KR20150042947A - Radiation Hardened Optical Fiber and Temperature Sensor Using the Same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a radiation hardened optical fiber that minimizes the impact of radiation in a radiation environment and a temperature sensor using the radiation hardened optical fiber with an improved temperature sensing accuracy inside a radiation environment by creating bragg grating. The present invention provides a radiation hardened optical fiber comprising: a core; a cladding having a refractive index that is lower than that of the core; and a buffer layer having a refractive index that is lower than that of the core in between the core and the cladding, and an optical fiber temperature sensor using the same.

Description

내방사선 광섬유 및 이를 이용한 온도 센서{Radiation Hardened Optical Fiber and Temperature Sensor Using the Same}[0001] The present invention relates to a radiation optical fiber and a temperature sensor using the same,

본 발명은 내방사선 광섬유 및 이를 이용한 온도 센서에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 방사선 환경에서 방사선에 의한 영향을 최소화하는 내방사선 광섬유 및 내방사선 광섬유에 브라그 격자를 생성하여 방사선 환경 내에서의 온도 센싱 정확도를 향상시킨 내방사선 광섬유를 이용한 온도 센서에 대한 것이다. The present invention relates to a radiation-resistant optical fiber and a temperature sensor using the same. More particularly, the present invention relates to a temperature-sensitive sensor using an intracardiac optical fiber that enhances temperature sensing accuracy in a radiation environment by creating a bragg grating in an intracardiac optical fiber and an intracardiac optical fiber that minimizes radiation effects in a radiation environment Lt; / RTI >

내방사선 광섬유는 방사선 환경 내에서도 광 손실 및 광섬유 손상이 최소화되거나 없는 내방사선 특성을 갖는 특수 광섬유이다. Radiation-resistant optical fiber is a special optical fiber with radiation-resistant properties with minimal or no optical loss and optical fiber damage in a radiation environment.

최근 세계적으로 급격한 인구 증가와 개발 도상국들의 산업화로 인한 에너지 수요의 증가에 따라 원자력 에너지 발전 설비의 발전량이 증가되고 있다. 이러한 상황에서 원자력 에너지 발전 설비의 안전 상황을 실시간으로 판단하여 적절한 대처를 수행하기 위하여 원자로 내부나 원자력 압력 용기, 냉각기 등의 원자력 설비의 온도를 지속적으로 모니터링할 필요가 있다. 현재 고온에서 동작하는 열전대 온도 센서인 Thermocouple나 Thermistor, 또는 방사(복사) 온도 센서가 원자력 설비의 온도 측정을 위해 사용되고 있으나 온도센서 민감도나 내식성, 센서 프로브의 손상, 그리고 시간이 지남에 따라 발생하는 드리프트(Drift) 현상 등의 문제가 있다는 단점으로 인해 광섬유를 이용한 센서 기술이 주목받고 있다. In recent years, the generation of nuclear power generation facilities has been increasing due to the rapid population growth worldwide and the increase in energy demand due to the industrialization of developing countries. In this situation, it is necessary to continuously monitor the temperature of nuclear facilities such as nuclear reactor pressure vessel, cooler, etc. in order to judge the safety situation of nuclear power generation facilities in real time and to take appropriate action. Thermocouple, thermistor, or radiation temperature sensor, which is a thermocouple temperature sensor operating at high temperature, is used for temperature measurement of nuclear facilities, but temperature sensor sensitivity, corrosion resistance, sensor probe damage, and drift And a drift phenomenon. Therefore, a sensor technology using an optical fiber is attracting attention.

광섬유에 격자(FBG : Fiber Bragg Grating)를 이용한 센서 기술로서, 대한민국 공개특허 제10-2012-0050866호를 예를 들면, 광섬유 격자 센서를 이용하여 온도와 스트레인을 함께 측정하는 기술을 제시하고 있다. As a sensor technology using a fiber Bragg grating (FBG) in an optical fiber, Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0050866, for example, discloses a technique for measuring temperature and strain together using an optical fiber grating sensor.

그런데, 방사선 환경 내에서 작동하는 센서의 경우에는 내방사선 특성을 갖추는 것이 요구된다. 그런데, 일반적으로 광섬유가 방사선에 노출되면, 광섬유 코어 영역 내에 radiation-induced defects 및 colour centers가 형성되어 광신호 전송 손실이 증가하게 되는 문제점이 있다. However, in the case of a sensor operating in a radiation environment, it is required to have radiation resistance characteristics. Generally, when the optical fiber is exposed to radiation, radiation-induced defects and color centers are formed in the optical fiber core region, thereby increasing optical signal transmission loss.

방사선 환경 내에서 센서로서 작동하기 위한 광섬유 및 이를 이용한 광섬유 센서를 제공하기 위해서는 내방사선 특성과 더불어, 광섬유 격자가 효과적으로 생성될 수 있는 조건이 충족되어야 하나, 종래의 기술에서는 이를 위한 해결 수단이 제시되지 않았다. In order to provide an optical fiber for operating as a sensor in a radiation environment and an optical fiber sensor using the optical fiber, a condition in which an optical fiber grating can be effectively generated along with a radiation characteristic is satisfied, but a solution is proposed in the prior art I did.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 방사선 환경에서 방사선에 의한 영향을 최소화하는 내방사선 광섬유 및 내방사선 광섬유에 격자를 생성하여 방사선 환경 내에서의 온도 센싱 정확도를 향상시킨 내방사선 광섬유를 이용한 온도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the above problems, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems by using a radiation-resistant optical fiber, And to provide a temperature sensor.

