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문제 정의
- 본 논문에서는 클래딩이 있는 테이퍼링된 플라스틱 광섬유를 활용한 외부 물질의 굴절률을 측정하기 위한 센서를 제안하였다. 언덕형 굴절률 분포를 가지는 플라스틱 광섬유 테이퍼의 굴절률 센서기능에 대하여 이론적 분석이 보고된 바 있지만[12] 구체적인 실험 결과는 아직 알려져 있지 않다.
- 본 논문은 클래딩이 있는 플라스틱 광섬유 테이퍼의 굴절률 감지 특성에 대한 이론 분석과 실험 결과가 제시되고 있다. 기하광학적 기법으로 소자를 해석하였으며 제안된 구조는 클래딩 외부를 감싸는 물질의 굴절률에 광파워 전달비가 의존하는 현상을 가지고 있음을 보였다.
- 언덕형 굴절률 분포를 가지는 플라스틱 광섬유 테이퍼의 굴절률 센서기능에 대하여 이론적 분석이 보고된 바 있지만[12] 구체적인 실험 결과는 아직 알려져 있지 않다. 본 논문은 플라스틱 광섬유 테이퍼를 광센서로 적용함에 있어 소산장 감지 방법을 이용하는 것이 아니라, 테이퍼링된 영역에서 도파되는 광량이 외부 물질의 굴절률에 의존하는 현상이 있음을 광선이론으로 설명하고 이를 굴절률 센서로 활용할 수 있음을 실험으로 증명하였다.
가설 설정
- 테이퍼링 영역에서 코어와 클래딩은 같은 비율로 외경이 감소하는 것으로 가정하였다. 광원은 파장이 635 nm 이며, 람버터(Lambert) 빔 패턴을 가진 LED로 가정하였다.
- 소자 분석을 위해 플라스틱 광섬유의 코어 지름(a0) 및 클래딩 외경(b0)이 각각 1.0 mm 와 0.98 mm 로 가정하였다. aw와 bw는 소자의 중심부에서 코어의 지름과 클래딩 외경을 의미한다.
- 외부 물질의 굴절률이 작을수록 광파워 전달비가 커지는 이유는 클래딩과 외부 용액의 경계에서 누설되지 않고 소자의 중심부까지 전달되는 광선량이 많기 때문이다. 외부 용액의 굴절률과 클래딩의 굴절률이 동일한 경우 클래딩의 두께는 무한대로 가정할 수 있으며 클래딩과 용액사이의 반사광은 존재 하지 않는다. 이때 가장 광파워 전달비가 작게 된다.
- 소자의 특성을 결정하는 주요 변수로서 테이퍼링비, 즉, 테이퍼링 전후 코어 지름의 비(aw/a0), 테이퍼링 길이(L)와 외부 물질의 굴절률로 설정하였다. 테이퍼링 영역에서 코어와 클래딩은 같은 비율로 외경이 감소하는 것으로 가정하였다. 광원은 파장이 635 nm 이며, 람버터(Lambert) 빔 패턴을 가진 LED로 가정하였다.
- 4는 테이퍼 소자의 중심에서 코어의 크기는 고정하고 테이퍼링 길이를 달리하여 광파워전달비를 계산한 결과이다. 테이퍼링 외부 물질은 공기로 가정하였다. 그림으로 알 수 있듯이 광파워전달비는 테이버링 길이(L)에 거의 의존하지 않음을 알 수 있다.
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