WO2015199424A1 - 인테러게이션 광섬유를 사용한 광특성 측정 장치, 이를 구비하는 광섬유 센서 시스템 및 광특성 측정 방법 - Google Patents

인테러게이션 광섬유를 사용한 광특성 측정 장치, 이를 구비하는 광섬유 센서 시스템 및 광특성 측정 방법 Download PDF

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optical
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signal light
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김복현
김경원
강훈수
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광주과학기술원
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    • G01J3/1895—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating using fiber Bragg gratings or gratings integrated in a waveguide

Definitions

  • the present invention relates to a technique for measuring optical characteristics using an interference optical fiber, and more particularly, an optical characteristic measuring apparatus of an optical device using an interference optical fiber having a light absorption slope according to a wavelength, and an optical fiber having the same A sensor system and a method of measuring optical properties.
  • Optical fiber sensor or optical fiber sensor system which has attracted a lot of attention recently, is characterized in that all or part of the system is composed of optical fibers, and the sensing unit itself that detects physical quantity consists of optical fibers, and the optical fiber is simply a light source and It can be classified into an extrinsic form, which is a means of transmitting an optical signal.
  • the optical fiber sensor or the optical fiber sensor system uses light to measure electricity, unlike electric sensors based on semiconductors and conductor materials, electricity does not pass, so noise caused by electromagnetic interference, destruction by electric leakage, electric shock, etc. may occur. Because of its small size, light weight, and excellent sensitivity, it can be applied to various kinds of physical quantity measurement.
  • the optical fiber sensor uses light passing through the sensing unit optical element to change the temperature, strain, bending, torsion, pressure, refractive index, concentration, PH, light output, and current according to the external environment change.
  • Various physical quantities such as voltage and voltage can be measured.
  • the optical fiber sensor has a longer lifespan due to better environmental resistance than the electric sensor, has a semi-permanent lifespan, excellent plasticity and low reproducibility, and uses light as a measuring means.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • TDM time division multiplexing
  • the optical fiber sensor system measures and analyzes the characteristics of the light changed by the sensing unit and the sensing unit which largely changes the characteristics of the light (input light) transmitted from the light source unit according to the physical quantity applied from the external environment.
  • the measuring part plays an important role in determining the performance of the entire sensor system by a light detecting sensor and a signal analyzing device deriving the physical quantity from the signal obtained from the sensor.
  • a fiber bragg grating is applied to a sensing unit, and a method of measuring physical quantity by analyzing the movement of the optical wavelength generated therein is widely used. That is, when the optical fiber Bragg grating (FBG) is used in the sensing unit, the FBG reflects a part of the input light transmitted from the light source unit to form a band-shaped optical signal having a constant width, and the center wavelength (or resonant wavelength) of the optical band.
  • the sensor system is constructed using the movement characteristic of These categories also include long period fiber gating (LPFG), Fabry-Perot filters, and Brilliouin scattering, Stimulated Brilliouin scattering (SBS), and Raman scattering.
  • the optical element for the sensing unit used in the optical fiber sensor system does not necessarily have to be made of optical fiber, but considering the optical connectivity with the optical fiber element constituting the rest of the optical fiber sensor system, the optical element for the sensing unit is entirely made of optical fiber or at least input or output. It is preferable to consist of an additional optical fiber.
  • the sensing unit In the case of the optical fiber sensor system using the various optical elements as the sensing unit, the sensing unit generates a band-shaped optical signal (signal light) and calculates the physical quantity by measuring the movement of the central wavelength of the signal light according to the environmental change.
  • An interrogation device that detects and derives physical quantities from it must be provided.
  • FIG. 1 illustrates an optical fiber sensor system based on an optical characteristic measuring apparatus using a bulk optic filter element according to the prior art.
  • bulk optical filter elements such as edge filters and band pass filters having transmission characteristics of a constant slope are used as the integration elements.
  • Optical fiber sensor systems using bulk optical filter elements such as edge filters and band pass filters require optical coupling between the bulk optical filter element and other optical fiber elements in order to reproducibly obtain the required optical characteristics.
  • additional optical components such as collimators are required, along with precise light alignment operations.
  • the bulk optical filter element is manufactured by depositing a plurality of layers of thin film on a substrate material using a high vacuum deposition process, and has an anti-reflection coating to reduce light loss due to reflection occurring on the surface exposed to air. It has the disadvantage of requiring a lot of expensive process work.
  • the bulk optic filter it is not possible to further manipulate the thickness of the device as a means of adjusting the light absorption characteristics, for example, the light absorption intensity and tilt, in order to achieve precise interlock performance. It has the disadvantage of having to manufacture a filter element suitable for the system specification every time.
  • FIG. 2 shows an optical fiber sensor system based on an optical characteristic measuring apparatus using an optical fiber coupler according to the prior art.
  • an optical fiber coupler whose transmission spectrum has a constant slope may be used as an integration element.
  • the optical characteristic analysis system using the optical fiber coupler has the effect of improving the sensitivity by crossing the coupling end signal and the transmission end signal.
  • the optical characteristic with the linear light absorption slope is secured and the optical characteristic is accurately reproduced. It is very difficult to manufacture optocouplers.
  • the optical characteristics of the optical fiber coupler has a problem that is easily affected by the external environment such as the polarization characteristics of the light and temperature, vibration, etc., so that a complicated device structure and additional process technology are required to solve this problem.
  • FIG. 3 illustrates an optical sensor system based on an optical characteristic measuring apparatus using a long period fiber grating according to the prior art.
  • an optical characteristic analyzer applying a transmission spectrum characteristic of a long period optical fiber grating having a slope has been proposed.
  • optical fiber which has the effect of solving the problem due to the optical alignment, but it is difficult to make reproducible optical fiber gratings having the same characteristics, and also the long-term optical fiber gratings for the integration should be stable to the surrounding environment
  • the optical characteristic of the optical fiber is very sensitive to vibration and temperature, and has various disadvantages such as polarization-dependent characteristics, making it difficult for commercialization.
  • the present invention is proposed to solve the above-mentioned problems, the light which can improve the performance and efficiency of the measuring unit of the sensor system using an optical fiber without linearity of light absorption, reproducibility, stability and polarization dependence having the same absorption characteristics
  • An object of the present invention is to provide a characteristic measuring apparatus and an optical fiber sensor system using the same.
  • An optical characteristic measuring apparatus is an optical characteristic measuring apparatus constituting a measuring unit for measuring and analyzing the optical signal generated by the sensor of the optical fiber sensor system, the optical signal transmitted from the sensor to two optical paths A first optocoupler for dispensing into; An interrogation fiber provided in one optical path through which the signal light moves; And a sensing unit configured to detect the light intensity of the signal light passing through the integration optical fiber and the light intensity of the reference light transferred to the other optical path by the first optical coupler.
  • the light absorption characteristic is linear in the wavelength region, and the physical quantity applied to the sensing unit is derived by comparing the light intensity of the signal light and the reference light detected through the sensing unit.
  • An optical fiber sensor system for emitting an input light of a predetermined wavelength; A sensing unit generating the signal light by receiving the input light by a sensor whose optical characteristic is changed by an applied physical quantity; A measuring unit for deriving a physical quantity applied to the sensing unit through the signal light transmitted from the sensing unit; And a second optocoupler configured to transmit the input light from the light source unit to the sensing unit and to distribute the signal light generated by the sensing unit to the measuring unit, wherein the measuring unit divides the signal light into two optical paths.
  • a coupler, an interrogation fiber provided in one optical path through which the signal light moves, and an optical intensity of the signal light passing through the interrogation optical fiber and the first optical coupler are transmitted to the other optical path by the first optical coupler.
  • the interfacial optical fiber is an optical fiber having a linear light absorption ratio in a predetermined wavelength range, and a material having a predetermined light absorption characteristic is added during the optical fiber production process, and the light intensity of the interference optical fiber is It is characterized in that the light absorption intensity and the slope can be changed by adjusting the amount of the material having a linear light absorption characteristic in a predetermined wavelength section or by adjusting the length of the integration optical fiber.
  • An optical characteristic measuring method the step of emitting an input light having a predetermined wavelength from the light source to the sensing unit; Receiving the input light by the sensing unit to generate signal light, and changing a central wavelength of the signal light by a physical quantity applied from the outside; Changing the light intensity according to the light absorption rate of the integration optical fiber while the signal light passes through the integration optical fiber provided in the measurement unit; And deriving a wavelength of the signal light according to the light intensity.
  • the interference optical fiber is an optical fiber having a linear light absorption ratio in a predetermined wavelength range, and a material having a predetermined light absorption characteristic is doped in a fiber production process, and the sensing unit derives the wavelength of the signal light. Deriving a physical quantity applied to may be further included.
  • the measurement unit used in the optical fiber sensor system is composed of only the optical fiber, no optical alignment is required, so that the reliability of the measurement data can be improved.
  • the embodiment it is possible to easily construct the sensor system and significantly reduce the manufacturing cost as a structure only by connecting the integration optical fiber inside the measurement unit for analyzing the optical characteristics for the optical device.
  • the measured value is not significantly affected even in the external environment conditions in which vibration, pressure, temperature, etc., which affect the measurement system change frequently, has an advantage of excellent stability of the system.
  • FIG. 1 is a view showing an optical fiber sensor system based on an optical characteristic measuring apparatus using a bulk optic filter element according to the prior art
  • FIG. 2 is a view showing an optical fiber sensor system based on an optical property measuring apparatus using an optical fiber coupler according to the prior art.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an optical fiber sensor system based on an optical characteristic measuring apparatus using a long period fiber grating according to the related art.
  • Figure 4a is a view showing an optical characteristic measurement device for a fiber optic sensor according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4b is a view showing an optical fiber sensor system having an optical characteristic measuring apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a view showing light absorption characteristics of an interference optical fiber to which tolium (Tm 3+ ) is added according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view illustrating light absorption characteristics of an inertia-doped optical fiber with erbium (Er 3+ ) according to an embodiment of the present invention.
  • V vanadium
  • FIG. 8A is a view showing light absorption characteristics of an integrating optical fiber with Au nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a view illustrating linear light absorption characteristics around 570 to 595 nm in an interference optical fiber to which Au nanoparticles are added according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the light absorption characteristics of the interference optical fiber with PbS nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating a change in light intensity according to a wavelength of signal light passing through an integration optical fiber in region A of FIG.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an optical fiber sensor system using an FBG using a sensing unit and an torsion-added interference optical fiber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12A is a graph showing the light intensity distribution according to the spectrum and wavelength of the reference light applied to the point B in FIG. 11, and (b) is attenuated by the interference optical fiber applied to the point C in FIG. Graph showing light intensity distribution according to spectrum and wavelength of signal light
  • FIG. 13 is a schematic view showing an optical fiber sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic view showing an optical fiber sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • 16 is a schematic view showing an optical fiber sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • 17 is a flowchart illustrating a method of measuring a physical quantity using an optical fiber sensor system to which an integration optical fiber technology is applied according to an embodiment of the present invention.
  • 18A is a view showing an optical characteristic measuring apparatus for an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.
  • 18B is a view showing an optical fiber sensor system having an optical characteristic measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a view illustrating comparison of light absorption characteristics of an integrating optical fiber in which erbium (Er 3+ ) and terbium (Tb 3+ ) are added according to an embodiment of the present invention.
  • 20 is a schematic view showing an optical fiber sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • 21 is a schematic view showing an optical fiber sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • 22 is a schematic view showing an optical fiber sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 4a is a view showing an optical characteristic measurement device for an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the optical characteristic measuring apparatus 30 is a configuration showing a measuring unit for deriving a physical quantity that is changed in the sensing unit while being provided in the optical fiber sensor system.
  • the optical characteristic measuring apparatus 30 may include a first optical coupler 31, an interlocking optical fiber 32, detectors 33 and 34, and an analyzer 35.
  • the first optical coupler 31 distributes the transmitted optical signal at a predetermined ratio and transmits the optical signal to a pair of optical output lines connected to the first optical coupler 31.
  • One of the optical output lines is provided with a first sensing unit 33 for receiving a portion of the signal light transmitted from the sensing unit as a reference light without light attenuation by the interference optical fiber and detecting the light intensity thereof.
  • the output line is provided with an interrogation fiber 32 having a length L on the movement path of the signal light transmitted from the sensing unit.
  • the optical signal distributed through the first optical coupler 31 proceeds through the interrogation fiber 32, and the second detection for detecting the light intensity of the signal light generated by the different light attenuation depending on the wavelength A part 34 may be provided.
  • the analyzer 35 may be provided to calculate a physical quantity through light intensity analysis of light detected by the first and second detectors. Specific operations will be described together with other components included in the optical fiber sensor system.
  • 4B is a diagram illustrating an optical fiber sensor system according to an embodiment.
  • the optical fiber sensor system 100 may include a light source unit 10, a sensing unit 20, and a measurement unit 30.
  • the light source unit 10 is a light source output at a predetermined wavelength as a laser diode (LD), a super luminescent diode (SLD), a light emitting diode (LED), a semiconductor optical amplifier (SOA) based light source, a tunable laser the source, Sweeping source, Broad band source , White light source, and Solid state laser, Gas laser, Dye laser , etc., may be used.
  • a bandpass filter may be used in the light source unit in order to reduce the light source spectrum to a light band of a predetermined band as needed.
  • the sensing unit 20 includes an optical element (sensor) for converting the input light output from the light source unit 10 into an optical signal (signal light).
  • the sensing unit 20 changes the wavelength of the signal light due to an environmental change applied from the outside, that is, a change in physical quantity.
  • the sensing unit 20 may be an optical fiber device based on Fiber Bragg grating (FBG).
  • FBG Fiber Bragg grating
  • the optical fiber sensor using the FBG in the sensing unit is manufactured by engraving Bragg grating on the optical fiber at regular intervals, and is reflected from the grating according to changes in external environment (physical quantity applied from the outside) such as temperature, tension, pressure, and bending. It is a sensor using the characteristic that the wavelength of light varies.
  • the refractive index and the length of the grating portion change, so that the center wavelength (resonant wavelength) of the reflected light is shifted. Therefore, by measuring the wavelength of the light reflected from the FBG it is possible to detect and analyze the change in the physical quantity.
  • the sensing unit 20 may include a long period fiber gating (LPFG), a Fabry-Perot filter, a Brillouin scattering, a Stimulated Brilliouin scattering (SBS), a Raman scattering, Mie scattering, Coherent anti-stokes Raman scattering (CARS), and Optical parametric generation, Sum frequency generation (SFG: second harmonic generation, SHG, third harmonic generation (THG), Difference frequency generation (DFG), Four wave mixing It may be an optical device using a (FWM) process. That is, all of them generate a band-shaped signal light, and the resonant wavelength of the band is shifted according to changes in temperature, strain, refractive index, etc.
  • LPFG long period fiber gating
  • SBS Stimulated Brilliouin scattering
  • Raman scattering Mie scattering
  • CARS Coherent anti-stokes Raman scattering
  • Optical parametric generation Sum frequency generation (SFG: second harmonic generation, SHG
  • the optical device used in the sensing unit 20 to generate signal light may be configured as an optical fiber device, and may have a form other than the optical fiber.
  • the input unit and the output unit of the optical element used in the sensing unit 20 to facilitate the optical connection is preferably composed of an optical fiber.
  • LD low-density diode
  • SLD single-diode
  • LED Broad band source or Tunable laser source
  • Sweeping source etc.
  • a laser light source such as a solid state laser, a gas laser, a dye laser, a tunable laser source oscillated at a single wavelength for the light source unit 10 It is preferable.
  • Optical isolator between the light source unit 10 and the sensing unit 20 to advance the direction of light in only one direction, and to block the light reflected in the reverse direction to protect the light source unit 10 and reduce the optical signal distortion (optical isolator) isolator 12) can be arranged.
  • a second optical coupler 13 may be provided to distribute or combine the light emitted from the light source unit 10.
  • the second optocoupler is an optical fiber coupler.
  • a circulator, a beam splitter, a planar light circuit (PLC) type optical coupler, a plate type optical splitter, etc. may be used as the second optical coupler.
  • the input and output terminals of the second optical coupler may be made of an optical fiber.
  • the present invention has a characteristic of the measuring unit 30 for measuring and analyzing the optical signal generated and transmitted by the sensing unit 20 will be described in the configuration of the measuring unit 30.
  • a first optical coupler 31 connected to the second optical coupler 13 provided between the optical isolator 12 and the sensing unit 20 is provided, and the first optical coupler 31 has a pair of light. Output lines (optical paths) are connected.
  • the first optical coupler is preferably an optical fiber coupler, and a beam splitter, a beam combiner, a flat optical device, a flat optical device, and the like may be used.
  • the first optical coupler is preferably composed of an optical fiber and the input and output terminals of the first optical coupler to facilitate the optical connection.
  • One of the optical output lines is provided with a first sensing unit 33 for receiving a portion of the signal light transmitted from the sensing unit 20 as a reference light without light attenuation by the interference optical fiber and detecting the light intensity thereof.
  • an interrogation fiber 32 having a length L is provided on a movement path of the signal light transmitted from the sensing unit 20.
  • the second sensing unit 34 may be provided to detect the light intensity of the signal light that has undergone different light attenuation depending on the wavelength by proceeding through the interrogation fiber 32.
  • the analyzer 35 may be provided to calculate a physical quantity through light intensity analysis of light detected by the first and second detectors.
  • a feature of the present invention is that the interfacial optical fiber 32 used in the measurement unit 30 in detail, a convenient method such as fusion splicing, butt coupling of the interfacial optical fiber (32). As a structure only needs to be connected to another optical fiber path of the measuring unit 30, optical alignment is not required, and thus the system can be stably driven regardless of vibration generated from the outside.
  • the integration optical fiber 32 has a linear light absorption characteristic and can be easily controlled to have the characteristics required by the system such as light absorption wavelength, tilt, and intensity by adjusting the type and concentration of the added material.
  • the interfacial optical fiber 32 according to the present invention utilizes the light absorption characteristics of the added material, there is no polarization dependency, and unlike other interrogation technologies, the measured value is stable even in a constantly changing environmental condition such as temperature or pressure. Is secured. In addition, there is a great advantage in that the light absorption intensity and inclination can be easily changed by adjusting the length L of the integration optical fiber 32 used in the measurement unit 30.
  • the input light emitted from the light source unit 10 is transmitted to the sensing unit 20 through the optical isolator 12 and the second optical coupler 13, and the signal light is made by the optical element mounted in the sensing unit.
  • the sensing unit optical element is affected by a change in the external environment, and thus the signal light changes in wavelength and proceeds to the second optical coupler 13.
  • the first optocoupler 31 connected to the second optocoupler 13 distributes the signal light transmitted from the sensing unit 10 in both directions through a pair of optical output lines. That is, a part of the signal light is distributed to the first sensing unit 33 to be a reference light for setting the reference point of the initial light intensity. Then, the remaining part of the signal light is subjected to additional light loss by the interlocking optical fiber 32, and as a result is a signal light having attenuated light intensity that varies depending on the position of the resonant wavelength, so that the second detection unit 34 Is measured.
  • the reason why the reference light is used for the measurement is that the initial spectrum of the light source unit 10 may have a different output according to the wavelength, and the optical signal distortion generated by changing the intensity of the input light output from the light source unit and transmitted according to the lifetime or external influence. To remove an element. Therefore, in order to secure the accuracy and stability of the optical fiber sensor system, it can be said that it is very important to measure the light intensity of the reference light using the first sensing unit 33.
