KR19990038983A - 장주기 광섬유 격자를 이용한 광섬유 레이저센서 시스템 - Google Patents

장주기 광섬유 격자를 이용한 광섬유 레이저센서 시스템 Download PDF

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Abstract

광섬유 브래그 격자를 파장선택 반사경과 센서헤드로 동시에 사용하는 광섬유 레이저(공진기) 및 상기 브래그 격자에 가해지는 물리량에 따라 변화하는 브래그 파장의 변화를 측정하기 위하여 장주기 광섬유 격자를 광학필터로 이용하는 간단한 구조의 브래그 파장 변환기로 구성되는 광섬유 브래그 격자 센서를 제공함으로써, 센서출력의 크기와 신호 대 잡음비를 증가시킬 수 있다. 또한 장주기 격자를 파장 변환기의 광학필터로 사용하므로써, 센서시스템 전체를 광섬유 형태로 구성할 수 있어서, 시스템의 안정성과 효율 및 경제성을 증가시킬 수 있고, 장주기 격자 간격의 조절을 통하여 센서의 정밀도와 동작 파장영역을 자유롭게 선택할 수 있다.

Description

장주기 광섬유 격자를 이용한 광섬유 레이저센서 시스템
본 발명은 광섬유 브래그격자(Fiber Bragg Grating, 이하 FBG라 함)를 이용한 광섬유 레이저(공진기) 및 광섬유 장주기 격자(fiber long period grating)를 광학필터로 사용하는 all-fiber 파장변환기(wavelength demodulator)로 이루어지는 광섬유 격자 레이저 센서에 관한 것이다.
브래그파장(Bragg wavelength)의 변화를 관측하므로써, 가해진 물리량에 관한 정보를 얻는 광섬유 격자센서는 광섬유 파브리-페로(Fabry-Perot)센서 이후 가장 주목받는 센서형태의 하나가 되었다. 이는 FBG의 작은 크기와 파장인코딩(wavelength encoding)특성, 그리고 광섬유 자체의 이점에 의하여 구조물에 삽입하기가 용이하고, 여러개의 센서를 직렬 또는 병렬로 연결한 분배센서(distributive sensor)를 구축할 수 있다는 등의 장점에 기인한다. 개발초기의 연구들은 주로 분광분석기(optical spectrum analyzer)를 사용하지 않는, 정밀하고 속도가 빠른 브래그 파장변화 측정방법을 구현하는 것에 집중되어 왔다. 대표적인 방법으로는 브래그 파장의 변화를 출력신호의 위상으로 변환하는 방법과 광량의 변화를 이용하는 방법, 그리고 이 두가지를 병용하는 방법등이 있으며, 온도와 스트레인의 효과를 분리하는 방법에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 그러나, FBG센서를 지능구조(smart structure) 등에 효과적으로 적용하기 위해서는 저렴한 비용으로 실제 환경에서 안정하게 동작할 수 있는 간단한 구조이어야 하며, 센서출력의 크기와 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 높아야 하고, 각 센서지점에서의 브레그 파장 변화를 간단한 구조를 이용하여 측정할 수 있어야 한다.
FBG센서에 가해진 물리량은 FBG에서 반사되는 광폭스펙트럼(broadband spectrum)의 파장성분을 파악하거나, 또는 FBG를 광섬유 레이저 공진기의 반사경(fiber laser cavity mirror)으로 사용하여 그 발진파장(lasing wavelength)을 관측하므로써 알아낼 수 있다. 광폭광원을 이용하는 경우 동작이 안정적이고 비용이 저렴하다는 장점이 있으나, FBG에서 반사되는 빛의 양은 그리 크지 않으므로 센서출력의 크기와 신호 대 잡음비가 낮다는 단점을 가진다. 따라서 본 발명에서는, FBG를 공진기의 반사경으로 이용하는 레이저센서를 구성하였다.
본 발명의 목적은 광섬유 브래그 격자를 광섬유 레이저의 파장선택 반사경과 센서헤드로 동시에 사용하므로써, 출력신호의 레벨과 신호 대 잡음비가 향상되는 광섬유 브래그 격자 센서 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 브래그 격자에 가해지는 물리량에 따라 변화하는 브래그 파장의 변화를 넓은 동작영역에서 측정하고, 매질에 따른 센서의 설계를 용이하게 하기 위하여, 장주기 광섬유 격자를 광학필터로 이용하는 간단한 구조의 브래그 파장 변환기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 장주기 격자의 제조과정중 적절한 간격을 가지는 광량마스크와 자외선 조사시간의 조절을 통하여 대역소거 곡선(band-rejection curve)의 깊이와 폭을 조절할 수 있으므로, 그에 따라 센서의 정밀도와 파장영역을 자유롭게 선택할 수 있는 파장변환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 광섬유 레이저 센서와 브래그(Bragg)파장 변환기의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 장주기 격자의 투과 스펙트럼이다.
