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열확장 코어 광섬유의 구부림 손실을 이용한 광섬유형 온도 센서
Fiber-optic Temperature Sensor Based on Bending Loss of Thermally Expanded Core Fiber 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.21 no.1, 2010년, pp.12 - 15  

김광택 (호남대학교 광전자공학과) ,  강지훈 (호남대학교 광전자공학과) ,  조규정 (호남대학교 광전자공학과) ,  문남일 (호남대학교 광전자공학과)

초록
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본 논문은 바이메탈(bi-metal)에 부착된 열확장 코어 광섬유의 높은 구부림 손실 효과를 이용한 광섬유 온도 센서를 제안 및 구현하였다. 바이메탈(bi-metal plate)의 온도 변화에 의한 변형은 열확장 코어 광섬유의 구부림 손실을 발생시킨다. 실험결과 소자의 감도와 측정범위는 열확장 코어 광섬유의 구조를 조절하여 제어 될 수 있음을 보였다. 소자의 제조공정이 상세하게 기술되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we have proposed and demonstrated a simple fiber-optic temperature sensor based on the bending loss of a TEC(thermally expended core) fiber attached to a bi-metal. The deformation of the bi-metal caused by the change in its temperature induces the bending loss of the TEC fiber. The ex...

주제어

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문제 정의

  • 본 논문에서는 열확장 코어 광섬유를 이용한 온도 센서를 제안하고 실험으로 검증하였다. 열확장 코어 광섬유의 높은 구부림 손실특성과 바이메탈이 온도 변화에 구조적 변형을 일으키는 특성이 결합된 기술이 이용된다.
  • 본 논문은 바이메탈의 온도에 따른 구조적 변형 특성과 열확장 코어 광섬유의 굽힘 손실을 이용한 광섬유 온도 센서를 제안하고 실험을 통해서 그 가능성을 보여 주었다. 열확장 코어 광섬유는 온도 센서에 적용될 수 있을 정도로 민감한 광굽힘 손실 특성을 보였다.

가설 설정

  • 3. Concept of fabrication process of TEC fiber and core structure after thermal expanding.
  • 그림 2에서 각 그래프가 나타내는 코어의 크기와 비 굴절률차는 모두 다르지만 정규화 주파수(V)는 일정한 것으로 가정하고 계산하였다. 일반 통신용 광섬유의 코어가 확장된 계단형 굴절률 분포를 가지는 것으로 가정하였다.
  • 그림 2에서 각 그래프가 나타내는 코어의 크기와 비 굴절률차는 모두 다르지만 정규화 주파수(V)는 일정한 것으로 가정하고 계산하였다. 일반 통신용 광섬유의 코어가 확장된 계단형 굴절률 분포를 가지는 것으로 가정하였다. 곡률 반경이 감소함에 따라 구부림 손실량은 지수함수로 증가한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
광섬유 센서는 어떠한 장점을 가지는가? 광섬유 센서는 높은 감도에 의한 정밀측정, 원거리 측정, 다중분포 측정, 및 전자파 무간섭 특성 등 많은 장점으로 인하여 그 응용이 매우 다양하다. 광섬유를 이용한 센서로 광섬유 고유의 특성을 이용하는 내부형 센서와 광섬유는 광전송 매체로서만 역할을 하고 외부의 센서소자가 광섬유와 결합된 외부형 센서가 있다[1].
광섬유 온도 센서에 광섬유 격자를 이용하면 어떠한 장단점이 존재하는가? 광섬유 온도 센서로 광섬유 격자를 활용하기 위한 연구는 많이 보고 되었다[4-6]. 광섬유 격자를 이용하면 브래그 파장의 이동을 감시하는 방법으로 온도를 감지할 수 있기 때문에 다중화가 가능하다는 장점이 있지만 센서 검출을 위한 고가의 장비가 요구되며 일반적으로 250℃ 이상의 고온에서 동작하지 못하는 단점이 있다. 제안된 센서는 광섬유 격자 온도 센서의 단점을 보완할 수 있는 영역에 적용이 가능하다.
광섬유를 이용한 센서에는 어떠한 것들이 있는가? 광섬유 센서는 높은 감도에 의한 정밀측정, 원거리 측정, 다중분포 측정, 및 전자파 무간섭 특성 등 많은 장점으로 인하여 그 응용이 매우 다양하다. 광섬유를 이용한 센서로 광섬유 고유의 특성을 이용하는 내부형 센서와 광섬유는 광전송 매체로서만 역할을 하고 외부의 센서소자가 광섬유와 결합된 외부형 센서가 있다[1]. 광섬유의 코어가 절단되지 않고 그 특성이나 구조가 광센서에 적합하도록 여러 가지 기술이 개발되어 있다.
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참고문헌 (13)

