[논문]편광유지 광자결정 광섬유 기반 편광 간섭형 스트레인 센서의 센싱 광섬유 길이 의존성 연구

노태규; 이용욱

doi:10.5207/jieie.2013.27.2.001

편광유지 광자결정 광섬유 기반 편광 간섭형 스트레인 센서의 센싱 광섬유 길이 의존성 연구
Study on Dependence of Polarization-Maintaining Photonic Crystal Fiber-Based Polarimetric Strain Sensor on Sensing Fiber Length 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.2, 2013년, pp.1 - 6

노태규 (부경대학교 전기공학과) , 이용욱 (부경대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we implemented a polarimetric strain sensor using a Sagnac birefringence interferometer composed of a polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF). By changing the length of the PM-PCF employed as the sensor head of the proposed sensor, the length dependence of the strain sensitivity was investigated. With respect to 5.0-, 7.5-, and 10.0-cm-long PM-PCFs, strain measurements were done in a measurement range of $0{\sim}6m{\varepsilon}$, and strain sensitivities of ~2.04, ~1.92, and ${\sim}1.73pm/{\mu}{\varepsilon}$ were obtained, respectively. If an ideal PM-PCF with no length dependence of a modal birefringence is used for the proposed sensor, the strain sensitivity is independent of the length of the sensor head (PM-PCF). In the practical PM-PCF used in experiments, however, a shorter PM-PCF has a higher length dependence of the modal birefringence due to its imperfectness and nonuniformity of the internal structure, resulting in a higher length dependence of the strain sensitivity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

두 광섬유의 모드 필드 직경 부정합에 의한 접속 손실은 이론적으로 유도되며 피할 수 없으나[8], 융착 접속 시 PM-PCF의 공기 구멍 붕괴현상을 최소화시키면 전체 접속 손실을 줄일 수 있다. 따라서 본 논문에서는 공기 구멍 붕괴현상을 최소화하기 위하여 광섬유 융착 접속기의 접속 변수를 조정함으로써 경험적인 방법으로 접속 손실을 줄였다. 상대적으로 큰 접속 손실은 Sagnac 복굴절 간섭계의 최대 투과도(transmittance)를 감소시키지만, 본 논문에서는 스트레인에 대한 민감도를 측정하기 위해 스펙트럼의 골의 파장변화를 이용하였기 때문에 투과도의 변화가 스트레인 측정 시 민감도의 정확도에는 영향을 주지 않는다.
이처럼 센서부의 길이가 길면 외부의 온도나 압력 변화와 같은 외란에 의한 영향을 더 많이 받게 되어 스트레인 측정의 정확도가 감소하게 되고, 센서 적용 범위 또한 제한적이게 된다. 따라서 본 논문에서는 국소부의 스트레인 측정과 센서의 소형화를 위해 센서부 길이를 5cm까지 감소시킨 Sagnac 복굴절 간섭계 기반 스트레인 센서를 제안하고자 한다. 또한 센서부 길이를 5.
본 논문에서는 5.0, 7.5, 10.0cm 길이의 PM-PCF를 포함한 Sagnac 복굴절 간섭계를 이용하여 세 종류의 스트레인 센서를 구현하고, 스트레인 민감도의 센서부 길이 의존성을 조사하였다. 구현된 센서에 인가된 스트레인의 범위는 0～6mε이었고, 5.