도 3는 본 발명에 의한 장주기 격자를 이용한 브래그 파장 변화기의 특성을 도시한다.
도 4는 외부의 동적 진동 신호에 따르는 본 발명에 의한 센서의 센서 출력신호의 변화 및 그에 의하여 해석된 외부 진동 주파수를 도시하는 도면이다.
도 1은 본 발명에 의하여 제조된 광섬유 레이저 센서와 파장변환기의 개략도이다.
WDM 커플러(wavelength division multiplexing coupler)를 통하여 980 nm LD(laser diode)로 펌핑된 어븀첨가 광섬유(erbium-doped fiber)가 레이저 발진에 필요한 이득(gain)을 제공하며, 공진기는 적외선 영역에 대하여 높은 반사특성을 가지는 다이크로익 미러(dichroic mirror)와 FBG를 양쪽 끝에 용융접착하여 구성한다. 상기 구조에서는 공진기의 한쪽 거울을 구성하는 광섬유 브래그 격자가 레이저 출력의 파장을 결정하고 동시에 센서헤드 기능을 한다. 광섬유 격자에 일정한 양의 축방향 인장력(axial stress)이 가해져서 격자의 간격이 증가하면 브래그 격자의 반사파장이 변화하고 그에 따라 광섬유 레이저의 출력파장이 변화하며, 이러한 출력파장의 변화는 아래에서 설명할 브래그 파장변환기에서 측정된다.
도 1의 파장변환기(wavelength demodulator)의 측정원리는 다음과 같다. 레이저센서의 출력이 3dB 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통하여 50:50으로 나뉜후, 그 중 하나는 기준아암(reference arm)으로 입사되고 그로부터의 광신호는 그대로 광검출기에서 받아들이고, 다른 하나는 신호아암(signal arm)으로 입사한다. 신호아암을 통하는 광신호는 선형적인 필터 특성을 갖는 장주기 격자로 이루어진 광학필터의 필터 특성에 따라 그 광량이 변화된 후 광검출기에서 출력을 발생한다. FBG반사경에 스트레인(또는 온도변화)이 가해져서 발진파장이 변할 경우, 필터를 통과하여 검출되는 광신호는 필터특성에 따라 그 크기가 변조되므로, 광신호의 변화를 관측하므로써 격자에 가해진 스트레인의 양을 결정할 수 있게 된다. 즉 FBG에 가해진 물리량이 센서출력단의 광량변화로 변환되는 것이다. 일반적으로 FBG센서는 브래그 파장의 변화를 측정하여 정보를 얻는 것이지만, 회절격자(diffration grating) 등을 사용하여 직접적으로 파장성분을 분석하는 방법은 그 측정속도와 정밀도에 의하여 응용이 제한된다. 따라서 최종적인 센서출력은 기존의 광섬유센서와 같이 광신호의 위상변화나 광량의 변화와 같은 형태를 갖는 것이 보통이다. 브래그 파장의 변화를 광량의 변화로 변환시키는 대표적인 방법이 여기서 기술할 광학필터를 이용하는 방법이다. 센서 시스템의 최종출력은 기준아암(reference arm)의 광신호로 신호아암의 변조된 광신호를 나누므로써 산출되며, 이는 광섬유 레이저의 출력(파장)변화나 시스템의 손실 등에 의한 광량변화에 의하여 측정오차가 발생하는 것을 막기 위함이다.
본 발명에서는 기존의 벌크 광학필터(bulk spectral filter)대신 광섬유 장주기 격자를 이용하여, 최종 센서출력을 광량의 변화로 변환시키는 광학필터로 사용하였다. 기존의 벌크 광학필터는 광섬유와의 결합부위에서 발생하는 손실과 안정성의 부족등으로 시스템의 효율이 떨어지며, 매질에 따라 필터 특성이 고정되어 센서시스템의 자유로운 설계가 불가능하다. Vengsarkar 등에 의하여 제안된 광섬유 장주기 격자(fiber long-period grating, LPG)는 코어를 진행하는 빛 중에서 다음의 수학식을 만족하는 파장성분을 클래딩 모드(Cladding mode)로 결합시키는 역할을 하며, 클래딩 모드로 결합된 파장성분은 쉽게 손실이 되므로 결국 대역소거 필터(band-rejection filter)의 역할을 하게 되는 소자이다.