본 발명은, 코어와, 상기 코어의 외측에 형성되며 상기 코어의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩을 포함하며, 상기 코어와 상기 클래딩의 사이에는 상기 코어보다 낮은 굴절률의 버퍼층이 형성되는 것을 특징으로 하는 내방사선 광섬유를 제공한다. The present invention is characterized by a core and a cladding formed outside the core and having a refractive index lower than the refractive index of the core, wherein a buffer layer having a refractive index lower than that of the core is formed between the core and the cladding Provides my radiation optical fiber.

일 실시예에 있어서, 상기 버퍼층은 고순도 실리카 글래스로 형성될 수 있다. 또한, 상기 버퍼층은 OH, F, Ce, H2, N, Cl, 및 Ga 중 적어도 하나가 첨가된 실리카 글래스로 형성될 수 있다. In one embodiment, the buffer layer may be formed of high purity silica glass. Further, the buffer layer may be formed of silica glass to which at least one of OH, F, Ce, H2, N, Cl, and Ga is added.

바람직하게, 상기 코어는 게르마늄(Ge)이 함유된 GeO2-SiO2 조성으로 이루어질 수 있다. Preferably, the core may be of GeO2-SiO2 composition containing germanium (Ge).

일 실시예에 있어서, 상기 클래딩은, 상기 버퍼층의 외측에 형성되며 굴절률이 상기 버퍼층보다 낮은 트렌치층과, 상기 트렌치층의 외측에 형성되며 굴절률이 상기 트렌치층보다 높은 외부 클래딩을 포함하여 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 트렌치층은 붕소(B) 또는 불소(F)를 함유하여 형성될 수 있다. The cladding may include a trench layer formed outside the buffer layer and having a refractive index lower than that of the buffer layer, and an outer cladding layer formed outside the trench layer and having a refractive index higher than that of the trench layer. have. In this case, the trench layer may be formed containing boron (B) or fluorine (F).

또한, 본 발명은, 코어와, 상기 코어의 외측에 형성되며 상기 코어의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩을 포함하며, 상기 코어와 상기 클래딩의 사이에는 상기 코어보다 낮은 굴절률의 버퍼층이 형성되고, 상기 코어에는 격자가 형성되어 온도에 따른 반사파장 변화로 온도를 검출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 온도 센서를 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device, comprising: a core; and a cladding formed outside the core, the cladding having a refractive index lower than that of the core, wherein a buffer layer having a lower refractive index than the core is formed between the core and the cladding, And a core is formed with a lattice to detect a temperature with a change in reflection wavelength depending on the temperature.

바람직하게, 상기 버퍼층은 고순도 실리카 글래스로 형성되거나, OH, F, Ce, H2, N, Cl, 및 Ga 중 적어도 하나가 첨가된 실리카 글래스로 형성될 수 있다. Preferably, the buffer layer is formed of high purity silica glass, or may be formed of silica glass to which at least one of OH, F, Ce, H2, N, Cl, and Ga is added.

또한, 상기 코어는 게르마늄(Ge)이 함유된 GeO2-SiO2 조성으로 이루어질 수 있다. In addition, the core may be composed of a GeO 2 -SiO 2 composition containing germanium (Ge).

또한, 상기 클래딩은, 상기 버퍼층의 외측에 형성되며 굴절률이 상기 버퍼층보다 낮은 트렌치층과, 상기 트렌치층의 외측에 형성되며 굴절률이 상기 트렌치층보다 높은 외부 클래딩을 포함하여 형성될 수 있다. The cladding may include a trench layer formed outside the buffer layer and having a lower refractive index than the buffer layer, and an outer cladding layer formed outside the trench layer and having a higher refractive index than the trench layer.

본 발명에 따르면, 내방사선 특성을 향상시키기 위해 Ge가 함유된 조성의 코어와, 내방사선 특성을 향상시키기 위한 버퍼층(buffer layer), 및 트렌치 구조 등으로 구성된 클래딩 구조를 갖는 내방사선 특수 광섬유가 제공된다.According to the present invention, a special radiation-resistant optical fiber having a cladding structure composed of a core having a Ge-containing composition, a buffer layer for improving radiation resistance, and a trench structure is provided do.

특히, 본 발명은 통상적인 광섬유에 비해 내방사성이 우수하다는 장점을 갖고 있다 Particularly, the present invention has an advantage that the radiation resistance is superior to that of a conventional optical fiber

본 발명은, 내방사선 효과와 더불어 원하는 구조의 온도 센서의 제작이 가능하여, 방사선이 조사되는 극한 환경에서 활용가능한 정밀한 온도 센서가 제공될 수 있다. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention makes it possible to manufacture a temperature sensor having a desired structure in addition to the radiation effect of a radiation, so that a precise temperature sensor that can be utilized in an extreme environment in which radiation is irradiated can be provided.

