KR20100095252A - Mach-zehnder interferometer-type optical fiber, preparation method thereof and sensor comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마하젠더 간섭계형 광섬유, 그의 제조 방법 및 상기를 포함하는 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a Mach-Zehnder interferometric optical fiber, a method for manufacturing the same, and a sensor including the same.
근래 센서나 통신용 필터로 사용될 수 있는 다양한 형태의 광섬유 기반 간섭계가 제작되고 있다. 그 중에서 광섬유용 FPI(Fabry-Perot Interferometer)는 단일 광섬유 내부에 집약이 가능하기 때문에, 현재 센서용으로 가장 널리 사용되고 있다.Recently, various types of optical fiber based interferometers have been manufactured that can be used as sensors or communication filters. Among them, the Fabric-Perot Interferometer (FPI) for optical fibers can be concentrated in a single optical fiber, and thus is most widely used for sensors.
한편, 광섬유용 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)의 경우, 두 가닥의 광섬유로부터 유도되는 광경로차를 이용하는 것으로, 이와 같은 광경로차를 유도하기 위한 대표적인 방법은 하기와 같다. 즉, 기존 방법에서는 광경로차를 유도하기 위하여, 우선 두 가닥의 광섬유의 가운데를 융착시켜, 빛을 나눌 수 있는 커플러를 제작한 다음, 제작된 두 개의 커플러을 연결한다. 이 과정에서, 연결된 두 개의 광섬유의 길이를 다르게 하면, 광경로의 차이가 발생하면서, 마하젠더 간섭 특성의 조절이 가능하다. 이와 같은 마하젠더 간섭계는 FPI에 비하여 크기에 제약을 많이 받기 때문에, 주로 광통신 파장 분할 다중 기술이나 통신용 필터 등에 사용되어 왔다. Meanwhile, in the case of a Mach-Zehnder Interferometer for an optical fiber, optical path differences derived from two optical fibers are used, and a representative method for inducing such optical path differences is as follows. That is, in the conventional method, in order to induce the optical path difference, first, by fusion of the center of the two strands of optical fiber, a coupler capable of dividing light is manufactured, and then the two couplers are manufactured. In this process, if the lengths of the two connected optical fibers are different, the optical path may be different and the Mach-Zehnder interference characteristics may be adjusted. Since Mach-Zehnder interferometers are more limited in size than FPI, they are mainly used in optical communication wavelength division multiplexing technology, communication filters, and the like.
위와 같은 마하젠더 간섭계의 문제점을 해결하기 위하여, 단일 광섬유 내에 마하젠더 간섭 특성을 내재시키기 위해 다양한 방법이 제안되어 왔다. 예를 들어, 광섬유의 직경 분포를 조절하여, 마하젠더 간섭 특성을 얻는 방법이 알려져 있다(S. Lacroix et al., "Tapered-fiber interferometric wavelength response: The achromatic fringe", Opt. Lett., vol. 13, no. 5, pp. 395-397, May 1988). 이 방법에서는, 광섬유의 중간 부분에 열을 가한 후, 양쪽에서 장력을 가하여 당김으로써, 열을 가해준 부분의 직경은 줄어들고, 대칭적인 형태로 늘어난 광섬유를 제작한다. 단일모드 광섬유의 경우는 직경이 줄어들게 되면서, 광섬유 코어 내부에서 단일모드로 진행하는 빛의 일부가 클래딩 쪽으로 진행하게 되는데, 이 때 코어부 및 클래딩의 굴절률의 차이로 인해 광경로차가 유도될 수 있다. 그러나, 상기 방법에서 개시하는 광섬유는 열과 장력을 가해 직경이 줄어든 형태이기 때문에, 외부의 충격에 쉽게 끊어지는 등 기계적 특성이 열악한 단점이 있다.In order to solve the problems of the Mach-Zehnder interferometer, various methods have been proposed to embed the Mach-Zehnder interference characteristics in a single optical fiber. For example, a method of obtaining the Mach-Zehnder interference characteristic by adjusting the diameter distribution of the optical fiber is known (S. Lacroix et al., "Tapered-fiber interferometric wavelength response: The achromatic fringe", Opt. Lett ., Vol. 13, no. 5, pp. 395-397, May 1988). In this method, heat is applied to the middle portion of the optical fiber, and then the tension is applied to both sides, so that the diameter of the heated portion is reduced, and the optical fiber is formed in a symmetrical form. In the case of a single mode optical fiber is reduced in diameter, a portion of the light traveling in the single mode in the optical fiber core proceeds toward the cladding, the optical path difference may be induced due to the difference in the refractive index of the core and the cladding. However, since the optical fiber disclosed in the method has a shape in which the diameter is reduced by applying heat and tension, mechanical properties such as being easily broken by external impact are poor.
한편, 코어부가 GeO2로 이루어진 광섬유에, 아르곤 이온 레이저를 이용하여, 두 개의 장주기 격자를 소정 간격으로 형성하는 방법도 알려져 있다(E. M. Dianov et al., "In-fiber mach-zehnder interferometer based on a pair of long-period gratings", 22 nd ECOC, MoB.3.6, 1996.). 상기 방법에서는, 장주기 격자의 사이에서 코어 모드와 클래딩 모드를 지나는 빛의 광경로차를 줌으로써, 마하젠더 간섭 특성을 나타낸다. 그러나, 상기 방법에서 개시하는 광섬유는 작동 간격이 넓기 때문에, 특정 부분의 물리량을 감지하는 센서로서의 응용이 제한된다는 문제점이 있다.On the other hand, a method of forming two long-period gratings at predetermined intervals using an argon ion laser on an optical fiber made of GeO 2 is known (EM Dianov et al., “In-fiber mach-zehnder interferometer based on a pair of long-period gratings ", 22 nd ECOC , MoB.3.6, 1996.). In this method, the Mach-Zehnder interference characteristics are exhibited by giving the optical path difference of the light passing through the core mode and the cladding mode between the long period gratings. However, since the optical fiber disclosed in the above method has a wide operating interval, there is a problem that the application as a sensor for detecting a physical quantity of a specific portion is limited.
