KR20110120485A - 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110120485A
KR20110120485A KR1020100039918A KR20100039918A KR20110120485A KR 20110120485 A KR20110120485 A KR 20110120485A KR 1020100039918 A KR1020100039918 A KR 1020100039918A KR 20100039918 A KR20100039918 A KR 20100039918A KR 20110120485 A KR20110120485 A KR 20110120485A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical fiber
fbg
bragg grating
sensor
etched
Prior art date
Application number
KR1020100039918A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101094329B1 (ko
Inventor
이상매
Original Assignee
부산대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 부산대학교 산학협력단 filed Critical 부산대학교 산학협력단
Priority to KR1020100039918A priority Critical patent/KR101094329B1/ko
Publication of KR20110120485A publication Critical patent/KR20110120485A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101094329B1 publication Critical patent/KR101094329B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
    • G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/774—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/136—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by etching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12166—Manufacturing methods
    • G02B2006/12176—Etching

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

본 발명은 바이오 센서에서 클래드층이 식각된 부분의 코어 주변에 발생하는 소실장 파(evanescent field wave)를 이용하여 센싱 감도를 높일 수 있도록 한 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 그 구조는 클래드층이 브래그 격자들을 갖는 코어층을 감싸는 형태의 FBG(Fiber Bragg Grating)에 있어서, 에칭된 FBG의 길이 방향의 단면에서, 에칭 공정에 의해 제거되는 제거량이 서로 다른 제 1,2 영역에 의해 비대칭적인 형태를 갖는 에칭된 클래드층;상기 제 1,2 영역에서 클래드층이 서로 다른 양이 제거되는 것에 의해 제1,2 영역에서 서로 다른 크기의 노출 영역을 갖는 에칭된 코아층;을 포함한다.