도 1은 광섬유에 광섬유 격자를 생성하는 과정을 도시한 모식도로서, (a)는 GeO defect 모델이고, (b)는 UV 레이저 조사에 의해 형성된 GeE 모델이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유의 구성을 도시한 사시도(좌측) 및 단면도(우측)이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유의 굴절률 분포를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유의 다른 굴절률 분포를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유(광섬유A)에 대한 감마선 조사에 따른 RIA 특성 변화를 시간(a)과 방사선 조사량(b)에 따라 나타낸 도면이다.
도 6은 통상적인 광섬유(광섬유B)에 대한 감마선 조사에 따른 RIA 특성 변화를 시간(a)과 방사선 조사량(b)에 따라 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유(광섬유A)의 온도 변화에 따른 FBG 피크 파장 변화를 도시한 도면이다.
도 8은 통상적인 광섬유(광섬유B)의 온도 변화에 따른 FBG 피크 파장 변화를 도시한 도면이다. FIG. 1 is a schematic diagram showing a process of generating an optical fiber grating on an optical fiber, wherein (a) is a GeO defect model and (b) is a GeE model formed by UV laser irradiation.
2 is a perspective view (left side) and a cross-sectional view (right side) showing the construction of a radiation-resistant optical fiber according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a view showing a refractive index distribution of the radiation-resistant optical fiber according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a view showing another refractive index profile of the inner radiation optical fiber according to the preferred embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing changes in RIA characteristics according to the irradiation of gamma-rays with respect to a radiation-resistant optical fiber (optical fiber A) according to a preferred embodiment of the present invention, according to time (a) and irradiation dose (b).
FIG. 6 is a graph showing changes in RIA characteristics with respect to a conventional optical fiber (optical fiber B) according to irradiation with a gamma ray according to time (a) and irradiation dose (b).
FIG. 7 is a graph showing a change in FBG peak wavelength according to a temperature change of a radiation-resistant optical fiber (optical fiber A) according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a change in FBG peak wavelength according to a temperature change of a conventional optical fiber (optical fiber B).

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, the preferred embodiments of the present invention will be described below, but it is needless to say that the technical idea of the present invention is not limited thereto and can be variously modified by those skilled in the art.

광섬유가 방사선에 노출되면 radiation-induced defects 및 colour defects가 형성되어 광신호 전송 손실이 발생하게 된다. 그런데, 고순도 실리카 글래스(Pure Silica Glass)나 OH, F, Ce, H2, N, Cl, Ga 등과 같은 특정 원소를 광섬유 코어 영역 내에 첨가하면, 방사선 노출에 따른 광섬유 코어 영역 내의 비가교 산소 결함(Non-Bridging Oxygen Hole Center : NBOHC)을 감소시키며 실리카 글래스 내의 E' Center 형성을 억제하여 광전송 손실을 최소화할 수 있다. 그러나, 광섬유 장주기 또는 단주기 격자 등을 활용한 온도 센서로 광섬유를 활용하기 위해서는 내방사선 특성이 요구될 뿐만 아니라 광섬유 격자로 제조되기 위하여 광섬유 코어 영역 내의 산화게르마늄(GeO2)에 의한 광민감성 증가가 요구된다. When optical fibers are exposed to radiation, radiation-induced defects and color defects are formed, resulting in loss of optical signal transmission. However, when specific elements such as Pure Silica Glass or OH, F, Ce, H 2 , N, Cl, Ga and the like are added into the optical fiber core region, the non-crosslinked oxygen defects in the optical fiber core region Non-Bridging Oxygen Hole Center (NBOHC) and suppresses the formation of E 'centers in the silica glass, thereby minimizing optical transmission loss. However, in order to utilize the optical fiber as the temperature sensor utilizing the optical fiber long period or short period lattice, the radiation resistance characteristic is required and the optical sensitivity due to the germanium oxide (GeO 2 ) in the optical fiber core region is increased Is required.

도 1은 광섬유에 광섬유 격자를 생성하는 과정을 도시한 모식도로서, (a)는 GeO defect 모델이고, (b)는 UV 레이저 조사에 의해 형성된 GeE 모델이다. FIG. 1 is a schematic diagram showing a process of generating an optical fiber grating on an optical fiber, wherein (a) is a GeO defect model and (b) is a GeE model formed by UV laser irradiation.

실리카 광섬유 코어 영역 내에 존재하는 GeO2는 무정형 형태의 4면체 구조의 순수한 SiO2와 같은 구조로 존재하여 3개의 산소와 하나의 Ge 또는 Si 원자와 결합하고 있는 GeO(Oxygen deficient germanium) defect가 형성된다. 광섬유 격자(FBG) 제조는 광섬유 코어 영역 내에 존재하는 GeO defect가 UV 레이저 조사에 의해 결합이 깨져 GeE defect를 생성하여 굴절률 변화를 일으키는 photosensitivity 현상을 이용한 것이다. 이에 따라 광섬유의 길이 방향으로 주기적인 굴절률 변화가 발생하여 광섬유를 통과하는 빛이 특정 파장에서 반사된다. 반사되는 빛의 파장은 주변 온도에 따라 민감하게 변화하며, 이러한 원리를 이용하여 FBG 광섬유 온도 센서로의 활용이 가능해진다. 그런데, GeO2가 광섬유 코어 영역 내에 존재하는 상태에서 방사선에 노출되면, Ge와 관련된 radiation-induced defects 및 colour defects가 형성되어 광전송 손실이 증가하는 문제점이 존재한다. GeO present in the silica optical fiber core region 2 is an amorphous form of a tetrahedron structure present in the structure, such as a pure SiO 2 to the three oxygen and one of Ge or Si GeO (Oxygen deficient germanium) defect, which combined with the atoms forming the . Fabrication of fiber grating (FBG) is based on the photosensitivity phenomenon in which the GeO defect existing in the optical fiber core region breaks the bond due to UV laser irradiation and generates GeE defect to cause the refractive index change. As a result, a periodic refractive index change occurs in the longitudinal direction of the optical fiber, and the light passing through the optical fiber is reflected at a specific wavelength. The wavelength of the reflected light changes sensitively according to the ambient temperature, and it becomes possible to utilize this principle as FBG optical fiber temperature sensor. However, when GeO 2 is exposed to radiation in the state of being present in the optical fiber core region, radiation-induced defects and color defects related to Ge are formed, thereby increasing the optical transmission loss.