  • Various configurations may be used to measure the light intensity of the reference light, which is a standard of the optical analysis, and the detailed configuration will be described in detail with other embodiments.
  • a fixed or variable light attenuator may be provided on the optical path through which the signal light or the reference light passes.
  • the optical attenuator may be provided between the 34 and the like.
  • the optical attenuator is required, for example, the light intensity of the reference light and the signal light needs to be reduced beyond the measurement range of the sensing unit.
  • the optical attenuator is required, for example, the light output intensity of the reference light and the signal light should be similarly adjusted within a predetermined range.
  • the optical attenuator may be an optical attenuator composed of an optical fiber to which a light absorbing material is added.
  • the first and second detectors 33 and 34 measure two light intensities detected from the reference light and the signal light, and transmit the two light intensities to the analyzer 35 connected to the detector, and the analyzer 35 transmits the light.
  • the position of the resonant wavelength of the signal light may be derived and analyzed, and finally, the physical quantity applied to the sensing unit may be measured.
  • a more detailed process of deriving the resonant wavelength and deriving a physical quantity therefrom from the analysis unit 35 will be described in more detail together with other embodiments. The method of composition is demonstrated.
  • the basic composition of the integration optical fiber 32 may be a material composed of glass.
  • the glass composition of the interfacial optical fiber may be oxide, chalcogenide, or fluoride glass, which are easily prepared by adding the material having the linear light absorption. It is preferable that the composition of the oxide glass optical fiber for integration is a silicate glass or a silica glass.
  • the composition of the oxide glass optical fiber for integration is more preferably silica glass in order to facilitate the optical connection by fusion splicing with general silica glass optical fiber which is widely used in the optical fiber sensor system.
  • the basic composition of the integration optical fiber may be a polymer material.
  • the polymer material composition of the interfacial optical fiber is polymethyl methacrylate (PMMA), polypropylene, polyethylene, polystyrene, Teflon, which is easy to manufacture optical fibers. It is preferable that it is an acrylic (polyacrylates) resin.
  • the integration optical fiber based on the glass is preferably an optical fiber having a diameter of 700 ⁇ m or less for miniaturization of the system.
  • the interfacial optical fiber based on the glass is more preferably about 125 ⁇ 5 ⁇ m in diameter in order to facilitate optical connection with glass optical fibers widely used in optical fiber sensor systems.
  • the integration optical fiber based on the polymer material is preferably an optical fiber having a diameter of 2 mm or less for miniaturization of the system.
  • the interfacial optical fiber based on the polymer material is more preferably in the range of 200 to 1200 ⁇ m in diameter in order to facilitate optical connection with general polymer optical fibers widely used in optical fiber sensor systems.
  • the material inducing the specific light absorption characteristic is characterized in that it has a light absorption characteristic that monotonously changes in a certain wavelength region. More preferably, the material inducing the specific light absorption characteristics is characterized in that it has a light absorption characteristic that changes linearly in a certain wavelength region. Therefore, the material added to the optical fiber in order to have the linear light absorption characteristic is characterized in that it is selected from rare earth elements, transition metal elements and nanoparticles.
  • the rare earth element is Tm, Er, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb. It is selected from the group consisting of Lu. More preferably, Tm, Er, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, and Yb have better linear light absorption characteristics in the wavelength range 200-2000 nm in which various optical devices are developed. Is selected from the group.
  • the metal element is Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Cd, In, Sn , Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Tl, Pb, Bi. More preferably, a group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, Tl, Pb, and Bi having better linear light absorption characteristics in the range of 200 to 2000 nm, in which various optical devices are developed. Is selected.
  • the rare earth elements and metal elements that induce specific absorption characteristics are preferably added in an ionic state such as +1, +2, +3, etc., but may be added in the form of a neutral atom or a diatomic substance. .
  • the nanoparticles are Ag, Au, Cu, Si, Ge, Bi, Pb, Ti, Sn, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, SnS, SnSe, SnTe, CuCl , CuCl2.
  • the movement of the center wavelength generally generated by the change of the external environment such as strain, temperature, and pressure is only a few nm.
  • FBG optical fiber Bragg grating
  • the interference optical fiber to which the rare earth element, the transition metal element, and the nanoparticles are added a wavelength section having linear light absorption characteristics can be secured in a range of several nm to several tens of nm or more, and thus the linear light absorption characteristic is Sufficient for use in fiber optic sensor systems.
  • the material added to the interfacial optical fiber has light absorption characteristics having different wavelength ranges, slopes, and intensities depending on the type, amount, and valence. Therefore, the selection criteria for the type, amount, and valence of the additive material are determined by the specifications of the required optical properties such as the wavelength range, absorption slope, and intensity required for the optical property analysis to be used.
  • the slope according to the light absorption coefficient by changing the length of the integration optical fiber, or adjusting the type, composition, and concentration (amount) of the added material.
  • the light output range of the light source unit 10 used in the optical fiber sensor system the detection output range of the detection units 33 and 34, and other optical components 12, 13, 20, 31 used in the sensor system are also various. It is necessary to properly control the light absorption intensity of the optical device for the integration used in the measurement unit in accordance with the loss range, in the case of the interference optical fiber according to the present invention after the end of the fabrication It is possible to easily change the overall light absorption slope, intensity, and distribution characteristics of the signal light passing through the interconnected optical fiber doped with different materials to adjust or induce light absorption characteristics in series.
  • Raw materials for rare earth elements, transition metal elements, and nanoparticles can be expensive.
  • the material for inducing light absorption is added to the fine optical fiber having a diameter of about several hundred ⁇ m, the consumption of the raw material is small and the cost for manufacturing can be considerably reduced.
  • the interference optical fiber according to the present invention since an optical fiber of hundreds of m to several tens of km or more can be obtained from one glass base material for the optical fiber by the optical fiber manufacturing process, the optical properties are almost the same, and as a result, the reproducibility is used. This very excellent integration device can be manufactured.
  • Table 1 shows the main wavelength range showing the linear light absorption characteristics according to the type of the main additives added to the interference optical fiber according to the present invention.
  • the optical fiber to which rare earth element or transition metal element is added there is an absorption band showing linear light absorption characteristics in a specific wavelength section depending on the type, and these characteristics are selected and used to meet the specifications required by the optical characteristic measurement system. .
  • the linear light absorption characteristics occurring in the wavelength range can be used.
  • wavelength range of 1550 to 1567 nm which exhibits very linear light absorption characteristics and is a wavelength range in which various optical devices for light sources and sensing units, such as an optical fiber Bragg grating, have been developed.
  • Yb 3+ added optical fiber it is preferable to use all or some wavelength ranges showing linear light absorption characteristics at 864 ⁇ 908 nm, 910-950 nm, and 955-990 nm.
  • the optical fiber added with Tb 3+ it is preferable to use all or some wavelength ranges showing linear light absorption characteristics at a very wide range of 500 to 700 nm and 1500 to 1800 nm. In particular, it is more preferable to use the 1600 ⁇ 1800nm section for the integration which is very wide and exhibits excellent linearity.
  • the optical fiber added with Ho 3+ it is preferable to use all or some wavelength sections showing linear light absorption characteristics at 440 to 450 nm and 450 to 460 nm.
  • the optical fiber added with Dy 3+ it is preferable to use all or some wavelength sections showing linear light absorption characteristics at 1120 to 1200 nm, 1240 to 1300 nm, 1500 to 1630 nm, and 1680 to 1740 nm.
  • the integration uses 1500-1630 nm and 1680-1740 nm which show very wide and excellent optical properties.
  • Pr 3+ added optical fiber it is preferable to use all or some wavelength ranges showing linear light absorption characteristics at 585 to 650 nm, 1345 to 1425 nm, and 1500 to 1560 nm. It is more preferable to use 1345 to 1425 nm, which is very wide and have excellent linearity, and 1500 to 1560 nm, which is a wavelength section in which various light sources and sensors are developed.
  • Nd 3+ -doped optical fiber it is preferable to use all or some wavelength ranges showing linear light absorption characteristics at 800-840nm and 900-940nm.
  • Sm 3+ added optical fiber it is preferable to use all or some wavelength ranges showing excellent linear light absorption characteristics at 1040 ⁇ 1070nm, 1400 ⁇ 1440nm, and 1470 ⁇ 1520nm.
  • the rare earth element added to the integration optical fiber exhibits excellent linear light absorption characteristics in the wavelength range of several nm to several tens of nm, and thus can be used in an interrogation device requiring precision.
  • the light absorption band near 770-830nm according to 3H 4 and the light absorption band near 1180-1230nm according to 3H 5 and the optical fiber with Er 3+ added in Tm 3+ or Tm 2+ The light absorption band near 1500-1545 nm according to 4I 13/2 and the light absorption band near 955-990 nm according to 2F 5/2 seen in optical fibers with Yb 3+ added are very steep. It shows the slope and can be used for interrogation devices that require very high sensitivity.
  • linear light absorption characteristics suitable for intergration are particularly shown at a wide range of 510 to 610 nm, 910 to 1030 nm, and 1100 to 1290 nm.
  • the Cr-doped optical fiber it is preferable to use all or part of the wavelength range showing linear light absorption characteristics at 600 to 750 nm.
  • the optical fiber containing Cr 3+ linear optical absorption characteristics are exhibited at 570 to 630 nm and 690 to 800 nm, unlike the optical fiber containing Cr. Among them, it is preferable to use all or part of the wavelength range.
  • Mn-added optical fiber it is preferable to use all or part of wavelength ranges that exhibit linear light absorption characteristics at 330 to 390 nm and 500 to 700 nm.
  • Fe-doped optical fiber it is preferable to use all or part of wavelength ranges that exhibit linear light absorption characteristics at 500 to 720 nm and 1670 to 2000 nm.
  • Fe 2+ added optical fiber it is preferable to use all or some wavelength ranges showing linear light absorption characteristics in a very wide range of 650 to 1000 nm and 1300 to 2000 nm, unlike Fe-added optical fiber.
  • Co-doped optical fiber it is preferable to use all or some wavelength ranges showing linear light absorption characteristics at 320 to 400 nm, 400 to 500 nm, 700 to 770 nm and 1000 to 1200 nm.
  • Ni-doped optical fiber it is preferable to use all or part of the wavelength range showing linear light absorption characteristics in the wavelength range of 1100 to 1600 nm which is very broadband.
  • the optical fiber added with Ni 2+ it is preferable to use all or some wavelength ranges showing linear light absorption characteristics at 420 to 520 nm and 650 to 750 nm.
  • the wavelength range showing linear light absorption characteristics at 250 to 320 nm In the case of the Cu-doped optical fiber, it is preferable to use all or part of the wavelength range showing linear light absorption characteristics at 250 to 320 nm. In the case of the optical fiber added with Cu 2+ , it is preferable to use all or part of wavelength ranges that exhibit linear light absorption characteristics at 500 to 720 nm. In addition, in the case of the optical fiber added with Bi, Pb, W or Tl as transition metal elements, various light absorption bands that can be used for integrating are observed in a very wide 400 to 1200 nm range. The visible wavelength range can be used for integration.
  • the transition metal element added to the integration optical fiber has the advantage of having a linear light absorption characteristic in a very wide wavelength range from several tens of nm to several hundred nm, and can be used in an integration device that requires a wide wavelength range.
  • an optical absorption band is generated by the surface plasmon effect or the quantum confinement effect, and there exists a wavelength section having linear light absorption characteristics in the optical absorption band and the surroundings. Used in sensor measurement systems.
  • the optical fiber to which Au or Cu nanoparticles are added it is preferable to use all or some of the sections showing linear light absorption characteristics included in the wavelength range of 320 to 650 nm.
  • the optical fiber to which the Ag nanoparticles are added it is preferable to use all or some of the sections showing linear light absorption characteristics included in the wavelength range of 300 to 550 nm.
  • Fibers containing Si, Ge, Ti, or Sn nanoparticles show very linear light absorption characteristics over a broad wavelength range from 500 nm to 1200 nm. Can be used as
  • the optical fiber to which the CdS, CdSe or CdTe nanoparticles are added there is a light absorption band in the visible light region of 410 ⁇ 880 nm, and it is preferable to use all or some sections included in the wavelength range.
  • PbS, PbSe or PbTe nanoparticles added to the optical fiber it is preferable to use all or part of the range included in a very wide wavelength range of 440 ⁇ 3100nm.
  • the optical fiber to which the ZnS, ZnSe or ZnTe nanoparticles are added it is preferable to use all or some of the sections included in the wavelength range of 300 to 540 nm.
  • the position of the wavelength section having linear light absorption characteristics can be adjusted by controlling the refractive index of the optical fiber and the size and distribution of the added nanoparticles.
  • Table 1 shows the kind and configuration of the main additives that can be added to the interlocking optical fiber according to the present invention, and the wavelength range for the main interlocking accordingly.
  • Table 1 shows a preferred section that can be applied to the integration, it is not limited to this can be used in the ultraviolet, visible and infrared wavelength range.
  • the wavelength range that can be used for integration may vary by a predetermined range.
  • Interfacing optical fibers based on glass include MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), VAD (Vapor Axial Deposition), OVD (Outside Vapor Deposition), PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition), FCVD (Furnace Chemical Vapor Deposition) It can be prepared using a chemical vapor deposition process.
  • the integration optical fiber may be manufactured using a manufacturing method such as a Solgel method, a double crucible method, a melting method, or the like.
  • a solution doping method, an aerosol method, and a heated method such as a heated frit, a heated source, a heated source injector, a chelate delivery, and the like during the optical fiber manufacturing process Can be used.
  • Integral optical fibers based on chalcogenide or fluoride glass can be fabricated using the double crucible method, the glass melting method, or the chemical vapor deposition process. have.
  • Modified Chemical Vapor Deposition Process MCVD
  • VAD Vapor Axial Deposition
  • OLED Outside Vapor Deposition
  • PCVD Plasma Chemical Vapor Deposition
  • FCVD Fannace Chemical Vapor Deposition
  • Integer optical fibers based on a polymer may be manufactured using a polymerization method, an extrusion method, a chemical vapor deposition process, or the like.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating light absorption characteristics of an interference optical fiber to which thorium (Thulium, Tm 3+ ) is added according to an embodiment.
  • the integrating optical fiber used in the embodiment was manufactured by adding a material that induces specific light absorption characteristics together with the source gas during the optical fiber production process using a modified chemical vapor deposition (MCVD) process.
  • MCVD modified chemical vapor deposition
  • a method of fabricating an optical fiber using an MCVD process is performed by depositing a sintered cladding layer in a silica tube using source gases such as SiCl 4 , GeCl 4 , POCl 3 , CF 4 , and then partially sintered to obtain fine A core layer in the form of a soot with voids is deposited.
  • source gases such as SiCl 4 , GeCl 4 , POCl 3 , CF 4
  • a solution inducing a specific light absorption characteristic is dissolved in ethanol or water using a solution doping method to make a solution, and the core layer is submerged for a predetermined time and then removed again. Even after the solution is removed, a certain amount of solution remains between the micropores of the core layer, and the material remaining in the residual solution is added to the core.
  • drying, sintering, and collapsing are used to make an optical fiber base material, which is then subjected to an optical fiber drawing process to produce an optical fiber.
  • 0.05M TmCl 3 and 0.3M AlCl 3 of a hydrous type were dissolved in water to prepare an optical fiber in which thorium was added to the core by a solution addition method.
  • An optical fiber to which rare earth elements are added, such as tolium, can precisely adjust the amount of ions, and thus it is possible to easily control the optical characteristics to be measured by the measurement unit, and to manufacture an interconnection optical fiber having the same characteristics. It is a method that is excellent in reproducibility in process.
  • Figure 6 is a view showing the light absorption characteristics according to the wavelength of the interference fiber to which erbium ((Erbium, Er 3+ ) is added according to another embodiment.
  • the interfacial optical fiber used in the embodiment is an MCVD process In the optical fiber material manufacturing process using the material was added to the material that induces the light absorption characteristics Looking at the graph, there is a section having a linear light absorption characteristics according to the wavelength in the range of approximately 955-972 nm, 990-1008nm In particular, in the range of 1453-1482nm and 1550-1567nm it can be seen that there is a section having a very linear light absorption characteristics according to the wavelength, these characteristics can be used in the fabrication of the interlocking optical fiber for the optical fiber sensor system.
  • FIG. 7 is a view illustrating light absorption characteristics according to wavelengths of an integrating optical fiber material to which vanadium (V) is added according to another embodiment.
  • the interfacial optical fiber material used in the examples was prepared by adding a material that induces the light absorption characteristics during the optical fiber material manufacturing process using the glass melting method and the molding method.
  • Oxide glasses containing SiO 2 , P 2 O 5 , and V 2 O 5 as the main components were prepared at a melting temperature of 1000 to 1500 ° C. using glass melting. After melting, the molten glass was poured into rod and tube molds designed for this purpose and heat-treated for a certain period of time to separate the molds. After the drawing process, it is manufactured into optical fiber with 120 ⁇ 130 ⁇ m diameter.
  • the glass composition and the fiber drawing temperature are appropriately adjusted. Looking at the graph, there is a section having a linear light absorption characteristic according to the wavelength in the range of approximately 535-590 nm, especially a section having a very linear light absorption characteristic according to the wavelength in the range of 910 ⁇ 1030 and 1100 ⁇ 1290 nm It can be seen that these characteristics can be used for fabrication of interlocked fiber for fiber optic sensor systems.
  • FIG. 8A is a view illustrating light absorption characteristics according to wavelengths of an interfacial optical fiber material to which Au nanoparticles are added
  • FIG. 8B is very linear in the interfacial optical fiber to which Au nanoparticles are added. This is an enlarged view of the light absorption spectrum around 570 to 595 nm showing typical characteristics.
  • the interfacial optical fiber material used in the examples was prepared by adding a material that induces the light absorption characteristics during the optical fiber material manufacturing process using the Sol-gel method.
  • HAuCl 4 -4H 2 O as a raw material for C 2 H 5 OH and Au nanoparticles together with Si (OC 2 H 5 ) 4 or Si (OCH 3 ) 4 as raw materials for silica, which is a known composition of glass, Used.
  • a glass base material for an optical fiber was manufactured by using a catalyst that induces vitrification together with the raw material and undergoing a vitrification process including a hydrolysis and polymerization process.
  • the vitrification process takes place in a mold made of a plastic material such as Teflon to be suitable for the production of glass base material for optical fibers in the form of rods and tubes.
  • the extraction temperature and the extraction speed are appropriately adjusted so that the nanoparticles are formed during the optical fiber extraction process, or the optical fiber is heat-treated after the optical fiber extraction.
  • FIG. 9 is a view showing light absorption characteristics according to a wavelength of an interfacial optical fiber material to which PbS nanoparticles are added according to another embodiment.
  • the interfacial optical fiber material used in the examples was prepared by adding a material that induces the light absorption characteristics during the optical fiber material manufacturing process using the glass melting method and the molding method.
  • the interfacial optical fiber to which the PbS nanoparticles are added can be produced by using a vapor deposition process and a sol-gel method.
  • the intensity I 0 of the signal light before passing through the integration optical fiber corresponds to the light intensity of the reference light and is measured by the first sensing unit 33, and the light intensity of the signal light after passing through the integration optical fiber ( I) is measured at the second sensing unit 34.
  • FIG. 10 is a view showing a light intensity change of a signal light passing through an interference optical fiber containing about 10 cm in length of tolium (Tm 3+ ) in region A of FIG. That is, as shown in FIG. 5, since the torsion-added interlocking optical fiber has a specific light absorption rate linearly dependent on different wavelengths in the corresponding section, the light intensity of the signal light passing through the same changes linearly.