  1. K. T. V. Grattan and B. T. Meggitt, Optical Fiber Sensor Technology (Chapman & Hall, UK, 1995), Chapter 3. 

  2. K. T. Kim, H. S. Song, J. P. Mah, K. B. Hong, K. Im, S. J. Baik, and Y. I. Yoon, "Hydrogn sensors based on palladium coated side-polished single mode fiber," IEEE Sensor Journal 7, 1767-1771 (2006). 

  3. A. C. Boucouvalas and G. Georgiou, "Tapering of singlemode optical fibers," IEE proceedings J. Optoelectronics 133, 385-392 (1986). 

  4. C. Fernandez-Valdivielso, I. R. Matias, and F. J. Arregui, "Simultaneous measurement of strain and temperature using a fiber Bragg grating and a thermochromic material," Sens. Actuators 101, 107-116 (2002). 

  5. Z. J. Wang, Y. Zhou, X. W. Wang, and W. Jin, "A fiber-optic Bragg grating sensor for simultaneous static and dynamic temperature measurement on a heated cylinder in cross-flow," International Journal of Heat and Mass Transfer 46, 2983-2992 (2003). 

  6. R.-S. Shen, J. Zhang, Y. Wang, R. Teng, B.-Y. Wang, Y.-S. Zhang, W.-P. Yan, J. Zheng, and G.-T. Du, "Study on high-temperature and high-pressure measurement by using metal-coated FBG," Microwave and Optical Technology Lett. 50, 1138-1140 (2008). 

  7. K. T. Kim , K. H. Lee, E. S. Shin, H. S. Song, K. B. Hong, S. Hwangbo, and K. R. Sohn, "Characteristics of sidepolished thermally expanded core fiber and its application as a band-edge filter with a high cut-off property," Opt. Comm. 261, 51-55 (2006). 

  8. K. Shiraishi, Y. Aizawa, and S. Kawakami, "Beam expending fiber using thermal diffusion of the dopant," J. Lightwave Technol. 8, 1151-1161 (1990). 

  9. K. Shiraishi, T. Yanagi, and S. Kawakami, "Light propagation characteristics in thermally diffused expanded core fibers," J. Lightwave Technol. 11, 1584-1591 (1993). 

  10. W. A. Gambling, H. Matsumura, and C. M. Ragdale, "Curvature and microbending losses in single mode optical fibers," Optical and Quantum Electronics 11, 43-59 (1979). 

  11. M. Kihara, S. Tomita, and M. Matsumoto, "Loss characteristics of thermally diffused expanded core fiber," IEEE Photon. Technol. Lett. 4, 1390-1391 (1992). 

  12. K. T. Kim and K. H. Park, "Fiber-optic temperature sensor based on single mode fused fiber coupler," J. Opt. Soc. Korea 12, 152-156 (2008). 

  13. L. C. Bobb, P. M. Shanker, and H. D. Krumboltz, "Bending effects in biconically tapered single mode fibers," J. Lightwave Technol. 8, 1084-1090 (1990). 

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