상기와 같은 방식 외에도, 일반적인 광섬유가 아닌 광결정 광섬유를 사용하여 마하젠더 간섭 특성을 구현하는 방법도 알려져 있다(H.Y.Choi et al., "All-fiber Mach-Zehnder type interferometers formed in photonic crystal fiber", Opt. Express., vol. 15, no. 9, pp. 5711-5720, Apr. 2007.). 그러나, 광결정 광섬유의 경우, 통신용으로 주로 사용되는 단일모드 광섬유에 비하여 고가이다. 또한, 상기 방법에서 제시하는 광섬유 역시 작동 간격이 넓기 때문에 센서 사용에 제한이 따른다는 단점을 가지고 있다. In addition to the above-described method, a method of implementing Mach-Zehnder interference characteristics using photonic crystal fibers other than general optical fibers is also known (HYChoi et al., "All-fiber Mach-Zehnder type interferometers formed in photonic crystal fiber", Opt. Express., vol. 15, no . 9, pp. 5711-5720, Apr. 2007.). However, the photonic crystal fiber is more expensive than the single mode optical fiber mainly used for communication. In addition, the optical fiber proposed in the above method also has a disadvantage in that the use of the sensor is limited because the operating interval is wide.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 단일 가닥의 광섬유를 기반으로 하면서도, 효과적으로 마하젠더 간섭 특성을 나타낼 수 있는 광섬유, 그 제조 방법 및 상기를 포함하는 센서를 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and is based on a single-strand optical fiber, which can effectively exhibit Mach-Zehnder interference characteristics, and a method of manufacturing the same and a sensor comprising the same. do.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 코어부 및 상기 코어부를 둘러싸는 클래딩부를 포함하는 광섬유에 있어서, According to an aspect of the present invention, there is provided an optical fiber including a core portion and a cladding portion surrounding the core portion.
상기 광섬유로 입사되는 광선을 분할하여 위상차를 가지는 두 개 이상의 광경로를 생성할 수 있는 공동부를 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 마하젠더 간섭계형 광섬유를 제공한다.It provides a Mach-Zehnder interferometric optical fiber, characterized in that it comprises a cavity for generating two or more optical paths having a phase difference by dividing the light incident to the optical fiber therein.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 광섬유의 일말단의 단면에, 공동을 형성하는 제 1 단계; 및 The present invention as another means for solving the above problems, the first step of forming a cavity in the cross section of one end of the optical fiber; And
제 1 단계에서 공동이 형성된 광섬유의 말단을 다른 광섬유의 말단과 융착하는 제 2 단계를 포함하는 마하젠더 간섭형 광섬유의 제조 방법을 제공한다.Provided is a method for producing a Mach-Zehnder interfering optical fiber comprising a second step of fusing an end of an optical fiber having a cavity formed in the first step with an end of another optical fiber.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 마하젠더 간섭계형 광섬유; 상기 광섬유로 빛을 조사할 수 있는 광원; 및 The present invention is another means for solving the above problems, Mach-Zehnometer interferometric optical fiber according to the present invention; A light source capable of irradiating light with the optical fiber; And
상기 광섬유로부터 발생하는 광신호를 검출할 수 있는 검출기를 포함하는 센서를 제공한다.It provides a sensor comprising a detector that can detect the optical signal generated from the optical fiber.
본 발명에서는 단일 가닥에 기반하면서도, 온도, 스트레인 및 가속 등의 물리량 변화에 민감한, 마하젠더 간섭 특성을 나타내는 광섬유를 제공할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 광섬유는 소형으로 제작되면서도, 각종 물리량 변화를 효율적으로 감지할 수 있는 다양한 센서로의 적용이 가능하고, 그 외에도 광통신 부품 또는 광필터 등의 용도에 효과적으로 활용될 수 있다. 본 발명에서는 또한 상기와 같은 마하젠더 간섭계형 광섬유를 낮은 생산 단가의 간단한 공정으로 효과적으로 제작할 수 있는 제조 방법을 제공할 수 있다.In the present invention, it is possible to provide an optical fiber based on a single strand and exhibiting Mach-Zehnder interference characteristics, which are sensitive to changes in physical quantities such as temperature, strain, and acceleration. Accordingly, the optical fiber of the present invention can be applied to various sensors that can efficiently detect various physical quantity changes while being manufactured in a small size, and can be effectively used for applications such as optical communication components or optical filters. In the present invention, it is also possible to provide a manufacturing method that can effectively produce the Mach-Zehnder interferometric optical fiber as described above in a simple process of low production cost.
본 발명은, 코어부 및 상기 코어부를 둘러싸는 클래딩부를 포함하는 광섬유에 있어서, The present invention, in the optical fiber comprising a core portion and a cladding portion surrounding the core portion,
상기 광섬유로 입사되는 광선을 분할하여 위상차를 가지는 두 개 이상의 광경로를 생성할 수 있는 공동부를 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 마하젠더 간섭계형 광섬유(Mach-Zehnder Interferometer type optical fiber)에 관한 것이다.It relates to a Mach-Zehnder Interferometer type optical fiber, characterized in that it comprises a cavity for generating two or more optical paths having a phase difference by dividing the light incident to the optical fiber therein.
이하, 본 발명에 따른 마하젠더 간섭계형 광섬유를 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the Mach-Zehnder interferometric optical fiber according to the present invention will be described in more detail.
본 발명에서는 광섬유의 내부에 소정의 치수(dimension) 및 형상을 가지는 공동을 형성한 것을 특징으로 하고, 이에 따라 입사된 단일 모드의 광선은 상기 공동부를 거치면서, 두 개 이상, 바람직하게는 두 개의 광경로로 분할될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 한 가닥의 광섬유만을 사용하면서도, 마하젠더 간섭 특성을 나타낼 수 있다.The present invention is characterized in that a cavity having a predetermined dimension and shape is formed inside the optical fiber, and thus the incident single mode light beam passes through the cavity, at least two, preferably two It can be divided into light paths. Accordingly, the present invention can exhibit Mach-Zehnder interference characteristics while using only one optical fiber.
한편, 본 발명에서 「마하젠더 간섭계형 광섬유」 및 「광섬유 기반 마하젠더 간섭계」는 동일한 의미로 사용될 수 있다.On the other hand, in the present invention, "Makhazen interferometer-type optical fiber" and "fiber-optic Mach-Zehnder interferometer" may be used in the same meaning.
본 발명에서 내부에 공동이 형성되는 광섬유의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야의 일반적인 광섬유를 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에서 사용하는 용어 『광섬유』는 입사된 광선을 길이 방향으로 도파시킬 수 있는 유리 섬유 또는 플라스틱 섬유를 의미하고, 통상적으로 첨부된 도 1에 나타난 바와 같이, 높은 굴절률을 가지는 코어부(1); 및 상기 코어부(1)를 둘러싸고 있으며, 상기 코어부(1)에 비해 상대적으로 낮은 굴절률을 가지는 클래딩부(2)로 이루어져 있다. 이에 따라 광섬유에서는 입사된 광선(3)이 내부에서 전반사 현상(4)을 일으켜 빛을 도파시킬 수 있다. 상기와 같은 광섬유는 여러 가지 기준으로 분류될 수 있는데, 예를 들면, 그 소재에 따라 유리 광섬유 및 플라스틱 광섬유로 나눌 수 있다. In the present invention, the type of optical fiber in which the cavity is formed is not particularly limited, and a general optical fiber in this field may be used. That is, the term "optical fiber" used in the present invention means a glass fiber or a plastic fiber capable of guiding the incident light beam in the longitudinal direction, and as shown in FIG. 1, the core part having a high refractive index ( One); And a
상기에서 유리 광섬유(GOF; Glass Optical Fiber)는 주로 실리카로 제조되고, 경우에 따라서는 플루오로지르코네이트(fluorozirconate), 플루오로알루미네이트(fluoroaluminate) 또는 칼코게나이드 글래스(chalcogenide glass) 등으로 제조 될 수 있다. 또한, 플라스틱 광섬유(POF; Plastic Optical Fiber)는 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 불소화 고분자 등으로 제조되고 있다. 본 발명에서는 목적에 따라서 적절한 종류의 광섬유를 사용할 수 있고, 그 구체적인 종류는 특별히 한정되지 않으나, 후술하는 제조 공정에서 아크 방전을 이용한 융착 접속 효율의 관점에서 유리 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.The glass optical fiber (GOF) is mainly made of silica, and in some cases, made of fluorozirconate, fluoroaluminate, or chalcogenide glass. Can be. In addition, plastic optical fibers (POFs) are made of polystyrene, polycarbonate, polymethyl methacrylate, or fluorinated polymer. In the present invention, an appropriate kind of optical fiber can be used according to the purpose, and the specific kind thereof is not particularly limited, but it is preferable to use a glass optical fiber from the viewpoint of fusion splicing efficiency using arc discharge in the production process described later.