  • the linear absorption range of the wavelength of the interference optical fiber can be secured in a range of 25 nm to 50 nm or more, and the embodiment can detect a change in wavelength of the moving signal light with respect to the interval. Shows that there is.
  • a method of detecting a wavelength that is changed through an interference fiber and a physical quantity applied from the outside will be described in more detail.
  • Equation 1 an analysis function representing the light intensity ratio R according to the wavelength ⁇ is expressed by Equation 1 below.
  • the wavelength? Of the signal light can be detected by (Formula 1).
  • the relation between the light intensity ratio R and the wavelength lambda can be generalized as follows.
  • a and b are coefficients that are determined by light absorption characteristics according to the wavelength of the interference fiber.
  • the relation between the wavelength ⁇ and the physical quantity M may be given as follows. Can be.
  • c and d are characteristic coefficients determined by sensitivity characteristics of the sensing element to which a physical quantity is applied as a coefficient.
  • Equation 2 the case in which the interference optical fiber and the sensing element have a linear first-order characteristic for the change of the wavelength and the physical quantity of the signal light, respectively, was described.
  • the process of deriving the physical quantity is the same even in the case of other monotonic change functions such as quadratic function. That is, although some forms of Equation (2) and Equation (3) may be changed, the wavelength ⁇ of the signal light is detected from the intensity of the signal light, that is, the light intensity ratio R, and the physical quantity M is detected therefrom.
  • the basic concept does not change.
  • the other monotonic change function refers to a function that exhibits a characteristic of a monotonic function such that an exponential function, a logarithmic function, and a polynomial function continuously increases or decreases in some or all intervals, particularly in some intervals. It has the characteristics of a linear function form.
  • the light absorption characteristics of the interference fiber be monotonically changed. More preferably, the light absorption characteristic of the intergrated optical fiber is linear with wavelength, making signal analysis accurate and easy.
  • the light absorption characteristic of the intergrated optical fiber is linear with wavelength, making signal analysis accurate and easy.
  • the wavelength range to be analyzed can be divided into several parts and analyzed using an analysis function having a monotonic variation function.
  • FIGS. 18A and 18B are views illustrating an optical property measuring apparatus for an optical fiber sensor and an optical fiber sensor system using the same according to another embodiment of the present invention, respectively.
  • the other part is the same, the length of which is L1 on the movement path of the signal light distributed by the first optocoupler 31 and transmitted to the second sensing unit 34;
  • the second integration of the first optical fiber 32-1 is provided, the length of L2 on the movement path of the reference light distributed by the first optical coupler 31 and transmitted to the first sensing unit 33.
  • the feature is that the optical fiber 32-2 is provided.
  • the first and second integration optical fibers (32-1, 32-2) is characterized in that the optical absorption inclination is composed of the opposite optical fiber, cross the light absorption inclination to be opposite to each other to measure the physical quantity Sensitivity can be improved.
  • the optical absorption inclination is composed of the opposite optical fiber, cross the light absorption inclination to be opposite to each other to measure the physical quantity Sensitivity can be improved.
  • FIG. 19 illustrates a comparison of light absorption characteristics of an integrating optical fiber in which erbium (Er 3+ ) and terbium (Tb 3+ ) are added to cross the light absorption slopes to increase the measurement sensitivity.
  • Er 3+ has a negative light absorption slope while Tb 3+ has a positive light absorption slope. Therefore, for example, in the structure as shown in FIGS. 4A and 4B, rather than using only an interference optical fiber to which Er 3+ is added on the movement path of the signal light transmitted to the second sensing unit 34, FIGS. 18A and 18B.
  • Optical characteristics by connecting an optical fiber with Tb 3+ and Er 3+ added on the movement paths of the reference light and the signal light transmitted to the first sensing unit 33 and the second sensing unit 34 in a structure such as Configuring the measuring device and the fiber optic sensor system can increase the measurement sensitivity due to the cross-crossing characteristic of the slope.
  • a person with ordinary knowledge that the same improvement can be achieved by changing the order of the interconnected optical fibers and connecting the interconnected optical fibers with Er 3+ and Tb 3+ added to the reference and signal optical paths, respectively. If you can easily understand.
  • Table 2 shows the types and composition of the main additives that can be added to the intergrated optical fiber in order to improve the measurement sensitivity of the physical quantity by intersecting the light absorption slopes to be opposite to each other according to the embodiment of the present invention, and the main factors according to the It shows the wavelength range for terrorism.
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating an optical fiber sensor system using a fiber Bragg grating according to an embodiment and using a circulator as a second optical coupler.
  • FIG. FIG. 11 is a graph showing the light intensity distribution according to the spectrum and wavelength of the reference light applied to the point, and (b) shows the light intensity distribution according to the spectrum and wavelength of the signal light attenuated by the interference optical fiber applied to point C in FIG. 11. The graph shown.
  • FIG. 11 shows a light source having a flat output intensity in the wavelength range of 1530-1560 nm, a second optical coupler 13 having a constant insertion loss in the wavelength range, and a coupling ratio of 50:50 constant in the wavelength range.
  • One optocoupler 31 was used.
  • the input light emitted from the light source unit 10 is reflected from the optical fiber Bragg grating of the sensing unit 20 and separated into two light output lines through the optical coupler 31, and one side of the first sensing unit is provided. 33, and the other side passes through the integration optical fiber 32 to the second sensing unit 34.
  • the resonant wavelength of the optical signal reflected by the optical fiber Bragg grating is changed according to the change of the external environment, and the light of the attenuated signal light after passing through the optical fiber having the optical characteristics as shown in FIG. 10.
  • the spectrum is shown in FIG. 12 (b) together with the light intensity gradient graph measured by the second detector 34. That is, since the attenuation size of the integration optical fiber is linearly changed according to the wavelength, the light intensity measured by the second sensing unit 34 is also linearly changed.
  • the reference light traveling to the first sensing unit does not pass through the integration optical fiber 32, there is no light attenuation and a constant light intensity that does not depend on wavelength except general noise or error as shown in FIG. Is measured.
  • the wavelength of the signal light may be derived by comparing the light intensity of the reference light measured by the first detector and the light intensity of the attenuated signal light measured by the second detector. Accordingly, by measuring and comparing the intensity of the transmitted light in the first sensing unit 33 and the second sensing unit 34, it is possible to detect the changed wavelength of the signal light generated by the sensing unit, thereby finally changing The physical quantity can be derived.
  • FIG. 13 to 16 are schematic diagrams showing an optical fiber sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • the optical fiber sensor system described with reference to FIG. 13 has a structure in which the first optical coupler has no first optical coupler and the first sensing unit 33 and the interlocking optical fiber 32 are directly connected to the second optical coupler 13.
  • the remaining optical fiber sensor system structure and physical quantity measurement method are the same as in the case of FIG. That is, in FIG. 11, the optical signal generated by the sensing unit 20 is divided into two in the first optical coupler 31 and a part thereof is used as the reference light.
  • the light source unit is divided by the second optical coupler 13.
  • the first detection unit 33 measures the light intensity by directly receiving a portion of the input light transmitted from 10 as the reference light.
  • an optical attenuator 36 having no wavelength-dependent characteristic may be disposed before the first sensing unit 33.
  • the system structure is simplified and the manufacturing cost is lowered.
  • the structure of the measurement unit using the other integration optical fiber 32, and the method of measuring and analyzing the optical signal are the same as those of the embodiment with reference to FIG.
  • the input light output from the light source unit 10 is directly transmitted to the sensing unit 20 without using the second optical coupler 13.
  • the optical signal generated by the sensing unit 20 is divided into two by the first optical coupler 31, a part of which is used as a reference light so that the light intensity is measured by the first sensing unit 33 and the other part is a signal light. It is used to pass through the integration optical fiber 32 and measured by the second sensing unit 34.
  • the structure and method of the measuring unit 30 for measuring and analyzing the optical signal generated by the sensing unit 20 using the integration optical fiber 32 is the same as the embodiment described with reference to FIG. 11.
  • an optical signal traveling in a direction opposite to the traveling direction of the input light output from the light source unit 10 is formed.
  • An optical device suitable for the sensing unit is an optical fiber Bragg grating (FBG).
  • FBG optical fiber Bragg grating
  • SBS Stimulated Brilliouin scattering
  • an optical device suitable for the optical device for the sensing unit is a long period fiber gating (LPFG) , Optical device using Fabry-Perot filter, Raman scattering, Coherent anti-stokes Raman scattering (CARS), Optical parametric generation, Sum frequency generation (DFG: SHG, THG), Difference frequency generation, FWM Can be.
  • LPFG long period fiber gating
  • CARS Coherent anti-stokes Raman scattering
  • FWM Frequency division multiplexing
  • an optical isolator 12 for protecting the light source unit and a band pass filter 16 for passing only the optical signal generated by the sensing unit may be used.
  • the optical fiber sensor system has a plurality of sensing units (20-1, 20-2, 20-3, ...) operating at different wavelengths, so that WDM measurement and distributed sensing system using the same Can be used for
  • the sensor system disclosed in FIG. 15 includes a sensing unit 20-1, 20-2, 20-3,..., And a second optocoupler 13 operating at different wavelengths l1, l2, l3,... -1, 13-2, 13-3, ...) and the measuring unit 30-1, 30-2, 30-3, ... pair.
  • the input light generated by the light source unit 10 passes through the second optical coupler 13-1, 13-2, 13-3,... And the sensing unit 20-1, 20-2, 20-.
  • each sensing unit generates an optical signal affected by the external environment at different resonant wavelengths (l1, l2, l3, ).
  • each first optical coupler transmits only the optical signal generated from the corresponding sensing unit to each measuring unit 30-1, 30-2, 30-3, and detects and analyzes the optical signal. Done. Since several wavelengths are used for the measurement, it is preferable that the characteristics of the light source unit 10 used in the sensor system of FIG. 15 have an optical band having a sufficient width to cover all the wavelengths l1, l2, l3, ... .
  • the individual optical fiber sensor systems described in FIG. 11 are combined in various ways to enable multiple measurements, the structure and method of a basic measurement unit for measuring and analyzing optical signals generated by each sensing unit using an interference fiber is shown in FIG. 11. Same as the embodiment described in.
  • the optical fiber sensor system has a plurality of sensing units 20-4, 20-5, 20-6,... Which are configured with a predetermined distance (L1, L2, L3, ...) from each other. (TDM) measurement and distributed sensing systems using the same. Since the optical signal generated by each sensing unit passes the optical paths of different lengths until it reaches the measuring unit 30 and is detected, it is measured at different time intervals, and the physical quantity detected by each sensing unit is measured separately. can do.
  • TDM predetermined distance
  • the light source unit 10 of FIG. 16 is preferably a pulsed light source, and the sensing units 33 and 34 are configured to measure the same.
  • the sensing units of the individual optical fiber sensor systems described with reference to FIG. 11 are combined in various ways to enable multiple measurements, the structure and method of a basic measuring unit for measuring and analyzing optical signals generated by each sensing unit using an interlocking optical fiber are described. Same as the embodiment described in FIG. 11.
  • the optical fiber sensor system has a plurality of sensing units 20-1, 20-2, 20-3, ... operating at different wavelengths, so that WDM measurement and It can be used in the field of distributed sensing system using the same.
  • the sensor system includes sensing units 20-1, 20-2, 20-3, ... and measuring units 30-1, 30- operating at different wavelengths l1, l2, l3, ... 2, 30-3, ...) pairs.
  • the second optical coupler 13 and the wavelength division element 37 are used instead of the plurality of second optical couplers to distribute the signal light generated in the sensing unit.
  • An arrayed waveguide grating (AWG), a planar Echelle grating, a spatial heterodyne spectrometer, or the like may be used as the wavelength splitter 37.
  • the input light generated by the light source unit 10 is passed to the sensing units 20-1, 20-2, 20-3, ... through the second optical coupler 13, and in each of the sensing units Different resonant wavelengths (l1, l2, l3, ...) produce optical signals affected by the external environment.
  • the sensor system disclosed in FIG. 20 has an advantage of miniaturizing the system size compared to that disclosed in FIG. 15.
  • the structure and method of the basic measuring unit for measuring and analyzing the optical signal generated in each sensing unit using the integration optical fiber is similar to the case of FIG. 15. Same as the embodiment described with reference to.
  • the optical fiber sensor system described in FIG. 21 has one sensing unit 33 and an optical switch 38 instead of two sensing units 33 and 34 of FIG. 11.
  • the configuration is different, and the rest of the system structure and physical quantity measurement method is similar to the case of FIG.
  • Receive the input light from the light source unit 10 so that the signal light generated by the sensing unit 20 reaches the reference light and the attenuated signal light through the second optical coupler 13 and the first optical coupler 31 to point B and C, respectively. do.
  • the light intensity of the reference light and the attenuated signal light at a predetermined time period by the optical switch 38 is measured by the common sensing unit 33 and the existing light and the attenuated signal light measured at regular intervals by the analyzer 35.
  • the physical quantity is calculated by comparing the intensities.
  • the optical attenuator 36 may be disposed on the optical path from the second optical coupler to the sensing unit 33 to attenuate the intensity of the reference light or the signal light as shown in FIGS. 4B and 13.
  • FIG. 22 is a view schematically showing an optical fiber sensor system according to another embodiment of the present invention.
  • the sensing unit 20-7 for generating the signal light is not connected to the second optical coupler 13 by an optical fiber, and has a predetermined distance free of gas or liquid.
  • interval 40 is formed and separated.
  • the input light output from the light source unit 10 passes through the second optical coupler 13 and senses the sensing unit 20-7 through the transmitting and receiving optical element 39 connected thereto. Exit) Subsequently, the input light passes through the free space 40 at a predetermined interval and reaches the sensing unit 20-7, whereby the signal light is generated.
  • the signal light thus made passes through the free space 40 again and reaches the second optocoupler via the optical element 39 for transmission and reception and is divided into two by the first optocoupler 31 connected thereto, part of which is used as a reference light.
  • the light intensity is measured by the first sensing unit 33 and the remaining part is used as the signal light and passes through the integration optical fiber 32 to be measured by the second sensing unit 34.
  • the structure and method of the measuring unit 30 for measuring and analyzing the optical signal generated by the sensing unit 20-7 using the integration optical fiber 32 is the same as the embodiment described with reference to FIGS. 4B and 11.
  • the sensor system structure illustrated in FIG. 13 may be used instead of the structure illustrated in FIGS. 4B and 11 as a method of obtaining the reference light.
  • the transmitting / receiving optical element 39 receives an output unit function for transmitting input light to the sensing unit 20-7 and a signal light generated by the sensing unit 20-7 and transmits the signal light toward the second optical coupler 13.
  • the light-receiving unit functions as a single to a plurality of optical lenses.
  • the optical element 39 for transmission and reception may be an optical fiber type collimator made of a GRIN lens or a thermally expended core (TEC) optical fiber element.
  • the optical element 39 for transmitting and receiving may have a function of expanding the diameter of the input light output to increase the output and light receiving efficiency.
  • the transmitting / receiving optical element 39 may have a scanning function that changes the direction of input light directed to the sensing unit 20-7.
  • an optical isolator 12 for protecting the light source unit 10 and a band pass filter 16 for passing only the optical signal generated by the sensing unit as shown in FIG. 14 may be used on the optical path.
  • the signal light generated by the sensing unit 20-7 may be an optical signal due to Rayleigh scattering, Mie scattering, Raman scattering, Brillouin scattering, and the Doppler effect.
  • the sensing unit 20-7 may be a fluid material such as air and sea.
  • Optical properties such as the central wavelength of the signal light may be changed by the properties of the fine material such as yellow dust, fine dust, aerosol, and plankton distributed in the fluid material, and the change of the property of the signal light may be changed to the optical fiber sensor system.
  • the change in the characteristics of the sensing unit (20-7) for example, the flow characteristics of the air and the ocean and the distribution characteristics of the fine material in the fluid material can be analyzed.
  • the combination of the structures can form a fiber optic sensor system.
  • the optical characteristic measuring device and the optical fiber sensor system using the same have a structure in which the integration optical fiber is connected more easily than in the related art, and the measurement unit does not need optical alignment for the internal parts, and does not require vibration, pressure, and temperature. It is not affected by the external environment.
  • the structurally simple and easy to manufacture the system can significantly reduce the manufacturing cost, and the optical fiber sensor system according to the present invention can be used in addition to the configuration described in the above embodiments by using the basic measurement structure and principle described in the above embodiment It can be manufactured as a structure.
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating a method of measuring optical characteristics using an optical fiber sensor system according to various embodiments of the present disclosure. Referring to FIG. 17, an optical characteristic measuring method according to an exemplary embodiment will be described.
  • the light source unit emits input light having a predetermined wavelength to the sensing unit.
  • the sensing unit may be configured of various optical elements including an optical fiber Bragg grating and a signal light (optical signal) is made from input light transmitted from a light source by the sensing unit optical element. Subsequently, the sensing unit is affected by the change of the external environment, that is, the physical quantity change S1 applied to the sensing unit, and thus the center wavelength of the signal light generated by the sensing unit is shifted (S2).
  • an integration optical fiber which is a measuring unit optical fiber provided in the measuring unit. Since the optical absorption characteristics of the integration optical fiber are linear according to the wavelength, when the signal light passes through the optical fiber, the light intensity is changed differently according to the wavelength of the signal light (S3). Subsequently, the light intensity of the signal light passing through the integration and undergoing different attenuation depending on the wavelength, and at the same time, the light intensity of the reference light not passing through the interference fiber is measured by the sensing unit (S4).
  • the wavelength of the signal light can be derived from the analysis unit by comparing the light intensity of the reference light and the signal light measured by the detector, and the temperature, strain (bending), torsion (torsion) from the wavelength of the signal light finally derived.
  • the physical quantity applied to the sensing unit may be derived based on a change in external environment such as pressure, refractive index, and concentration (S5).
  • the present invention can be applied to the optical fiber sensor for the optical characteristic analysis for the optical device, there is industrial applicability.

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Abstract

본 발명은 인테러게이션 광섬유를 이용한 광특성 측정 시스템으로서, 특정 파장의 입력광을 출사시키는 광원부, 외부환경 조건에 따라 광특성이 영향을 받는 센서에 의해 상기 신호광이 발생되는 센싱부 및 상기 센싱부를 통해 전달된 신호광을 통해 변경된 물리량을 도출하는 측정부를 포함하고, 상기 측정부는 상기 신호광을 두개의 광경로로 분배하는 광커플러와, 상기 신호광이 이동하는 한쪽 경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber)를 포함하고, 상기 인테러게이션 광섬유는 특정 파장의 영역에서 광흡수가 선형적으로 나타나며, 상기 신호광의 광세기 측정을 통해 상기 센싱부에서 이동된 신호광의 파장을 검출하고 최종적으로 외부에서 인가된 물리량을 도출하는 것을 특징으로 한다.

Description

인테러게이션 광섬유를 사용한 광특성 측정 장치, 이를 구비하는 광섬유 센서 시스템 및 광특성 측정 방법
본 발명은 인테러게이션 광섬유를 사용하여 광특성을 측정하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파장에 따른 광흡수 기울기를 가진 인테러게이션 광섬유를 사용하는 광소자의 광특성 측정장치, 이를 구비하는 광섬유센서 시스템 및 광특성을 측정하는 방법에 관한 것이다.
