periodically modulate the refractive index of the core of the DCF to form two LPFGs at regular intervals. long-period optical fiber grating (LPFG)-based double-cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) configured to enable simultaneous measurement of bending and temperature regardless of strain by connecting in series and strain-independent bending using the same And by providing a temperature simultaneous measurement device and method, the sensing performance is limited due to the cross sensitivity between temperature and bending, and in particular, when bending is applied to the sensor unit, strain is simultaneously applied, resulting in inaccurate measurement results. It is possible to solve the problems of conventional fiber Bragg grating (FBG) and long period fiber grating (LPFG)-based measuring devices and methods, which have limitations.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 측정 중 센서부에 스트레인이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법이 제공됨으로써, 복수의 센서부를 사용할 필요 없이 단일 센서부를 이용하여 두 가지 물리량의 동시측정이 가능하고, 기존의 FBG에 비해 제작공정의 편의성 향상 및 제작비용 절감이 가능하며, 이산화탄소 레이저를 사용함으로써 마스크 없이 제작이 가능하여 저단가 LPFG 제작이 가능한 데 더하여, 굽힘이 인가될 때 인장/압축 스트레인이 인가되더라도 LPFG의 스펙트럼에 변화가 없으므로 굽힘 및 온도 동시측정의 정확도를 향상시킬 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, even if a strain is applied to the sensor unit during measurement, a long period fiber optic grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zender configured to simultaneously measure bending and temperature regardless of the strain By providing an interferometer (MZI) and a device and method for simultaneous measurement of bending and temperature independent of strain using the same, it is possible to simultaneously measure two physical quantities using a single sensor unit without using a plurality of sensor units, compared to the existing FBG. It is possible to improve the convenience of the manufacturing process and reduce the manufacturing cost, and by using a carbon dioxide laser, it is possible to manufacture LPFG at low cost because it can be manufactured without a mask. In addition, even if tensile/compressive strain is applied when bending is applied, the spectrum of LPFG changes Since there is no measurement, the accuracy of simultaneous measurement of bending and temperature can be improved.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI) 및 이를 이용한 스트레인에 무관한 굽힘 및 온도 동시 측정장치 및 방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. In the above, through the embodiments of the present invention as described above, a long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to the present invention and a strain-independent bending and temperature simultaneous measurement device using the same, and Although the details of the method have been described, the present invention is not limited only to the contents described in the above embodiments, and therefore, the present invention, the design needs and It goes without saying that various modifications, changes, combinations, and substitutions are possible depending on various other factors.

Claims (9)

센서부에 인가되는 스트레인(strain)에 무관하게 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있도록 구성되는 장주기 광섬유 격자(Long-Period Fiber Grating ; LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(Double-Clad Fiber ; DCF) 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer ; MZI)에 있어서,
상기 이중 클래딩 광섬유(DCF)의 코어(core)에 미리 정해진 일정 간격을 두고 직렬로 연결된 2개의 장주기 광섬유 격자(LPFG)를 포함하여 구성되고,
상기 LPFG는,
상기 DCF에 미리 정해진 일정 주기로 이산화탄소(CO2) 레이저 펄스를 조사(illumination)하여 상기 DCF의 코어(core) 굴절률을 주기적으로 변조(modulation)시키는 것에 의해 각각 형성되도록 구성됨으로써,
단일의 센서부를 이용하여 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있는 데 더하여, 측정 중 센서부에 길이 방향의 장력(strain)이 인가되더라도 스트레인에 무관하게 동시측정을 수행할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI).
Long-Period Fiber Grating (LPFG)-based double-clad fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer configured to simultaneously measure bending and temperature regardless of the strain applied to the sensor unit (Mach-Zehnder interferometer; MZI),
It is configured to include two long-period optical fiber gratings (LPFG) connected in series at a predetermined interval to the core of the double-cladding optical fiber (DCF),
The LPFG,
By irradiating the DCF with a carbon dioxide (CO 2 ) laser pulse at a predetermined period and periodically modulating the refractive index of the core of the DCF to be configured to be respectively formed,
In addition to being able to simultaneously measure bending and temperature using a single sensor unit, even if a longitudinal strain is applied to the sensor unit during measurement, simultaneous measurement can be performed regardless of the strain. Characterized in that Long period fiber grating (LPFG) based double cladding fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI).
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)는,
상기 DCF MZI의 투과 스펙트럼에서 클래딩 모드 차수(cladding-mode order)가 서로 다른 두 골(dip)을 각각 굽힘과 온도의 측정을 위한 센서 표지자(indicator dip)로 선택하고,
상기 센서 표지자의 굽힘 및 온도에 의한 파장 이동량을 측정하는 것에 의해 굽힘과 온도를 동시에 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI).
According to claim 1,
The long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI),
In the transmission spectrum of the DCF MZI, two dips having different cladding-mode orders are selected as sensor dips for measuring bending and temperature, respectively,
Long period fiber optic grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) .
삭제delete 제 3항에 있어서,
상기 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)는,
상기 DCF의 내부클래딩 지름이 외부 클래딩(outer cladding) 지름의 80% 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI).
According to claim 3,
The long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI),
A long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI), characterized in that the inner cladding diameter of the DCF is formed to be 80% or more of the outer cladding diameter.
삭제delete 제 5항에 있어서,
상기 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)는,
상기 DCF의 코어에 상기 장주기 광섬유 격자(LPFG)를 3개 이상 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI).
According to claim 5,
The long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI),
A long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI), characterized in that the long period fiber grating (LPFG) is configured to include three or more of the long period fiber grating (LPFG) in the core of the DCF.
센서부에 인가되는 스트레인(strain)에 무관하게 굽힘 및 온도를 동시에 측정 가능하도록 구성되는 굽힘 및 온도 동시 측정장치에 있어서,
상기 센서부는,
청구항 1항, 청구항 3항, 청구항 5항, 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 굽힘 및 온도 동시 측정장치.
In the simultaneous bending and temperature measuring device configured to simultaneously measure bending and temperature regardless of the strain applied to the sensor unit,
The sensor unit,
Claim 1, claim 3, claim 5, claim 7 characterized in that it is configured to include a long-period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to any one of claims 1, 3, 5, and 7 and a temperature simultaneous measuring device.
센서부에 인가되는 스트레인(strain)에 무관하게 굽힘 및 온도를 동시에 측정 가능하도록 구성되는 굽힘 및 온도 동시 측정방법에 있어서,
청구항 1항, 청구항 3항, 청구항 5항, 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 장주기 광섬유 격자(LPFG) 기반 이중 클래딩 광섬유(DCF) 마하젠더 간섭계(MZI)를 이용하여 상기 센서부를 구현하는 단계; 및
상기 센서부를 통하여 굽힘 및 온도의 동시측정을 수행하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 굽힘 및 온도 동시 측정방법.
In the simultaneous bending and temperature measurement method configured to simultaneously measure bending and temperature regardless of the strain applied to the sensor unit,
Implementing the sensor unit using the long period fiber grating (LPFG) based double cladding optical fiber (DCF) Mach-Zehnder interferometer (MZI) according to any one of claims 1, 3, 5, and 7; and
Bending and temperature simultaneous measurement method characterized in that it is configured to include the step of performing simultaneous measurement of bending and temperature through the sensor unit.
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