방사선 환경에서의 GeO2에 의한 문제를 해소하기 위해, 고순도 실리카 글래스 코어를 활용하는 경우, 광섬유 코어 영역 내에서 광신호가 전반사되어 광신호 전송이 가능하도록 광섬유 클래딩 영역의 굴절률을 코어 영역에 비해 낮게 하여야 한다. 이를 위해 코어 외측에 Flourine 및/또는 Boron을 함유시켜 굴절률을 낮게 할 수 있다. 그러나 낮은 굴절률을 갖는 클래딩을 활용할 경우, 코어와 클래딩의 조성차이에 의해 계면에서 서로 다른 팽창률에 따른 잔류 응력이 발생하여 방사선에 노출시, defect center가 증대되어 광손실이 증대될 수 있는 문제점이 있다. In order to solve the problem caused by GeO 2 in the radiation environment, when a high purity silica glass core is used, the refractive index of the optical fiber cladding region must be lower than that of the core region so that optical signals are totally reflected in the optical fiber core region to enable optical signal transmission do. For this purpose, the refractive index can be lowered by adding fluorine and / or boron to the outside of the core. However, when a cladding having a low refractive index is used, a residual stress due to different expansion ratios is generated at the interface due to the difference in the composition of the core and the cladding, thereby increasing the defect center when exposed to radiation, .

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유의 구성을 도시한 사시도(좌측) 및 단면도(우측)이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유의 굴절률 분포를 도시한 도면이다. FIG. 2 is a perspective view (left side) and a cross-sectional view (right side) showing the construction of a radiation-resistant optical fiber according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows a refractive index distribution of the radiation- FIG.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유(1)는, 중앙의 코어(10)와, 코어(10)를 둘러싼 버퍼층(20)과, 버퍼층(20) 외측을 둘러싸고 내부 클래딩으로 기능하는 트렌치층(30)과, 트렌치층(30) 외측을 둘러싼 외부 클래딩(40)을 포함한다. 외부 클래딩(40)의 외측에는 코팅층(50)이 피복될 수 있다. 한편, 상기 트렌치층(30)과 외부 클래딩(40)은 별도 구분없이 하나의 클래딩층으로 구성될 수도 있다.A radiation-resistant optical fiber 1 according to a preferred embodiment of the present invention comprises a core 10 at the center, a buffer layer 20 surrounding the core 10, a trench layer 20 surrounding the outside of the buffer layer 20, (30) and an outer cladding (40) surrounding the outside of the trench layer (30). A coating layer 50 may be coated on the outer side of the outer cladding 40. Meanwhile, the trench layer 30 and the outer cladding 40 may be formed of one cladding layer separately.

코어(10)는 게르마늄(Ge)이 함유된 GeO2-SiO2 조성을 갖도록 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서 상기 코어(10)는 OVD(Outer Vapor Deposition) 공법을 이용하여 형성될 수 있다. 광섬유가 방사선에 노출되는 경우 발생되는 광전송 손실(Radiaction-Induced Attenuation : RIA)의 원인이 되는 RID(Radiation-Induced Defects)의 생성을 최소화하기 위해서는 코어 영역의 불순물의 함량을 최소화시키는 것이 바람직하다. OVD 공법은 코어 영역 내의 불순물 함량을 줄일 수 있는 공법 중 하나이며, 전조사를 수행하여 RID의 전구체(precursor)의 농도를 낮추어 광섬유의 내방사선 특성을 향상시키는 것이 바람직할 수 있다. The core 10 may be formed to have a GeO 2 -SiO 2 composition containing germanium (Ge). In one embodiment, the core 10 may be formed using an OVD (Outer Vapor Deposition) method. It is desirable to minimize the content of impurities in the core region in order to minimize the generation of Radiation-Induced Defects (RIDs), which cause Radiation-Induced Attenuation (RIA), which occurs when the optical fiber is exposed to radiation. The OVD method is one of the methods for reducing the impurity content in the core region and it may be desirable to perform the preliminary irradiation to lower the concentration of the precursor of RID to improve the radiation resistance characteristics of the optical fiber.

버퍼층(20)은, 코어(10)에 미치는 방사선의 영향을 최소화하기 위하여 코어(10)의 외측에 형성된다. 버퍼층(20)은, 코어(10)와 클래딩(트렌치층(30)이 없는 경우) 또는 코어(10)와 트렌치층(30) 사이에 형성된다. 버퍼층(20)은 클래딩 또는 트렌치층(30) 사이의 계면에서 발생되는 RID의 생성 및 코어 영역으로의 산란(diffusion)을 방지한다. 또한, 버퍼층에 존재하는 OH, F, Ce, H2, N, Cl, Ga 등과 같은 특정 물질들에 의해 방사선 조사에 의한 코어층 및 코어층과 버퍼층 계면에서 생성되는 defect center를 감소 시킬 수 있다. The buffer layer 20 is formed on the outer side of the core 10 to minimize the influence of radiation on the core 10. The buffer layer 20 is formed between the core 10 and the cladding (in the absence of the trench layer 30) or between the core 10 and the trench layer 30. The buffer layer 20 prevents the generation of RID and diffusion into the core region occurring at the interface between the cladding layer and the trench layer 30. Also, it is possible to reduce defect centers generated at the interface between the core layer and the core layer and the buffer layer by irradiation with specific materials such as OH, F, Ce, H 2 , N, Cl, and Ga in the buffer layer.