Description

광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법{Fiber Bragg Grating Sensor and Method for fabricating the same}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 구체적으로 클래드층이 식각된 부분의 코어 주변에 발생하는 소실장 파(evanescent field wave)를 이용하여 센싱 감도를 높일 수 있도록 한 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
바이오센서는 대개 광센서(optical), 기계적 센서(mechanical), 전기화학적 센서(electrochemical), 그리고 전기적 센서 (electrical)등으로 대별되며, 민감도(sensitivity), 선택성(selectivity), 재현성(repeatability), 소자들의 집적성(integration), 다중 분석(multiplexing/multianalyte), 정량적 측정(quantitative measurement)등의 기능이 요구된다.
그 중 광바이오센서(optical biosensor)는 바이오물질의 감지를 위한 이러한 요구를 충분히 충족시키기 때문에 많이 연구되고 있다.
그 중에서도 비표지식 광바이오센서는 표지물질(label)을 부착하지 않아도 되는(label free) 편리함 때문에 많이 연구되고 있다.
FBG(Fiber Bragg Grating)는 크기가 작을 뿐만 아니라, 신호의 안정도, 높은 센서의 민감도, 센서의 다중 분석(multiplexing)의 가능성 등으로 인하여 메디컬이나 환경 분석 및 모니터링에 상당한 관심을 끌고 있는 센서 소자이다.
광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용하여 광굴절율의 변화를 감지하는 센서들에 대한 연구 결과들을 조사하여 보면 광굴절율 해상도(index resolution)가 7x10-6 만큼의 높은 민감도를 가질 수 있는 센서로서 다른 광 브래그 격자 센서와 대별된다.
광섬유 내에서 빛의 전파 원리는 도 1에서와 같이, 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리에 있으며, 광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파되게 된다.
FBG 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.
격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다.
광 바이오센서의 민감도를 떨어뜨리는 원인은 주로 센서의 신호가 온도나 변형율등에 의하여 야기되는 노이즈로 인하여 SNR(signal to noise ratio)을 저감되기 때문이다.
바이오 센싱 과정 중에 화학물질의 반응으로 센서에 가해지는 온도 변화나 스트레칭에 의하여 센서신호의 식별이 곤란한 상황이 일어날 수 있는데, 비표지식 검출에 있어서 광굴절율의 온도나 변형율에 의한 코어의 광굴절율 변화에 의한 센서 민감도 저감을 여러 개의 검출 파라미터를 이용하여 보상함으로써 바이오 센서 신호의 검출 민감도를 향상시킬 수 있다.
광자 결정 표면파(Photonic crystal surface wave)를 이용한 바이오 센서의 비표지식 검출에 있어서 굴절율의 온도에 의한 체적 굴절율의 변화에 의한 민감도 저감을 두 개의 검출 파라미터를 이용하여 보상함으로써 바이오 센서 신호의 검출 민감도를 향상시키는 연구가 행해졌다.
그리고 비표지식 검출 방법은 아니지만, 비슷한 아이디어로서 형광표지식 광센서의 감도 향상 방법으로서 두 파장을 이용하여 백 그라운드 시그널(back ground signal)을 보상하는 방법(back ground signal compensation by dual wavelengths)이 행해진 바 있다.
그러나 이와 같은 종래 기술의 방법들은 바이오 센서 신호의 검출 민감도를 향상시키는데 한계가 있어 새로운 방법의 검출 민감도 향상 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 바이오 센서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 바이오 센서의 클래드층이 식각된 부분의 코어 주변에 발생하는 소실장 파(evanescent field wave)를 이용하여 센싱 감도를 높일 수 있도록 한 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 바이오물질의 상호반응 시에 일어나는 광섬유도파로(optical fiber waveguide)의 두께와 광굴절율의 변화로 인하여 발생하는 브래그 파장 (Bragg wavelength)의 변화를 감지하여 바이오 물질의 반응을 검출하는 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 FBG 센서의 클래딩(cladding layer)을 비대칭적으로 제거하여 코어 부분만 노출시키고, 노출된 부분에서 발생하는 소실장 파(evanescent field wave)가 코어의 바깥을 따라 전파하면서 주변물질의 굴절율 변화에 의한 코어의 유효광굴절율의 변화에 따라 브래그 파장의 변화를 유도하게 되어 쉽게 측정되도록 한 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서는 