제안 방법

다음으로 7.5cm 길이의 PM-PCF로 구성된 스트레인 센서의 스트레인 민감도를 측정하였으며, 실험 셋업은 이전과 동일하였다. 마찬가지로 PM-PCF에 0에서 6mε까지 스트레인이 인가될 때, 스펙트럼은 장파장 쪽으로 이동하였고, 센서 표지자의 총 파장 이동량은 ∼11.
따라서 본 논문에서는 국소부의 스트레인 측정과 센서의 소형화를 위해 센서부 길이를 5cm까지 감소시킨 Sagnac 복굴절 간섭계 기반 스트레인 센서를 제안하고자 한다. 또한 센서부 길이를 5.0, 7.5, 10.0cm로 변형시켜가며 각각의 경우에서 스트레인 민감도를 측정하고, 센서부 길이에 따른 스트레인 민감도의 변화를 조사하였다. 0에서 6mε까지 스트레인을 인가한 결과, 센서부 길이가 5.
마지막으로 10.0cm 길이의 PM-PCF로 구성된 스트레인 센서의 스트레인 민감도를 측정하였으며, 본 측정 또한 이전 실험들과 동일한 셋업에서 실험을 수행하였다. 이전 결과와 마찬가지로 PM-PCF에 0에서 6mε까지 스트레인이 인가될 때, 스펙트럼이 장파장쪽으로 이동한다는 것을 알 수 있었고, 총 이동거리는 앞서 실험하였던 5.
먼저 5.0cm 길이의 PM-PCF로 구성된 스트레인 센서의 스트레인 민감도를 측정하였다. 센서부로 사용된 PM-PCF에 0에서 6mε까지의 스트레인이 인가될 때, Sagnac 복굴절 간섭계의 투과 스펙트럼의 변화를 그림 2에 나타내었다.
PM-PCF 양단의 두 접속 지점은 그림 1에서 보이는 것과 같이 XYZ 이동 스테이지 위에 접착제를 이용해 고정시켰고, 스트레인 인가 시에는 하나의 XYZ 이동 스테이지만을 이동시키며 스트레인을 인가하였다. 본 논문에서는 5.0, 7.5, 10.0cm 길이의 PM-PCF를 사용해 센서를 구성하고, 각 센서의 스트레인 민감도를 측정하였다.
이러한 특성을 이용하여 마하-젠더(Mach-Zehnder) 혹은 페브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 구조를 기반으로 매우 낮은 온도 민감도를 갖는 여러 스트레인 센서들이 제안되었다[1,2]. 이러한 PCF 중 특히, 편광유지 광자결정 광섬유(polarizationmaintaining photonic crystal fiber : 이하 PM-PCF)는 간단한 구조와 제작의 용이성, 그리고 낮은 온도 민감도를 갖는 Sagnac 복굴절 간섭계(birefringence interferometer)를 구성할 수 있으므로, 온도에 무관한 PM-PCF 기반 광섬유 스트레인 센서의 연구를 촉진시켰다.
특히 제안된 센서의 온도 의존성도 조사하였는데, 열판(hot plate)을 이용해 센서부인 PM-PCF에 열을 가하면서 변화되는 Sagnac 복굴절 간섭계의 투과 스펙트럼을 측정하고, 측정 결과에서 투과 골의 파장 변위를 구해 그림 5에 나타내었다. 그림 5에서 알 수 있듯이, PM-PCF에 인가되는 온도는 30℃에서 90℃까지 변화시켰으며, 온도에 대한 투과 골의 파장 이동 민감도는 약 -40pm/℃로 측정되었다.

대상 데이터

실험에서 사용된 PM-PCF에서 큰 공기 구멍과 작은 공기 구멍의 지름은 평균적으로 각각 4.5μm와 2.2μm이고, 공기 구멍 간 간격은 4.4μm이다.