최근 많은 관심을 받고 있는 광섬유센서 또는 광섬유센서 시스템은 시스템의 전체 또는 일부가 광섬유로 구성되는 것이 특징이며, 물리량을 감지하는 센싱부 자체가 광섬유로 구성되는 내재적(intrinsic) 형태와 광섬유가 단순히 광원 및 광신호를 전달하는 수단이 되는 외재적(extrinsic) 형태로 구분할 수 있다.
일반적으로, 광섬유센서 또는 광섬유센서 시스템은 빛을 이용하여 측정하기 때문에 반도체 및 도체 물질 기반의 전기식 센서와는 달리 전기가 통하지 않으므로 주변에서 발생할 수 있는 전자파 간섭에 의한 잡음, 누전에 의한 파괴, 감전 등의 위험이 없으며 크기가 작고 가벼울 뿐만 아니라 감도가 매우 뛰어나기 때문에 다양한 종류의 물리량 측정에 응용할 수 있다. 예를 들면, 광섬유센서는 센싱부 광소자를 지나가는 빛을 이용하여 외부 환경변화에 따른 온도, 변형(strain), 구부림(bending), 비틀림(torsion), 압력, 굴절률, 농도, PH, 광출력, 전류, 전압 등과 같은 다양한 물리량을 측정할 수 있다.
광섬유센서는 전기식 센서에 비해 내환경성이 우수하여 수명이 매우 길며, 반영구적 수명을 가지며, 소성변형이 적어 재현성이 우수하며, 빛을 측정수단으로 사용하므로 장거리 측정 시스템 개발이 가능하다. 또한, 파장분할 다중화(WDM: wavelength division multiplexing) 기술 및 시간분할 다중화(TDM: time division multiplexing) 기술을 이용하여 단일 회선으로도 고속 대용량 측정 시스템의 개발이 가능하다. 이러한 많은 장점으로 인하여 광섬유센서는 기존의 전기식 센서를 빠르게 대체할 것으로 예상되고 있으나, 광특성 분석 및 측정 분야에서 상용화 기술의 발전이 비교적 더뎌 관련시장의 확대에 있어 많은 애로사항이 되고 있는 실정이다.
광섬유센서 시스템은 크게 측정용 광원을 구성하는 광원부, 외부환경에서 가해진 물리량에 따라 광원부로부터 전달된 빛(입력광)의 특성을 바꾸어 주는 센싱부, 센싱부에 의하여 변화된 빛의 특성을 측정 및 분석하는 측정부로 구성되며, 특히 측정부는 빛을 감지하는 감지기와 상기 감지기에서 얻은 신호로부터 상기 물리량을 도출하는 신호 분석장치가 전체 센서 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 역할을 담당하고 있다.
여러 가지 광섬유센서 시스템 중에서 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg grating, FBG)를 센싱부에 적용하고 여기서 발생한 광 파장의 이동을 분석하여 물리량을 측정하는 방식이 많이 사용되고 있다. 즉, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 센싱부에 사용할 경우, FBG 는 광원부로부터 전달된 입력광의 일부를 반사시켜 일정한 폭을 갖는 밴드형태의 광신호를 만들게 되며, 이러한 광밴드의 중심파장(또는 공진파장)의 이동 특성을 이용하여 센서 시스템을 구성하게 된다. 또한, 이러한 범주로서 장주기 광섬유 (Long period fiber gating, LPFG), 페브리-페로(Fabry-Perot) 필터, 그리고 브릴루앙 산란(Brilliouin scattering), 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brilliouin scattering, SBS), 라만 산란 (Raman scattering), 미산란(Mie scattering), 가간섭성 반스토크스라만 산란(Coherent anti-stokes Raman scattering, CARS), 그리고 광매개발생(Optical parametric generation), 합주파수발생(Sum frequency generation: SHG, THG), 차주파수발생(Difference frequency generation), 사광파혼합(Four Wave Mixing, FWM) 등의 광학적 현상을 이용한 광소자를 센싱부에 사용하여 만든 센서 시스템을 들 수 있다.
즉, 모두가 밴드 형태의 광신호가 존재하며 센싱부 광섬유소자에 인가된 온도, 스트레인, 굴절률 등 인가된 물리량에 따라 밴드의 중심(공진) 파장이 이동하게 되고 이를 측정하여 물리량의 변화값을 분석하게 된다. 광섬유센서 시스템에 사용되는 센싱부용 광소자는 반드시 광섬유로 이루어질 필요는 없으나, 광섬유 센서 시스템의 나머지 부분을 구성하는 광섬유 소자와의 광연결성을 고려하면 센싱부용 광소자는 전체가 광섬유로 만들어지거나 적어도 입력부 또는 출력부가 광섬유로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 여러가지 광소자를 센싱부로 사용한 광섬유센서 시스템의 경우에는 센싱부에서 밴드형태의 광신호(신호광)가 발생하고 환경 변화에 따른 신호광의 중심파장의 이동을 측정하여 물리량을 산출하는 방식이기 때문에, 파장 변화를 감지하고 이로부터 물리량을 도출하는 측정(interrogation, 인테러게이션) 장치가 필수적으로 구비되어야 한다.
이를 위하여 종래 기술에서는 벌크옵틱 필터, 광섬유커플러, 광섬유격자와 같은 수동형 광소자 기반의 인테러게이션 기술을 이용한 여러 가지 광특성 분석장치 및 이를 이용한 광섬유센서 기술이 개발된 바 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 벌크옵틱(bulk optic) 필터소자를 이용한 광특성 측정장치를 기반으로한 광섬유 센서 시스템을 나타낸다. 도 1과 나타낸 종래기술의 경우 일정한 기울기의 투과특성을 가진 Edge Filter 및 Band pass filter 와 같은 벌크옵틱 필터소자를 인테러게이션 소자로 사용한다. Edge Filter 및 Band pass filter 와 같은 벌크옵틱 필터소자를 사용한 광섬유센서 시스템은 필요한 광특성을 재현성 있게 확보하기 위해서 벌크옵틱 필터소자와 다른 광섬유소자 사이에 광커플링이 필요하고 이를 위하여 시간과 비용이 많이 드는 정밀한 광정렬 작업과 함께 콜리메이터(collimator)와 같은 부가적인 광부품이 필요하다는 단점을 가진다.
그리고 벌크옵틱으로 구성된 이러한 광부품들을 오염 및 외부진동으로 보호하고 안정적인 광특성을 구현하는 데는 하우징과 같은 추가적인 부품을 필요로 하므로 구조가 복잡해지게 된다. 일반적으로 벌크옵틱 필터소자는 고진공의 증착공정을 사용하여 기판소재 위에 여러층의 박막을 증착하여 제조되고, 공기에 노출되는 표면에서 발생하는 반사에 의한 광손실을 줄이기 위하여 무반사(Anti Reflection) 코팅을 해야하는 등 여러 가지 고비용의 공정작업이 필요하다는 단점을 가진다.
또한, 일단 벌크옵틱 필터가 만들어지고 나면, 정밀한 인테러게이션 성능 구현을 위하여 광흡수 특성, 예를 들면 광흡수 세기 및 기울기를 조절하는 수단으로서 소자의 두께를 추가로 조작하는 작업이 불가능하므로, 센서시스템 사양에 적합한 필터소자를 매번 제작해야 하는 단점을 가진다.
도 2는 종래 기술에 따른 광섬유커플러(Optical fiber coupler)를 이용한 광특성 측정장치 기반의 광섬유 센서 시스템을 나타낸다. 광특성 측정을 위한 다른 인테러게이션 방법으로써 도 2에 나타낸 바와 같이 투과스펙트럼이 일정한 기울기를 갖도록 만든 광섬유커플러를 인테러게이션 소자로 사용할 수 있다. 이처럼 광섬유커플러를 이용한 광특성 분석 시스템의 경우 커플링단 신호와 투과단 신호를 상호 교차하여 감도를 개선하는 효과는 있지만, 선형적인 광흡수 기울기를 가진 광특성을 확보하고 이러한 광특성이 정밀하게 재현되는 광커플러를 제작하기가 매우 어렵다.
또한, 일반적으로 광섬유커플러의 광특성은 빛의 편광특성 및 온도, 진동 등의 외부 환경에 쉽게 영향을 받는 문제점을 가지고 있으므로 이를 해결하기 위하여 복잡한 소자구조 및 부가적인 공정기술이 필요한 단점을 가진다.
도 3은 종래 기술에 따른 장주기 광섬유격자 (Long period fiber grating)를 이용한 광특성 측정장치 기반의 광섬유센서 시스템을 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이 광특성 측정을 위한 또다른 인테러게이션 방법으로써, 기울기를 가진 장주기 광섬유격자의 투과스펙트럼 특성을 적용한 광특성 분석장치가 제안된 바 있다.
이러한 방법의 경우 광섬유로 구성되어 광정렬에 따른 문제를 해결하는 효과는 있지만 동일한 특성을 갖는 광섬유격자를 재현성이 있게 제작하는데 어려움이 있으며, 또한 주위 환경에 대하여 안정적이어야 하는 인테러게이션용 장주기 광섬유격자의 광특성 자체가 일반적으로 진동 및 온도에 매우 민감하고 편광 의존 특성을 보이는 등 여러 단점을 가지고 있어 상용화에 있어 많은 애로사항이 되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안되는 것으로, 광흡수의 선형성, 동일한 흡수 특성을 가지는 재현성, 안정성 및 편광 의존성이 없는 광섬유를 사용하여 센서시스템의 측정부의 성능 및 효율을 개선할 수 있는 광특성 측정장치 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 광특성 측정장치의 구조를 단순화하여, 최종적으로는 종래의 시스템에 비해 제조단가를 현저히 낮출 수 있으며 여러가지 형태로 변형이 가능한 광섬유 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광특성 측정 장치는, 광섬유 센서 시스템의 센서에서 발생된 광신호를 측정 및 분석하기 위한 측정부를 구성하는 광특성 측정 장치로서, 상기 센서에서 전달되는 신호광을 두개의 광경로로 분배하는 제1 광커플러; 상기 신호광이 이동하는 일측 광경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber); 및 상기 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기 및 상기 제1 광커플러에 의하여 다른 일측 광경로로 전달되는 기준광의 광세기를 검출하는 감지부;를 포함하고, 상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수 특성이 선형적으로 나타나며, 상기 감지부를 통하여 검출된 신호광과 기준광의 광세기를 비교하여 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템은, 소정 파장의 입력광을 출사시키는 광원부; 인가된 물리량에 의해 광특성이 변하는 센서에 의해 상기 입력광을 받아 신호광을 발생시키는 센싱부; 상기 센싱부로부터 전달된 신호광을 통해 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 측정부; 및 상기 광원부에서 나오는 입력광을 센싱부로 전달하고, 상기 센싱부에서 발생된 신호광을 측정부로 분배하기 위한 제2 광커플러를 포함하고, 상기 측정부는 상기 신호광을 두개의 광경로로 분배하는 제1 광커플러와, 상기 신호광이 이동하는 일측 광경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber)와, 상기 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기 및 상기 제1 광커플러에 의하여 다른 일측 광경로로 전달되는 기준광의 광세기를 검출하는 감지부를 포함하고, 상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수가 선형적으로 나타나며, 상기 감지부를 통하여 검출된 신호광과 기준광의 광세기를 비교하여 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 구간에서 광흡수율이 선형적인 구간을 가지는 광섬유로, 광섬유 생산 공정시 소정의 광흡수 특성을 갖는 물질이 첨가되며, 상기 인테러게이션 광섬유의 광세기는 상기 소정의 파장구간에서 선형적인 광흡수 특성을 갖는 물질의 양을 조절하거나, 상기 인테러게이션 광섬유의 길이를 조절하여 광흡수 세기 및 기울기를 변경할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광특성 측정 방법은, 소정의 파장을 갖는 입력광을 광원부에서 센싱부로 출사하는 단계; 상기 센싱부에서 상기 입력광을 받아 신호광이 발생되고, 외부에서 인가된 물리량에 의해 신호광의 중심파장이 변하는 단계; 상기 신호광은 측정부에 구비된 인테러게이션 광섬유를 통과하면서, 상기 인테러게이션 광섬유의 광흡수율에 따라 광세기가 변화하는 단계; 및 상기 광세기에 따라 상기 신호광의 파장을 도출하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 구간에서 광흡수율이 선형적인 구간을 가지는 광섬유로, 광섬유 생산 공정에서 소정의 광흡수 특성을 갖는 물질이 도핑되며, 상기 신호광의 파장을 도출하여 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광섬유 센서 시스템에 사용되는 측정부가 광섬유만으로 구성되므로 광정렬이 필요하지 않아 측정 데이타의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따르면, 광소자용 광특성 분석을 위한 측정부 내부에 인테러게이션 광섬유를 연결만 하면 되는 구조로서 센서 시스템의 구축이 용이하고 제조단가를 현저히 낮출 수 있다. 또한, 광섬유의 길이 또는 첨가물질의 종류, 구성 및 농도를 조절하여 광흡수 기울기를 시스템의 특성에 부합하도록 제어할 수 있고, 광섬유에 첨가된 물질의 광흡수 특성을 이용하므로 편광의존성을 제거할 수 있고 재현성이 우수하다.
그리고, 측정 시스템에 영향을 주는 진동, 압력, 온도 등이 수시로 변화하는 외부환경 조건에서도 측정값이 큰 영향을 받지 않아 시스템의 안정성이 우수한 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 벌크옵틱(bulk optic) 필터소자를 이용한 광특성 측정장치 기반의 광섬유 센서 시스템을 나타낸 도면
도 2은 종래 기술에 따른 광섬유커플러(Optical fiber coupler)를 이용한 광특성 측정장치 기반의 광섬유 센서 시스템을 나타낸 도면
도 3은 종래 기술에 따른 장주기 광섬유격자 (Long period fiber grating)를 이용한 광특성 측정장치 기반의 광섬유센서 시스템을 나타낸 도면
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서용 광특성 측정 장치를 나타낸 도면
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 광특성 측정 장치가 구비된 광섬유센서 시스템을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 톨륨(Tm3+)이 첨가된 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 어븀(Er3+)이 첨가된 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 바나듐(V)이 첨가된 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성을 나타낸 도면
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자가 첨가된 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성을 나타낸 도면
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 Au 나노입자가 첨가된 인테러게이션 광섬유에서 570~595nm 부근의 선형적인 광흡수 특성을 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 PbS 나노입자가 첨가된 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성을 나타낸 도면
도 10은 도 2의 A 영역에서 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 파장에 따른 광세기 변화를 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 FBG를 센싱부에 사용하고 톨륨이 첨가된 인테러게이션 광섬유를 측정부에 사용한 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 12의 (a)는 도 11에서 B 지점에 인가되는 기준광의 스펙트럼 및 파장에 따른 광세기 분포를 나타낸 그래프이며, (b)는 도 11에서 C 지점에 인가되는 인테러게이션 광섬유에 의해 감쇄된 신호광의 스펙트럼 및 파장에 따른 광세기 분포를 나타낸 그래프
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 인테러게이션 광섬유 기술이 적용된 광섬유 센서시스템을 사용하여 물리량을 측정하는 방법을 나타낸 흐름도
도 18a는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서용 광특성 측정 장치를 나타낸 도면
도 18b는 본 발명의 실시예에 따른 광특성 측정 장치가 구비된 광섬유센서 시스템을 나타낸 도면
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 어븀(Er3+) 및 터븀(Tb3+)이 각각 첨가된 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성을 비교하여 나타낸 도면
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서용 광특성 측정 장치를 나타낸 도면이다. 도 4a를 참조하면, 광특성 측정 장치(30)는 광섬유센서 시스템에 구비되면서 센싱부에서 변화되는 물리량을 도출하는 측정부를 나타내는 구성이다.
실시예에 따른 광특성 측정 장치(30)는 제1 광커플러(31), 인테러게이션 광섬유(32), 감지부(33, 34) 및 분석부(35)를 포함할 수 있다. 제1 광커플러(31)는 전달되는 광신호를 기설정된 비율로 분배하여 상기 제1 광커플러(31)와 연결되는 한쌍의 광출력 라인으로 이를 전달한다.
상기 광출력 라인 중 하나에는 센싱부에서 전달되는 신호광의 일부를 인테러게이션 광섬유에 의한 광감쇄 없이 기준광으로 전달받아 이것의 광세기를 검출하기 위한 제1 감지부(33)가 마련되며, 다른 광출력 라인에는 센싱부에서 전달되는 신호광의 이동경로 상에 길이가 L인 인테러게이션 광섬유(interrogation fiber, 32)가 구비된다.
제1 광커플러(31)를 통해 분배된 광신호는 상기 인테러게이션 광섬유(interrogation fiber, 32)를 통해 진행하게 되고, 파장에 따라 다른 광감쇄가 발생한 신호광의 광세기를 검출하기 위한 제2 감지부(34)가 마련될 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 감지부에 의해 검출된 빛의 광세기 분석을 통해 물리량을 산출하는 분석부(35)가 구비될 수 있다. 구체적인 동작은 하기의 광섬유 센서 시스템에 포함되는 다른 구성과 함께 살펴보기로 한다.
도 4b는 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4b를 참조하면, 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템(100)은 광원부(10), 센싱부(20), 측정부(30)로 구성될 수 있다.
광원부(10)는 소정의 파장에서 출력되는 광원으로서 레이저 다이오드(LD), 슈퍼 루미네슨트 다이오드(Super luminescent diode, SLD), Light emitting diode (LED), Semiconductor optical amplifier(SOA) 기반 광원, Tunable laser source, Sweeping source, Broad band source, White light source, 그리고 Solid state laser, Gas laser, Dye laser 등이 사용될 수 있다. 또한 필요에 따라 광원 스펙트럼을 일정 대역의 광밴드로 줄여 사용하기 위하여 광원부에 대역통과 필터를 사용할 수 있다.
센싱부(20)는 광원부(10)에서 출력되는 입력광을 광신호(신호광)으로 바꾸어 주는 광소자(센서)가 포함된다. 상기 센싱부(20)는 외부에서 인가된 환경변화 즉, 물리량 변화에 의하여 신호광의 파장이 변화된다. 일예로서 센싱부(20)는 FBG (Fiber Bragg grating)을 기반으로 하는 광섬유소자일 수 있다. 상기 FBG 를 센싱부에 이용한 광섬유센서는 광섬유에 브래그 격자를 일정한 간격에 따라 새겨 제작되며, 온도, 인장, 압력, 그리고 구부림 등의 외부 환경(외부에서 인가되는 물리량)의 변화에 따라 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장 등 격자에 물리량이 가해지면, 격자 부분의 굴절율이나 길이가 변화하므로 반사되는 빛의 중심 파장(공진 파장)이 이동하게 된다. 따라서, FBG 에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 상기 물리량의 변화를 감지 및 분석할 수 있다.
다른 예로서 상기 센싱부(20)는 장주기 광섬유격자(Long period fiber gating, LPFG), Fabry-Perot 필터, 브릴루앙 산란(Brilliouin scattering), Stimulated Brilliouin scattering(SBS), 라만 산란(Raman scattering), 미산란(Mie scattering), Coherent anti-stokes Raman scattering(CARS), 그리고 Optical parametric generation, Sum frequency generation(SFG: second harmonic generation, SHG, third harmonic generation, THG), Difference frequency generation(DFG), Four wave mixing(FWM) 과정 등을 이용한 광소자일 수 있다. 즉, 모두가 밴드 형태의 신호광을 발생시키며 이러한 센싱부에 인가된 온도, 스트레인, 굴절률 등 변화에 따라 밴드의 공진파장이 이동하게 되고 이를 측정하여 상기 물리량의 변화를 분석하게 된다. 센싱부(20)에 사용되어 신호광을 발생시키는 광소자는 광섬유소자로 구성될 수 있으며, 또한 광섬유 이외의 형태를 가질 수 있다. 광섬유 이외의 형태를 가질 경우 광연결을 용이하게 하기 위하여 센싱부(20)에 사용되는 상기 광소자의 입력부 및 출력부가 광섬유로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 센싱부에 FBG, LPFG, Fabry-Perot 필터와 같은 광소자를 사용할 경우 광원으로서 일정한 밴드를 가진 LD, SLD, LED, Broad band source 나 Tunable laser source, Sweeping source 등을 상기 광원부(10)에 사용하는 것이 바람직하며, Raman scattering, SBS, FWM 등 비선형 광소자를 센싱부에 사용할 경우 단일 파장에서 발진되는 Solid state laser, Gas laser, Dye laser, Tunable laser source 등의 레이저광원을 상기 광원부(10)에 사용하는 것이 바람직하다.
