[논문]케이블의 곡률 측정을 위한 새로운 형태의 광섬유 마이크로벤드 센서 개발

오상우; 최혁진

문제 정의

따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 케이블의 굽힘 정도와 굽힘 발생 위치를 새로운 측정 구조물을 이용하여 광 신호의 크기 측정만으로 간단히 해석할 수 있는 방법을 제안한다. 본 연구에서는 수중 케이블을 포함한 모든 연성 케이블을 측정 대상으로 하며, 새롭게 설계한 센서 구조를 이용한 측정 방법과 모의 조건하의 실험 결과에 대해 차례로 제시한다.
수중 케이블의 손상은 주로 케이블의 굽힘(bending)과 뒤틀림(torsion)에 의해 발생하며, 그 중 굽힘 현상이 차지하는 비중이 상대적으로 높다. 따라서 본 연구에서는 케이블의 굽힘 정도를 정량적으로 파악하기 위해, 광섬유의 전달 특성을 이용한 새로운 측정 방법 및 장치를 개발하였다.
본 연구에서 설계한 마이크로벤더와 광섬유를 실제 케이블에 설치한 후, 케이블의 곡률 변화에 따라, 감쇠되는 광신호의 변화량을 파악하기 위해 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 케이블은 직경이 6 cm인 폴리우레탄 재질의 수중 케이블로 실험을 위해 1.
따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 케이블의 굽힘 정도와 굽힘 발생 위치를 새로운 측정 구조물을 이용하여 광 신호의 크기 측정만으로 간단히 해석할 수 있는 방법을 제안한다. 본 연구에서는 수중 케이블을 포함한 모든 연성 케이블을 측정 대상으로 하며, 새롭게 설계한 센서 구조를 이용한 측정 방법과 모의 조건하의 실험 결과에 대해 차례로 제시한다.
본 연구에서는 케이블을 측정 대상으로 하며, 케이블의 굽힘 정도를 곡률에 따라 분류하여, 각 곡률별 분류된 케이블에 대해 광섬유와 마이크로벤더를 적용하고 광 신호의 감쇠 크기를 측정하여 이를 곡률에 대해서 분석하는 일을 이 연구의 실험을 통해 진행하였다. 일반적으로 광센서에서 마이크로벤드 현상은 변위, 압력, 온도 등의 물리량을 측정하기 위한 트랜스듀서로서 이용되며, 공통적으로 광섬유의 마이크로벤드의 크기에 따라 측정하고자 하는 물리량의 정도가 결정된다.
본 연구에서는 케이블의 굽힘 정도를 마이크로벤드 현상을 이용하여 측정하기 위한 방법으로 양방향 측정이 가능한 새로운 형태의 마이크로벤드 발생 구조를 제안하였고, 이를 이용하여 케이블의 곡률과 케이블의 굽힘 지점에서 광섬유의 마이크로벤드 현상에 의해 감쇠하는 광신호의 크기와의 관계를 실험을 통해 해석하고자 하였다. 본 연구를 통해 획득한 연구결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
본 실험에서 제안한 마이크로벤더 구조 역시 케이블 곡률의 변화량에 따라 케이블 굴곡 발생 위치에 적용되는 광섬유의 마이크로벤드를 변화시키는 역할을 하는 장치이며, 두 변화량은 비례하는 관계를 갖고 있다. 케이블의 곡률에 따라 광섬유에 발생하는 마이크로벤드의 크기를 알아보기 위해, 마이크로벤더의 움직임을 2차원적으로 모사하였다. 케이블의 굽힘은 곡률 반경이 10 cm, 5 cm, 3.