한편, 광섬유는 빛의 전파 형태(전송 형태)에 따라서도 분류될 수 있는데, 도 2에 나타난 바와 같이, 이 경우 크게 단일 모드 광섬유(single-mode fiber) 및 다중 모드 광섬유(multi-mode fiber)로 분류될 수 있다. 본 발명에서는 상기 중 단일 모드 광섬유, 특히 실리카 기반 단일모드 광섬유를 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서 사용하는 용어 「실리카 기반 단일모드 광섬유」는 실리카로 제조된 단일모드 광섬유를 의미한다.On the other hand, the optical fiber can also be classified according to the propagation form (transmission form) of light, as shown in Figure 2, in this case largely single-mode fiber (multi-mode fiber) and multi-mode fiber (multi-mode fiber) Can be classified. In the present invention, it is preferable to use a single mode optical fiber, particularly a silica based single mode optical fiber, but is not limited thereto. The term "silica-based single mode optical fiber" as used above means a single mode optical fiber made of silica.
예를 들면, 본 발명에서는 상기 공동부가 형성되는 광섬유로서, 단면의 직경이 110 ㎛ 내지 140 ㎛이고, 코어부의 단면의 직경이 7 ㎛ 내지 50 ㎛, 바람직하게는 7 ㎛ 내지 20 ㎛, 보다 바람직하게는 약 8.2 ㎛인 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 상기에서 특히, 코어부의 단면의 직경이 7 ㎛ 미만이면, 코어부로 입사하는 광선의 파장에 따라서는, 효과적인 도파가 수행되지 않을 우려가 있고, 코어부의 단면의 직경이 50 ㎛를 초과하면, 공동 제작 후 광섬유의 기계적 강도가 저하될 우려가 있다.For example, in the present invention, as the optical fiber in which the cavity is formed, the diameter of the cross section is 110 μm to 140 μm, and the diameter of the cross section of the core part is 7 μm to 50 μm, preferably 7 μm to 20 μm, more preferably. It is preferable to use an optical fiber of about 8.2 mu m. In particular, when the diameter of the cross section of the core portion is less than 7 μm, there is a fear that effective waveguide may not be performed depending on the wavelength of the light beam incident on the core portion, and when the diameter of the cross section of the core portion exceeds 50 μm, the co-production is performed. Thereafter, the mechanical strength of the optical fiber may be lowered.
또한, 본 발명에서는 사용되는 광섬유는 클래딩부의 굴절률이 파장이 1550 nm인 빛에 대하여, 약 1.2 내지 1.6, 바람직하게는 약 1.444일 수 있다. 또한, 상기 광섬유는 약 1550 nm의 파장의 빛에 대하여, 클래딩부의 굴절률에 대한 코어부의 굴절률의 비율(코어부 굴절률/클래딩부 굴절률)이 약 1.2 내지 1.6, 바람직하게는 1.3 내지 1.4, 보다 바람직하게는 약 1.38일 수 있다. In addition, the optical fiber used in the present invention may be about 1.2 to 1.6, preferably about 1.444 for light having a refractive index of the cladding portion of 1550 nm. In addition, the optical fiber has a ratio (core portion refractive index / cladding portion refractive index) of the core portion to the refractive index of the cladding portion with respect to light having a wavelength of about 1550 nm, about 1.2 to 1.6, preferably 1.3 to 1.4, more preferably May be about 1.38.
본 발명의 광섬유는 그 내부에 형성된 공동, 보다 구체적으로는 공기 공동(air cavity)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 공동부는, 광섬유의 내부로 입사되어 도파되는 광선을 두 개 이상의 광경로로 분할하는 역할을 할 수 있다.The optical fiber of the present invention is characterized in that it comprises a cavity formed therein, more specifically an air cavity. The cavity may serve to split light rays incident and guided into the optical fiber into two or more optical paths.
본 발명의 광섬유가 입사된 단일 모드의 광선을 분할하여 소정의 위상차를 가지는 두 개 이상의 광경로를 생성하는 과정을 첨부된 도면을 참조로 설명하면 하기와 같다. Referring to the accompanying drawings, a process of generating two or more optical paths having a predetermined phase difference by dividing a single mode ray into which an optical fiber of the present invention is incident is as follows.
첨부된 도 3은 본 발명의 일 태양에 따른 광섬유를 나타내는 모식도이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 광섬유 내로 입사되는 광선은 하나의 모드(LP01 mode)로 도파되다가, 코어부 내에 형성된 공동(공기 공동)과 만나게 된다. 이 때, 도파되던 광선은 공동쪽의 경로 및 공동과 클래딩부의 경계면의 경로로 분할되게 되는데, 공동 내에 존재하는 공기와 클래딩의 굴절률의 차이에 의하여 소정 길이(L)의 공동을 지나면서 간섭 현상을 일으키게 된다.3 is a schematic diagram showing an optical fiber according to an aspect of the present invention. As shown in FIG. 3, light rays incident into the optical fiber of the present invention are guided in one mode (LP01 mode) and encounter a cavity (air cavity) formed in the core portion. At this time, the guided light beam is divided into a path on the cavity side and a path of the boundary surface of the cavity and the cladding part. The interference phenomenon passes through the cavity having a predetermined length L due to the difference in refractive index between the air and the cladding present in the cavity. Will be raised.
본 발명에서 상기와 같이 코어부 내에 형성된 공동에 의해 분할되어 생성된 두 개 이상의 광경로의 위상차는, 예를 들면, 하기 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.In the present invention, the phase difference between two or more optical paths generated by dividing by the cavity formed in the core part as described above may be expressed by, for example,
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에서 Φ는 공동부에 의해 생성된 위상차를 의미하고, λ는 입사되는 광선의 파장을 의미하며, Δneff는 광섬유의 유효굴절률 및 공기의 굴절률의 차이를 의미하고, L은 공동부의 광축 방향의 길이를 의미한다. 