광원부(10)와 센싱부(20) 사이에는 광의 진행 방향을 한 방향으로만 진행시키며, 역방향으로 반사되는 빛을 차단하여 광원부(10)를 보호하고 광신호 왜곡을 줄여주는 역할을 광 아이솔레이터(optical isolator, 12)가 배치될 수 있다. 그리고, 광원부(10)에서 나오는 광을 분배 또는 결합하기 위한 제2 광커플러(Optical coupler, 13)가 마련될 수 있다. 제2 광커플러는 광섬유커플러(Optical fiber coupler) 인 것이 바람직하다. 또한 제 2광커플러로 써큘레이터(Circulator), 빔 스플리터(Beam splitter), 그리고 평판광소자(Planar light circuit, PLC)형 광커플러(optical coupler), 평판광소자형 광스플리터(optical splitter) 등을 사용할 수 있으며, 또한 광연결을 편하게 하기 위하여 제 2 광커플러의 입력 및 출력단은 광섬유로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은 상기 센싱부(20)에서 발생되어 전달된 광신호를 측정 및 분석하기 위한 측정부(30)에 그 특징이 있는 것으로 상기 측정부(30)의 구성에 대해 설명한다. 상기 광 아이솔레이터(12)와 센싱부(20) 사이에 구비된 제2 광커플러(13)와 연결되는 제1 광커플러(31)가 마련되며, 상기 제1 광커플러(31)에는 한 쌍의 광출력 라인(광경로)이 연결된다. 상기 제1 광커플러는 광섬유커플러 인 것이 바람직하며, 빔 스플리터(Beam splitter), 빔 컴바이너(Beam combiner), 그리고 평판광소자형 광커플러, 평판광소자형 광스플리터 등을 사용할 수 있다. 또한 제 1 광커플러는 광연결을 편하게 하기 위하여 제 1 광커플러의 입력 및 출력단은 광섬유로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 광출력 라인 중 하나에는 센싱부(20)에서 전달되는 신호광의 일부를 인테러게이션 광섬유에 의한 광감쇄 없이 기준광으로 전달받아 이것의 광세기를 검출하기 위한 제1 감지부(33)가 마련되며, 다른 광출력 라인에는 센싱부(20)에서 전달되는 신호광의 이동경로 상에 길이가 L인 인테러게이션 광섬유(interrogation fiber, 32)가 구비되도록 한다. 상기 인테러게이션 광섬유(interrogation fiber, 32)를 통해 진행하므로써 파장에 따라 다른 광감쇄를 겪은 신호광의 광세기를 검출하기 위한 제2 감지부(34)가 마련될 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 감지부에 의해 검출된 빛의 광세기 분석을 통해 물리량을 산출하는 분석부(35)가 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 특징은 세부적으로 측정부(30)에 사용되는 상기 인테러게이션 광섬유(32)에 있는 것으로 인테러게이션 광섬유를 융착접속(fusion splicing), 접촉연결(Butt coupling)과 같은 간편한 방법으로 측정부(30)의 다른 광섬유 경로상에 연결만 하면 되는 구조로서 광정렬이 필요하지 않아 외부로부터 발생하는 진동에 관계 없이 시스템이 안정적으로 구동될 수 있다. 인테러게이션 광섬유(32)는 선형적인 광흡수 특성을 가지고 있고 첨가되는 물질의 종류 및 농도를 조절하여 광흡수 파장, 기울기, 세기 등 시스템이 필요로 하는 특성을 가지도록 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 인테러게이션 광섬유(32)는 첨가된 물질의 광흡수 특성을 이용하므로 편광의존성이 없고, 다른 인테러게이션 기술과 달리 온도나 압력 등 수시로 변화하는 환경조건에서도 측정값이 안정적으로 확보된다. 또한, 측정부(30)에 사용되는 인테러게이션 광섬유(32)의 길이(L)를 조절하여 용이하게 광흡수 세기 및 기울기를 가변할 수 있다는데 큰 장점이 있다.
구체적으로, 광원부(10)에서 출사되는 입력광은 광 아이솔레이터(12) 및 제2 광커플러(13)를 거쳐 센싱부(20)에 전달되고 센싱부에 장착된 광소자에 의하여 신호광이 만들어지게 된다. 그리고, 외부 환경 변화에 의해 센싱부 광소자가 영향을 받게 되고 그에 따라 상기 신호광은 파장이 변화하여 제2 광커플러(13)로 진행된다.
이어서, 제2 광커플러(13)와 연결된 제1 광커플러(31)는 센싱부(10)로부터 전달되는 신호광을 한 쌍의 광출력 라인을 통하여 양방향으로 분배한다. 즉, 신호광의 일부를 제1 감지부(33)로 분배하여 초기 광세기의 기준점을 설정하는 기준광이 된다. 그리고, 나머지 일부의 신호광은 인테러게이션 광섬유(32)에 의해 추가적인 광손실을 겪게 되고, 결과적으로 공진파장의 위치에 따라 변하는 감쇄된 광세기를 갖는 신호광이 되어 제 2 감지부(34)에 의하여 측정된다. 여기서 기준광이 측정에 사용되는 이유는 광원부(10)의 초기 스펙트럼이 파장에 따라 다른 출력을 가질 수 있고, 수명 또는 외부영향에 따라 광원부에서 출력되어 전달되는 입력광의 세기가 변함으로써 발생하는 광신호 왜곡 요소를 제거하기 위함이다. 따라서, 광섬유센서 시스템의 정확성 및 안정성을 확보하기 위해서는 제 1 감지부(33)를 이용하여 기준광의 광세기를 측정하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 이러한 광분석의 기준이 되는 기준광의 광세기를 측정하기 위해서 여러 가지 구성이 사용될 수 있으며, 세부적인 구성에 대해서는 다른 실시예와 함께 보다 상세히 설명하기로 한다.
기준광 및 신호광의 측정에 있어서 필요한 경우 신호광이나 기준광이 지나가는 광경로 상에 고정형 또는 가변형 광감쇄기를 둘 수 있다. 바람직하게는 제 2광커플러(13)와 제1 광커플러(31) 사이, 제1 광커플러(31)와 제 1 감지부(33) 사이, 또는 제1 광커플러 (31)와 제2 감지부(34) 사이 등에 상기 광감쇄기를 둘 수 있다. 상기 광감쇄기가 필요한 경우는 상기 기준광 및 신호광의 광세기가 감지부의 측정범위를 넘어가 세기를 줄여야 하는 경우를 예로 들 수 있다. 또한, 상기 광감쇄기가 필요한 경우는 기준광과 신호광의 광출력 세기를 소정의 범위 내에서 비슷하게 맞추어야 하는 경우를 예로 들 수 있다. 상기 광감쇄기는 광흡수 물질이 첨가된 광섬유로 구성된 광감쇄기일 수 있다.
이어서, 제1 및 제2 감지부(33, 34)에 의하여 상기 기준광 및 신호광으로부터 감지된 두 개의 광세기를 측정하여 상기 감지부에 연결된 분석부(35)에 전달하고 분석부(35)는 광세기를 비교하여 상기 신호광의 공진파장의 위치를 도출 및 이를 분석하여 최종적으로는 센싱부에 인가된 물리량을 측정할 수 있다. 본 발명에 따라, 상기 분석부(35)에서 공진파장의 도출 및 이로부터 물리량을 도출하는 보다 상세한 과정에 대해서는 다른 실시예와 함께 보다 상세히 설명하기로 하며, 하기에서는 실시예에 적용될 수 있는 광섬유를 조성하는 방법에 대해 설명한다.
상기 인테러게이션 광섬유(32)의 기본 조성은 유리로 구성된 물질일 수 있다. 상기 인테러게이션용 광섬유의 유리 조성은 상기 선형적인 광흡수를 갖는 물질을 첨가하여 제조하기 용이한 산화물(oxide), 찰코지나이드(chalcogenide), 불화물(Fluoride) 유리일 수 있다. 상기 인테러게이션용 산화물 유리 광섬유의 조성은 실리케이터(silicate) 유리 또는 실리카(silica) 유리인 것이 바람직하다. 광섬유센서 시스템에 많이 사용되는 일반 실리카 유리광섬유와 융착접속에 의한 광연결을 용이하게 하기 위하여 상기 인테러게이션용 산화물 유리 광섬유의 조성은 실리카(silica) 유리인 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 인테러게이션 광섬유의 기본 조성은 고분자(polymer) 물질일 수 있다. 상기 인테러게이션용 광섬유의 고분자 물질 조성은 광섬유 제작이 용이한 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate), PMMA), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리스티렌(Polystyrene), 테플론(Teflon), 아크릴(polyacrylates) 수지인 것이 바람직하다.
상기 유리를 기본 조성으로 하는 인테러게이션 광섬유는 시스템의 소형화를 위하여 직경이 700㎛ 이하인 광섬유인 것이 바람직하다. 상기 유리를 기본 조성으로 하는 인테러게이션 광섬유는 광섬유센서 시스템에 널리 사용되는 유리광섬유와 광연결을 쉽게 하기 위하여 광섬유의 직경이 125±5 ㎛ 정도인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 고분자 물질을 기본 조성으로 하는 인테러게이션 광섬유는 시스템의 소형화를 위하여 직경이 2mm 이하의 광섬유인 것이 바람직하다. 상기 고분자 물질을 기본 조성으로 하는 인테러게이션 광섬유는 광섬유센서 시스템에 널리 사용되는 일반 고분자 광섬유와 광연결을 쉽게하기 위하여 광섬유의 직경이 200~1200㎛ 범위인 것이 보다 바람직하다.
상기 특정의 광흡수 특성을 유도하는 물질은 일정 파장 영역에서 단조적으로 변하는 광흡수 특성을 갖는 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는 상기 특정의 광흡수 특성을 유도하는 물질은 일정 파장 영역에서 선형적으로 변하는 광흡수 특성을 갖는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 선형적인 광흡수 특성을 갖게 하기 위하여 광섬유에 첨가되는 물질은 희토류 원소, 전이금속 원소 및 나노입자 에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 희토류 원소는 Tm, Er, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb. Lu 으로 이루어진 그룹에서 선택된다. 더욱 바람직하게는 다양한 광소자가 개발되어 있는 파장 범위인 200-2000 nm 에서 보다 우수한 선형적인 광흡수 특성을 갖는 Tm, Er, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Yb 으로 이루어진 그룹에서 선택된다.
바람직하게는 상기 금속원소는 Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Cd, In, Sn, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Tl, Pb, Bi 으로 이루어진 그룹에서 선택된다. 더욱 바람직하게는 다양한 광소자가 개발되어 있는 범위인 200~2000 nm 에서 보다 우수한 선형적인 광흡수 특성을 갖는 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, Tl, Pb, Bi 으로 이루어진 그룹에서 선택된다.
특정의 흡수 특성을 유도하는 상기 희토류 원소 및 금속원소는 +1, +2, +3 가 등의 이온상태로 첨가하는 것이 바람직하나 경우에 따라서 중성원자, 이원자(diatomic) 물질 형태로 첨가할 수 있다.
바람직하게는 상기 나노입자는 Ag, Au, Cu, Si, Ge, Bi, Pb, Ti, Sn, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, SnS, SnSe, SnTe, CuCl, CuCl2으로 이루어진 그룹에서 선택된다.
광섬유센서 시스템용 센싱부에 흔히 사용되는 광섬유 브래그 격자(FBG)의 경우 스트레인, 온도, 압력 등의 외부 환경의 변화에 따라 이동하는 일반적으로 발생하는 중심파장의 이동크기는 수 nm 정도에 불과하다. 상기 희토류 원소, 전이금속 원소 및 나노입자를 첨가한 인테러게이션 광섬유의 경우 선형적인 광흡수 특성을 갖는 파장구간이 수 nm 에서 수십 nm 이상의 범위에서 확보될 수가 있으며, 따라서 이러한 선형적인 광흡수 특성은 광섬유센서 시스템에 사용하기에 충분하다.
상기 인테러게이션용 광섬유에 첨가되는 물질은 종류, 양, 원자가에 따라서 각기 다른 파장범위, 기울기 및 세기를 가진 광흡수 특성을 가지고 있다. 따라서 첨가 물질의 종류, 양, 원자가의 선택 기준은 사용되는 광특성 분석이 필요한 파장범위, 흡수 기울기 및 세기 등 요구되는 제반 광특성의 사양에 의하여 정해진다.
상기 인테러게이션 광섬유의 길이를 변경하거나, 첨가되는 물질의 종류, 구성, 농도(양) 을 조절하여 광흡수 계수에 따른 기울기를 용이하게 변경시킬 수 있다. 특히, 광섬유센서 시스템에 사용되는 광원부(10)의 광출력 범위, 감지부(33, 34)의 감지출력 범위, 그리고 센서 시스템에 사용되는 다른 광부품(12, 13, 20, 31) 도 여러 가지 손실 범위를 가지고 있어 여기에 맞추어 측정부에 사용되는 인테러게이션용 광소자의 광흡수 세기를 적절히 조작하는 것이 필요한데, 본 발명에 따른 인테러게이션 광섬유의 경우 제작이 끝난 후에도 인테러게이션 광섬유의 길이를 조절하거나 광흡수 특성을 유도하는 서로 다른 물질이 도핑된 인테러게이션 광섬유를 직렬로 연결하여 이를 통과한 신호광의 전체 광흡수 기울기, 세기 및 분포 특성을 용이하게 변경시킬 수 있다.
희토류 원소, 전이금속 원소, 그리고 나노입자의 원료물질 가격은 고가일 수 있다. 본 발명에 따른 인테러게이션 광섬유의 경우 직경이 수백 ㎛ 정도인 미세광섬유에 광흡수를 유도하는 물질을 첨가하여 제작하므로 상기 원료물질의 소모가 작아 제조에 들어가는 비용을 상당히 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 인테러게이션 광섬유의 경우 광섬유 제조공정에 의하여 한 개의 광섬유용 유리모재에서 수백 m 내지 수십 km 이상의 인테러게이션 광섬유를 얻을 수 있으므로 광특성이 거의 동일하며 결과적으로 이를 이용하여 재현성이 매우 우수한 인테러게이션 장치를 제작할 수 있다.
표 1은 본 발명에 따른 인테러게이션 광섬유에 첨가되는 주요 첨가물질의 종류에 따른 선형적인 광흡수 특성을 보이는 주요 파장범위를 나타낸 것이다. 희토류 원소 또는 전이금속 원소가 첨가된 광섬유의 경우 종류에 따라 특정한 파장구간에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 흡수밴드가 존재하며 이러한 특성을 광특성 측정 시스템이 필요로 하는 사양에 부합하도록 선택하여 사용한다.
Tm3+ 또는 Tm2+ 가 첨가된 광섬유의 경우 650~673nm, 680~705nm, 730~768nm, 770-830nm, 1098~1147nm, 1234~1259nm, 1180-1230nm, 그리고 1490~1565nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장구간을 인테러게이션에 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 광섬유 브래그 격자와 같이 센싱부용 다양한 광소자가 개발되어 있는 파장범위인 1490-1565nm 파장 범위를 인테러게이션에 이용하는 것이 더욱 바람직하며, Tm2+가 첨가된 광섬유의 경우 Tm3+에 비하여 보다 넓은 파장 범위에서 발생하는 선형적인 광흡수 특성을 이용할 수 있다. Er3+ 첨가 광섬유의 경우 785-794nm, 955-972nm, 972-978nm, 981-990nm, 990-1008nm, 1453-1482nm, 1500-1545nm, 1550-1567nm 에서 선형적인 광특성을 보이는 전체 또는 일부 파장구간을 인테러게이션에 이용하는 것이 바람직하다. 매우 선형적 광흡수 특성을 보이는 955-972mm, 990-1008nm, 1453-1482nm, 1550-1567nm 범위를 인테러게이션에 이용하는 것이 더욱 바람직하다. 특히, 매우 선형적인 광흡수 특성을 보이며 광섬유 브래그 격자와 같이 광원부 및 센싱부용 다양한 광소자가 개발되어 있는 파장범위인 1550~1567 nm 구간을 인테러게이션에 이용하는 것이 보다 더 바람직하다.
Yb3+ 가 첨가된 광섬유의 경우 864~908 nm, 910-950 nm, 955-990 nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장구간을 이용하는 것이 바람직하다. Tb3+ 가 첨가된 광섬유의 경우 매우 넓은 500~700nm, 1500~1800nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장구간을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 매우 넓고 선형성이 우수한 광특성을 보이는 1600~1800nm의 구간을 인테러게이션에 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
Ho3+ 가 첨가된 광섬유의 경우 440~450nm, 450~460nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장구간을 이용하는 것이 바람직하다. Dy3+가 첨가된 광섬유의 경우 1120~1200nm, 1240~1300nm, 1500~1630nm, 1680~1740nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장구간을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 매우 넓고 우수한 광특성을 보이는 1500-1630nm, 1680-1740nm 을 인테레게이션이 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, Pr3+가 첨가된 광섬유의 경우 585~650nm, 1345~1425nm 그리고 1500-1560nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장구간을 이용하는 것이 바람직하다. 매우 넓고 선형성이 우수한 광특성을 보이는 1345~1425nm 그리고 다양한 광원 및 센서용 광소자가 개발되어 있는 파장구간인 1500~1560nm 을 인테레게이션에 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
Nd3+가 첨가된 광섬유의 경우 800-840nm 및 900-940nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장구간을 이용하는 것이 바람직하다. Sm3+가 첨가된 광섬유의 경우 1040~1070nm, 1400~1440nm, 그리고 1470~1520nm 에서 우수한 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다.
인테러게이션 광섬유에 첨가되는 상기 희토류원소의 경우 수nm 에서 수십 nm 에 이르는 파장범위에서 우수한 선형적인 광흡수특성을 보이므로 정밀도가 요구되는 인테러게이션 장치에 이용할 수 있는 장점이 있다. 특히, Tm3+ 또는 Tm2+가 첨가된 광섬유에서 보이는 3H4에 따른 770-830nm 근방의 광흡수밴드 및 3H5에 따른 1180-1230nm 근방의 광흡수밴드, Er3+가 첨가된 광섬유에서 보이는 4I13/2에 따른 1500-1545nm 근방의 광흡수 밴드, 그리고 Yb3+가 첨가된 광섬유에서 보이는 2F5/2에 따른 955-990nm 근방의 광흡수 밴드는 다른 광흡수 밴드와 달리 매우 가파른 광흡수 기울기를 보여주므로 매우 높은 민감도가 요구되는 인테러게이션 장치에 이용할 수 있다.