클래드층이 브래그 격자들을 갖는 코어층을 감싸는 형태의 FBG(Fiber Bragg Grating)에 있어서, 에칭된 FBG의 길이 방향의 단면에서, 에칭 공정에 의해 제거되는 제거량이 서로 다른 제 1,2 영역에 의해 비대칭적인 형태를 갖는 에칭된 클래드층;상기 제 1,2 영역에서 클래드층이 서로 다른 양이 제거되는 것에 의해 제1,2 영역에서 서로 다른 크기의 노출 영역을 갖는 에칭된 코아층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 에칭된 코아층의 직경은, 에칭 공정 진행중에 모니터링되는 브래그 파장의 크기를 기준으로 에칭 공정을 종료하는 것에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 에칭된 코아층의 노출 영역에서는 소실장 파(evanescent field wave)가 발생하고 발생된 소실장 파(evanescent field wave)는 코어의 바깥을 따라 전파되는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 방법은 코어층을 클래드층이 감싸는 광섬유의 유효굴절율을 정하고 브래그 파장을 고려하여 광격자의 주기(period)를 정하는 단계;상기 광섬유의 코어속에 광굴절율을 변조하여 브래그 격자를 형성하여 FBG(Fiber Bragg Grating)를 만드는 단계;상기 FBG를 패키징하고 FBG의 클래드층을 비대칭적으로 에칭하여 상기 코어층을 부분적으로 노출시키는 단계;상기 에칭 공정을 진행하면서 브래그 파장의 이동을 모니터링하여 광섬유 코어의 직경을 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 광격자의 주기(period)를 정하는 단계에서, 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하는 브래그 파장은
Figure pat00001
으로 정해지고,여기서,
Figure pat00002
는 브래그 파장이며,
Figure pat00003
는 광섬유의 유효굴절율이며,
Figure pat00004
는 브래그 격자의 주기인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 FBG를 패키징하는 단계는,이동 스테이지(translation stage) 위에 FBG를 정렬하고 인장을 부가하여 센서가 굽어지지 않도록 센서 홀더(holder) 위에 놓은 후 접착제를 발라 패키징하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 FBG의 클래드층을 비대칭적으로 에칭하는 단계는,식각 장치의 중앙에 센서 홀더를 위치시키지 않고 센서 홀더를 중앙에서 바깥쪽으로 이동 위치시켜 FBG를 중심으로 에쳔트(Etchant)가 제 1 방향에서는 반대쪽의 제 2 방향보다 더 많도록 한 상태에서 진행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 FBG의 클래드층을 비대칭적으로 에칭하는 단계에서,식각 장치의 마그네틱 스터러(Magnetic Stirrer)와 히터(Heater)를 이용하여 에칭속도를 제어하여 에칭된 부분과 에칭되지 않은 부분의 경계영역의 형상을 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 브래그 파장의 이동을 모니터링하는 과정은,광원에서 나온 빛을 2*1 광커플러를 통하여 FBG 속으로 입사시켜 FBG의 브래그 파장에서 되돌아오는 광이 다시 2*1 광커플러를 통하여 되돌아 오면 광스펙트럼 분석기에서 브래그 파장을 모니터링하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광섬유 코어의 직경을 조절하는 단계를 진행하여 에칭이 완료되면,에칭된 FBG의 스트레칭, 온도 특성, 주변물질의 굴절율 변화에 따른 특성 측정을 통한 민감도 향상을 위한 보정작업, DNA 검출에 의한 센서의 민감도 향상의 검증 실험을 진행하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, FBG 센서의 클래딩(cladding layer)을 비대칭적으로 제거하는 것에 의해 새로운 구조의 바이오 센서를 제공하고, 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 바이오 물질의 정확하고 신속한 정량적 검출이 가능하다.
셋째, 광섬유이론의 심화 발전을 가능하게 하고, 센서의 다중 분석 특성을 높인다.
넷째, 다중화(Multiplexed) 평면도파로 브래그 격자를 이용한 마이크로어레이 센서에 응용 가능하다.
다섯째, 마이크로플루이딕스 기초 바이오 센서 구축 등을 통하여 레이블이 없는 DNA 검출 바이오칩의 센서, 단백질 검출 바이오칩 센서, 혈액분석과 같은 POCT(point of care test)를 위한 바이오센서로 활용될 수 있다.
도 1은 일반적인 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 구조를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 제조를 위한 식각 공정 구성도
도 3은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 제조를 위한 공정 진행 플로우 차트
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 구성도