제안 방법

실험에 사용된 광섬유의 총 길이 1 km 중 약 150 m 정도만 실험 조건 설정에 이용되었으며 나머지 부분은 케이블 릴에 감긴 상태로 측정하였다. 광섬유의 위치 중, 길이가 30 m, 60 m, 90 m, 120 m 부근에 각 각 곡률 0.4 cm^-1, 0.2 cm^-1, 0.3 cm^-1, 0.1 cm^-1 조건을 설정하였다. 실험 결과, Fig.
광신호의 측정을 위해, 앞서 마이크로벤더의 파장별 광 신호 측정 실험에서 사용한 것과 동일한 광원과 광 파워미터를 이용하여, 각 곡률별로 굽힘 전 · 후 10번의 측정 결과 값을 기록하였고, 정량화를 위해 이 값들의 평균을 각 곡률별 광신호의 감쇠 크기로 정하였다.
따라서 본 연구에서는 한 가닥의 광섬유를 이용하여 케이블의 길이에 대해 위, 아래로 발생하는 굽힘 변형에 대해서 마이크로벤드 현상이 모두 발생될 수 있는 새로운 형태의 마이크로벤더를 Fig. 2와 같이 설계하였다. 제안된 구조물의 재료는 일반적으로 사용되는 스테이플러용 철심(두께 0.
5는 이 실험의 결과를 나타내며, 이를 통해 광신호의 감쇠가 최대로 발생한 구조의 공간적 파장은 8 mm인 경우이며, 다른 4가지의 경우에서는 광신호의 감쇠 크기가 파장이 8 mm인 경우보다 작은 것을 확인할 수 있다. 따라서 앞서 이론식으로 도출한 최적의 공간적 주기인 8.24 mm와 가장 근사한 치수(8 mm)에서 최대의 광 손실이 발생하므로 본 실험에서 케이블의 곡률 측정에 사용할 마이크로벤더의 파장을 8 mm로 정하였다.
4 cm^-1이다. 마이크로벤더의 케이블 곡률별 움직임 모사를 위해 2차원 CAD 프로그램을 이용하였고, 그 결과 Table 2와 같이 케이블의 곡률별 마이크로벤더의 변위 값을 구하였다. 산출된 결과는 Fig.
본 실험에서 제안한 마이크로벤더 구조 역시 케이블 곡률의 변화량에 따라 케이블 굴곡 발생 위치에 적용되는 광섬유의 마이크로벤드를 변화시키는 역할을 하는 장치이며, 두 변화량은 비례하는 관계를 갖고 있다. 케이블의 곡률에 따라 광섬유에 발생하는 마이크로벤드의 크기를 알아보기 위해, 마이크로벤더의 움직임을 2차원적으로 모사하였다.
마이크로벤더의 케이블 곡률별 움직임 모사를 위해 2차원 CAD 프로그램을 이용하였고, 그 결과 Table 2와 같이 케이블의 곡률별 마이크로벤더의 변위 값을 구하였다. 산출된 결과는 Fig. 2의 확대 부분과 같이 두 개의 철심 묶음 중, 하나의 철심 구조에 대한 것으로 변위의 기준은 케이블에 굽힘이 없는 상태이며, 변위의 방향은 케이블 곡률 발생에 따른 구조물의 움직임 중 케이블의 길이 방향을 기준으로 하였다. 결과 값을 그래프로 표현하면 Fig.
5 m의 길이만을 이용하였다. 실험 시, 케이블의 곡률 상태 유지를 위해, 조건에 따라 곡률 반경에 맞게 제작한 원통에 케이블 한바퀴 감을 수 있도록 준비하여, 감기 전 후의 광신호의 크기를 측정하는 방법으로 진행하였다. 광신호의 측정을 위해, 앞서 마이크로벤더의 파장별 광 신호 측정 실험에서 사용한 것과 동일한 광원과 광 파워미터를 이용하여, 각 곡률별로 굽힘 전 · 후 10번의 측정 결과 값을 기록하였고, 정량화를 위해 이 값들의 평균을 각 곡률별 광신호의 감쇠 크기로 정하였다.
앞 장에서 설계한 광섬유에 마이크로벤더의 공간적 파장 치수와 마이크로벤드에 의한 광신호의 감쇠와의 관계를 알아보기 위해, 첫 실험으로 공간적 파장을 4 mm, 8 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm로 변화하면서, 각 각에 대한 광신호의 감쇠 크기를 측정하였다. 측정에 사용된 광섬유는 굴절률이 완만하게 변하는 다중 모드로, 이 섬유에 한 번의 마이크로벤드 효과만을 유발시킬 수 있도록 철심 2개 묶음 - 1개 묶음 구조 한 쌍을 이용하여 마이크로벤드의 크기가 5 mm가 되도록 5개의 서로 다른 공간적 파장에 대해 각각 적용하여, 감쇠되는 광신호의 크기를 비교하였다.
5 mm)을 이용하였으며, 길이가 23 mm인 철심의 5 mm 부근에서 45°의 기울기를 갖도록 구부린 것을 3개 묶음과 4개의 묶음으로 구성되도록 수평으로 철사를 이용하여 순간접착제로 고정하였다. 연결된 3개 묶음 구조와 4개의 묶음 구조 상단 부분(길이 a=13 mm)의 끝은 고리형태로 구부려서 광섬유의 둘레를 둘러싸도록 하였고 케이블의 표면과 닿는 하단 부분(길이 b=5 mm)은 측정하고자 하는 케이블의 표면에 에폭시 본드로 고정하였다.
이번 실험에서는 다만 수중 케이블 대신, 4개의 서로 다른 곡률 반경을 갖도록 설정된 원통의 상단부에 마이크로벤더를 직접 고정한 후, 광섬유를 결합하여 측정하는 방식으로 변경하였다.
제안된 측정 방법에 대해 분산 센서로의 적용 가능성을 확인하기 위해, 앞선 실험과 동일한 곡률 조건을 하나의 광섬유에 위치적으로 구분하여 동시에 설정하고, OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)를 이용하여, 광 펄스 신호를 인가하고 마이크로벤드 발생 지점에서 생성된 Rayleigh 산란에 의해 반사된 신호의 크기를 비교하는 실험을 진행하였다(Fig. 8참조). 이번 실험에서는 다만 수중 케이블 대신, 4개의 서로 다른 곡률 반경을 갖도록 설정된 원통의 상단부에 마이크로벤더를 직접 고정한 후, 광섬유를 결합하여 측정하는 방식으로 변경하였다.
앞 장에서 설계한 광섬유에 마이크로벤더의 공간적 파장 치수와 마이크로벤드에 의한 광신호의 감쇠와의 관계를 알아보기 위해, 첫 실험으로 공간적 파장을 4 mm, 8 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm로 변화하면서, 각 각에 대한 광신호의 감쇠 크기를 측정하였다. 측정에 사용된 광섬유는 굴절률이 완만하게 변하는 다중 모드로, 이 섬유에 한 번의 마이크로벤드 효과만을 유발시킬 수 있도록 철심 2개 묶음 - 1개 묶음 구조 한 쌍을 이용하여 마이크로벤드의 크기가 5 mm가 되도록 5개의 서로 다른 공간적 파장에 대해 각각 적용하여, 감쇠되는 광신호의 크기를 비교하였다. 광신호의 인가에 사용된 광원은 YOKOGAWA의 AQ4270 모델(Fig.