성능/효과

0에서 6mε까지 스트레인을 인가한 결과, 센서부 길이가 5.0, 7.5, 10.0cm인 센서들의 스트레인 민감도들은 각각 ∼2.03, ∼1.92, ∼1.74pm/με으로 측정되었고, 센서부 길이에 따라 스트레인 민감도가 변화되는 것을 확인하였다.
7.5cm 길이의 PM-PCF로 구성된 센서의 스트레인 민감도는 ∼1.92pm/με으로 측정되었고, 이는 5.0cm 길이의 PM-PCF를 갖는 센서에 비해 저하된 값임을 알 수 있다.
PM-PCF로 구성된 센서의 스트레인 민감도는 ∼1.73pm/με으로 측정되었고, 세 종류의 센서 중 가장 낮은 민감도를 보였다.
가장 높은 소거율(extinctin ratio)을 가지는 스펙트럼을 얻기 위해 HWP의 방위각을 조정하였고, 그 결과 스트레인을 인가하지 않았을 때의 소거율은 ∼28.1dB로 측정되었다.
73pm/με으로 측정되었고, 세 종류의 센서 중 가장 낮은 민감도를 보였다. 결과적으로 센서부로 사용된 PM-PCF의 길이가 서로 다를 경우, 스트레인 센서의 민감도가 달라지고 특히, 본 실험에서는 PM-PCF의 길이가 짧아질 때 더 높은 민감도를 얻을 수 있었다.
구현된 센서에 인가된 스트레인의 범위는 0～6mε이었고, 5.0, 7.5, 10.0cm 길이의 PM-PCF로 구성된 세 종류의 스트레인 센서들의 스트레인 민감도는 각각 ∼2.03, ∼1.92, ∼1.74pm/με으로 측정되었다.
이러한 국소적인 복굴절의 변화는 광섬유의 길이가 길어질수록 평균 효과에 의해 광섬유 전체 복굴절에 미치는 영향은 줄어들게 되나, 광섬유의 길이가 줄어들게 되면 그 영향을 무시할 수 없다. 따라서 본 논문에서 확인된 스트레인 민감도의 센서부 광섬유 길이 의존성은 PM-PCF의 길이가 줄어들수록 국소부 복굴절의 변화가 전체 광섬유의 복굴절에 미치는 영향이 증가하여 발생하는 것으로 사료된다.
따라서 본 논문에서는 공기 구멍 붕괴현상을 최소화하기 위하여 광섬유 융착 접속기의 접속 변수를 조정함으로써 경험적인 방법으로 접속 손실을 줄였다. 상대적으로 큰 접속 손실은 Sagnac 복굴절 간섭계의 최대 투과도(transmittance)를 감소시키지만, 본 논문에서는 스트레인에 대한 민감도를 측정하기 위해 스펙트럼의 골의 파장변화를 이용하였기 때문에 투과도의 변화가 스트레인 측정 시 민감도의 정확도에는 영향을 주지 않는다. PM-PCF 양단의 두 접속 지점은 그림 1에서 보이는 것과 같이 XYZ 이동 스테이지 위에 접착제를 이용해 고정시켰고, 스트레인 인가 시에는 하나의 XYZ 이동 스테이지만을 이동시키며 스트레인을 인가하였다.
74pm/με으로 측정되었다. 실험을 통해 스트레인 민감도는 센서부 길이에 의존성을 가지는 것을 확인하였고, 특히 본 논문에서는 센서부의 길이가 감소할수록 스트레인 민감도가 증가하는 결과를 얻었다. 이는 센서부의 길이가 감소할수록 국소적인 복굴절의 변화가 전체 광섬유의 복굴절에 미치는 영향이 커지기 때문으로 사료된다.
이전 결과와 마찬가지로 PM-PCF에 0에서 6mε까지 스트레인이 인가될 때, 스펙트럼이 장파장쪽으로 이동한다는 것을 알 수 있었고, 총 이동거리는 앞서 실험하였던 5.0cm와 7.5cm 길이의 PM-PCF를 가지는 센서들에 비해 더 적은 ∼10.18nm로 측정되었다.
식 (4)를 통해 PM-PCF의 복굴절이 길이 의존성이 없다면 인가된 스트레인에 의한 투과 골의 파장 변위는 센서부의 길이와는 상관없이 인가된 스트레인에 비례하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 본 실험에서는 센서부로 사용된 PM-PCF의 길이에 따라 스트레인 민감도에 변화가 발생하고 특히, 센서부의 길이가 짧아질수록 스트레인 민감도가 증가되는 결과를 얻었다.