상기에서 사용하는 용어 「광축」은 광섬유의 코어부에 외접하는 원의 중심을 의미하고, 「광축 방향」은 광섬유의 내부에서 빛이 전파하는 방향을 의미한다.The term "optical axis" used above means the center of a circle which circumscribes the core part of an optical fiber, and the "optical axis direction" means the direction which light propagates inside an optical fiber.
상기 수학식 1에서 나타나는 바와 같이, 본 발명에서 공동에 의해 생성되는 위상차는 광섬유의 유효 굴절률 및 공기의 굴절률(즉, 공동부 내의 굴절률, 1)의 차이, 그리고 공동의 광축 방향의 길이에 비례하며, 또한 입사되는 빛의 파장에는 반비례한다.As shown in
따라서, 본 발명에서는 목적하는 간섭 특성에 따라서 코어부에 존재하는 공동의 광축 방향 길이, 광섬유의 유효굴절률 및 입사 광선의 파장 등을 제어하여, 공동에 의해 분할되는 광선이 가지는 위상차를 자유롭게 제어할 수 있다.Therefore, in the present invention, the phase difference of the light beam divided by the cavity can be freely controlled by controlling the length of the optical axis direction of the cavity, the effective refractive index of the optical fiber, the wavelength of the incident light beam, etc. existing in the core portion according to the desired interference characteristics. have.
본 발명에서는, 예를 들면, 상기 공동의 광축 방향의 길이를 약 1 ㎛ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 5 ㎛ 내지 15 ㎛, 보다 바람직하게는 7 ㎛ 내지 13 ㎛의 범위 내에서 제어할 수 있다. 상기 길이가 1 ㎛ 미만이면, 도파되는 빛이 공동부를 지나는 경로가 지나치게 짧아져서, 광경로의 분할이 효과적으로 이루어지지 않을 우려가 있다. 또한, 상기 길이가 20 ㎛를 초과하면, 클래딩 내부를 도파하는 빛의 손실이 커질 우려가 있다In the present invention, for example, the length in the optical axis direction of the cavity can be controlled within the range of about 1 µm to 20 µm, preferably 5 µm to 15 µm, and more preferably 7 µm to 13 µm. When the said length is less than 1 micrometer, the path | route which the wave | guided light passes through a cavity part becomes too short, and there exists a possibility that division of an optical path may not be made effectively. In addition, when the length exceeds 20 µm, there is a fear that the loss of light that guides the interior of the cladding is increased.
또한, 본 발명에서는 상기 공동부의 높이가 7 ㎛ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 9 ㎛ 내지 18 ㎛일 수 있다. 상기 높이가 7 ㎛ 미만이면, 코어 내부에 손실이 발생할 우려가 있고, 20 ㎛를 초과하면, 광섬유가 마하-젠더 간섭계의 특성을 나타내지 못할 우려가 있다.In addition, in the present invention, the height of the cavity may be 7 μm to 20 μm, preferably 9 μm to 18 μm. If the height is less than 7 μm, a loss may occur inside the core. If the height is more than 20 μm, the optical fiber may not exhibit the characteristics of a Mach-gender interferometer.
또한, 본 발명의 광섬유의 유효 굴절률은 1.4 내지 1.5의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 유효 굴절률이 전술한 범위에서 형성됨으로 해서, 광섬유 내부의 빛의 도파 효율이 우수하게 유지될 수 있다. Moreover, it is preferable that the effective refractive index of the optical fiber of this invention exists in the range of 1.4-1.5. Since the effective refractive index is formed in the above-described range, the waveguide efficiency of the light inside the optical fiber can be maintained excellent.
추가로, 본 발명에서 상기 광섬유로 입사되는 광선의 파장은 1000 nm 내지 2000 nm, 보다 바람직하게는 약 1500 nm 내지 1600 nm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 파장이 1000 nm 미만이면, 예를 들어, 본 발명의 광섬유를 센서 등의 용도로 적용할 경우에, 별도의 검출기가 필요하게 되어, 경제성이 떨어질 우려가 있다. 또한, 상기 파장이 2000 nm를 초과하면, 광선의 광섬유로의 흡수율의 증가에 따라, 광섬유의 길이가 길어질 경우 손실이 증가할 우려가 있다. Further, in the present invention, the wavelength of the light incident on the optical fiber is preferably in the range of 1000 nm to 2000 nm, more preferably about 1500 nm to 1600 nm. If the said wavelength is less than 1000 nm, when applying the optical fiber of this invention for the use of a sensor etc., for example, a separate detector will be needed and there exists a possibility that economic efficiency may fall. In addition, when the wavelength exceeds 2000 nm, as the absorption rate of light rays into the optical fiber increases, there is a fear that the loss increases when the length of the optical fiber becomes longer.
또한, 본 발명에서 상기 공동부는 그 단면의 형성이 광섬유의 광축을 중심으로 원형 대칭성을 가지는 상태로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, 광섬유 내의 공동을 광섬유의 광축을 중심으로 원형 대칭성을 가지도록 형성함으로써, 보다 효과적인 간섭 특성을 나타낼 수 있다. Further, in the present invention, it is preferable that the cavity is formed in a state in which the cross section is formed with a circular symmetry around the optical axis of the optical fiber. As such, by forming the cavity in the optical fiber to have circular symmetry around the optical axis of the optical fiber, more effective interference characteristics can be exhibited.
또한, 상기에서 공동부의 광축 길이 방향의 단면의 형상은, 예를 들면, 네 모서리가 볼록지게 만곡된 직사각형 형상 또는 타원 형상일 수 있으며, 이 중 네 모서리가 볼록지게 만족된 직사각형의 형상을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 네 모서리가 볼록지게 만곡된 직사각형의 경우, 공동으로 입사되는 빛이 공동 방향과 클래딩 방향으로 나누어 질 때, 클래딩 방향으로의 진행이 용이하게 되어 보다 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 단면의 형상이 타원형일 경우에는, 입사된 빛의 분할은 잘 이루어지나, 그 과정에서 다소의 손실이 발생할 수 있다. Further, in the above, the shape of the cross section in the longitudinal direction of the optical axis of the cavity may be, for example, a rectangular shape or an ellipse shape in which four corners are convexly curved, of which four corners have a rectangular shape satisfied satisfactorily. desirable. That is, in the case of a rectangle having four corners that are convex, when the light incident into the cavity is divided into the cavity direction and the cladding direction, propagation in the cladding direction can be easily performed, thereby exhibiting excellent characteristics. In addition, when the shape of the cross section is elliptical, the incident light is divided well, but some loss may occur in the process.
본 발명은 또한, 광섬유의 일말단의 단면에, 공동을 형성하는 제 1 단계 및 제 1 단계에서 공동이 형성된 광섬유의 말단을 다른 광섬유의 말단과 융착하는 제 2 단계를 포함하는 마하젠더 간섭형 광섬유의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention also provides a Mach-Zehnder interfering optical fiber comprising a first step of forming a cavity and a second step of fusing an end of the optical fiber in which the cavity is formed in the first step with an end of another optical fiber in a cross section of one end of the optical fiber. It relates to a method for producing.
