[논문]굽힘에 민감한 광섬유를 이용한 광섬유 센서

이동호; 권광희; 이철희; 송재원; 박재희

[국내논문] 굽힘에 민감한 광섬유를 이용한 광섬유 센서
Fiber-Optic Sensor Using Bending-Sensitive Fiber 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.29 no.10A, 2004년, pp.1200 - 1204

이동호 (경북대학교 공과대학 전자공학과) , 권광희 (LG 전선 안양연구소) , 이철희 (경북대학교 공과대학 전자공학과) , 송재원 (경북대학교 공과대학 전자공학과) , 박재희 (계명대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

가변 광 감쇄기에 사용한 굽힘에 민감한 특수 광섬유 (BSF: bending-sensitive fiber)를 이용하여 굽힘에 따라 물리적인 변화를 감지해 내는 광섬유 센서(FOS: fiber-optic sensor)를 제작하였다. BSF를 이용한 FOS의 제작 가능성을 알아보기 위해 BSF의 굽힘 손실을 3차원 유한차분 빔 전파기법을 이용하여 전산모의 하였고 전산모의 결과를 실제 제작된 BSF를 이용한 FOS의 실험 결과와 비교하였다. 특히 제작된 FOS는 센서 상층부에 가해진 압력이 0 MPa에서 0.005 MPa 로 변할 때 광 에너지는 -1 dB에서 -20 dB 까지 감쇄하였다. 반면에 단일모드 광섬유(SMF: single mode fiber)를 이용하여 동일한 구조로 제작된 FOS는 광 에너지의 변화를 보이지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fiber-optic sensor (FOS) using bending-sensitive fiber (BSF which detects physical variables according to the variation of fiber-bending is proposed. BSF is already used in variable optical attenuator. Three-dimensional finite difference beam propagation method (3D FD-BPM) is used to investigate the bending loss of BSF. Then, the results of bending experiment with FOS consisting of BSF is compared to numerical results of 3D FD-BPM. In particular, the optical power of fabricated FOS with BSF varies from -ldB to -2OdB when pressure given to the upper side of FOS changes from 0 MPa to 0.005 MPa, while the FOS consists of SMF shows no change of optical power at the same condition.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

만약 FOS를단일 모드 광섬유(SMF: single mode fiber)와 물리적인 힘에 의해 SMF에 손상을 거의 주지 않는 국부적인 굽힘을 가하는 단순한 형태의 FOS로 제작한다면 SM頂의 굽힘 손실의 제한으로 인해 굽힘의임계치까지는 광 에너지 감쇄가 거의 일어나지 않다가 굽힘 범위가 임계치를 벗어나면 급격한 광 에너지 감쇄를 보인다. 따라서 본 논문에서는 광섬유에 가해지는 굽힘 변화에 따라 적절한 굽힘 손실변화를 가지는 BSF[5]를 이용하여 복잡한 구조 대신 단순한 형태로 동작하는 FOS를 제안 하였다. BSF를 이용한 단순한 구조의 FOS의 적용 가능성을 알아보기 위해 3차원 유한 차분 빔 전파 기법 (3D FD-BPM: three-dimensional finite difference beam propagation method)을 이용하여 BSF의 미세굽힘에 대한 광 에너지 감쇄를 전산모의하였으며제작된 BSF로 구성된 FOS를 이용하여 미세 압력에 의해 조정되는 미세 굽힘에 따른 미세 굽힘 손실을 실험적으로 측정하였고 이 결과를 3D FD-BPM을 이용한 전산 모의 결과와 비교해 보았다 [6-7],

가설 설정

또한 해석시 계산영역의 제한으로 인한 계산영역 경계면에서의 반사를 줄이기위해 흡수체를 완전 정합 영역 (PML:perfect matched layer) 안에 두었다. BSF 자체에 가한 굽힘에 의한 광 에너지 감쇄 특성을 밝혀내기 위해 광섬유의 굽혀진 모양을 가우시안 함수 형태라 가정하였고 /* «)=/ [ —{々-(3)“讪勺의 관계식을이용하여 등가화 하였다. 여기서 Z0는 최대 굽힘 지점이며, a0는 BSF에 가해지는 최대 굽힘의 높이, W 는 굽힘의 폭을 나타내는데 3D FD-BPM 해석시요구되는 수직 입사조건을 만족하기 위해 w=450 /血로 두었다.