버퍼층(20)의 존재로 인해 RIA를 최소화할 수 있으며 내방사선 특성을 향상시킨다. 버퍼층(20)은 고순도 실리카 글래스(SiO2)로 이루어질 수 있다. 또는 버퍼층(20)은 OH, F, Ce, H2, N, Cl, Ga 등과 같은 특정 원소를 첨가시켜 제조될 수 있다. The presence of the buffer layer 20 minimizes the RIA and improves the radiation resistance characteristics. The buffer layer 20 may be made of high purity silica glass (SiO2). Or the buffer layer 20 may be prepared by adding specific elements such as OH, F, Ce, H 2 , N, Cl, Ga and the like.

트렌치층(30)은 내부 클래딩으로서 기능한다. 일 실시예에 있어서, 트렌치층(30)은 붕소(Boron) 또는 불소(Flourine)이 첨가된 실리카(B-SiO2, F-SiO2)로 이루어질 수 있다. 광섬유가 방사선인 감마선에 노출되어 생성된 RID의 영향으로 발생하는 광섬유의 광특성 변화 중 하나는 굴절률의 변화이다. 광섬유 코어(10) 및 클래딩의 굴절률이 변화하게 되면 단일모드 조건 혹은 전반사 조건이 더는 완벽하게 유지되지 않게 된다. 이에 따라 코어(10) 영역으로 전파되는 빛이 클래딩 영역으로 새어나가 광손실을 초래하게 된다. 이를 방지하기 위해 코어(10) 및 외부 클래딩(40)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 트렌치층(30)을 코어(10) 및 버퍼층(20)의 바깥에 증착하여 외부 클래딩(40) 영역으로 빠져나간 빛이 다시 코어(10) 영역으로 입사하게 하여 광손실을 줄이도록 할 수 있다. The trench layer 30 functions as an inner cladding. In one embodiment, the trench layer 30 may comprise silica doped with boron or fluorine (B-SiO 2 , F-SiO 2 ). One of the changes in the optical properties of the optical fiber caused by the RID generated by the exposure of the optical fiber to the gamma ray which is radiation is the change of the refractive index. When the refractive index of the optical fiber core 10 and the cladding is changed, the single mode condition or the total reflection condition is not completely maintained. Accordingly, the light propagated to the core region 10 leaks into the cladding region, resulting in optical loss. A trench layer 30 having a refractive index lower than the refractive index of the core 10 and the outer cladding 40 is deposited outside the core 10 and the buffer layer 20 to escape into the region of the outer cladding 40 The light can be incident on the core 10 again to reduce the optical loss.

외부 클래딩(40)은 트렌치층(30)의 외측에 구비되며, 실리카로 형성될 수 있다. 외부 클래딩(40)의 외부에는 폴리머 재질의 코팅층(50)을 구비할 수 있다. The outer cladding 40 is provided outside the trench layer 30 and may be formed of silica. The outer cladding 40 may be provided with a coating layer 50 made of a polymer material.

도 3을 참조하면, 코어(10)의 굴절률은 다른 부분에 비해 높고, 버퍼층(20)은 코어(10)의 굴절률보다 낮으며 대략 외부 클래딩(40)과 비슷한 굴절률을 가지며, 트렌치층(30)의 굴절률은 버퍼층(20)이나 외부 클래딩(40)보다 낮게 형성된다. 3, the refractive index of the core 10 is higher than that of the other portions, the buffer layer 20 is lower than the refractive index of the core 10 and has a refractive index similar to that of the outer cladding 40, The refractive index of the external cladding 40 is lower than that of the buffer layer 20 or the external cladding 40.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유의 다른 굴절률 분포를 도시한 도면이다. 4 is a view showing another refractive index profile of the inner radiation optical fiber according to the preferred embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 버퍼층(20)은 불소(F)가 첨가된 실리카 글라스로 형성되며, 그 굴절률은 외부 클래딩(40)보다 작고 트렌치층(30)보다는 크게 형성된다.
Referring to FIG. 4, the buffer layer 20 is formed of silica glass doped with fluorine (F), and its refractive index is smaller than the outer cladding 40 and larger than the trench layer 30.

전술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유(1)는 MCVD(Modified chemical vapor deposition) 및 OVD 공정을 통해 제조될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 삼염화붕소(BCl3) 가스가 사염화규소(SiCl4)와 함께 MCVD 공정 중에 제공되는데, 이는 굴절률이 다른 것에 비해 낮은 트렌치층(30)을 형성하기 위함이다. 글래딩 영역을 추가 증착시킨 후에, OVD 공법으로 제조된 SiO2-GeO2 조성의 유리 모재 (Glass rod)를 석영 유리관 중앙에 삽입시켜 고온의 열을 가해 실링(sealing)하여 광섬유 모재를 제조한다. 이러한 광섬유 모재를 인출하여 도 2에 도시된 바와 같은 내방사선 광섬유(1)를 생성한다.
The radiation-resistant optical fiber 1 according to the preferred embodiment of the present invention can be manufactured through a modified chemical vapor deposition (MCVD) and an OVD process. In one embodiment, boron trichloride (BCl 3 ) gas is provided during the MCVD process with silicon tetrachloride (SiCl 4 ) to form a lower trench layer 30 as compared to the other refractive indices. After the gladling region is further deposited, a glass rod of SiO 2 -GeO 2 composition prepared by the OVD process is inserted into the center of the quartz glass tube and sealed at a high temperature to produce an optical fiber preform. This optical fiber preform is drawn out to produce a radiation-resistant optical fiber 1 as shown in Fig.