V가 첨가된 광섬유의 경우 특히 넓은 510~610nm, 910~1030nm, 1100~1290nm 에서 인테러게이션에 이용하기 적합한 선형적인 광흡수 특성을 보이는데 이중에서 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 선형적인 특성을 보이는 910~1030nm, 1100~1290nm 파장구간을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
Cr 가 첨가된 광섬유의 경우 600~750nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다. Cr3+가 첨가된 광섬유의 경우 Cr이 참가된 광섬유와 달리 570~630nm 및 690~800nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는데 이중에서 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다.
Mn가 첨가된 광섬유의 경우 330~390nm 및 500~700nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다. Fe가 첨가된 광섬유의 경우 500~720nm 및 1670~2000nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다. Fe2+가 첨가된 광섬유의 경우 Fe이 첨가된 광섬유와 달리 650~1000nm 및 1300~2000nm 에 이르는 매우 넓은 범위에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다. Co가 첨가된 광섬유의 경우 320~400nm, 400~500nm, 700~770nm 및 1000~1200nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다.
Ni이 첨가된 광섬유의 경우 매우 광대역인 1100~1600nm의 파장구간에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다. Ni2+이 첨가된 광섬유의 경우에는 420~520nm 및 650~750nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다.
Cu가 첨가된 광섬유의 경우 250~320nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다. Cu2+이 첨가된 광섬유의 경우 500~720nm 에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부 파장 구간을 이용하는 것이 바람직하다. 또한 전이금속 원소로써 Bi, Pb, W 또는 Tl 가 첨가된 광섬유의 경우 매우 넓은 400~1200nm 범위에서 인테러게이션에 사용할 수 있는 여러 광흡수 밴드가 관찰되며 이러한 광흡수 밴드에서 선형적인 광흡수 특성을 보이는 파장 구간을 이용하여 인테러게이션에 사용할 수 있다.
인테러게이션 광섬유에 첨가되는 상기 전이금속원소의 경우 수십 nm 에서 수백 nm 에 이르는 매우 넓은 파장범위에서 선형적인 광흡수특성을 갖는 장점이 있으며 넓은 파장범위를 요구하는 인테러게이션 장치에 이용할 수 있다.
금속 또는 반도체 나노입자가 첨가된 인테러게이션 광섬유의 경우 표면플라즈몬 효과 또는 양자구속효과에 의하여 광흡수밴드가 발생하며 이러한 광흡수밴드 및 주변에서 선형적인 광흡수특성을 갖는 파장 구간이 존재하며 이를 광섬유 센서 측정 시스템에 사용한다.
Au 또는 Cu 나노입자가 첨가된 광섬유의 경우 320~650nm 파장범위에 포함된 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부구간을 이용하는 것이 바람직하다. Ag 나노입자가 첨가된 광섬유의 경우 300~550nm 파장범위에 포함된 선형적인 광흡수 특성을 보이는 전체 또는 일부구간을 이용하는 것이 바람직하다. Si, Ge, Ti 또는 Sn 나노입자가 첨가된 광섬유의 경우 500~1200nm 범위에 이르는 넓은 파장 범위에서 매우 선형적인 광흡수 특성을 보이는데 선형적인 광흡수 특성을 전체 또는 일부구간을 이용하여 인테러게이션 광섬유로 사용할 수 있다.
CdS, CdSe 또는 CdTe 나노입자가 첨가된 광섬유의 경우 가시광선 영역인 410~880 nm 에서 광흡수밴드가 존재하는데 해당 파장범위에 포함된 전체 또는 일부 구간을 이용하는 것이 바람직하다. PbS, PbSe 또는 PbTe 나노입자가 첨가된 광섬유의 경우 440~3100nm에 이르는 매우 넓은 파장범위에 포함된 전체 또는 일부 구간을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, ZnS, ZnSe 또는 ZnTe 나노입자가 첨가된 광섬유의 경우 300~540nm에 이르는 파장범위에 포함된 전체 또는 일부 구간을 이용하는 것이 바람직하다.
인테러게이션 광섬유에 첨가되는 상기 나노입자의 경우 광섬유의 굴절률 그리고 첨가되는 나노입자의 크기 및 분포를 조절하여 선형적인 광흡수특성을 갖는 파장구간의 위치를 조절할 수 있는 장점이 있다.
표 1은 본 발명에 따른 인테러게이션 광섬유에 첨가할 수 있는 주요 첨가물질의 종류 및 구성, 그리고 그것에 따른 주요 인테러게이션용 파장 범위를 나타낸 것이다.
표 1
첨가물질 밴드 파장범위 (nm)
Tm3+, Tm2+ 3F2, 3F33H43H53F4 650~673, 680~705730~768, 770~8301098~1147, 1180~1230, 1234~12591490~1565
Er3+ 4I9/24I11/24I13/2 785~794955~972, 972~978, 981~990, 990~10081453~1482, 1500~1545, 1550~1567
Yb3+ 2F5/2 864~908, 910~950, 955~990
Tb3+ 5D4, 7F0 500~700, 1500~1800
Ho3+ 5G6 440~450, 450~460
Dy3+ 6F11/26H9/26H11/2 1120~1200 1240~13001500~1630, 1680~1740
Pr3+ 1D23F43F3 585~6501345~14251500~1560
Nd3+ 2H9/2, 4F5/24F3/2 800~840900~940
Sm3+ 6F9/26H15/26F3/2 1040~10701400~14401470~1520
V 510~610, 910~1030, 1100~1290
Cr 600~750
Cr3+ 570~630, 690~800
Mn 330~390, 500~700
Fe 500~720, 1670~2000
Fe2+ 650~1000, 1300~2000
Co 320~400, 400~500, 700~770, 1000~1200, 1300~1600
Ni 1100~1600
Ni2+ 420~520, 650~750
Cu 250~320
Cu2+ 500~720
Bi, Pb, Tl, W 400~1200
Au, Cu 나노입자 320~650
Ag 나노입자 300~550
Si, Ge, Ti, Sn 나노입자 500~1200
CdS, CdSe, CdTe 나노입자 410~880
PbS, PbSe, PbTe 나노입자 440~3100
ZnS, ZnSe, ZnTe 나노입자 300~540
표1 은 인테러게이션에 적용이 가능한 바람직한 구간을 나타내며, 여기에 국한되지 않고 자외선, 가시광선, 및 적외선 파장영역에서 사용할 수 있다. 그리고 광섬유 소재의 기본 조성에 따라서 인테러게이션에 사용할 수 있는 파장 범위는 소정의 범위만큼 변화할 수 있다.
하기에서는 실시예에 따른 인테러게이션 광섬유의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. 하기의 광섬유 제조방법을 사용하여 광흡수 특성이 일정하고 재현성이 매우 높은 인테러게이션 광섬유를 제조할 수 있다.
유리를 기본조성으로 하는 인테러게이션 광섬유는 MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), VAD (Vapor Axial Deposition), OVD (Outside Vapor Deposition), PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition), FCVD (Furnace Chemical Vapor Deposition) 와 같은 기상증착공정(Chemical Vapor Deposition) 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 인테러게이션 광섬유는 솔젤법(Solgel method), 이중도가니법(double crucible method), 용융법(Glass melting method) 등의 제조방법을 사용하여 제조될 수 있다. 상기 특정의 광흡수 특성을 유도하는 물질을 첨가 위하여 광섬유 제조공정 중에 용액첨가법(Solution doping method), 에어로졸법(Aerosol method), 그리고 Heated frit, Heated source, Heated source injector, Chelate delivery 등의 제조방법을 사용할 수 있다.
찰코지나이드 또는 플루라이드 유리를 기본조성으로 하는 인테러게이션 광섬유의 경우 이중도가니법(double crucible method), 용융법(Glass melting method), 또는 기상증착공정(Chemical vapor deposition process) 을 사용하여 제작할 수 있다.
실리카 유리를 기본조성으로 하는 인테러게이션 광섬유의 경우 MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition Process), VAD(Vapor Axial Deposition), OVD(Outside Vapor Deposition), PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition), FCVD (Furnace Chemical Vapor Deposition)와 같은 기상증착공정(Chemical vapor deposition process), 또는 솔젤법(Solgel method)을 사용하여 제작할 수 있다.
특히, 기상증착공정(Chemical vapor deposition process), 또는 솔젤법(Solgel method)을 사용하여 실리카 광섬유를 제조하는 경우, 인테러게이션 광섬유에 첨가되는 물질의 농도를 정밀하게 조정할 수 있어 광섬유센서 시스템용 측정부에서 필요로 하는 광특성을 보다 용이하게 제어할 수 있으며, 따라서 재현성이 매우 우수한 특성을 갖는 인테러게이션 광섬유를 제조하는 것이 가능하다.
고분자를 기본조성으로 하는 인테러게이션 광섬유는 중합법(polymerization method), 사출법(Extrusion method), 기상증착공정(Chemical vapor deposition process) 등을 사용하여 제조할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 톨륨(Thulium, Tm3+)이 첨가된 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성을 나타낸 도면이다. 우선 실시예에 사용되는 인테러게이션 광섬유는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 광섬유 생산 공정 중에 원료가스와 함께 특정의 광흡수 특성을 유도하는 물질을 첨가하여 제조하였다.
MCVD 공정을 사용하여 광섬유를 제조하는 방법을 좀 더 자세히 설명하면, SiCl4, GeCl4, POCl3, CF4 등의 원료가스를 사용하여 실리카튜브 내에 소결된 클래딩층을 증착하고 이어서 부분 소결되어 미세공극을 가진 가루(soot) 형태의 코어층을 증착한다. 그리고 용액첨가법(Solution doping method)을 사용하여 특정의 광흡수특성을 유도하는 물질을 에탄올이나 물 등에 녹여 용액을 만들고, 이를 상기 코어층을 일정시간 동안 침잠시킨 후 다시 제거한다. 용액을 제거한 후에도 일정량의 용액은 코어층의 미세공극 사이에 잔류하게 되고 이러한 잔류용액 내에 남아 있는 물질이 코어에 첨가한다.
최종적으로 건조(drying), 소결(sintering) 및 응축(collapsing) 과정을 거쳐 광섬유모재를 만들고 이것을 다시 광섬유 인출공정을 거쳐 광섬유로 제작한다. 실시예에서는 수화(hydrous)타입의 0.05M TmCl3 및 0.3M AlCl3을 물에 녹여 용액첨가법으로 톨륨이 코어에 첨가된 광섬유를 제작하였다.
톨륨과 같이 희토류원소가 첨가된 광섬유는 이온의 양을 정밀하게 조정하는 것이 가능하여, 측정부에서 측정하고자 하는 광특성을 용이하게 제어할 수 있으며, 동일한 특성을 갖는 인테러게이션 광섬유를 제조하는 것이 가능하여 공정 상의 재현성이 우수한 방법이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 톨륨(Tm3+)을 첨가하여 만든 인테러게이션 광섬유의 파장의 따른 광흡수 계수를 나타내는 그래프를 살펴보면, 800nm 및 1200㎚ 근방의 파장에서 광흡수가 크게 일어나는 구간이 존재하며, 1500-1563㎚ 범위의 파장에서 A구간과 같이 매우 선형적인 기울기의 광흡수 특성을 갖는 구간이 존재함을 확인할 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 어븀((Erbium, Er3+)이 첨가된 인테러게이션 광섬유의 파장에 따른 광흡수 특성을 나타낸 도면이다. 실시예에 사용되는 상기 인테러게이션용 광섬유는 MCVD 공정을 이용하는 광섬유소재 제조공정 중에 상기 광흡수 특성을 유도하는 물질을 첨가하여 제조하였다. 그래프를 살펴보면, 대략 955-972 nm, 990-1008nm 범위에서 파장에 따른 선형적인 광흡수 특성을 갖는 구간이 존재하며, 특히 1453-1482nm 및 1550-1567㎚ 범위에서 파장에 따른 매우 선형적인 광흡수 특성을 갖는 구간이 존재함을 확인할 수 있으며, 이러한 특성을 광섬유센서 시스템용 인테러게이션 광섬유 제작에 사용할 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 바나듐(Vanadium, V)이 첨가된 인테러게이션 광섬유 소재의 파장에 따른 광흡수 특성을 나타낸 도면이다. 실시예에 사용되는 상기 인테러게이션용 광섬유 소재는 유리용융법 및 성형법을 이용하는 광섬유 소재 제조공정 중에 상기 광흡수 특성을 유도하는 물질을 첨가하여 제조하였다. 주요 성분으로 SiO2, P2O5, 및 V2O5 가 포함된 산화물 유리를 유리용융법을 사용하여 용융온도 1000~1500oC 에서 제작하였다. 용융 후 코어 및 클래드 구조를 가진 광섬유모재를 제작하기 위하여 이에 적합하게 설계된 봉 및 튜브형 몰드에 용융유리를 붓고 일정시간 동안 열처리한 후 몰드를 분리하여 봉 및 튜브 형태의 광섬유 모재로 제작하였으며, 이를 광섬유 인출공정을 거쳐 직경 120~130㎛ 인 광섬유로 제작한다. 광섬유 인출도중 결정화에 의한 광섬유 강도 저하 및 손실 증가를 방지하는 것이 중요하며, 이를 위하여 유리 조성 및 광섬유 인출온도를 적절히 조절한다. 그래프를 살펴보면, 대략 535-590nm 범위에서 파장에 따른 선형적인 광흡수 특성을 갖는 구간이 존재하며, 특히 910~1030 및 1100~1290㎚ 범위에서 파장에 따른 매우 선형적인 광흡수 특성을 갖는 구간이 존재함을 확인할 수 있으며, 이러한 특성을 광섬유센서 시스템용 인테러게이션 광섬유 제작에 사용할 수 있다.
도 8a는 다른 실시예에 따른 Au 나노입자가 첨가된 인테러게이션 광섬유 소재의 파장에 따른 광흡수 특성을 나타낸 도면이며, 도 8b는 도 8a의 Au 나노입자가 첨가된 인테러게이션 광섬유에서 매우 선형적인 특성을 보이는 570~595nm 부근의 광흡수 스펙트럼을 확대하여 나타낸 도면이다. 실시예에 사용되는 상기 인테러게이션용 광섬유 소재는 솔젤법을 이용한 광섬유 소재 제조공정 중에 상기 광흡수 특성을 유도하는 물질을 첨가하여 제조하였다. 원료물질로서 유리의 기지 조성인 실리카의 원료가 되는 Si(OC2H5)4 또는 Si(OCH3)4 와 함께 C2H5OH 및 Au 나노 입자의 원료가 되는 HAuCl4-4H2O를 사용하였다. 상기 원료물질과 함께 유리화를 유도하는 촉매제를 사용하고 가수분해 및 중합과정을 포함하는 유리화 과정을 거쳐 광섬유용 유리 모재를 제작하였다. 또한, 봉 및 튜브형태의 광섬유용 유리 모재 제조에 적합하도록 테프론 등 플라스틱 재질로 만들어진 몰드 내에서 상기 유리화 과정이 일어 나도록 하였다. Au 나노입자 형성을 위해서는 광섬유 인출과정 중에 나노 입자가 형성되도록 인출온도 및 인출속도를 적절히 조절하거나 광섬유 인출 후 광섬유 열처리과정을 거친다.
도 8a의 그래프를 살펴보면, 대략 325~340nm, 510~535nm, 그리고 570~595㎚ 범위에서 파장에 따른 선형적인 광흡수 특성을 갖는 구간이 존재함을 확인할 수 있으며, 도8b를 참조하면, 특히 570~595nm 부근에서 매우 선형적인 광흡수 특성을 가짐을 확인할 수 있다. 이러한 특성을 광섬유센서 시스템용 인테러게이션 광섬유 제작에 사용할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 PbS 나노입자가 첨가된 인테러게이션 광섬유 소재의 파장에 따른 광흡수 특성을 나타낸 도면이다. 실시예에 사용되는 상기 인테러게이션용 광섬유 소재는 유리용융법 및 성형법을 이용하는 광섬유 소재 제조공정 중에 상기 광흡수 특성을 유도하는 물질을 첨가하여 제조하였다. 또한, PbS 나노입자가 첨가된 인테러게이션 광섬유는 기상증착공정 및 솔젤법을 사용하여 제작할 수 있다. 그래프를 살펴보면, 대략 600~900nm 및 1150~1250nm에 이르는 매우 광대역의 파장 범위에서 파장에 따른 선형적인 광흡수 특성을 갖는 구간이 존재함을 확인할 수 있으며, 이러한 특성을 광섬유센서 시스템용 인테러게이션 광섬유 제작에 사용할 수 있다.
하기에서는 실시예의 인테러게이션 광섬유를 통과하는 신호광의 세기 변화에 대해서 설명한다. 인테러게이션 광섬유를 통과한 후의 신호광의 세기(I)를 인테러게이션 광섬유를 통과하기 전의 신호광의 세기(I0)에 대한 광세기의 비, R=10log(I/I0), 를 계산하여 파장에 따른 신호광의 광세기 변화를 확인할 수 있다.
여기서, 인테러게이션 광섬유를 통과하기 전의 신호광의 세기(I0)는 기준광의 광세기에 해당하며 제1감지부(33)에 의하여 측정되고, 인테러게이션 광섬유를 통과한 후의 신호광의 광세기(I) 는 제2감지부(34)에서 측정된다.
도 10은 도 2의 A 영역에서 길이가 약 10cm인 톨륨(Tm3+)이 첨가된 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기 변화를 1500㎚이상의 파장 중에서 일부 구간에 대해 나타낸 도면이다. 즉, 도 5에서 확인하였듯이 톨륨이 첨가된 인테러게이션 광섬유는 해당 구간의 서로 다른 파장에 대해 선형적으로 의존하는 특정한 광흡수율을 가지기 때문에 이를 통과한 신호광의 광세기 또한 선형적으로 변하게 됨을 도 10에서도 확인할 수 있다. 도 5 및 도 10을 통해 인테러게이션 광섬유의 파장에 대한 광흡수율이 선형적인 구간은 25㎚ 내지 50㎚ 이상 확보할 수 있으며, 실시예는 이 구간에 대해 이동하는 신호광의 파장 변화를 검출할 수 있음을 보여준다. 하기에서 인테러게이션 광섬유를 통해 변화하는 파장 및 이로부터 외부에서 인가된 물리량을 검출하는 방법에 대해 좀 더 자세히 알아보기로 한다.
도 10과 함께 설명된 상기 톨륨이 첨가된 인테러게이션 광섬유를 이용한 실시예에서 파장(λ)에 따른 상기 광세기 비(R)를 나타내는 분석 함수는 다음 (수학식 1) 과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2015006394-appb-M000001
따라서, 광세기 비(R)를 계산하면 (식 1) 에 의하여 신호광의 파장(λ)을 검출할 수 있다. 또한, 광세기 비(R)와 파장(λ)과의 관계식을 다음 (수학식 2)와 같이 일반화할 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2015006394-appb-M000002
여기서 a 와 b 는 계수로서 인테러게이션 광섬유의 파장에 따른 광흡수 특성에 의하여 결정되는 계수이다.
그리고 센싱부에서 발생하는 신호광의 파장(λ)이 외부에서 센싱부에 인가된 물리량(M)에 대하여 선형적으로 변하여 이동한다면, 파장(λ)과 물리량(M) 사이의 관계식은 다음과 같이 주어질 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2015006394-appb-M000003
여기서 c 와 d 는 계수로서 물리량이 가해진 센싱부 소자의 민감도 특성에 의하여 결정되는 특성 계수이다.
(수학식 2)와 (수학식 3)을 서로 결합하면 결합하면 최종적으로 다음과 같이 식이 정리된다.