제안 방법

외부코어의 반지름은 내부 코어 반지름의 4배이다. 이러한 굴절률 분포구조를 가지는 BSF의 미세 굽힘에 대한 굽힘 손실을 3D FD-BPM을 이용하여 수치 해석하기 위해 전산 모의에 적합한 BSF의 굴절률 분포 등가모델을 그림 2와 같이 만들었다.
5糸所로 하였다. 또한 해석시 계산영역의 제한으로 인한 계산영역 경계면에서의 반사를 줄이기위해 흡수체를 완전 정합 영역 (PML:perfect matched layer) 안에 두었다. BSF 자체에 가한 굽힘에 의한 광 에너지 감쇄 특성을 밝혀내기 위해 광섬유의 굽혀진 모양을 가우시안 함수 형태라 가정하였고 /* «)=/ [ —{々-(3)“讪勺의 관계식을이용하여 등가화 하였다.
여기서 Z0는 최대 굽힘 지점이며, a0는 BSF에 가해지는 최대 굽힘의 높이, W 는 굽힘의 폭을 나타내는데 3D FD-BPM 해석시요구되는 수직 입사조건을 만족하기 위해 w=450 /血로 두었다. 이상과 같은 조건을 가지고 그림 3에서 BSF의 출력 단면에서 3D FD-BPM을 이용한필드 분포와 실제 제작한 BSF의 실험 측정치를 서로 비교하였다. 3D FD-BPM을 사용하여 구한 모드분포는 굽힘을 주지 않았을 때 굴절률 하강 영역과 외부 코어 영역이 환의 형태로 내부 코어영역과 구분되는 것을 보여 주는데 이는 실제 실험 측정치와 동일한 특성을 나타내 주고 있다.
전산 모의 결과를 바탕으로 BSF와 국부적인 미세 굽힘을 가할 수 있는 단순한 구조로 이루어진 FOS를 그림 5와 같이 제작하였다.
FOS에 물리적인 힘으로 조절되는 국부적인 미세 굽힘을 만들기 위해 BSF의 상부에 지름 500側의 원통형의 물체를 두었으며 BSF의 하부에 탄력성이 있는 고무를 두어 원통형 물체에 물리 적인 힘에 비례하여 BSF에 원의 호에 해당하는 미세 굽힘이 생기게 하였다. BSF의 양 끝단은 SM『와 연결하였으며 BSF의 길이는 3 cm로 제작하였다.
제작된 FOS의 압력에 의한 광 에너지 감쇄는 그림 6과 같다. BSF를 이용한 FOS의 압력에 대한 광 에너지감쇄 변화를 SMF를 이용하여 동일한 구조로 제작된 FQS의 실험 측정치와 비교 하였다. 압력을 0 ~ 0.
굽힘에 민감한 광섬유 (BSF)를 이용하여 여러 가지물리적인 변위를 측정하는 광섬유 센서 (FOS)를 제작하였다. BSF의 미세 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄정도를 3D FD-BPM으로 전산모의하여 BSF가 미세 굽힘의 변화에 따라 적절한 광 에너지 감쇄가일어난다는 것을 예상할 수 있었다.
BSF의 미세 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄정도를 3D FD-BPM으로 전산모의하여 BSF가 미세 굽힘의 변화에 따라 적절한 광 에너지 감쇄가일어난다는 것을 예상할 수 있었다. 이러한 3D FD-BPM을 이용한 전산모의 결과를 바탕으로 실제제작한 BSF를 이용하여 광섬유가 손상되지 않는범위에서 물리적인 변위를 측정할 수 있는 간단한구조의 FOS를 제작하였다 제작된 FOS가 측정할물리적인 변위로 압력을 사용하였으며 FOS의 상충부에 가해진 압력의 변화 범위 (OMPa ~ 0.005MPa)에 따라 광 에너지 감쇄가 -1 dB에서 -20 dB 까지 변화하였으며 이 값은 동일한 반복 실험에서 값이 변하지 않았다. 또한 BSF로 제작된 FOS는 각각의 미세 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄값이 서로 구별할 수 있을 정도의 차이를 보였다.

대상 데이터

BSF의 양 끝단은 SM『와 연결하였으며 BSF의 길이는 3 cm로 제작하였다. 제작된 FOS의 미세 굽힘에 대한 광에너지 감쇄를 측정하기 위하여광원은 1550 nm 레이져를 사용하였으며 미세 굽힘을 가하는 물리적인 힘은 압력을 사용하였다. 제작된 FOS의 압력에 의한 광 에너지 감쇄는 그림 6과 같다.