본 발명의 제 1 단계는 광섬유의 일말단을 가공하여, 공동부를 형성하는 단계이다. 이 때 공동이 형성되는 광섬유의 종류는 특별히 한정되지 않고, 전술한 바와 같이, 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. The first step of the present invention is to form a cavity by processing one end of the optical fiber. At this time, the kind of optical fiber in which the cavity is formed is not particularly limited, and as described above, a conventionally used one can be used.
또한, 본 발명의 제 1 단계에서 광섬유의 단면에 공동을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 레이저 어블레이션법(laser ablation)을 사용하여 형성할 수 있다.In addition, the method of forming a cavity in the cross section of the optical fiber in the first step of the present invention is not particularly limited, and may be formed using, for example, laser ablation.
즉, 본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 제 1 단계에서의 공동은, 펨토초 레이저(femtosecond laser)를 사용한 가공 방식으로 형성할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 용어 「펨토초 레이저」는 발생되는 광펄스의 지속 시간이 1,000 펨토초 이하인 레이저를 통칭하는 것으로서, 이와 같은 레이저는 통상 광섬유 레이저 또는 티타늄 사파이어(Ti:Sapphire) 레이저를 이용하여 제작된다.That is, according to one aspect of the present invention, the cavity in the first step can be formed by a processing method using a femtosecond laser. The term "femtosecond laser" used in the present invention collectively refers to a laser having a duration of light pulses of 1,000 femtoseconds or less, and such a laser is usually manufactured using a fiber laser or a titanium sapphire (Ti: Sapphire) laser.
본 발명에서는, 예를 들면, 소정의 배율 및 개구수(Numerical Aperture)를 가지는 대물 렌즈로 상기와 같은 레이저를 가공을 요하는 부분에 집광(focusing)시켜, 목적하는 형상의 공동을 광섬유의 단면에 형성할 수 있다. 이 단계에서, 레이저 가공 장치의 수평 이동 조건을 조절함으로써, 최종적으로 형성된 공동의 단면 직경을 제어할 수 있고, 수직 이동 조건을 조절함으로써, 최종 공동의 광축 방향 길이를 제어할 수 있다. In the present invention, for example, an objective lens having a predetermined magnification and numerical aperture (Numerical Aperture) is used to focus the laser as described above on a portion requiring processing, and a cavity having a desired shape is formed on the end face of the optical fiber. Can be formed. In this step, the cross-sectional diameter of the finally formed cavity can be controlled by adjusting the horizontal movement condition of the laser processing apparatus, and the optical axis direction length of the final cavity can be controlled by adjusting the vertical movement condition.
또한, 본 발명의 제 1 단계에서는 상기와 같은 공동 형성 과정에서, 상기 공동이 광섬유의 광축을 중심으로 원형 대칭성을 가질 수 있도록 레이저 가공 조건을 조절하는 것이 바람직하다.In the first step of the present invention, it is preferable to adjust the laser processing conditions so that the cavity has circular symmetry around the optical axis of the optical fiber.
상기에서 사용되는 레이저원의 구체적인 조건은, 가공되는 광섬유 및 목적하는 공동의 형상 내지는 수치 등에 의하여 적절히 결정되는 것으로 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서는 예를 들면, 상기 레이저원으로서, 그 중심 파장이 750 nm 내지 800 nm, 바람직하게는 780 nm 내지 790 nm이고, 0.9 kHz 내지 1.1 kHz 의 반복속도(repetition rate)에서 펄스 지속 시간이 180 fs 내지 190 fs이며, 펄스 에너지가 0.3 μJ 내지 0.6 μJ인 레이저를 사용할 수 있다. 본 발명의 제 1 단계에서 사용되는 레이저의 가공 조건을 상기 범위 내에 설정함으로써, 목적하는 공동부에 따라서 보다 효율적인 공정의 수행이 가능하다. Specific conditions of the laser source used in the above are not particularly limited as appropriately determined by the shape or numerical value of the optical fiber to be processed and the desired cavity. In the present invention, for example, as the laser source, the center wavelength is 750 nm to 800 nm, preferably 780 nm to 790 nm, and the pulse duration is 180 at a repetition rate of 0.9 kHz to 1.1 kHz. A laser having a fs of 190 fs and a pulse energy of 0.3 μJ to 0.6 μJ can be used. By setting the processing conditions of the laser used in the first step of the present invention within the above range, it is possible to perform a more efficient process according to the desired cavity.
본 발명의 제 2 단계는, 제 1 단계에서 공동이 형성된 광섬유의 말단부를 다른 광섬유와 융착시키는 단계이며, 이 단계를 통하여 내부에 공동이 형성되어 있는 광섬유의 제작이 가능하다.In the second step of the present invention, the end portion of the optical fiber in which the cavity is formed in the first step is fused with another optical fiber, and through this step, it is possible to manufacture the optical fiber in which the cavity is formed.
상기 제 2 단계에서 광섬유를 융착시키는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 통상의 아크 방전기 등의 융착 접속기를 사용하여 수행할 수 있다.The method of fusing the optical fiber in the second step is not particularly limited, and for example, may be performed using a fusion splicer such as a conventional arc discharger.
상기와 같이 아크 방전을 통해 광섬유를 융착시킬 경우에, 아크 방전 조건은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 아크 방전 세기를 80 내지 150으로 조절하고, 아크 방전의 지속 시간을 100 밀리초 내지 500 밀리초로 조절한 상태에서 제 2 단계를 진행할 수 있다. 통상적으로 광섬유 융착 시에 아크 방전 세기는 상대적인 수치로 나타내게 되며, 본 발명에서 규정하는 아크 방전 세기는 FITEL사의 광섬유용 접속기(fusion splicer) S175에서 표시되는 수치를 기준으로 나타낸 수치이다.When the optical fiber is fused through the arc discharge as described above, the arc discharge conditions are not particularly limited. For example, the arc discharge intensity is adjusted to 80 to 150, and the duration of the arc discharge is 100 milliseconds to 500 millimeters. The second stage can be carried out with the seconds adjusted. Typically, the arc discharge intensity during the fusion of the optical fiber is represented by a relative value, the arc discharge intensity prescribed in the present invention is a numerical value based on the value displayed on the FITEL's fusion splicer S175.
상기에서 아크 방전의 세기가 80 미만이거나, 지속 시간이 100 밀리초 미만이면, 효과적인 융착 공정이 수행되지 않을 우려가 있고, 아크 방전의 세기가 150을 초과하거나, 또는 지속 시간이 500 밀리초를 초과할 경우에는, 광섬유의 단면에 형성된 공동의 형상이 바람직하지 못하게 변형되거나 혹은 붕괴할 우려가 있다.In the above, if the intensity of the arc discharge is less than 80, or the duration is less than 100 milliseconds, there is a fear that the effective fusion process is not performed, the intensity of the arc discharge is more than 150, or the duration is more than 500 milliseconds In this case, the shape of the cavity formed in the cross section of the optical fiber may undesirably deform or collapse.