수학식 4
Figure PCTKR2015006394-appb-M000004
여기서 특성 계수는 p=a×c, q=a×c+d 로 주어진다. 따라서, 최종적으로 (수학식 4) 에 의하여, 측정된 광세기 비(R) 로부터 물리량(M) 을 도출할 수가 있다.
또한, 상기 관계식 (수학식 2) 와 (수학식 3)에서는 인테러게이션 광섬유 및 센싱부 소자가 신호광의 파장 및 물리량의 변화에 대하여 각각 선형적인 1차함수 특성을 갖는 경우를 상정하여 설명을 하였으나, 2차 함수 등 다른 단조변화 함수 형태의 특성을 갖는 경우에도 물리량을 도출하는 과정은 동일하다. 즉, 상기 식(2)와 식(3)은 일부 형태가 변할 수 있으나, 신호광의 세기 즉, 광세기 비(R)로부터 신호광의 파장(λ)을 검출하고 이로부터 물리량(M)을 검출하는 기본 개념은 변하지 않는다. 여기서 다른 단조변화 함수란 지수함수, 로그함수, 다항함수 등과 같이 함수값이 일부 또는 전체 구간에서 계속적인 증가 또는 계속적인 감소를 하는 단조함수(monotonic function) 특성을 나타내는 함수를 나타내며, 특히 일부 구간에서 1차 함수 형태의 특성을 갖게 된다.
신호분석의 정확도를 높이고 분석의 용이성을 증가시키기 위하여 바람직하게는 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성이 단조적으로 변하는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성이 파장에 따라 선형적인 것이 신호분석을 정확하고 용이하게 한다. 여기서, 흡수 특성이 선형적인 구간은 로그 스케일 (log scale) 또는 선형 스케일 (linear scale) 단위에서 선형적인 구간을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 도 10에서는 로그 스케일에서 분석된 실시예를 사용하였으나, 선형 스케일에서도 (수학식 2)와 (수학식 3)을 적용하여 분석할 수 있다. 또한 경우에 따라서 신호분석의 정확도를 높이기 위하여, 분석할 파장구간을 여러 개로 나누어 각각의 단조변화 함수 형태를 갖는 분석함수를 사용하여 분석할 수 있다. 여기서, 분석을 위하여 여러 개로 나누어진 파장구간을 각각 1차 함수로 이루어진 분석함수를 사용하여 분석하는 것이 바람직하다.
도 18a 및 18b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서용 광특성 측정 장치 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템을 나타낸 도면이다. 도 4a 및 4b 에 따른 실시예와 각각 비교하면, 다른 부분은 동일하고 제1 광커플러(31)에 의하여 분배되어 제 2감지부(34)로 전달되는 신호광의 이동경로 상에 길이가 L1 인 제1 인테러게이션 광섬유(32-1)가 구비되고, 제1 광커플러(31)에 의하여 분배되어 제 1감지부(33)로 전달되는 기준광의 이동경로 상에 길이가 L2 인 제2 인테러게이션 광섬유(32-2)가 구비되는 것에 그 특징이 있다. 상기 제1 및 제2 인테러게이션 광섬유 (32-1, 32-2)에는 광흡수 기울기가 반대인 광섬유로 구성이 되는 것에 특징이 있으며, 광흡수 기울기를 서로 반대가 되도록 상호 교차시켜 물리량의 측정 민감도를 개선할 수 있다. 상기 실시예에 따른 세부적인 동작원리 및 구성에 대해서는 하기 실시예와 함께 상세히 설명하기로 한다.
도 19는 실시예에 따른 광흡수 기울기를 반대로 상호 교차시켜 측정 민감도를 증대시키기 위하여 어븀(Er3+)및 터븀(Tb3+)이 각각 첨가된 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성을 비교하여 나타낸 도면이다. 1530~1700nm 범위의 파장 구간에서 Er3+의 경우 음의 광흡수 기울기를 가진 반면 Tb3+의 경우 양의 광흡수 기울기를 갖는다. 따라서, 예시적으로 설명하자면 도 4a 및 4b와 같은 구조에서 제 2감지부(34)로 전달되는 신호광의 이동경로 상에 Er3+이 첨가된 인테러게이션 광섬유만을 사용하는 것보다 도 18a 및 18b와 같은 구조에서 제 1감지부(33) 및 제2감지부(34)로 전달되는 기준광 및 신호광의 이동경로상에 각각 Tb3+ 및 Er3+ 이 첨가된 인테러게이션 광섬유를 연결하여 광특성 측정 장치 및 광섬유 센서 시스템을 구성하는 것이 기울기의 상호 교차 특성에 의하여 측정 민감도를 증가시킬 수 있게 된다. 물론 연결되는 인테레게이션 광섬유 순서를 바꾸어 기준광 및 신호광의 이동경로상에 각각 Er3+ 및 Tb3+이 첨가된 인테러게이션 광섬유를 연결하여도 동일한 개선효과 얻을 수 있음을 통상의 지식을 가진 사람이라면 쉽게 이해할 수 있다.
표2는 본 발명의 실시예에 따라 광흡수 기울기를 서로 반대가 되도록 상호 교차시켜 물리량의 측정 민감도를 개선하기 위하여 인테러게이션 광섬유에 첨가할 수 있는 주요 첨가물질의 종류 및 구성, 그리고 그것에 따른 주요 인테러게이션용 파장 범위를 나타낸 것이다.
표 2
파장범위 (nm) 첨가물질 / 광흡수 기울기 부호 대응되는 첨가물질 / 광흡수 기울기 부호
1530~1600 Er3+ / negative Tm2+ 또는 Tm3+ / positive
1530~1700 Er3+ / negative Tb3+ / positive
955~1170 Yb3+ / negative Tm2+ 또는 Tm3+ / positive
1300~1600 Fe 또는 Fe2+ / negative Ni / positive
1300~1600 Fe 또는 Fe2+ / negative Co / positive
1200~1600 V / negative Ni / positive
1200~1600 V / negative Co / positive
도 11은 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자를 센싱부에 사용하고, 제2 광커플러로 써큘레이터(Circulator)를 사용한 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 12의 (a)는 도 11에서 B 지점에 인가되는 기준광의 스펙트럼 및 파장에 따른 광세기 분포를 나타낸 그래프이며, (b)는 도 11에서 C 지점에 인가되는 인테러게이션 광섬유에 의해 감쇄된 신호광의 스펙트럼 및 파장에 따른 광세기 분포를 나타낸 그래프이다.
도 11에 따른 실시예에서는 1530~1560 nm 파장범위에서 출력세기가 평탄한 광원, 상기 파장범위에서 삽입손실이 일정한 제2 광커플러(13), 그리고 상기 파장범위에서 커플링 비가 50:50으로 일정한 제1 광커플러(31)를 사용하였다.
도 11을 참조하면, 광원부(10)에서 출사된 입력광은 센싱부(20)의 광섬유 브래그 격자에서 반사되어 광커플러(31)를 통해 두 개의 광출력 라인으로 분리되고 한 쪽은 제 1 감지부 (33) 그리고 나머지 한 쪽은 인테러게이션 광섬유(32)를 지나 제 2 감지부(34)로 진행된다.
이어서 도 12를 참조하면, 외부 환경의 변화에 따라 광섬유 브래그 격자에서 반사되어 발생되는 광신호는 공진 파장이 변하게 되며, 도 10과 같은 광특성을 가진 인테러게이션 광섬유를 지난 후의 감쇄된 신호광의 광스펙트럼을 제 2 감지부(34) 에서 측정되는 광세기 기울기 그래프와 함께 도 12(b)에 나타내었다. 즉, 인테러게이션 광섬유의 광감쇄 크기는 파장에 따라 선형적으로 변화되므로 제 2 감지부(34) 에서 측정이 되는 광세기 또한 선형적으로 변하게 된다. 반면에 제 1감지부로 진행하는 기준광의 경우 인테러게이션 광섬유 (32)를 통과하지 않으므로 광 감쇄를 겪지 않고 도 12(a) 와 같이 일반적인 노이즈나 오차를 제외하면 파장에 의존하지 않는 일정한 광세기가 측정된다.
이어서 상기와 같은 제 1 감지부에서 측정된 기준광의 광세기와 제 2 감지부에서 측정된 감쇄된 신호광의 광세기를 비교하면 신호광의 파장을 도출할 수 있다. 따라서, 제 1 감지부(33) 및 제2 감지부(34)에서는 전달되는 광의 세기를 측정하고 상호 비교함으로써, 센싱부에 의해 발생된 신호광의 변화된 파장을 검출할 수 있고, 이를 통하여 최종적으로 변화된 물리량을 도출할 수 있다.
도 13 내지 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 11과 비교하면 도 13에 설명된 광섬유센서 시스템은 제 1광커플러가 없고 제2 광커플러(13)에 제1 감지부(33) 및 인테러게이션 광섬유(32)가 직접 연결되는 구조를 가지고 있으나, 나머지 광섬유센서 시스템 구조 및 물리량 측정방식은 도 11의 경우와 동일하다. 즉, 도 11의 경우에는 센싱부(20)에서 발생된 광신호를 제1 광커플러(31)에서 둘로 나누고 그 일부를 기준광으로 사용하는 반면, 도 13에서는 제2 광커플러(13)에 의하여 광원부(10)에서 전달된 입력광의 일부를 기준광으로 직접 받아 제1 감지부(33)에서 광세기를 측정한다. 기준광의 세기를 감쇄시키기 위하여 제1 감지부(33)의 이전에는 파장의존 특성이 없는 광 감쇄기(36)가 배치될 수 있다. 이러한 경우 제1 광커플러를 사용하지 않으므로 시스템 구조가 간단해 지며 및 제작 비용을 낮추게 되는 장점이 있다. 그 밖의 나머지 인테러게이션 광섬유(32)를 사용하는 측정부 구조, 광신호를 측정 및 분석하는 방법은 도 11와 함께 실명된 실시예와 동일하다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 11과 비교하여 설명하면, 도 14의 경우 광원부(10)에서 출력된 입력광이 제2 광커플러(13)의 사용없이 센싱부(20)에 바로 전달된다. 이어서, 센싱부(20)에서 발생된 광신호가 제1 광커플러(31)에 의하여 둘로 나뉘고, 그 일부는 기준광으로서 사용되어 제1 감지부(33)에 의하여 광세기가 측정되며 나머지 일부는 신호광으로 사용되어 인테러게이션 광섬유(32)를 통과하여 제2 감지부(34)에 의하여 측정된다. 인테러게이션 광섬유(32)를 사용하여 센싱부(20)에서 발생한 광신호를 측정 및 분석하기 위한 측정부(30) 구조 및 방법은 도 11에서 설명된 실시예와 동일하다.
도 11과 함께 설명된 센싱부(20)의 경우 광원부(10)에서 출력된 입력광의 진행 방향과 반대쪽으로 진행하는 광신호를 만드는 경우로서, 이러한 센싱부에 적합한 광소자로서 광섬유 브래그 격자(FBG), Stimulated Brilliouin scattering (SBS) 기반 광소자를 예로 들 수 있다. 반면에, 도 14에서 설명된 센싱부(20)의 경우 입력광의 진행 방향과 동일한 방향으로 광신호를 만드는 경우로서, 이러한 센싱부용 광소자에 적합한 광소자는 장주기 광섬유격자 (Long period fiber gating, LPFG), Fabry-Perot 필터, 라만 산란 (Raman scattering), Coherent anti-stokes Raman scattering (CARS), 그리고 Optical parametric generation, Sum frequency generation (DFG: SHG, THG), Difference frequency generation, FWM 과정 등을 이용한 광소자일 수 있다. 필요에 따라서는 도 14와 같이 센싱부(20) 주변에 광원부를 보호하기 위한 광 아이솔레이터(12) 및 센싱부에서 발생한 광신호만 통과시키는 대역통과 필터(16)를 사용할 수 있다.
도 15는 또 다른 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 상기 광섬유센서 시스템은 각기 다른 파장에서 동작하는 다수 개의 센싱부(20-1, 20-2, 20-3, ...)를 가지고 있어서 파장분할다중 (WDM) 측정 및 이를 이용한 분산형 센싱 시스템 분야에 사용될 수 있다. 도 15에 개시된 센서 시스템은 각기 다른 파장 (l1, l2, l3, ...)에서 동작하는 센싱부(20-1, 20-2, 20-3, ...), 제2 광커플러(13-1, 13-2, 13-3, ...), 측정부(30-1, 30-2, 30-3, ...) 쌍으로 구성이 된다. 보다 상세히 설명하면, 광원부(10)에서 만들어진 입력광이 제2 광커플러(13-1, 13-2, 13-3, ...)를 지나 센싱부(20-1, 20-2, 20-3, ...)에 전달되고 상기 각 센싱부에서는 각기 다른 공진파장 (l1, l2, l3, ...)에서 외부환경에 영향을 받은 광신호를 만들어 낸다. 또한, 각각의 제1 광커플러는 이에 대응하는 센싱부에서 발생하는 광신호만을 각각의 측정부(30-1, 30-2, 30-3, ...)로 전달하고 광신호를 감지 및 분석하게 된다. 여러 개의 파장을 측정에 사용하므로 도 15의 센서 시스템에 사용되는 광원부(10) 의 특성은 상기 모든 파장 (l1, l2, l3, ...)을 포괄하는 충분한 폭의 광밴드를 가지는 것이 바람직하다. 도 11에서 설명된 개별 광섬유센서 시스템을 다중측정이 가능하도록 여래 개 결합한 형태이나, 인테러게이션 광섬유를 사용하여 각 센싱부에서 발생한 광신호를 측정 및 분석하기 위한 기본적인 측정부의 구조 및 방법은 도 11에서 설명된 실시예와 동일하다.
도 16은 또 다른 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 상기 광섬유센서 시스템은 서로 일정한 거리(L1, L2, L3, ...)를 두고 구성되는 다수 개의 센싱부(20-4, 20-5, 20-6, ...)를 가지고 있어서 시간분할 다중 (TDM) 측정 및 이를 이용한 분산형 센싱 시스템 분야에 사용될 수 있다. 각 센싱부에서 만들어진 광신호는 측정부(30)에 도달하여 감지되기까지 서로 다른 길이의 광경로를 지나게 되므로 각기 다른 시간 간격으로 측정되어 이를 이용하여 각 센싱부에서 감지되는 물리량을 서로 구분하여 측정할 수 있다.
이를 위하여 도 16의 광원부(10)는 펄스형으로 구동되는 광원인 것이 바람직하고, 감지부(33, 34)는 이를 측정할 수 있도록 구성한다. 도 11에서 설명된 개별 광섬유센서 시스템의 센싱부를 다중측정이 가능하도록 여래 개 결합한 형태이나, 인테러게이션 광섬유를 사용하여 각 센싱부에서 발생한 광신호를 측정 및 분석하기 위한 기본적인 측정부의 구조 및 방법은 도 11에서 설명된 실시예와 동일하다.
도 20은 또 다른 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도15에 나타낸 센서 시스템처럼 상기 광섬유센서 시스템은 각기 다른 파장에서 동작하는 다수 개의 센싱부(20-1, 20-2, 20-3, ...)를 가지고 있어서 파장분할다중 (WDM) 측정 및 이를 이용한 분산형 센싱 시스템 분야에 사용될 수 있다. 상기 센서 시스템은 각기 다른 파장 (l1, l2, l3, ...)에서 동작하는 센싱부(20-1, 20-2, 20-3, ...) 및 측정부(30-1, 30-2, 30-3, ...) 쌍으로 구성이 된다.
도 15에 나타낸 센서 시스템과 다른 점은, 센싱부에서 발생한 신호광을 분배하기 위하여 다수개의 제2 광커플러를 사용하는 대신 제2 광커플러(13) 및 파장분할소자(37)를 사용한다는 점이다. 상기 파장분할소자(37) 로는 어레이 도파로 격자(arrayed waveguide grating, AWG), 평판형 에첼 격자(planar Echelle grating), 공간 헤테로다인 분광소자(spatial heterodyne spectrometer)등을 사용할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 광원부(10)에서 만들어진 입력광이 제2 광커플러(13)를 지나 센싱부(20-1, 20-2, 20-3, ...)에 전달되고 상기 각 센싱부에서는 각기 다른 공진파장 (l1, l2, l3, ...)에서 외부환경에 영향을 받은 광신호를 만들어 낸다.
이어서, 파장분할소자(37)에 의하여 다수개의 센싱부에서 발생하는 광신호는 파장에 따라 각기 대응되는 측정부(30-1, 30-2, 30-3, ...)로 전달하고 광신호를 감지 및 분석하게 된다. 도 20에 개시된 센서 시스템의 경우 도15에 개시된 것과 비교하여 시스템 크기를 소형화 할 수 있는 장점이 있다. 도 20에서 설명된 파장분할다중화에 따른 광섬유센서 시스템의 경우에도 도 15의 경우와 마찬가지로 인테러게이션 광섬유를 사용하여 각 센싱부에서 발생한 광신호를 측정 및 분석하는 기본적인 측정부의 구조 및 방법은 도 11과 함께 설명된 실시예와 동일하다.
도 11과 함께 개시된 실시예와 비교하여 설명하면, 도 21에 설명된 광섬유센서 시스템은 도 11의 두 개의 감지부(33, 34) 대신에 한 개의 감지부(33) 및 광스위치(38) 로 구성되어 있다는 점이 다르며, 나머지 시스템 구조 및 물리량 측정방식은 도 11의 경우와 비슷하다. 광원부(10)의 입력광을 전달 받아 센싱부(20)에서 발생한 신호광이 제2 광커플러(13) 및 제 1 광커플러(31)를 거쳐 B 및 C 지점까지 각각 기준광 및 감쇄된 신호광이 도달하게 된다.
이어서 광스위치(38)에 의하여 일정 시간 주기로 기준광 및 감쇄된 신호광의 광세기가 공통의 감지부(33)에 의하여 측정되며 분석부(35) 에서 일정 간격으로 측정된 상기 기존광 및 감쇄된 신호광의 세기를 비교하므로써 물리량을 산출하게 된다. 필요에 따라 도 4b 및 13처럼 기준광 또는 신호광의 세기를 감쇄시키기 위하여 제2 광커플러에서 감지부(33)에 이르는 광경로상에 광 감쇄기(36)가 배치될 수 있다. 도 21에 설명된 방법을 이용하면, 도 15 및 20에서 파장 분할 다중화로 인하여 필요하게 된 다수개의 광커플러 및 감지부의 수를 현저히 줄일 수 있어 센서 시스템 구성 비용을 낮추게 되는 장점이 있다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4b 및 도 11과 비교하여 설명하면, 도 22의 경우에는 신호광을 만드는 센싱부(20-7)가 제 2광커플러(13)와 광섬유로 연결되어 있지 않고 기체 또는 액체로 이루어진 일정 간격의 자유공간(40)을 사이에 두고 떨어져 형성되어 있다.
보다 상세히 설명하면, 도 22에 개시된 센서시스템의 경우 광원부(10)에서 출력된 입력광이 제2 광커플러(13) 를 지나 여기에 연결된 송수신용 광소자(39)를 통하여 센싱부(20-7) 쪽으로 출사된다. 이어서 입력광이 일정 간격의 자유공간(40)을 지나 센싱부(20-7)에 도달하고 여기에서 신호광이 만들어 진다. 만들어진 상기 신호광은 다시 자유공간(40)을 지나 송수신용 광소자(39)를 거쳐 제2 광커플러에 도달하게 되고 여기에 연결된 제1 광커플러(31)를 의하여 둘로 나뉘고, 그 일부는 기준광으로서 사용되어 제1 감지부(33)에 의하여 광세기가 측정되며 나머지 일부는 신호광으로 사용되어 인테러게이션 광섬유(32)를 통과하여 제2 감지부(34)에 의하여 측정된다.