성능/효과

따라서 BSF는 광섬유에 가해지는 미세 굽힘에 대하여 적절한 광에너지 감쇄값을 가지며 BSF에 가해지는미세 굽힘의 변화에 따라 광 에너지 감쇄 변화가급격하지 않고 서서히 변화하므로 광섬유에 생길수 있는 굽힘에 의한 손상을 방지하며 단순한 구조를 가지는 FOS 제작에 적합할 것이라 판단된다.
005 MPa 의 범위에서 가했을 때 BSF로 이루어진 FOS는 압력에 대한 광 에너지 감쇄값이 급격하게변화하지 않고 서서한 변화를 보이며 -1 曲에서 -20 dB 까지 변화였지만 SMF로 이루어진 FOS는 광 에너지가 거의 변화하지 않았다. 또한 미세 굽힘을 만들기 위해 BSF에 가해진 압력에 의해 광섬유가 손상되지 않았고 수십 차례의 반복된 실험을 통해서도광 에너지 감쇄값이 변화하지 않는 높은 재연성을보였다.
BSF의 미세 굽힘에 대한 광 에너지 감쇄정도를 3D FD-BPM으로 전산모의하여 BSF가 미세 굽힘의 변화에 따라 적절한 광 에너지 감쇄가일어난다는 것을 예상할 수 있었다. 이러한 3D FD-BPM을 이용한 전산모의 결과를 바탕으로 실제제작한 BSF를 이용하여 광섬유가 손상되지 않는범위에서 물리적인 변위를 측정할 수 있는 간단한구조의 FOS를 제작하였다 제작된 FOS가 측정할물리적인 변위로 압력을 사용하였으며 FOS의 상충부에 가해진 압력의 변화 범위 (OMPa ~ 0.
반면에 동일한 구조로 제작된 SMF를 이용한 FOS는상층부에 가해진 압력에 대하여 광 에너지 감쇄값이 거의 변화하지 않았다. 따라서 실제 제작한 BSF 를 이용한 FOS는 3D FD-BPM을 이용한 BSF의미세 굽힘에 따른 광 에너지 감쇄와 경향성이 동일함을 알 수 있다. 이상의 결과를 바탕으로 본 논문에서 제안한 BSF를 이용한 FOS는 굽힘에 따라 조정되는 광 에너지의 감쇄정도에 따라 침수 나 인장같은 물리적인 변위를 측정하는 재연성이 우수한광센서로 사용할 수 있으며 미세한 굽힘을 제어하는 물리적인 구조를 변화 시킨다면 다른 물리적인변위도 효율적으로 측정할 수 있으리라 기대된다.
이상의 결과를 바탕으로 본 논문에서 제안한 BSF를 이용한 FOS는 굽힘에 따라 조정되는 광 에너지의 감쇄정도에 따라 침수 나 인장같은 물리적인 변위를 측정하는 재연성이 우수한광센서로 사용할 수 있으며 미세한 굽힘을 제어하는 물리적인 구조를 변화 시킨다면 다른 물리적인변위도 효율적으로 측정할 수 있으리라 기대된다. 또한 BSF는 기존의 SMF를 제작하는 설비로 제작이 가능하므로 이를 이용한 광센서는 저 비용으로대량 생산에 용이하다고 판단된다.

후속연구

따라서 실제 제작한 BSF 를 이용한 FOS는 3D FD-BPM을 이용한 BSF의미세 굽힘에 따른 광 에너지 감쇄와 경향성이 동일함을 알 수 있다. 이상의 결과를 바탕으로 본 논문에서 제안한 BSF를 이용한 FOS는 굽힘에 따라 조정되는 광 에너지의 감쇄정도에 따라 침수 나 인장같은 물리적인 변위를 측정하는 재연성이 우수한광센서로 사용할 수 있으며 미세한 굽힘을 제어하는 물리적인 구조를 변화 시킨다면 다른 물리적인변위도 효율적으로 측정할 수 있으리라 기대된다. 또한 BSF는 기존의 SMF를 제작하는 설비로 제작이 가능하므로 이를 이용한 광센서는 저 비용으로대량 생산에 용이하다고 판단된다.

참고문헌 (7)

Katsumi Morishita, Yasuyuki Kondoh, and Nobuaki Kumagai, 'On the accuracy of scalar approximation technique in optical fiber analysis,' IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-28, No. 1, pp. 33-36, 1980
Wojtek J. Bock, Tinko A. Eftimov ,and Andrew Hyett, 'Wide-range fiber-optic strain sensor based on LPOl mode evanescence,' Instrumentation and Measurement Technology Conference, IEEE, Vol. 2, pp. 1158 - 1161, 1998
John W. Berthold III, 'Historical review of microbend fiber-optic sensors,' J. of Lightwave Technology, Vol. 13, No. 7, pp. 1193 - 1199, 1995

상세보기
Nicholas Lagakos, W. J. Trott, T. R Hickman, James H. Cole, and Joseph A. Bucaro, 'Microbend fiber-optic sensor as extended hydrophone,' IEEE J. of Quantum Etectronics,Vol. QE-18, No. 10, pp. 1633 - 1638, 1982
이동호, 권광희, 송재원, 박재희, '굽힘에 민감한 광섬유를 이용한 가변 광 감쇄기,' 한국통신학회지 제 29권 제 5A호, pp. 566-573, 2004
W. P. Huang, C. L. Xu, W. Lui, and K. Yokoyana, 'The prefectly matched layer (PML) boundary condition for the beam propagation method,' IEEE Photon, Technol. Lett., vol. 8, pp. 649-651, May 1996

상세보기
권광희, 송재원, 이동호 '3차원 FD-BPM을 이용한 측면 연마된 광섬유와 완전 도체면 아래의 유전체 사이에서의 결합과 전파 특성의 해석,' 한국통신학회지 제 28권 제 9A호, pp. 754-762, 2003

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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