본 발명에서는 특히 상기 아크 방전 조건을 조절함으로써, 최종적으로 형성된 공동의 형상(즉, 광축 방향 단면의 형상)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제 2 단계에서 아크 방전의 세기를 통상적인 광섬유의 융착 접속시의 세기(약 98)보다 낮게, 구체적으로는 약 90 내지 95로 제어할 경우, 최종적으로 모서리 부분이 볼록지게 만곡된 사각 형상의 공동이 내재된 광섬유를 얻을 수 있다. 한편, 상기 제 2 단계에서의 아크 방전의 세기를 통상적인 경우에 비하여 높게, 보다 구체적으로는 약 100 내지 120의 범위로 제어할 경우에는 최종적으로 공동의 형상이 타원형인 광섬유를 얻을 수 있다.In the present invention, in particular, by adjusting the arc discharge conditions, the shape of the finally formed cavity (that is, the shape of the cross section in the optical axis direction) can be controlled. For example, when the intensity of the arc discharge in the second step is controlled to be lower than that of the conventional spliced splicing of the optical fiber (about 98), specifically about 90 to 95, the corner portion is finally convexly curved. The optical fiber in which the cavity of the square shape is embedded can be obtained. On the other hand, when the intensity of the arc discharge in the second step is controlled to be higher than in the conventional case, more specifically, in the range of about 100 to 120, it is possible to finally obtain an optical fiber having an elliptical shape of the cavity.
본 발명에서는 상기와 같이, 아크 방전 등을 통하여, 제 1 단계에서 공동부가 형성된 광섬유의 말단을 다른 광섬유와 접속함으로써, 마하젠더 간섭형 광섬유의 제작이 가능하다.In the present invention, as described above, the Mach-Zehnder interfering optical fiber can be produced by connecting an end of the optical fiber in which the cavity is formed in the first step with another optical fiber through arc discharge or the like.
한편, 본 발명의 제 2 단계에서 융착되는 두 개의 광섬유는 단일 광섬유에서 유래된 것일 수 있다. 즉, 본 발명에서는, 공정 수행 전에 단일 가닥의 광섬유의 적절한 위치를 절단하여 분할한 후, 제 1 단계에서 분할된 광섬유 중 하나의 광섬유의 말단에 공동을 형성하고, 제 2 단계에서는 다시 분할되었던 두 광섬유를 융착시킴으로써, 본 발명의 광섬유를 제작할 수도 있다.Meanwhile, the two optical fibers fused in the second step of the present invention may be derived from a single optical fiber. That is, in the present invention, before performing the process, the appropriate position of the single strand of optical fiber is cut and divided, and then a cavity is formed at the end of one of the optical fibers divided in the first step, and the two that were split again in the second step By fusion | melting an optical fiber, the optical fiber of this invention can also be manufactured.
본 발명은 또한, 전술한 본 발명에 따른 마하젠더 간섭계형 광섬유; 상기 광섬유로 빛을 조사할 수 있는 광원; 및The present invention also provides a Mach-Zehnder interferometer optical fiber according to the present invention described above; A light source capable of irradiating light with the optical fiber; And
상기 광섬유에서 발생하는 광신호를 검출할 수 있는 검출기를 포함하는 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor including a detector capable of detecting an optical signal generated from the optical fiber.
본 발명의 마하젠더 간섭계형 광섬유는, 전술한 바와 같이, 단일 가닥의 광섬유를 기반으로 하면서도, 마하젠더 간섭 특성을 나타낼 수 있으므로, 장치의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 온도, 스트레인 및 가속 등의 물리량 변화에 대한 민감도가 우수하여 다양한 센서, 특히 온도 센서에 효과적으로 적용될 수 있다. The Mach-Zehnder interferometric optical fiber of the present invention, as described above, can exhibit the Mach-Zehnder interference characteristics while being based on a single strand of optical fiber, and thus can not only miniaturize the device but also change physical quantities such as temperature, strain, and acceleration. Excellent sensitivity to the sensor can be effectively applied to various sensors, especially temperature sensors.
한편, 본 발명에서 센서를 구성하는 각 소자, 즉 광원 및 검출기, 그리고 각 소자의 구성 상태는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야의 일반적인 사항이 제한 없이 적용될 수 있다.On the other hand, in the present invention, each element constituting the sensor, that is, the light source and the detector, and the configuration state of each element is not particularly limited, general matters in this field may be applied without limitation.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.
실시예 1.Example 1.
본 발명에 따른 마하젠더 간섭형 광섬유를 하기 단계를 거쳐 제조하였다. 우선 펨토초 레이저 어블레이션 시스템(femtosecond laser ablation system)을 사용하여, 통신용으로 사용되는 일반적인 단일 모드 광섬유의 단면에 홀(hole)을 형성하였다. 이 때 사용된 레이저 가공 조건은 다음과 같다. 즉, 사용된 레이저는 중심 파장이 785.5 nm인 Ti:Sapphire 레이저로서, 1 kHz의 반복률(repetition rate)에서 184 fs의 펄스 지속성을 가지고, 펄스 에너지는 평균적으로 0.45 μJ이었다. 레이저빔은 50배의 배율과 0.42의 개구수(Numerical Aperture)를 가지는 대물렌즈를 지나 광섬유의 단면에 초점이 맺히도록 하였다. 레이저 가공 시에 광섬유의 단면에 형성되는 홀은 광섬유 광축에 따라 정렬되고, 광섬유가 고정된 스테이지의 수평 이동 방향을 조절하여, 나선 모양으로 파고들어가면서, 광축을 중심으로 원형 대칭성이 유지되도록 하였다(도 4 참조). 또한, 이 과정에서 수평 이동 조건을 조절하여 공동의 직경을 조절하고, 또한 수직 이동 조건을 조절하여 공동의 높이를 조절하였다. 이 때, 공동의 직경을 결정하는 수평 이동의 정밀도는 ±1㎛였으며, 공동의 높이를 결정하는 수직 이동의 정밀도는 ±1.5㎛였고, 또한 가공 시 공동 측면의 표면 정밀도는 ±0.3㎛였다. 첨부된 도 4의 (a)는 위와 같이 수행된 레이저 가공 과정의 모식도이며, 도 4의 (b)는 생성된 홀의 현미경 이미지를 나타낸다. 상기 공정에 이어서, 레이저 가공을 통해 홀이 형성된 광섬유의 단면을 다른 광섬유와 아크 방전(융착 접속기: S175, FITEL사(제))을 통해 접속하였다. 이 때, 레이저 가공에 의해 생성된 홀이 붕괴하는 것을 방지하기 위하여, 아크 출력(arc power)은 95로, 지속 시간(duration time)은 200 밀리초로 짧게 설정하였다. 상기와 같은 과정을 거쳐, 도 5의 (a)에 나타난 바와 같이, 광축 방향의 길이가 8.8 ㎛이고, 직경(높이)이 9.8 ㎛이며, 모서리 부분이 휜 실린더 형상의 공동이 형성된 광섬유를 제작하였다.The Mach-Zehnder interference optical fiber according to the present invention was prepared through the following steps. A femtosecond laser ablation system was first used to form a hole in the cross section of a typical single mode optical fiber used for communication. The laser processing conditions used at this time are as follows. In other words, the laser used was a Ti: Sapphire laser with a center wavelength of 785.5 nm, with a pulse duration of 184 fs at a repetition rate of 1 kHz, with an average pulse energy of 0.45 μJ. The laser beam was focused on the cross section of the optical fiber through an objective lens with 50 times magnification and 0.42 numerical aperture (Numerical Aperture). Holes formed in the cross section of the optical fiber during the laser processing are aligned along the optical fiber axis, and the horizontal movement direction of the stage where the optical fiber is fixed is penetrated in a spiral shape to maintain circular symmetry around the optical axis (Fig. 4). In addition, the diameter of the cavity was adjusted by adjusting the horizontal movement condition in this process, and the height of the cavity was adjusted by adjusting the vertical movement condition. At this time, the precision of the horizontal movement to determine the diameter of the cavity was ± 1 μm, the precision of the vertical movement to determine the height of the cavity was ± 1.5 μm, and the surface precision of the side surface of the cavity during processing was ± 0.3 μm. 4A is a schematic diagram of a laser processing process performed as above, and FIG. 4B shows a microscope image of the generated hole. Following the above process, the cross section of the optical fiber in which the hole was formed through laser processing was connected to another optical fiber through an arc discharge (fusion splicer: S175, manufactured by FITEL). At this time, in order to prevent the hole generated by laser processing from collapsing, the arc power was set to 95 and the duration time was set to 200 milliseconds. Through the above process, as shown in Fig. 5A, an optical fiber having a length of 8.8 μm in the optical axis direction, a diameter (height) of 9.8 μm, and a corner-shaped cylindrical cavity was formed. .