인테러게이션 광섬유(32)를 사용하여 센싱부(20-7)에서 발생한 광신호를 측정 및 분석하기 위한 측정부(30) 구조 및 방법은 도 4b 및 도 11에서 설명된 실시예와 동일하다. 또한 기준광을 얻는 방법으로 도 4b 및 도 11에서 제시된 구조 대신에 도 13에서 설명된 센서 시스템 구조를 이용할 수 있다. 도 22에서 상기 송수신용 광소자(39)는 입력광을 센싱부(20-7)로 보내는 출력부 기능과 센싱부(20-7)에서 발생한 신호광을 받아 제2 광커플러(13) 쪽으로 전달하는 수광부 기능을 동시에 하는 것으로 단일개 내지 복수개의 광학 렌즈로 이루어질 수 있다. 또한 상기 송수신용 광소자(39)는 GRIN 렌즈 또는 코어 확장형 (Thermally expended core, TEC) 광섬유 소자 등으로 이루어진 광섬유형 콜리메이터(collimator) 일 수 있다. 또한, 상기 송수신용 광소자(39)는 출력 및 수광 효율을 증대시키기 위하여 출력되는 입력광의 직경을 확장시키는 기능을 가질 수 있다.
또한 상기 센싱부(20-7)의 부피가 클 경우 상기 송수신용 광소자(39)는 센싱부(20-7)로 향하는 입력광의 방향을 바꾸어 주는 스캔 기능을 가질 수 있다. 또한, 도 11과 같이 광원부(10)를 보호하기 위한 광 아이솔레이터(12) 그리고 도 14와 같이 센싱부에서 발생한 광신호만 통과시키는 대역통과 필터(16)를 광경로 상에 사용할 수 있다. 상기 센싱부(20-7)에서 발생되는 신호광은 Rayleigh 산란, Mie 산란, Raman 산란, 브릴루앙 산란, 그리고 도플러 효과 등에 따른 광신호일 수 있다. 상기 센싱부(20-7)는 대기 및 해양과 같은 유체 물질일 수 있다. 이러한 유체 물질 내에 분포된 황사, 미세먼지, 에어로졸(aerosol), 그리고 플랑크톤과 같은 미세 물질의 특성에 의하여 상기 신호광의 중심파장과 같은 광특성이 변화할 수 있으며, 이러한 신호광의 특성 변화를 광섬유센서 시스템을 이용하여 측정하므로써 상기 센싱부(20-7)의 특성 변화, 예를 들어 대기 및 해양의 흐름 그리고 유체 물질 내에 있는 상기 미세물질의 분포 특성을 분석할 수 있다.
또 다른 실시예로써 도 4a, 4b, 11, 13, 14, 16, 18a, 18b, 19, 21 에서 설명한 광섬유 센서 시스템 구조와 도 15 및 20에서 설명한 파장분할 다중 구조와 도 16에서 설명한 시간분할 다중 구조를 복합적으로 결합하여 광섬유센서 시스템을 구성할 수 있다.
즉, 실시예의 광특성 측정장치 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템은 종래에 비해, 보다 간편하게 인테러게이션 광섬유를 연결하여 구성되는 구조로서, 측정부가 내부 부품에 대한 광정렬이 필요하지 않고 진동, 압력, 온도 등 외부 환경의 영향을 받지 않는 특성을 가지고 있다. 또한, 구조적으로 단순하고 시스템 제작이 용이하여 제조단가를 현저히 낮출 수 있으며, 또한 본 발명에 따른 광섬유 센서 시스템은 상기 실시예에서 설명한 기본적인 측정구조 및 원리를 이용하면 상기 실시예에서 설명한 구성 이외에도 여러 가지 구조로서 제작이 가능하다.
도 17은 본 발명의 여러 가지 실시예에 따른 광섬유센서 시스템을 이용하여 광특성을 측정하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 17을 참조하여, 실시예에 따른 광특성 측정 방법에 대해 살펴본다.
우선, 광원부에서는 소정의 파장을 갖는 입력광을 센싱부로 출사한다. 상기 센싱부는 광섬유 브래그 격자를 포함하여 여러 가지 광소자로 구성할 수 있으며 센싱부 광소자에 의하여 광원에서 전달된 입력광으로부터 신호광(광신호)이 만들어지게 된다. 이어서 외부 환경의 변화, 즉 센싱부에 인가된 물리량 변화 (S1)에 의해 센싱부가 영향을 받게 되고 그에 따라 센싱부에서 발생된 신호광의 중심파장이 이동(S2)하게 된다.
센싱부에 인가된 물리량에 따라 이동된 신호광의 파장을 측정하기 위해서 신호광의 일부를 측정부에 구비된 측정부 광섬유인 인테러게이션 광섬유로 진행시킨다. 상기 인테러게이션 광섬유는 광흡수 특성이 파장에 따라 선형적으로 나타나므로 신호광이 이를 통과하게 되면 상기 신호광의 파장에 따라 다르게 광세기가 변화된다 (S3). 이어서 인테러게이션을 통과하여 파장에 따라 다른 감쇄를 겪은 신호광의 광세기와 이와 동시에 인테러게이션 광섬유를 지나지 않는 기준광의 광세기가 감지부에서 측정(S4)된다.
감지부에서 측정한 기준광과 신호광의 광세기를 비교하여 분석부에서 신호광의 파장을 도출할 수 있으며, 최종적으로 도출된 신호광의 파장으로부터 온도, 스트레인 (변형), 구부림 (bending), 비틀림 (torsion), 압력, 굴절률, 농도 등 외부 환경 변화에 의해서 센싱부에 인가된 물리량을 도출(S5)할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 광소자용 광특성 분석을 위한 광섬유 센서에 적용될 수 있으므로, 산업적 이용가능성이 있다.

Claims (29)

  1. 광섬유 센서 시스템의 센서에서 발생된 광신호를 측정 및 분석하기 위한 측정부를 구성하는 광특성 측정 장치로서,
    상기 센서에서 전달되는 신호광을 두개의 광경로로 분배하는 제1 광커플러;
    상기 신호광이 이동하는 일측 광경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber); 및
    상기 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기 및 상기 제1 광커플러에 의하여 다른 일측 광경로로 전달되는 기준광의 광세기를 검출하는 감지부;를 포함하고,
    상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수 특성이 선형적으로 나타나며, 상기 감지부를 통하여 검출된 신호광과 기준광의 광세기를 비교하여 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 광특성 측정 장치.
  2. 광섬유 센서 시스템의 센서에서 발생된 광신호를 측정 및 분석하기 위한 측정부를 구성하는 광특성 측정 장치로서,
    상기 센서에서 전달되는 신호광을 두개의 광경로로 분배하는 제1 광커플러;
    상기 신호광이 이동하는 각 광경로에 마련된 제1 및 제2 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber); 및
    상기 제1 및 제2 인테러게이션 광섬유를 통과한 기준광 및 신호광의 광세기를 검출하는 제1 및 제2 감지부;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수 특성이 선형적으로 나타나며, 상기 제1 인테러게이션과 제2 인테러게이션 광섬유의 광흡수 기울기는 서로 반대인 광섬유로 구성되며, 상기 감지부를 통하여 검출된 기준광 및 신호광의 광세기를 비교하여 센싱부에 인가된 물리량의 민감도를 도출하는 광특성 측정 장치.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 구간에서 광흡수 특성이 선형적인 구간을 가지는 광섬유로, 광섬유 생산 공정에서 소정의 광흡수 특성을 갖는 물질이 첨가된 것을 특징으로 하는 광특성 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성은 상기 소정의 파장구간에서 선형적인 광흡수 특성을 갖는 물질의 양을 조절하거나, 상기 인테러게이션 광섬유의 길이를 조절하여 광흡수 세기 및 기울기를 변경할 수 있는 광특성 측정 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 소정의 파장구간에서 선형적인 광흡수 특성을 갖는 물질은 희토류 원소, 전이금속 원소 및 나노입자로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 광특성 측정 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 인테러게이션 광섬유는 각각 소정의 파장구간에서 광흡수 특성을 갖는 물질이 첨가된 두 종 이상의 광섬유를 직렬로 연결하여 인테러게이션 광섬유의 광흡수 분포, 광흡수 세기, 및 광흡수 기울기를 변경하는 것을 특징으로 하는 광특성 측정 장치.
  7. 소정 파장의 입력광을 출사시키는 광원부;
    인가된 물리량에 의해 광특성이 변하는 센서에 의해 상기 입력광을 받아 신호광을 발생시키는 센싱부;
    상기 센싱부로부터 전달된 신호광을 통해 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 측정부; 및
    상기 광원부에서 나오는 입력광을 센싱부로 전달하고, 상기 센싱부에서 발생된 신호광을 측정부로 분배하기 위한 제2 광커플러를 포함하고,
    상기 측정부는
    상기 신호광을 두개의 광경로로 분배하는 제1 광커플러와,
    상기 신호광이 이동하는 일측 광경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber)와,
    상기 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기 및 상기 제1 광커플러에 의하여 다른 일측 광경로로 전달되는 기준광의 광세기를 검출하는 감지부를 포함하고,
    상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수가 선형적으로 나타나며, 상기 감지부를 통하여 검출된 신호광과 기준광의 광세기를 비교하여 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 광섬유 센서 시스템.
  8. 소정 파장의 입력광을 출사시키는 광원부;
    인가된 물리량에 의해 광특성이 변하는 센서에 의해 상기 입력광을 받아 신호광을 발생시키는 센싱부;
    상기 센싱부로부터 전달된 신호광을 통해 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 측정부; 및
    상기 광원부에서 나오는 입력광을 센싱부로 전달하고, 상기 센싱부에서 발생된 신호광을 측정부로 분배하기 위한 제2 광커플러를 포함하고,
    상기 측정부는
    상기 센서에서 전달되는 신호광을 두개의 광경로로 분배하는 제1 광커플러;
    상기 신호광이 이동하는 각 광경로에 마련된 제1 및 제2 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber); 및
    상기 제1 및 제2 인테러게이션 광섬유를 통과한 기준광 및 신호광의 광세기를 검출하는 제1 및 제2 감지부;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수 특성이 선형적으로 나타나며, 상기 제1 인테러게이션과 제2 인테러게이션 광섬유의 광흡수 기울기는 서로 반대인 광섬유로 구성되며, 상기 감지부를 통하여 검출된 기준광 및 신호광의 광세기를 비교하여 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 광섬유 센서 시스템.
  9. 제 7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 인테러게이션 광섬유는 광섬유 생산 공정에서 상기 소정의 파장구간에서 선형적인 광흡수 특성을 갖는 물질이 광섬유에 첨가된 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 인테러게이션 광섬유의 광흡수 특성은 상기 소정의 파장구간에서 선형적인 광흡수 특성을 갖는 물질의 양을 조절하거나, 상기 인테러게이션 광섬유의 길이를 조절하여 광흡수 세기 및 기울기를 변경할 수 있는 광섬유 센서 시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 소정의 파장구간에서 선형적인 광흡수 특성을 갖는 물질은 희토류 원소, 전이금속 원소 및 나노입자로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 희토류 원소 및 전이금속 원소는 Tm, Er, Pr, Nd, Sm, Tb, Dy, Ho, Yb, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, Tl, Pb, Bi 에서 선택되고, 상기 나노입자는 Ag, Au, Cu, Si, Ge, Ti, Sn, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 희토류 원소, 전이금속 원소 및 나노입자를 인테러게이션 광섬유에 첨가하여 선형적인 광흡수 특성을 갖는 전체 또는 일부 파장구간을 이용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 광섬유 생산 공정은 MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition Process), VAD (Vapor Axial Deposition), OVD (Outside Vapor Deposition), PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition), FCVD (Furnace Chemical Vapor Deposition), 솔젤법(Solgel method), 용융법 (Glass melting method), 이중도가니법 (double crucible method), 용액첨가법(Solution doping method), 에어로졸법(Aerosol method) 을 사용하여 상기 인테러게이션 광섬유가 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
  15. 제 7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 광원부는 레이저 다이오드(Laser Diode), 슈퍼루미네슨트 다이오드(Super Luminescent Diode), Light emitting diode (LED), Semiconductor optical amplifier (SOA) 기반 광원, Tunable laser source, Sweeping source, Broad band source, White light source, Solid state laser, Gas laser, Dye laser 에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
  16. 제 7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 센싱부에 구비되는 센서는 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg grating), 장주기 광섬유 격자(Long period fiber grating), 페브리-페로(Fabry-Perot)필터, 브릴루앙 산란(Brilliouin scattering), 라만 산란(Raman scattering), 미산란(Mie scattering) 그리고 광매개발생(Optical parametric generation), 합주파수발생(Sum frequency generation, SHG, THG), 차주파수발생(Difference frequency generation), 사광파혼합(Four wave mixing, FWM) 와 같은 비선형 과정을 기반으로 한 센서인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
  17. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 제1 광커플러에 의해 분배되는 기준광의 신호를 감지하는 제1 감지부와, 상기 제1 광커플러에 의해 분배되는 신호광을 감지하는 제2 감지부로 구성되는 광섬유 센서 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 감지부와 연결되는 분석부를 더 포함하며, 상기 분석부는 상기 제1 감지부에서 도출된 기준광과 상기 제2 감지부에서 도출된 신호광의 광세기를 비교하고, 기준광과 신호광의 광세기 비를 1차 함수로 분석하여 변화된 물리량을 도출하는 광섬유 센서 시스템.
  19. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 광원부와 상기 제2 광커플러 사이에는 진행하는 광이 역방향으로 반사되는 것을 방지하기 위한 광 아이솔레이터가 구비되는 광섬유 센서 시스템.
  20. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 센싱부 및 상기 측정부는 복수 개로 구성되며 상기 제2 광커플러와 상기 제1 광커플러 사이에 파장분할소자가 구비되고, 상기 복수 개의 센싱부에서 전달된 신호광은 파장에 따라 나누어진 후에 복수 개의 측정부로 전달되는 광섬유 센서 시스템.
  21. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 제1 광커플러와 상기 감지부 사이에는 광스위치가 구비되며, 상기 기준광과 상기 인테러광섬유를 통과한 신호광의 광세기는 한 개의 감지부로 측정되는 광섬유 센서 시스템.
  22. 소정 파장의 입력광을 출사시키는 광원부;
    인가된 물리량에 의해 광특성이 변하며 신호광을 발생시키는 센싱부; 및
    상기 센싱부로부터 전달된 신호광을 통해 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 측정부; 를 포함하고,
    상기 측정부는
    상기 광원부에서 전달된 입력광의 일부를 기준광으로 설정하여 이를 전달하는 광커플러와,
    상기 신호광이 이동하는 경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber)와,
    상기 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기 및 상기 기준광의 세기를 검출하는 감지부를 포함하고,
    상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수가 선형적으로 나타나며, 상기 감지부를 통하여 검출된 광세기를 통해 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 광섬유 센서 시스템.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 광커플러와 상기 기준광의 광세기를 측정하는 감지부 사이에는, 상기 기준광의 세기를 감쇄시키기 위한 광 감쇄기가 더 구비되는 광섬유 센서 시스템.
  24. 소정 파장의 입력광을 출사시키는 광원부;
    인가된 물리량에 의해 광특성이 변하며 서로 다른 파장에서 동작하는 복수개의 광소자에 의해 상기 입력광을 받아 신호광을 발생시키는 센싱부;
    상기 센싱부로부터 전달된 신호광을 통해 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 복수개의 측정부; 및
    상기 광원부에서 나오는 입력광을 센싱부로 전달하고 상기 센싱부에서 발생한 신호광을 측정부로 분배하기 위한 복수개의 제2 광커플러를 포함하고,
    상기 측정부는
    상기 신호광을 분배하는 복수개의 제1 광커플러와,
    상기 신호광이 이동하는 경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber)와,
    상기 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기를 검출하는 복수개의 감지부를 포함하고,
    상기 센싱부로부터 발생된 각각의 신호광은 파장에 따라 어느 하나의 제2 광커플러에 의하여 측정부로 이동하며,
    상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수가 선형적으로 나타나며, 상기 감지부를 통하여 검출된 광세기를 통해 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 광섬유 센서 시스템.
  25. 소정 파장의 입력광을 출사시키는 광원부;
    인가된 물리량에 의해 광특성이 변하며 서로 다른 길이의 광경로를 갖는 복수개의 센서에 의해 상기 입력광을 받아 신호광을 발생시키는 센싱부; 및
    상기 센싱부로부터 전달된 신호광을 통해 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 측정부; 및
    상기 광원부에서 나오는 입력광을 센싱부로 전달하고 상기 센싱부에서 발생한 신호광을 측정부로 분배하기 위한 제2 광커플러를 포함하고,
    상기 측정부는
    상기 신호광을 분배하는 제1 광커플러와,
    상기 신호광이 이동하는 경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber)와,
    상기 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기를 검출하는 감지부를 포함하고,
    상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수가 선형적으로 나타나며, 상기 감지부를 통하여 검출된 광세기를 통해 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 광섬유 센서 시스템.
  26. 소정 파장의 입력광을 출사시키는 광원부;
    상기 광원부에서 자유공간을 사이에 두고 떨어져 있는 센싱부로 입력광을 전달하고 센싱부에서 발생한 신호광을 다시 수광하는 송수신부 광소자;
    상기 송수신부 광소자로부터 전달된 신호광을 통해 센싱부의 특성 변화를 도출하는 측정부; 및
    상기 광원부에서 나오는 입력광을 송수신부 광소자로 전달하고, 상기 센싱부에서 발생하고 상기 송수신부 광소자를 통하여 전달된 신호광을 측정부로 분배하기 위한 제2 광커플러를 포함하고,
    상기 측정부는
    상기 신호광을 두개의 광경로로 분배하는 제1 광커플러와,
    상기 신호광이 이동하는 일측 광경로에 마련된 인테러게이션 광섬유(Interrogation fiber)와,
    상기 인테러게이션 광섬유를 통과한 신호광의 광세기 및 상기 제1 광커플러에 의하여 다른 일측 광경로로 전달되는 기준광의 광세기를 검출하는 감지부를 포함하고,
    상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 영역에서 광흡수가 선형적으로 나타나며, 상기 감지부를 통하여 검출된 신호광과 기준광의 광세기를 비교하여 상기 센싱부의 특성 변화를 도출하는 광섬유 센서 시스템.
  27. 소정의 파장을 갖는 입력광을 광원부에서 센싱부로 출사하는 단계;
    상기 센싱부에서 상기 입력광을 받아 신호광이 발생되고, 외부에서 인가된 물리량에 의해 신호광의 중심파장이 변하는 단계;
    상기 신호광은 측정부에 구비된 인테러게이션 광섬유를 통과하면서, 상기 인테러게이션 광섬유의 광흡수율에 따라 광세기가 변화하는 단계; 및
    상기 광세기에 따라 상기 신호광의 파장을 도출하는 단계;를 포함하는 광특성 측정 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 인테러게이션 광섬유는 소정의 파장 구간에서 광흡수율이 선형적인 구간을 가지는 광섬유로, 광섬유 생산 공정에서 소정의 광흡수 특성을 갖는 물질이 도핑된 것을 특징으로 하는 광특성 측정 방법.
  29. 제 27항에 있어서,
    상기 신호광의 파장을 도출하여 상기 센싱부에 인가된 물리량을 도출하는 단계를 더 포함하는 광특성 측정 방법.
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