대상 데이터

측정에 사용된 광섬유는 굴절률이 완만하게 변하는 다중 모드로, 이 섬유에 한 번의 마이크로벤드 효과만을 유발시킬 수 있도록 철심 2개 묶음 - 1개 묶음 구조 한 쌍을 이용하여 마이크로벤드의 크기가 5 mm가 되도록 5개의 서로 다른 공간적 파장에 대해 각각 적용하여, 감쇠되는 광신호의 크기를 비교하였다. 광신호의 인가에 사용된 광원은 YOKOGAWA의 AQ4270 모델(Fig. 4 참조)로 FP 반도체 레이저를 이용하여, 최대 4 mW인 광신호를 1310 nm와 1550 nm의 파장으로 출력할 수 있다. 측정에 사용된 광 파워미터는 YOKOGAWA의 AQ2160 모델로 -70 dBm에서 10 dBm 크기의 빛을 0.
)을 이용하면, 앞에서 설명한 식 (5)를 통해 도출할 수 있다. 본 연구의 실험에서 사용한 광섬유는 YOFC에서 제작한 굴절률이 완만하게 변하는 다중 모드로 그 특성 정보는 Table 1과 같다. 광섬유의 특성 정보를 이용하여 계산한 이론상 마이크로벤드에 따른 광 손실을 최적으로 유발시킬 있는 외부 변동의 공간적 파장(Λ)은 8.
실험 조건 중, 케이블의 곡률 크기를 0.05 cm^-1로 하여 신호를 측정하였으나, 케이블의 굽힘 유무에 따른 광신호의 변화를 확인할 수 없는 데이터를 얻었다. 이는 해당 조건에서 발생하는 마이크로벤드가 작아, 모드 사이에서 결합이 충분히 일어나지 않아 광신호의 감쇠가 발생하지 않는 것으로 판단된다.
측정에 사용된 OTDR은 Nanotronix의 OMTDR-1000 모델로 광 펄스의 파장은 1550 mm로, 펄스폭은 500 ns로 설정하였다. 실험에 사용된 광섬유의 총 길이 1 km 중 약 150 m 정도만 실험 조건 설정에 이용되었으며 나머지 부분은 케이블 릴에 감긴 상태로 측정하였다. 광섬유의 위치 중, 길이가 30 m, 60 m, 90 m, 120 m 부근에 각 각 곡률 0.
본 연구에서 설계한 마이크로벤더와 광섬유를 실제 케이블에 설치한 후, 케이블의 곡률 변화에 따라, 감쇠되는 광신호의 변화량을 파악하기 위해 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 케이블은 직경이 6 cm인 폴리우레탄 재질의 수중 케이블로 실험을 위해 1.5 m의 길이만을 이용하였다. 실험 시, 케이블의 곡률 상태 유지를 위해, 조건에 따라 곡률 반경에 맞게 제작한 원통에 케이블 한바퀴 감을 수 있도록 준비하여, 감기 전 후의 광신호의 크기를 측정하는 방법으로 진행하였다.
제안된 구조물의 재료는 일반적으로 사용되는 스테이플러용 철심(두께 0.5 mm)을 이용하였으며, 길이가 23 mm인 철심의 5 mm 부근에서 45°의 기울기를 갖도록 구부린 것을 3개 묶음과 4개의 묶음으로 구성되도록 수평으로 철사를 이용하여 순간접착제로 고정하였다.
이는 실제 케이블에 위치상 분산된 측정 조건을 설정할 만큼 수중 케이블 길이와 실험실의 크기가 충분하지 못했기 때문이다. 측정에 사용된 OTDR은 Nanotronix의 OMTDR-1000 모델로 광 펄스의 파장은 1550 mm로, 펄스폭은 500 ns로 설정하였다. 실험에 사용된 광섬유의 총 길이 1 km 중 약 150 m 정도만 실험 조건 설정에 이용되었으며 나머지 부분은 케이블 릴에 감긴 상태로 측정하였다.