실시예 2.Example 2.
실시예 1에 나타난 과정을 유사하게 반복하되, 레이저 어블레이션 가공 조건 및 아크 방전의 조건(arc power: 95, duration time: 210 밀리 초)을 적절히 조절함으로써, 도 5의 (b)에 나타난 바와 같이, 광축 방향의 길이가 11.1 ㎛이며, 직경(높이)이 15.5 ㎛이고, 모서리 부분이 휜 실리더 형상의 공동이 형성된 광섬유를 제작하였다.The procedure shown in Example 1 was similarly repeated, but by appropriately adjusting the laser ablation processing conditions and the arc discharge conditions (arc power: 95, duration time: 210 milliseconds), as shown in FIG. The optical fiber in which the length of an optical axis direction is 11.1 micrometer, the diameter (height) is 15.5 micrometers, and the cavity of the cylinder shape with the corner part was formed.
실시예 3.Example 3.
실시예 1에 나타난 과정을 유사하게 반복하되, 레이저 어블레이션 가공 조건 및 아크 방전의 조건(arc power: 115, duration time: 350 밀리 초)을 적절히 조절함으로써, 도 5의 (c)에 나타난 바와 같이, 광축 방향의 길이가 10 ㎛이며, 직경(높이)이 17.9 ㎛이고, 타원 형상의 공동이 형성된 광섬유를 제작하였다.The procedure shown in Example 1 was similarly repeated, but by appropriately adjusting the laser ablation processing conditions and the arc discharge conditions (arc power: 115, duration time: 350 milliseconds), as shown in FIG. And an optical fiber having a length in the optical axis direction of 10 µm, a diameter (height) of 17.9 µm, and an elliptic cavity.
시험예 1. 광섬유 특성의 측정Test Example 1. Measurement of Optical Fiber Characteristics
실시예 1 내지 3에서 제조된 광섬유의 특성을 평가하기 위하여, 1.2 ㎛ 내지 1.7 ㎛의 측정 파장 대역에서 광스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)(Agilent 86142A) 및 백색 광원(Yokogawa AQ4305)를 사용하여, 투과 스펙트럼(transmission spectrum)을 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 (a)는 실시예 1, (b)는 실시예 2, 그리고 (c)는 실시예 3의 광섬유에 대한 측정 결과를 나타내며, 그 결과는 공동이 형성되어 있지 않은 단일모드 광섬유가 가지는 세기를 기준으로 하는 것이다. 도 6에서 실선(solid line)은 각각의 광섬유에 대한 실제 측정 결과를 나타내는데, 도면에 나타난 바와 같이, 그 결과는 100 nm 이상의 자유분광범위(FSR; free spectral range)를 가지는 파장 영역에서 주기적으로 나타났다. 한편, 첨부된 도 6에서 실선은 마하젠더 간섭계 특성과 위상차에 필요한 조건을 입력한 시뮬레이션 결과를 나타내며, 이 시뮬레이션 결과에서 MZI 전송값(MZI transmission)은 주어진 위상차에 대하여 하기 수학식 2와 같이 계산되었다.In order to evaluate the characteristics of the optical fibers manufactured in Examples 1 to 3, transmission was performed using an optical spectrum analyzer (Agilent 86142A) and a white light source (Yokogawa AQ4305) in the measurement wavelength band of 1.2 µm to 1.7 µm. The transmission spectrum was measured and the results are shown in FIG. 6. In FIG. 6, (a) shows the measurement results for the optical fiber of Example 1, (b) Example 2, and (c) of Example 3, and the result shows that a single mode optical fiber having no cavity is formed. It is based on strength. In FIG. 6, solid lines represent actual measurement results for each optical fiber. As shown in the drawing, the results are periodically shown in a wavelength region having a free spectral range (FSR) of 100 nm or more. . Meanwhile, in FIG. 6, a solid line represents a simulation result of inputting Mach-Zehnder interferometer characteristics and conditions necessary for phase difference. In this simulation result, MZI transmission value (MZI transmission) was calculated as given in
[수학식 2][Equation 2]
상기 수학식 2에서, Φ는 광섬유 내의 공동에 의해 생성된 광선의 위상차를 나타내고, α는 공동 및 클래딩 내의 빛간의 커플링 상수(coupling constant)를 나타내며, β는 과잉 손실 계수(excess loss factor)를 나타낸다. In
도 6의 시뮬레이션에 사용한 파라미터는 하기 표 1에 나타난 바와 같다.The parameters used for the simulation of FIG. 6 are as shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
(단위: ㎛)Cavity Length (Measurement Length)
(Unit: μm)
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2에 대한 시뮬 레이션 결과는 실제와 거의 일치한 반면, 실시예 3의 경우 실제에 비해 시뮬레이션의 결과값이 다소 크게 나타났다. 이러한 결과는 타원 형상의 공동에서의 낮은 유효굴절률의 클래딩 모드에 기인한 것으로 판단되며, 이러한 결과는 본 발명에서 공동의 클래딩부와의 경계면의 형상이 마하젠더 간섭계의 분광 구조(spectral structure)에 큰 영향을 미친다는 점을 뒷받침한다.As can be seen from the results of Table 1, the simulation results for Examples 1 and 2 were almost identical to the actual, while in Example 3, the simulation result was somewhat larger than the actual result. This result is believed to be due to the low effective refractive index cladding mode in the elliptical cavity, and this result indicates that the shape of the interface with the cladding portion of the cavity is large in the spectral structure of the Mach-Zehnder interferometer. Support the impact.