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 굴절율 변화에 따른 각 모드의 이동변화량비교 그래프
도 6은 온도 변화에 따른 각 모드의 이동변화량 비교 그래프
도 7내지 도 9는 굴절율,온도,변형률 변화에 따른 각 모드의 민감도 그래프
이하, 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 제조를 위한 식각 공정 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 제조를 위한 공정 진행 플로우 차트이다.
본 발명은 비표지식 바이오 마커(marker)들을 검출하는 센서에 관한 것으로 여러 개의 센서 발생신호를 이용하여 센서 신호의 민감도를 향상시키는 기술이다.
광섬유 전파 모우드(fiber propagation modes)를 계산하기 위하여, 여러 가지 경계조건을 이용하여 헬름홀쯔 방정식(Helmholtz equations)을 풀고, 광섬유의 직경과 주변물질의 광굴절율의 변화에 의하여 나타나는 모우드들을 계산하고, 코어 직경이 적어질수록의 센서 민감도를 예측한다.
여기서, 코어주변의 물질 즉, 액체들의 굴절율은 측정하는 광원의 파장과 온도에 따라 다르기 때문에 측정하는 환경에서 보정해서 사용한다.
따라서, 본 발명에 의해 개발되는 바이오 센서의 민감도를 더 높여 주기 위해서는 보정용 또는 워싱 버퍼용액등의 주변물질의 굴절율을 코어의 굴절율에 근접하도록 높여 주거나, 아니면 고차모우드의 공진파장을 검출하거나 또는 고차모우드의 브래그 파장을 이용한 다중 파장 보상(multi-wavelength compensation) 기법을 써서 발생신호의 민감도를 높여준다.
본 발명에서는 바람직하게 고차모우드의 공진파장을 이용한 다중 파장 보상(multi-wavelength compensation) 기법을 사용하여 발생신호의 민감도를 높인다.
본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 공정은 도 3에서와 같다.
먼저, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating)를 설계한다.(S301)
사용하고자 하는 광섬유의 유효굴절율(effective refractive index)을 정한 후 브래그 파장을 고려하여 광격자의 주기(period)를 설계한다.
즉, 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하는 브래그 파장은 수학식 1에 의해 결정된다.
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
는 브래그 파장이며,
Figure pat00007
는 광섬유의 유효굴절율이며,
Figure pat00008
는 브래그 격자의 주기이다.
본 발명에 따른 실시예에서는 유효굴절율이 ~1.45 정도의 SMF 28(Corning)광섬유를 선택하여, 브래그 격자의 주기가 ~0.54㎛로 설계하여 브래그 파장이 ~1562.5 nm인 것을 기준으로 설명한다.
이와 같은 유효굴절율,브래그 파장, 브래그 격자의 크기는 상기한 실시예로 한정되는 것이 아니고, 변경 가능함은 당연하다.
이와 같이 설계된 FBG의 제작은 UV-레이저와 위상 마스크(phase mask)를 포함한 브래그 임프린트 장치(FBG imprinting setup)를 사용하여 SMF28 광민감 섬유(photosensitive fiber)의 Ge-SiO2 코어속에 광굴절율을 변조하여 브래그 격자를 형성한다.(S302)
이때 FBG의 반사도(reflectivity)는 거의 100%이다.
이와 같이 광격자 설계 및 제작이 이루어지면, 브래그 격자센서 패키징 및 에칭 과정을 진행한다.
먼저, FBG를 에칭하기 전에, 이동 스테이지(translation stage) 위에 FBG를 곧게 정렬하고 미세한 인장을 부가하여 센서가 굽어지지 않도록 센서 홀더(holder) 위에 놓은 후 접착제를 발라 패키징한다.(S303)
본 발명에서는 에칭 영역의 제어를 위하여 식각 장치의 중앙에 센서 홀더를 위치시키지 않고 센서 홀더를 중앙에서 바깥쪽으로 이동 위치시켜 FBG를 중심으로 에쳔트(Etchant)가 제 1 방향에서는 반대쪽의 제 2 방향보다 더 많도록 한다.
이는 에칭 과정에서 FBG의 클래딩층의 식각이 비대칭적으로 이루어지도록 하기 위한 것이다.
그리고 이와 같이 브래그 격자센서 패키징이 이루어지면 도 2에서와 같이 FBG의 에칭을 수행한다.(S304)
도 2는 고차모드 활용 FBG 제조를 위한 에칭 과정으로 마그네틱 스터러(Magnetic Stirrer)와 히터(Heater)를 이용하여 에칭속도를 제어한다.
에칭시에 온도 조절을 위하여 에칭액을 가열하며 균일한 온도분포를 위하여 마그네틱 회전자로 에칭액(Buffered-HF)을 저어서 광섬유의 에칭속도를 조절한다.
이는 에칭 속도에 따라서 에칭된 부분과 에칭되지 않은 부분의 경계영역의 형상, 즉, 테이퍼진 부분의 형상이 달라지는 것을 이용하여 에칭이 이루어지는 부분의 형상을 제어하기 위한 것이다.
즉, 테이퍼진 부분의 형상에 따라 광 모우드(optical modes)의 전파(propagation) 특성이 달라진다.
예를 들어, 기울기가 완만한 테이퍼와 가파른 테이퍼를 갖는 FBG들 사이에는 고차 모우드를 잘 전파하거나 그렇지 않거나 하는 특성을 갖는다.
이와 같이 에칭속도를 조절하는 것에 의하여 에칭되는 광섬유의 테이퍼의 형상을 제어할 수 있어 광학 단열(optical adiabatic) 구조의 제작이 가능하다.