<실시예><Examples>

① 광섬유A① Optical fiber A

본 발명에 따라 내방사선 광섬유(광섬유A)를 제조하였다. 인출타워에서 2150 ℃의 온도로 인출된 광섬유의 외부 지름은 125 ㎛이다. 코어의 지름은 8.30 ㎛이고, 트렌치층(30)에 Boron Oxide를 함유한 광섬유의 컷오프(cut-off) 파장은 1,208 nm이다. 코어(10)와 트렌치층(30) 사이의 버퍼층(20) 간격은 11.16 ㎛이고, 트레치층(30)의 간격은 8.93 ㎛이다. 코어(10)와 외부 클래딩(40) 간의 굴절률 차(Δncore)는 0.0050이고, 외부 클래딩(40)과 트렌치층(30) 간의 굴절률 차(Δndepressed-index)는 -0.0035이다. A radiation-resistant optical fiber (optical fiber A) was produced according to the present invention. The outer diameter of the optical fiber drawn to the temperature of 2150 캜 at the drawing tower is 125 탆. The diameter of the core is 8.30 탆, and the cut-off wavelength of the optical fiber containing boron oxide in the trench layer 30 is 1,208 nm. The interval between the buffer layer 20 between the core 10 and the trench layer 30 is 11.16 mu m and the interval between the trachea layers 30 is 8.93 mu m. The refractive index difference Δn core between the core 10 and the outer cladding 40 is 0.0050 and the refractive index difference Δn depressed-index between the outer cladding 40 and the trench layer 30 is -0.0035.

② 광섬유B② Optical fiber B

광섬유A와의 비교를 위해, 버퍼층(20)과 트렌치층(30)이 없는 상용 단일모드 광섬유(광섬유B)를 사용하였다.
For comparison with the optical fiber A, a commercial single mode optical fiber (optical fiber B) without the buffer layer 20 and the trench layer 30 was used.

광섬유의 브라그 격자(FBG)는 광섬유 코어 내에 일정 길이의 주기적인 굴절률 변화를 주어 생성된다. 브라그 격자는 입사된 광 중에서 Bragg 조건을 만족시키는 특정 파장을 중심으로 일정 대역의 광은 반사시키고 나머지 광은 투과시킨다. FBG 공정용 UV laser로 248nm KrF excimer laser를 사용하였으며, Bragg 조건을 고려해 설계된 phase mask를 이용하여 광섬유 FBG를 본 발명에 따른 내방사선 광섬유(광섬유A)와 상용 단일모드 광섬유(광섬유B)에 생성하였다. 광섬유에 브라그 격자를 생성하는 공정 중에, 광섬유 수소 로딩 공정(상온에서 100bar의 압력으로 96시간 수행)을 추가로 수행하였다. The Bragg grating (FBG) of the optical fiber is generated by giving a periodic refractive index change of a certain length in the optical fiber core. The Bragg grating reflects light of a certain band around the specific wavelength satisfying the Bragg condition among the incident light, and transmits the remaining light. A 248-nm KrF excimer laser was used as the UV laser for the FBG process, and the optical fiber FBG was produced in the inner-ray optical fiber (optical fiber A) and the commercial single-mode optical fiber (optical fiber B) according to the present invention by using the phase mask designed in consideration of the Bragg condition . During the process of generating the bridging grating in the optical fiber, the optical fiber hydrogen loading process (carried out at a pressure of 100 bar at room temperature for 96 hours) was further performed.

브라그 격자가 생성된 광섬유A의 경우, 단일 모드 조건의 파장인 1549 nm Bragg 반사 파장 peak이 나타났으며, FBG 반사 파 dB값은 16.37 dB로 이는 97.69 % 반사율을 나타내었다. 한편, 브라그 격자가 생성된 광섬유B의 경우, FBG 반사율은 16.37 dB@1549.5 nm로 동일한 특성을 나타었다. 그 외 Pref (Power reference level), Pdm (Minimum transmitted power), Tdm (Maximum transmittance dip), FWHM (Full bandwidth at half maximum), FWBZ (Full bandwidth between first zeros) 값은 표 1과 같다. In the case of the optical fiber A with Bragg gratings, the 1549 nm Bragg reflection wavelength peak of the single mode condition was shown, and the FBG reflection wave dB value was 16.37 dB, which was 97.69% reflectance. On the other hand, in the case of the optical fiber B in which the Bragg grating was formed, the FBG reflectance was 16.37 dB @ 1549.5 nm and the same characteristics were obtained. Table 1 shows the values of P ref (power reference level), P dm (minimum transmitted power), T dm (maximum transmittance dip), FWHM (full bandwidth at half maximum) and FWBZ (full bandwidth between first zeros).