시험예 2. 온도 센서로의 적용Test Example 2 Application to Temperature Sensor
실시예 2에서 제조된 광섬유를 사용하여 온도 변화를 측정하였다. 구체적으로는 오븐의 한쪽 벽에 광섬유 양단을 통과시킨 다음, 광원과 측정 장치를 설치하여 실온(20℃)에서 150℃까지 10℃ 간격으로 온도를 상승시켰다. 그 결과, 온도가 상승하면서, 도 6의 스펙트럼 (b)에서 보이는 피크가 파장이 점점 증가하는 방향으로 이동하는 것이 관찰되었으며, 이는 마하젠더 간섭계가 가지는 빛의 세기 식으로 설명할 수 있다. 도 7은 이와 같은 측정 결과를 나타내며, 도 7에서 원은 실제 측정값을 나타내고, 점선은 최소근사법을 이용한 선형 맞춤(liner fitting) 결과이다. 도 7로부터 측정값이 직선 형상으로 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 이 때 점선의 기울기는 1℃ 당 44.1 pm이었다. 즉, 온도가 1℃ 상승함에 따라, 도 6의 스펙트럼 (b)의 피크가 44.1 pm씩 늘어나는 방향으로 이동하였다. 위와 같은 결과로부터, 본 발명의 광섬유는 그 작동 간격 및 민감도 측면에서 온도 센서 등의 용도로 효과적으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있다.The temperature change was measured using the optical fiber manufactured in Example 2. Specifically, after passing both ends of the optical fiber through one wall of the oven, a light source and a measuring device were installed to increase the temperature at 10 ° C intervals from room temperature (20 ° C) to 150 ° C. As a result, it was observed that as the temperature increases, the peak seen in the spectrum (b) of FIG. 6 shifts in the direction of increasing wavelength, which can be explained by the light intensity equation of the Mach-Zehnder interferometer. FIG. 7 illustrates such a measurement result. In FIG. 7, a circle represents an actual measurement value, and a dotted line represents a linear fitting result using a minimum approximation method. It can be seen from FIG. 7 that the measured values are distributed in a linear shape, wherein the slope of the dotted line is 44.1 pm per 1 ° C. That is, as the temperature increased by 1 ° C, the peak of the spectrum (b) of FIG. 6 moved in the direction of increasing by 44.1 pm. From the above results, it can be seen that the optical fiber of the present invention can be effectively applied to the use of the temperature sensor and the like in terms of its operation interval and sensitivity.
도 1 및 2는 일반적인 광섬유의 단면도를 나타낸다.1 and 2 show a cross-sectional view of a general optical fiber.
도 3은 본 발명에 일 태양에 따른 마하젠더 간섭계형 광섬유를 나타내는 모식도이다.3 is a schematic diagram showing a Mach-Zehnder interferometer optical fiber according to an aspect of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에서 마하젠더 간섭계형 광섬유를 제조하는 일 과정을 나타내는 모식도 및 그 현미경 사진을 나타낸다.Figure 4 shows a schematic diagram and a micrograph showing the process of manufacturing a Mach-Zehnder interferometric optical fiber in an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조된 마하젠더 간섭계형 광섬유를 나타내는 모식도 및 그 현미경 사진이다.5 is a schematic diagram showing a Mach-Zehnder interferometric optical fiber manufactured in an embodiment of the present invention and a photomicrograph thereof.
도 6은 본 발명의 실시예에서 제조된 광섬유의 투과 스펙트럼이다.6 is a transmission spectrum of the optical fiber manufactured in the embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예에서 제조된 광섬유의 온도 변화에 따른 피크 특성의 변화를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing a change in peak characteristics with a change in temperature of the optical fiber manufactured in the embodiment of the present invention.
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Cited By (7)
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|---|---|---|---|---|
| KR101309952B1 (en) * | 2010-12-28 | 2013-09-17 | 주식회사 포스코 | Fuelcell Stack and Temperature Measuring Method thereof |
| CN103411542A (en) * | 2013-07-29 | 2013-11-27 | 宁波大学 | Optical fiber micrometric displacement sensor based on Mach-Zehnder interference and manufacturing method of optical micrometric displacement sensor |
| CN106052913A (en) * | 2016-07-11 | 2016-10-26 | 中国计量大学 | Pressure sensing device with high sensitivity |
| CN110514233A (en) * | 2019-10-10 | 2019-11-29 | 中国计量大学 | Mach-Zehnder interferometer on a kind of cavity suspension channel-style optical fiber cable |
| KR20220008606A (en) | 2020-07-14 | 2022-01-21 | 서울시립대학교 산학협력단 | Mach-zehnder interferometer and sensor using the same |
| KR20220102916A (en) | 2021-01-14 | 2022-07-21 | 부경대학교 산학협력단 | 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 |
| CN110514233B (en) * | 2019-10-10 | 2024-04-26 | 中国计量大学 | Mach-Zehnder interferometer on cavity suspension channel type optical fiber line |
-
2009
- 2009-02-20 KR KR1020090014437A patent/KR20100095252A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101309952B1 (en) * | 2010-12-28 | 2013-09-17 | 주식회사 포스코 | Fuelcell Stack and Temperature Measuring Method thereof |
| CN103411542A (en) * | 2013-07-29 | 2013-11-27 | 宁波大学 | Optical fiber micrometric displacement sensor based on Mach-Zehnder interference and manufacturing method of optical micrometric displacement sensor |
| CN103411542B (en) * | 2013-07-29 | 2016-04-27 | 宁波大学 | A kind of optical fiber micro-displacement sensor based on Mach-Zehnder interference and preparation method thereof |
| CN106052913A (en) * | 2016-07-11 | 2016-10-26 | 中国计量大学 | Pressure sensing device with high sensitivity |
| CN106052913B (en) * | 2016-07-11 | 2024-02-20 | 中国计量大学 | High-sensitivity pressure sensing device |
| CN110514233A (en) * | 2019-10-10 | 2019-11-29 | 中国计量大学 | Mach-Zehnder interferometer on a kind of cavity suspension channel-style optical fiber cable |
| CN110514233B (en) * | 2019-10-10 | 2024-04-26 | 中国计量大学 | Mach-Zehnder interferometer on cavity suspension channel type optical fiber line |
| KR20220008606A (en) | 2020-07-14 | 2022-01-21 | 서울시립대학교 산학협력단 | Mach-zehnder interferometer and sensor using the same |
| KR20220102916A (en) | 2021-01-14 | 2022-07-21 | 부경대학교 산학협력단 | 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 |
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