측정에 사용된 광 파워미터는 YOKOGAWA의 AQ2160 모델로 -70 dBm에서 10 dBm 크기의 빛을 0.01의 분해능으로 표시하며 계측 정확도는 ±5%이다.

성능/효과

(1) 제안된 마이크로벤더를 이용하면, 한 가닥의 광섬유만을 이용하여, 케이블의 양방향 굽힘을 측정할 수 있으며, 케이블의 곡률이 증가함에 따라 마이크로벤드의 크기가 증가함을 확인하였다. 광신호의 감쇠 정도는 마이크로벤드의 크기와 관계있고, 광섬유의 마이크로벤드는 장치의 변위에 의해 발생하므로, 제안된 마이크로벤더를 이용하면, 케이블의 곡률에 따라 광신호를 차등적으로 감쇠시킬 수 있다.
(2) 케이블의 곡률을 0.1 cm^-1, 0.2 cm^-1, 0.3 cm^-1, 0.4 cm^-1로 설정하여, 제안된 마이크로벤드를 이용해 광신호의 감쇠 정도를 실험을 통해 측정하였고, 그 결과 케이블의 곡률이 증가함에 따라 광신호의 크기(dB)가 차등적으로 감쇠함을 확인하였다. 따라서 이러한 특성을 이용하면 케이블의 곡률이 0.
(3) 제안된 구조의 분산 센서로의 적용을 위해, OTDR을 이용하여 케이블의 곡률별 반사된 광 펄스 신호의 크기를 측정하여, 앞서 광원과 광 파워미터를 이용하여 측정한 결과 값과 비교하였고, 그 결과 최대 오차가 0.4 dB 이하로 파악되었다. 따라서 OTDR을 본 연구에서 제안된 구조와 결합하여 효과적으로 측정 장치를 구성한다면, 긴 케이블에 대한 굽힘 현상을 모니터링할 수 있을 것으로 기대한다.
2의 확대 부분과 같이 두 개의 철심 묶음 중, 하나의 철심 구조에 대한 것으로 변위의 기준은 케이블에 굽힘이 없는 상태이며, 변위의 방향은 케이블 곡률 발생에 따른 구조물의 움직임 중 케이블의 길이 방향을 기준으로 하였다. 결과 값을 그래프로 표현하면 Fig. 6과 같으며, 이를 통해 케이블의 곡률 증가함에 따라 마이크로벤더의 변위가 증가함을 확인 할 수 있다.
(1) 제안된 마이크로벤더를 이용하면, 한 가닥의 광섬유만을 이용하여, 케이블의 양방향 굽힘을 측정할 수 있으며, 케이블의 곡률이 증가함에 따라 마이크로벤드의 크기가 증가함을 확인하였다. 광신호의 감쇠 정도는 마이크로벤드의 크기와 관계있고, 광섬유의 마이크로벤드는 장치의 변위에 의해 발생하므로, 제안된 마이크로벤더를 이용하면, 케이블의 곡률에 따라 광신호를 차등적으로 감쇠시킬 수 있다.
1 cm^-1 조건을 설정하였다. 실험 결과, Fig. 9의 그래프와 같이 곡률별로 마이크로벤드가 적용된 지점에서 OTDR의 인가 신호인 광 펄스가 반사되어 원래의 신호대비 감쇠된 경향을 나타냈으며, 곡률의 크기에 따라 감쇠된 신호의 크기가 변화됨을 확인하였다. OTDR를 이용한 실험의 결과 값과 광원+광 파워미터 조합의 실험 결과 값의 비교를 위해 동일한 곡률 조건에 대한 광신호의 손실 크기를 Fig.
실험 결과를 통해 케이블의 곡률이 점차 증가함에 따라 광신호의 감쇠 크기 역시 증가함을 알 수 있다. 즉, 케이블의 굽힘 정도가 커짐에 따라 굽힘이 발생하는 위치에서 광섬유의 마이크로벤드의 크기가 커져 이곳을 진행하는 빛의 강도가 점점 줄어든다는 것을 의미한다.
2 dB 이하의 오차를 보인다. 이를 통해서 본 연구에서 제안된 케이블의 곡률 측정을 위한 센서를 OTDR를 이용한 분산 측정에서도 적용할 수 있으며, 측정 결과 값이 광 파워미터와 광원을 이용한 조건별 단일 실험의 결과 값과 유사함을 확인하였다.