광섬유AOptical fiber A 광섬유BOptical fiber B Pref (dBm)Pref (dBm) -20.73-20.73 -20.24-20.24 Pdm (dBm)Pdm (dBm) -37.10-37.10 -36.61-36.61 Tdm (dB)Tdm (dB) 16.3716.37 16.3716.37 FWHM (nm)FWHM (nm) 0.080.08 0.090.09 FWBZ (nm)FWBZ (nm) 0.420.42 0.410.41

방사선 조사 및 온도 변화에 따른 광섬유 FBG 스펙트럼 변화Fiber Bragg Grating Spectrum Change with Irradiation and Temperature Variation

방사선 조사에 따른 광섬유의 FBG 스펙트럼 특성 변화를 관찰하기 위해 light source (WLS : White light source)와 power detector (OSA : Optical spectrum analyzer)를 이용하여 실험 셋업을 구성하였다. 이때, Co-60 선원의 방사선 조사 선량은 381 Gy/min (1,000 Gy @2.625 min)이었으며, 조사 시간 및 누적 선량은 각각 1시간, 22.86 KGy 였다. 방사선에 노출된 내방사선 특수 광섬유의 길이는 11 m 였으며, 그 밖의 fiber adaptor와 같은 광소자들은 방사선 노출에 따른 영향을 최소화시키기 위해 두꺼운 납판 (Pb shield)를 이용하여 차폐하였다. 방사선 조사는 1시간 동안 수행되었으며, 5분 간격으로 FBG 스펙트럼을 측정하였다. 22,860 KGy 선량의 감마선을 조사한 후, Co-60 선원을 제거하여 다시 5분 간격으로 FBG 스펙트럼의 변화를 측정하여 annealing 특성을 관찰하였다. 방사선 조사시설 내부 광섬유 근처의 온도 또한 동시에 측정하였다. Experimental setup was performed using light source (WLS: white light source) and power detector (OSA: Optical spectrum analyzer) to observe the change of FBG spectral characteristics of the optical fiber according to irradiation. At this time, the irradiation dose of Co-60 source was 381 Gy / min (1,000 Gy @ 2.625 min), and irradiation time and cumulative dose were 22.86 KGy for 1 hour, respectively. The radiation-specific optical fiber exposed to radiation was 11 m long, and other optical devices such as fiber adapters were shielded with a thick Pb shield to minimize the effect of radiation exposure. Irradiation was carried out for 1 hour and FBG spectra were measured at 5 minute intervals. After irradiating gamma rays of 22,860 KGy, the Co-60 source was removed and the changes of FBG spectra were observed at intervals of 5 minutes. The temperature near the optical fiber inside the irradiation facility was also measured at the same time.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유(광섬유A)에 대한 감마선 조사에 따른 RIA 특성 변화를 시간(a)과 방사선 조사량(b)에 따라 나타낸 것이고, 도 6은 통상적인 광섬유(광섬유B)에 대한 감마선 조사에 따른 RIA 특성 변화를 시간(a)과 방사선 조사량(b)에 따라 나타낸 것이다. FIG. 5 is a graph showing changes in RIA characteristics according to the irradiation of gamma-rays with respect to the radiation-resistant optical fiber (optical fiber A) according to a preferred embodiment of the present invention in accordance with time (a) (A) and the irradiation dose (b) of the RIA according to the irradiation with the gamma ray for the optical fiber B).

도 5와 도 6을 참조하면, 조사된 방사선량 (Dose)에 따른 광섬유의 RIA 특성을 살펴보면, 조사선량이 증가할수록 RIA 값이 증가하였으나 그 증가율이 점차 감소하는 경향을 보였다. 본 발명에 따른 내방사선 광섬유(광섬유A)의 경우, 1,000 Gy 방사선량 노출시 4.95 dB/km 의 RIA 값을 나타내었으며, 이는 상용 단일모드 광섬유(광섬유B)의 경우(28.18 dB/km @1,000 Gy)보다 매우 낮은 RIA 값을 나타낸다. 즉, 본 발명에 따른 내방사선 광섬유는 통상적인 광섬유에 비해 매우 향상된 내방사선 특성을 나타내었다. 감마선 조사가 끝나고, 선원을 제거하게 되면 RIA 값이 점차 감소하다 시간이 지날수록 감소율이 줄어들며 수렴하였으며 이는 감마선 조사에 의해 생성된 불안정한 defects의 annealing 현상 때문으로 이해된다.
Referring to FIGS. 5 and 6, RIA characteristics of the optical fiber according to the irradiated dose were increased, but the increase rate of the RIA value was gradually decreased as the irradiation dose increased. In the case of the radiation-resistant optical fiber (optical fiber A) according to the present invention, the RIA value was 4.95 dB / km when exposed to a radiation dose of 1,000 Gy, which was 28.18 dB / km @ 1,000 Gy for a commercial single mode optical fiber (optical fiber B) ). &Lt; / RTI &gt; That is, the radiation-resistant optical fiber according to the present invention exhibits a very improved IR radiation characteristic as compared with a conventional optical fiber. After the gamma irradiation, the RIA value gradually decreased as the source was removed. As the time passed, the reduction rate decreased and it was understood that this was caused by the annealing phenomenon of unstable defects generated by gamma irradiation.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내방사선 광섬유(광섬유A)의 온도 변화에 따른 FBG 피크 파장 변화를 도시한 도면이고, 도 8은 통상적인 광섬유(광섬유B)의 온도 변화에 따른 FBG 피크 파장 변화를 도시한 도면이다. FIG. 7 is a graph showing changes in FBG peak wavelength according to a temperature change of a radiation-resistant optical fiber (optical fiber A) according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a graph showing changes in FBG peak wavelength according to temperature change of a conventional optical fiber Fig.

감마선 조사가 이루어지면서 광섬유 근처의 온도도 변화하였는데, 이는 감마선 선원을 둘러싸고 있는 금속판에 감마선이 충돌하면서 금속판의 온도가 증가하였기 때문으로 파악된다. As the gamma ray irradiation was performed, the temperature near the optical fiber also changed because the temperature of the metal plate increased due to the gamma ray colliding with the metal plate surrounding the gamma ray source.