nco- ncl n= λ / Λ
상기 수학식에서 nco, ncl n는 각각 광섬유 코어와 n번째 모드의 굴절율이고, λ는 클래딩 모드로 결합되는 파장이며, Λ는 장주기격자의 격자간격이다. Λ의 간격을 가지는 광량마스크(amplitude mask)를 이용하여 광민감성(photosensitivity)을 가지는 광섬유에 자외선 레이저를 조사할 경우, 코어의 굴절율이 증가함에 따라 결합되는 파장이 증가하게 된다. 따라서, Λ와 자외선 조사시간을 적절히 조절하므로써 원하는 파장범위에서 필터특성을 가지는 장주기 격자를 생산할 수 있으며, 이 때의 투과 스펙트럼은 어븀첨가 광섬유의 이득범위에서 도 2에 도시된 바와 같다.
도 3(a)는 장주기 격자를 이용한 브래그 파장 변환기의 특성을 시험하기 위한 가변형 DFB 레이저 다이오드(distributed feedback laser diode)의 출력을 파장 변환기에 입사시킨 후 1527∼1567nm의 파장영역에 대하여 0.5nm단위로 주사(scan)하며 파장변환기의 출력을 측정한 결과이다. 중심골 5nm정도 이외의 약 30nm 이상의 범위에서 거의 선형적인 변화를 보임을 알 수 있다. 도 3(b)는 광섬유 격자에 가해지는 스트레인에 따른 센서출력의 변화를 나타낸 것이다. 1nm의 레이저 파장 변화에 대하여 기준아암 대비 16%정도의 광량변화가 있음을 알 수 있다. 시스템의 측정정밀도는 스트레인에 대한 출력의 변화를 정밀하게 측정하는 것에 달려있으므로, 같은 정밀도를 가지는 전자회로를 사용하는 경우 측정정밀도는 브래그 파장 변환기에 삽입되는 장주기 격자의 필터 곡선의 형태에 의존하게 된다. 장주기 격자의 밴드폭과 깊이는 여러 가지 방법을 이용하여 변화시킬 수 있으며, 센서 시스템의 요구조건에 따라 설계되어야 한다. 본 실시예에 사용된 장주기 격자는 분산천이광섬유(dispersion-shift fiber, DSF)를 수소처리한 후 380μm의 주기를 가지는 광량마스크(amplitude mask)와 KrF(λ=248nm) 엑시머 레이저를 이용하여 제작되었다. 따라서, 도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 브래그 파장 변환기는 1.55μm에서 30nm 이상의 동작영역을 가지게 되므로, 기존 1.55μm 대역의 광통신 소자들을 이용하여 다중점 센서의 출력을 하나의 파장변환기로 동시에 처리할 수 있다.
본 발명에 의한 광섬유 레이저 센서시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 동적 신호도 해석할 수 있다. 광섬유 격자를 다층 압전소자(multi-stack PZT)에 부착한 후 이에 일정한(본 실시예에서는 56rms μ스트레인-89Hz) 주파수 신호를 가하여 센서 출력신호를 관측한 것이다. 센서 출력에 대해서 퓨리에 변환(Fourier Transform)을 행하면 센서에 가해진 진동의 주파수를 해석할 수 있으며, 도 4(b)의 결과(위로부터 각각 7rms μ스트레인-100Hz, 56rms μ스트레인-89, 205Hz인 진동신호에 대한 해석결과를 도시한다)로부터 알 수 있듯이, 압전소자에 가한 진동신호를 그대로 복원할 수 있다.
전술한 바와 같이, 장주기 격자를 이용할 경우 센서시스템 전체를 광섬유 형태(all-fiber)로 구성할 수 있다. 이것은 벌크 필터를 사용할 경우에 비하여 시스템의 안정성과 효율 및 센서 제작상의 경제성을 현격하게 증가시킬 수 있다는 것을 의미하며, 또한 장주기 격자의 제조과정중 적절한 간격을 가지는 광량마스크와 자외선 조사시간의 조절을 통하여 대역소거 곡선(band-rejection curve)의 깊이와 폭을 조절할 수 있으므로, 그에 따라 센서의 정밀도와 파장영역을 자유롭게 선택할 수 있다는 장점 또한 가지고 있다.
또한 본 발명에 의한 브래그 파장 변환기를 사용하는 광섬유 걱자 레이저 센서를 이용하는 경우, 광섬유 격자에 가해지는 외부 인장력과 동적인 진동 신호에 대한 해석을 할 수 있으며, 센서에 가해지는 온도 변화에 대해서도 인장력과 동일한 해석이 가능할 것이다. 따라서, 지능구조물(smart structures)에 적용할 센서 네트워크의 실현을 위하여 다중점에 대한 신호 해석을 가능하게 할 것이다.