그리고 광섬유의 클래딩 층을 거의 에칭 했을 때부터 브래그 파장이 이동하기 시작하는데 광스펙트럼 분석기를 이용하여 브래그 파장의 이동을 모니터링하여 광섬유 코어의 직경을 조절한다.(S305)
본 발명에 따른 실시예에서는 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier, BLS-C, Licomm 사) 광원에서 나온 빛을 2*1 광커플러를 통하여 센서 속으로 입사시켜 센서의 브래그 파장에서 되돌아오는 광이 다시 2*1 광커플러를 통하여 되돌아 오면 광스펙트럼 분석기에서 브래그 파장을 모니터링하는 방법을 사용한다.
본 발명에서는 1562.5 nm에서 에칭하기 시작한 센서의 파장이 1550nm 부근의 파장에 도달했을 때 FBG를 에칭액으로부터 커내어 DI 워터속에 담궈서 세척하고 에칭을 멈춘다.
그리고 이와 같이 에칭 공정이 이루어지면 에칭된 FBG 센서의 특성화 과정을 진행한다.(S306)
즉, 에칭을 한 후에는 기본적인 FBG의 특성을 측정해야 하는데, 에칭 한 후에 센서 제작이 완료되면 에칭된 FBG의 스트레칭, 온도 특성, 주변물질의 굴절율 변화에 따른 특성 측정을 통한 민감도 향상을 위한 보정작업, DNA 검출에 의한 센서의 민감도 향상의 검증 실험을 행한다.
그 과정은 먼저 마운트에 장착된 에칭된 FBG을 이동 스테이지(translation stage)를 이용하여 조심스럽게 스트레칭하여 기계적 변형율에 대한 기본 모우드 (fundamental mode)와 고차모우드(higher mode)의 브래그 공진파장의 변화를 측정한다.
다음에는 에칭된 FBG을 가열하여 온도 변화에 대한 기본 모우드와 고차모우드의 브래그 공진파장의 변화를 측정한다.
마지막으로 에칭된 FBG을 굴절율이 다른 일련의 Cargile index oil(Cargile Inc, USA)속에 각각 집어넣고 기본 모우드와 고차모우드의 브래그 파장의 변화를 측정한다.
여기서 사용되는 광원은 에칭 시와 마찬가지로 EDFA 이며, 광은 2*1 광커플러를 통하여 광섬유 속으로 입사되어 브래그 격자에 도달한 후, 브래그 격자로부터 되돌아오는 브래그 파장의 광은 광원이 들어왔던 커플러를 통하여 OSA(Optical Spectrum Analyzer)에 도달하는 것에 의해 측정된다.
통상적으로 에칭하기 전의 전형적인 FBG의 온도와 변형율 민감도는 0.0132nm/oC 와 0.001nm/με으로 알려져 있지만, 에칭된 후의 FBG는 클래딩 층이 제거된 상태이므로 새로운 측정이 요구된다.
에칭된 FBG의 기본 모드와 고차 모드들의 온도 민감도, 변형율 민감도, 주변물질의 굴절율에 대한 민감도 특성은 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 구성도이다.
그리고 도 5는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 굴절율 변화에 따른 각 모드의 이동변화량비교 그래프이다.
그리고 도 6은 온도 변화에 따른 각 모드의 이동변화량 비교 그래프이고, 도 7내지 도 9는 굴절율,온도,변형률 변화에 따른 각 모드의 민감도 그래프이다.
먼저, 상기와 같은 본 발명에 따른 제조 공정으로 형성된 광섬유 브래그 격자 센서의 구조는 다음과 같다.
도 4에서와 같이, 에칭된 FBG의 길이 방향의 단면에서 보면, 클래드층이 브래그 격자(도면에 도시되지 않음)들을 갖는 코어층을 감싸고 있는 형태이고, 에칭된 클래드층(41)이 에칭 공정에 의해 제거되는 제거량이 서로 다른 제 1,2 영역에 의해 비대칭적인 형태를 갖고, 상기 제 1,2 영역에서 클래드층이 서로 다른 양이 제거되는 것에 의해 제1,2 영역에서 서로 다른 크기의 노출 영역을 갖는 에칭된 코아층(40)이 구성된다.
여기서, 상기 에칭된 코아층(40)의 직경은 에칭 공정 진행중에 브래그 파장의 이동을 모니터링하여 에칭 공정을 종료하는 것에 의해 결정된다.
그리고 에칭된 코아층(40)의 노출 영역에서는 소실장 파(evanescent field wave)가 발생하고, 발생된 소실장 파(evanescent field wave)는 코어의 바깥을 따라 전파하면서 주변물질의 굴절율 변화에 의한 코어의 유효광굴절율의 변화에 따라 브래그 파장의 변화를 유도한다.
그리고 도 5는 제조된 광섬유 격자를 굴절률이 다른 Cargile index oil속에 각각 집어넣고 기본 모우드와 고차모우드의 브래그 파장의 변화를 측정한 것으로 1~3차 순으로 이동량이 달라지는 것을 알 수 있다. 고차 모드로 갈수록 굴절률 변화에 따른 이동량이 훨씬 증가하기 때문에 센서의 민감도 증가에 큰 활용이 가능하다.
도 6은 같은 원리로 온도변화에 따른 이동량 역시 고차 모드가 가장 크다.
그리고 도 7내지 도 9는 FBG 센서의 민감도를 직관적으로 비교할 수 있도록 한 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법은 FBG 센서의 클래딩(cladding layer)을 비대칭적으로 제거하여 코어 부분만 노출시키고, 노출된 부분에서 발생하는 소실장 파(evanescent field wave)가 코어의 바깥을 따라 전파하면서 주변물질의 굴절율 변화에 의한 코어의 유효광굴절율의 변화에 따라 브래그 파장의 변화를 유도하게 되어 쉽게 측정되도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
41. 에칭된 클래드층 42. 에칭된 코아층