광섬유A와 광섬유B의 모두의 경우에 있어서, FBG peak 파장은 온도가 올라갈수록 장파장 영역으로, 온도가 내려갈수록 단파장 영역으로 이동하는 특성을 보였으며, 각각의 FBG 온도 민감도(Temperature sensitivity)는 0.0161 nm/˚C 와 0.0228 nm/˚C 로 측정되었다. 이에 따라 본 발명에 따른 내방사선 광섬유의 경우 온도 센서로의 이용이 충분히 가능한 것으로 확인되었다. 한편, 감마선 조사 후, 온도가 내려가면서 FBG peak 파장이 동일 온도에서 단파장 영역으로 천이(Blue-shift)하였다. In the case of both the optical fiber A and the optical fiber B, the FBG peak wavelength shifts to a longer wavelength as the temperature increases, and to a shorter wavelength as the temperature decreases. Each FBG temperature sensitivity is 0.0161 nm / ˚C and 0.0228 nm / ˚C, respectively. Accordingly, it has been confirmed that the radiation-resistant optical fiber according to the present invention is sufficiently usable as a temperature sensor. On the other hand, after the irradiation with the gamma ray, the temperature of the FBG peak was shifted from the same temperature to the short wavelength region (Blue-shift).

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, substitutions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. will be. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are intended to illustrate and not to limit the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings . The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

10 : 코어
20 : 버퍼층
30 : 트렌치층
40 : 외부 클래딩
50 : 코팅층10: Core
20: buffer layer
30: trench layer
40: outer cladding
50: Coating layer

Claims (10)

코어와,
상기 코어의 외측에 형성되며 상기 코어의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩을 포함하며,
상기 코어와 상기 클래딩의 사이에는 상기 코어보다 낮은 굴절률의 버퍼층이 형성되는 것을 특징으로 하는 내방사선 광섬유.The core,
And a cladding formed on the outer side of the core and having a lower refractive index than the refractive index of the core,
And a buffer layer having a refractive index lower than that of the core is formed between the core and the cladding. 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼층은 고순도 실리카 글래스로 형성된 것을 특징으로 하는 내방사선 광섬유.The method according to claim 1,
Wherein the buffer layer is formed of high purity silica glass. 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼층은 OH, F, Ce, H2, N, Cl, 및 Ga 중 적어도 하나가 첨가된 실리카 글래스로 형성된 것을 특징으로 하는 내방사선 광섬유.The method according to claim 1,
The buffer layer is within a radiation optical fiber, characterized in that formed from OH, F, Ce, H 2 , N, Cl, and silica glass, at least one of the addition of Ga. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어는 게르마늄(Ge)이 함유된 GeO2-SiO2 조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 내방사선 광섬유. 4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the core is composed of a GeO 2 -SiO 2 composition containing germanium (Ge). 제 4 항에 있어서,
상기 클래딩은, 상기 버퍼층의 외측에 형성되며 굴절률이 상기 버퍼층보다 낮은 트렌치층과, 상기 트렌치층의 외측에 형성되며 굴절률이 상기 트렌치층보다 높은 외부 클래딩을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 내방사선 광섬유. 5. The method of claim 4,
Wherein the cladding is formed on an outer side of the buffer layer and has a refractive index lower than that of the buffer layer and an outer cladding formed on an outer side of the trench layer and having a refractive index higher than that of the trench layer. . 제 5 항에 있어서,
상기 트렌치층은 붕소(B) 또는 불소(F)를 함유하여 형성된 것을 특징으로 하는 내방사선 광섬유.6. The method of claim 5,
Wherein the trench layer is formed by containing boron (B) or fluorine (F). 코어와,
상기 코어의 외측에 형성되며 상기 코어의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩을 포함하며,
상기 코어와 상기 클래딩의 사이에는 상기 코어보다 낮은 굴절률의 버퍼층이 형성되고,
상기 코어에는 격자가 형성되어 온도에 따른 반사파장 변화로 온도를 검출하는 것을 특징으로 하는 광섬유 온도 센서. The core,
And a cladding formed on the outer side of the core and having a lower refractive index than the refractive index of the core,
A buffer layer having a refractive index lower than that of the core is formed between the core and the cladding,
Wherein the core is formed with a lattice to detect a temperature by a reflected wavelength change according to temperature. 제 7 항에 있어서,
상기 버퍼층은 고순도 실리카 글래스로 형성되거나, OH, F, Ce, H2, N, Cl, 및 Ga 중 적어도 하나가 첨가된 실리카 글래스로 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유 온도 센서.8. The method of claim 7,
The buffer layer has an optical fiber temperature sensor, characterized in that formed or a high-purity silica glass, formed from OH, F, Ce, 2 H, N, Cl, and silica glass, at least one of the addition of Ga. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 코어는 게르마늄(Ge)이 함유된 GeO2-SiO2 조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 온도 센서. 9. The method according to claim 7 or 8,
Wherein the core comprises GeO 2 -SiO 2 composition containing germanium (Ge). 제 9 항에 있어서,
상기 클래딩은, 상기 버퍼층의 외측에 형성되며 굴절률이 상기 버퍼층보다 낮은 트렌치층과, 상기 트렌치층의 외측에 형성되며 굴절률이 상기 트렌치층보다 높은 외부 클래딩을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 내방사선 광섬유 온도 센서.

10. The method of claim 9,
Wherein the cladding is formed on an outer side of the buffer layer and has a refractive index lower than that of the buffer layer and an outer cladding formed on an outer side of the trench layer and having a refractive index higher than that of the trench layer. temperature Senser.

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KR101759161B1 (en) 2017-07-19

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