후속연구

4 dB 이하로 파악되었다. 따라서 OTDR을 본 연구에서 제안된 구조와 결합하여 효과적으로 측정 장치를 구성한다면, 긴 케이블에 대한 굽힘 현상을 모니터링할 수 있을 것으로 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광섬유를 따라 전달되는 빛은 무엇에 의해 손실이 발생하나?	광섬유를 따라 전달되는 빛은 인가된 마이크로벤드에 의해 손실이 발생한다. 이러한 손실은 일반적으로 광섬유 코어 내부의 가장 높은 광 모드(higher order mode)가, 빛이 빠르게 감쇠되는 클래딩 모드(cladding mode)와 결합(coupling)되어 일어나는 현상이다.
	인가된 마이크로벤드에 의해 손실이 발생하는 것은 어떠한 현상인가?	광섬유를 따라 전달되는 빛은 인가된 마이크로벤드에 의해 손실이 발생한다. 이러한 손실은 일반적으로 광섬유 코어 내부의 가장 높은 광 모드(higher order mode)가, 빛이 빠르게 감쇠되는 클래딩 모드(cladding mode)와 결합(coupling)되어 일어나는 현상이다. 즉 광섬유에 삽입된 측정 대상의 구조적인 변화는 광섬유의 형상을 변하게 하며 이는 진행 광의 모드 사이에 결합을 발생시키고 최종적으로는 광섬유를 따라 진행하는 빛의 강도를 변하게 한다.
	해저에 케이블을 설치하기 위해 필요한 것은?	국가 간에 대용량의 정보를 고속으로 송 · 수신하기 위한 방법으로 해저에 케이블이 설치되어 있으며, 해양과 관련된 과학적 · 상업적 목적으로 선상과 케이블로 연결된 수중 탐사장비가 활발히 적용되고 있다. 해저에 케이블을 설치하기 위해서는 오랜 기간의 해상작업이 필요하며, 큰 규모의 인적 · 물적 자원이 요구되므로, 설치된 수중 케이블을 잘 유지하고 관리하는 작업은 매우 중요하다. 수중을 탐사하는 무인잠수정의 경우도, 알 수 없는 수중의 여러 환경적 요인에 의해 케이블이 손상될 수 있으므로, 수중케이블의 물리적 상태를 지속적으로 모니터링 하는 일은 안정적인 탐사작업을 위해 필수적이다.

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