Claims (10)

  1. 클래드층이 브래그 격자들을 갖는 코어층을 감싸는 형태의 FBG(Fiber Bragg Grating)에 있어서,
    에칭된 FBG의 길이 방향의 단면에서, 에칭 공정에 의해 제거되는 제거량이 서로 다른 제 1,2 영역에 의해 비대칭적인 형태를 갖는 에칭된 클래드층;
    상기 제 1,2 영역에서 클래드층이 서로 다른 양이 제거되는 것에 의해 제1,2 영역에서 서로 다른 크기의 노출 영역을 갖는 에칭된 코아층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 에칭된 코아층의 직경은,
    에칭 공정 진행중에 모니터링되는 브래그 파장의 크기를 기준으로 에칭 공정을 종료하는 것에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 에칭된 코아층의 노출 영역에서는 소실장 파(evanescent field wave)가 발생하고 발생된 소실장 파(evanescent field wave)는 코어의 바깥을 따라 전파되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서.
  4. 코어층을 클래드층이 감싸는 광섬유의 유효굴절율을 정하고 브래그 파장을 고려하여 광격자의 주기(period)를 정하는 단계;
    상기 광섬유의 코어속에 광굴절율을 변조하여 브래그 격자를 형성하여 FBG(Fiber Bragg Grating)를 만드는 단계;
    상기 FBG를 패키징하고 FBG의 클래드층을 비대칭적으로 에칭하여 코어층을 부분적으로 노출시키는 단계;
    상기 에칭 공정을 진행하면서 브래그 파장의 이동을 모니터링하여 광섬유 코어의 직경을 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 광격자의 주기(period)를 정하는 단계에서,
    위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하는 브래그 파장은
    Figure pat00009
    으로 정해지고,
    여기서,
    Figure pat00010
    는 브래그 파장이며,
    Figure pat00011
    는 광섬유의 유효굴절율이며,
    Figure pat00012
    는 브래그 격자의 주기인 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 FBG를 패키징하는 단계는,
    이동 스테이지(translation stage) 위에 FBG를 정렬하고 인장을 부가하여 센서가 굽어지지 않도록 센서 홀더(holder) 위에 놓은 후 접착제를 발라 패키징하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 FBG의 클래드층을 비대칭적으로 에칭하는 단계는,
    식각 장치의 중앙에 센서 홀더를 위치시키지 않고 센서 홀더를 중앙에서 바깥쪽으로 이동 위치시켜 FBG를 중심으로 에쳔트(Etchant)가 제 1 방향에서는 반대쪽의 제 2 방향보다 더 많도록 한 상태에서 진행하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 FBG의 클래드층을 비대칭적으로 에칭하는 단계에서,
    식각 장치의 마그네틱 스터러(Magnetic Stirrer)와 히터(Heater)를 이용하여 에칭속도를 제어하여 에칭된 부분과 에칭되지 않은 부분의 경계영역의 형상을 제어하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 브래그 파장의 이동을 모니터링하는 과정은,
    광원에서 나온 빛을 2*1 광커플러를 통하여 FBG 속으로 입사시켜 FBG의 브래그 파장에서 되돌아오는 광이 다시 2*1 광커플러를 통하여 되돌아 오면 광스펙트럼 분석기에서 브래그 파장을 모니터링하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 방법.
  10. 제 4 항에 있어서, 광섬유 코어의 직경을 조절하는 단계를 진행하여 에칭이 완료되면,
    에칭된 FBG의 스트레칭, 온도 특성, 주변물질의 굴절율 변화에 따른 특성 측정을 통한 민감도 향상을 위한 보정작업, DNA 검출에 의한 센서의 민감도 향상의 검증 실험을 진행하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 센서의 제조 방법.