Claims (4)

  1. 일측에는 광섬유 레이저의 파장선택 반사경과 센서헤드로 동시에 사용되는 광섬유 브레그 격자를 배치하고, 타측에는 미러가 배치되는 공진기와,
    상기 공진기에서의 격자 레이저 출력 신호로부터, 센서에 가하여진 물리량에 따라 변화하는 브래그 파장변화를 측정하기 위하여, 장주기 광섬유 격자(LPG)를 파장 선택형 광손실 필터로 사용하는 브래그 파장 변환기,로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 미러는 다이크로익 미러(dichroic mirror)인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 센서 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 브래그 파장 변환기는,
    상기 공진기로부터의 광섬유 레이저 출력신호를 두 개의 동일한 광신호로 분할하기 위한 광섬유 커플러(fiber coupler)와,
    상기 분할된 광신호중 하나를 수용하여 기준광검출기에서 기준전류를 발생하는 기준아암(reference arm),
    상기 이분된 광신호중 다른 하나를 전달하여 신호광검출기에서 신호 전류를 생성하기 위하여, 상기 광섬유 커플러로부터 순서대로 배치되는 장주기 격자 필터 및 상기 신호광검출기로 구성되는 신호아암(signal arm),으로 이루어지며,
    상기 신호전류를 기준전류로 나누므로써 최종출력을 구하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 센서 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 광섬유 커플러와 기준광검출기 사이에 광감쇠기(attenuator)가 배치되며, 상기 기준광검출기 및 신호광검출기는 포토다이오드(photodiode)인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 센서 시스템.
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