후속연구

게다가 순수한 실리카는 매우 낮은 온도 팽창 계수를 가지므로, PM-PCF 복굴절의 온도에 대한 민감도는 일반 편광유지 광섬유에 비해 크게 감소하게 된다. 따라서 PM-PCF로 구성된 제안된 스트레인 센서는 주변 온도의 변화에 대해 광학적 특성 변화가 매우 작다는 것을 확인할 수 있었고, 향후 PM-PCF의 온도 민감도가 더욱 향상된다면 제안된 센서는 온도에 무관한 스트레인 센서로서의 활용 가능성도 높아질 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광섬유 스트레인 센서가 일반 광섬유에 비해 접속 손실이 상대적으로 큰 이유는?	PM-PCF의 양단은 광섬유 융착 접속기(fiber fusion splicer, Fitel S-177A)를 이용해 SMF와 접속되어있고, 접속 손실(splicing loss)은 두 접속 지점(splicing point)을 합쳐 ∼7dB로 측정되었다. 일반 광섬유에 비해 접속 손실이 상대적으로 큰 이유는 PM-PCF와 SMF 간의 모드 필드 직경(mode field diameter) 부정합과 개구율(numerical aperture) 차이, 그리고 PM-PCF의 공기 구멍 붕괴현상으로 인한 손실 때문이다. 두 광섬유의 모드 필드 직경 부정합에 의한 접속 손실은 이론적으로 유도되며 피할 수 없으나[8], 융착 접속 시 PM-PCF의 공기 구멍 붕괴현상을 최소화시키면 전체 접속 손실을 줄일 수 있다.
	PCF의 구성은?	새로운 광 도파로(optical waveguide) 개념을 제시한 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber : 이하 PCF) 는 광섬유 센서 연구에 상당한 변화를 가져왔으며, PCF의 고유한 도파 특성을 이용하여 새로운 방식의 광섬유 센서들이 제안되고 있다. 특히 PCF는 코어(core)와 클래딩(cladding)이 순수 실리카(pure silica)로 구성되어 있으며, 이러한 단일 물질로 이루어진 광섬유 구조에 의해 PCF는 매우 낮은 온도 민감도를 갖는다. 이러한 특성을 이용하여 마하-젠더(Mach-Zehnder) 혹은 페브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 구조를 기반으로 매우 낮은 온도 민감도를 갖는 여러 스트레인 센서들이 제안되었다[1,2].
	매우 낮은 온도 민감도를 갖는 광섬유 특성을 이용하여 제안된 것은?	특히 PCF는 코어(core)와 클래딩(cladding)이 순수 실리카(pure silica)로 구성되어 있으며, 이러한 단일 물질로 이루어진 광섬유 구조에 의해 PCF는 매우 낮은 온도 민감도를 갖는다. 이러한 특성을 이용하여 마하-젠더(Mach-Zehnder) 혹은 페브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 구조를 기반으로 매우 낮은 온도 민감도를 갖는 여러 스트레인 센서들이 제안되었다[1,2]. 이러한 PCF 중 특히, 편광유지 광자결정 광섬유(polarizationmaintaining photonic crystal fiber : 이하 PM-PCF)는 간단한 구조와 제작의 용이성, 그리고 낮은 온도 민감도를 갖는 Sagnac 복굴절 간섭계(birefringence interferometer)를 구성할 수 있으므로, 온도에 무관한 PM-PCF 기반 광섬유 스트레인 센서의 연구를 촉진시켰다.

참고문헌 (8)

J. Villatoro, V. Finazzi, V. P. Minkovich, V. Pruneri, and G. Badenes, "Temperature-insensitive photonic crystal fiber interferometer for absolute strain sensing," Appl. Phys. Lett., vol. 91, p. 091109, 2007.

상세보기
Q. Shi, F. Lv, Z. Wang, L. Jin, J. J. Hu, Z. Liu, G. Kai, and X. Dong, "Environmentally stable Fabry-Perot-type strain sensor based on hollow-core photonic bandgap fiber," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 20, pp. 237-239, 2008.

상세보기
D. H. Kim and J. U. Kang, "Sagnac loop interferometer based on polarization-maintaining photonic crystal fiber with reduced temperature sensitivity," Opt. Express, vol. 12, pp. 4490-4495, 2004.

상세보기
X. Dong, H. Y. Tam, and P. Shum, "Temperatureinsensitive strain sensor with polarization-maintaining photonic crystal fiber based Sagnac interferometer," Appl. Phys. Lett., vol. 90, p. 151113, 2007.

상세보기
O. Frazao, J. M. Baptista, and J. L. Santos, "Temperatrue-independent strain sensor based on a Hi-Bi photonic crystal fiber loop mirror," IEEE Sens. J., vol. 7, pp. 1453-1455, 2007.

상세보기
Y.-G. Han, "Temperature-insensitive strain measurement using a birefringent interferometer based on a polarization-maintaining photonic crystal fiber," Appl. Phys. B, vol. 95, pp. 383-387, 2009.

상세보기
G. Rajan, M. Ramakrishnan, Y. Semenova, K. Milenko, P. Lesiak, A. W. Domanski, T. R. Wolinski, and G. Farrell, "A photonic crystal fiber and fiber Bragg grating-based hybrid fiber-optic sensor system," IEEE Sens. J., vol. 12, pp. 39-43, 2012.

상세보기
J. S. Ahn, K. N. Park, G. H. Kim, S. B. Lee, and K. S. Lee, "Low loss fusion splicing of photonic crystal fiber and single-mode fiber," Journal of the Institute of Electronics of Engineers of Korea-SD, vol. 46, pp. 529-535, 2009.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증