KR1020100039918A 2010-04-29 2010-04-29 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법 KR101094329B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100039918A KR101094329B1 (ko) 2010-04-29 2010-04-29 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100039918A KR101094329B1 (ko) 2010-04-29 2010-04-29 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110120485A true KR20110120485A (ko) 2011-11-04
KR101094329B1 KR101094329B1 (ko) 2011-12-19

Family

ID=45391597

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100039918A KR101094329B1 (ko) 2010-04-29 2010-04-29 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101094329B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101314848B1 (ko) * 2012-07-17 2013-10-04 파워옵틱스(주) 이중코어 광섬유 격자를 이용한 온도/굴절률 측정장치
KR101330337B1 (ko) * 2012-10-30 2013-11-20 한양대학교 산학협력단 광섬유 기반 방사선량 및 구조물 변형도 측정 시스템
CN113504222A (zh) * 2021-05-26 2021-10-15 南京品傲光电科技有限公司 一种级联m-FBG阵列的多生物组分传感系统和多生物组分的快速检测方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101314848B1 (ko) * 2012-07-17 2013-10-04 파워옵틱스(주) 이중코어 광섬유 격자를 이용한 온도/굴절률 측정장치
KR101330337B1 (ko) * 2012-10-30 2013-11-20 한양대학교 산학협력단 광섬유 기반 방사선량 및 구조물 변형도 측정 시스템
CN113504222A (zh) * 2021-05-26 2021-10-15 南京品傲光电科技有限公司 一种级联m-FBG阵列的多生物组分传感系统和多生物组分的快速检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101094329B1 (ko) 2011-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Urrutia et al. A comprehensive review of optical fiber refractometers: Toward a standard comparative criterion
Chryssis et al. High sensitivity evanescent field fiber Bragg grating sensor
US20080267555A1 (en) Plasmon-Polariton Refractive-Index Fiber Bio-Sensor with Fiber Bragg Grating
Al-Qazwini et al. Refractive index sensor based on SPR in symmetrically etched plastic optical fibers
TW200825387A (en) Fiber optic device for measuring a parameter of interest
Zhou et al. Cladding-mode-recoupling-based tilted fiber Bragg grating sensor with a core-diameter-mismatched fiber section
Ayupova et al. Fiber optic refractive index distributed multi-sensors by scattering-level multiplexing with MgO nanoparticle-doped fibers
Oliveira et al. Intensity liquid level sensor based on multimode interference and fiber Bragg grating
Girault et al. Porous silicon micro-resonator implemented by standard photolithography process for sensing application
Zhou et al. Implementation of optical chemsensors based on HF-etched fibre Bragg grating structures
Lim et al. Cascaded photonic crystal fiber interferometers for refractive index sensing
Zhang et al. 3D printing optofluidic Mach-Zehnder interferometer on a fiber tip for refractive index sensing
Saha et al. Enhancement of refractive index sensitivity of Bragg-gratings based optical waveguide sensors using a metal under-cladding
Yu et al. Plasmonic enhanced fluorescence spectroscopy using side-polished microstructured optical fiber
US8548282B2 (en) Fiber in-line Mach-Zehnder interferometer (MZI) device
Al-Mashhadani et al. Highly sensitive measurement of surrounding refractive index using tapered trench–assisted multicore fiber
KR101094329B1 (ko) 광섬유 브래그 격자 센서 및 그의 제조 방법
Gomes et al. Temperature independent refractive index measurement using a fiber Bragg grating on abrupt tapered tip
Bhardwaj et al. Experimental and theoretical analysis of connector offset optical fiber refractive index sensor
Wu et al. Application of a WGM optical fiber probe fabricated by 3D printing technology for glucose concentration measurement
Zhou et al. Compact refractometer based on extrinsic-phase-shift fiber Bragg grating
Aitkulov et al. Fabrication and performance evaluation of reflectorless refractive index fiber optic sensors using etched enhanced backscattering fibers
Bao et al. Fiber optic accelerometer based on grating inscribed over innermost-clad of multi-clad fiber
Deng et al. Twisted tapered plastic optical fibers for continuous liquid level sensing
Zhao et al. Photonic crystal all-fiber Mach-Zehnder interferometer sensor based on phase demodulation

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141208

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151123

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee