짧은 센서부를 가진 편광유지 광자결정 광섬유 기반 편광 간섭형 스트레인 센서 Polarization-Maintaining Photonic-Crystal-Fiber-based Polarimetric Strain Sensor with a Short Sensing Head원문보기
본 논문에서는 짧은 길이의 편광유지 광자결정 광섬유(polarization-maintaining photonic crystal fiber : 이하 PM-PCF)와 3 dB 광섬유 결합기(fiber coupler), 그리고 편광 조절기(polarization controller)로 구성된 사냑(Sagnac) 복굴절 간섭계(birefringence interferometer)를 이용하여 온도에 둔감한 편광 간섭형 스트레인 센서(polarimetric strain sensor)를 구현하였다. 센서부(sensor head)로 사용된 PM-PCF의 길이는 2 cm이었고, 이는 기존의 PM-PCF 기반 편광 간섭형 스트레인 센서들과 비교할 때 가장 짧은 센서부 길이이다. 제안된 센서는 $0{\sim}8m{\varepsilon}$의 범위에 대해서 스트레인 측정을 수행하였으며, ${\sim}0.87pm/{\mu}{\varepsilon}$에 해당하는 스트레인 민감도를 얻을 수 있었다. 또한, 외부 온도를 $30^{\circ}C$에서 $100^{\circ}C$까지 변화시키며 제안된 센서의 온도 의존성을 조사한 결과, 약 $-12pm/^{\circ}C$의 온도 민감도를 얻을 수 있었으며, 이는 기존의 편광 유지 광섬유의 온도 민감도(약 $-990pm/^{\circ}C$) 에 비해 약 82배정도 작은 값이다. 특히, 실용적인 관점에서 센서 표지자(indicator)로 사용되는 파장이 스트레인 민감도에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 실험 및 이론적으로 확인하였다.
본 논문에서는 짧은 길이의 편광유지 광자결정 광섬유(polarization-maintaining photonic crystal fiber : 이하 PM-PCF)와 3 dB 광섬유 결합기(fiber coupler), 그리고 편광 조절기(polarization controller)로 구성된 사냑(Sagnac) 복굴절 간섭계(birefringence interferometer)를 이용하여 온도에 둔감한 편광 간섭형 스트레인 센서(polarimetric strain sensor)를 구현하였다. 센서부(sensor head)로 사용된 PM-PCF의 길이는 2 cm이었고, 이는 기존의 PM-PCF 기반 편광 간섭형 스트레인 센서들과 비교할 때 가장 짧은 센서부 길이이다. 제안된 센서는 $0{\sim}8m{\varepsilon}$의 범위에 대해서 스트레인 측정을 수행하였으며, ${\sim}0.87pm/{\mu}{\varepsilon}$에 해당하는 스트레인 민감도를 얻을 수 있었다. 또한, 외부 온도를 $30^{\circ}C$에서 $100^{\circ}C$까지 변화시키며 제안된 센서의 온도 의존성을 조사한 결과, 약 $-12pm/^{\circ}C$의 온도 민감도를 얻을 수 있었으며, 이는 기존의 편광 유지 광섬유의 온도 민감도(약 $-990pm/^{\circ}C$) 에 비해 약 82배정도 작은 값이다. 특히, 실용적인 관점에서 센서 표지자(indicator)로 사용되는 파장이 스트레인 민감도에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 실험 및 이론적으로 확인하였다.
In this paper we have implemented a temperature-insensitive polarimetric fiber strain sensor based on a Sagnac birefringence interferometer composed of a short polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF), a 3-dB fiber coupler, and polarization controllers. The PM-PCF used as a sensor he...
In this paper we have implemented a temperature-insensitive polarimetric fiber strain sensor based on a Sagnac birefringence interferometer composed of a short polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF), a 3-dB fiber coupler, and polarization controllers. The PM-PCF used as a sensor head was 2 cm long, which is the shortest length for a sensing element compared to other polarimetric fiber strain sensors using a PM-PCF. The proposed sensor showed a strain sensitivity of ${\sim}0.87pm/{\mu}{\varepsilon}$ with a strain measurement range from 0 to $8m{\varepsilon}$. The temperature sensitivity was also investigated and measured as approximately $-12pm/^{\circ}C$, when ambient temperature changed from 30 to $100^{\circ}C$. This temperature sensitivity is about 82 times smaller than that of conventional polarization-maintaining fiber (approximately $-990pm/^{\circ}C$). In particular, from a practical perspective we have experimentally and theoretically confirmed that the wavelength selected for the indicator dip location does not make a significant difference in the strain sensitivity.
In this paper we have implemented a temperature-insensitive polarimetric fiber strain sensor based on a Sagnac birefringence interferometer composed of a short polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF), a 3-dB fiber coupler, and polarization controllers. The PM-PCF used as a sensor head was 2 cm long, which is the shortest length for a sensing element compared to other polarimetric fiber strain sensors using a PM-PCF. The proposed sensor showed a strain sensitivity of ${\sim}0.87pm/{\mu}{\varepsilon}$ with a strain measurement range from 0 to $8m{\varepsilon}$. The temperature sensitivity was also investigated and measured as approximately $-12pm/^{\circ}C$, when ambient temperature changed from 30 to $100^{\circ}C$. This temperature sensitivity is about 82 times smaller than that of conventional polarization-maintaining fiber (approximately $-990pm/^{\circ}C$). In particular, from a practical perspective we have experimentally and theoretically confirmed that the wavelength selected for the indicator dip location does not make a significant difference in the strain sensitivity.
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문제 정의
본 논문에서는 2.0 cm 길이의 PM-PCF로 구성된 사냑 복굴절 간섭계를 기반으로 하는 스트레인 센서를 구현하였고, 스트레인 민감도의 센서 표지자 파장 의존성을 조사하였다. 구현된 센서에 인가된 스트레인의 범위는 0~8 mε이었고, 스트레인 민감도는 ~0.
센서부의 길이가 길 경우, 센서를 소형화시킬 수 없을뿐 아니라 국소부 측정에도 한계가 있고, 온도나 압력 변화와 같은 외란에 의한 영향을 쉽게 받을 수 있다. 본 논문에서는 이러한 센서부의 소형화를 더욱 진행시키기 위해 기존의 FBG의 길이와 비슷한 길이의 PM-PCF를 사용하여 구성된 사냑 복굴절 간섭계 기반 편광 간섭형 스트레인 센서를 제안하였다. 센서부로 사용된 PM-PCF의 길이는 2.
제안 방법
접속손실이 일반적인 광섬유보다 상대적으로 큰 이유는 PM-PCF와 SMF간의 모드 필드 직경(mode field diameter)의 부정합과 개구율(numerical aperture) 차이, 그리고 접속 과정에서 발생된 PM-PCF의 공기구멍 붕괴현상으로 인한 손실 때문으로 사료된다. 모드 필드 직경 부정합에 의한 접속 손실은 이론적으로 유도되며 피할 수 없는 손실이지만[16], 융착 접속 시 PM-PCF에 발생되는 공기구멍 붕괴현상은 시행착오에 의해 줄일 수 있으며 이러한 공기구멍 붕괴현상을 최소화하기 위해 광섬유 융착 접속기의 접속변수를 변경해가면서 접속 손실을 최소화하였다. 상대적으로 큰 접속 손실은 사냑 복굴절 간섭계의 최대 투과도를 감소시키지만, 제안된 센서는 복조 시 파장의 이동량을 이용해 인가된 스트레인을 측정하므로 투과도의 변화는 인가된 스트레인 측정의 정확도에는 영향을 미치지 않는다.
따라서, 이러한 센서 표지자의 파장 변화가 제안된 센서의 스트레인 민감도에 주는 영향에 대한 조사가 필요하다. 센서 민감도의 센서 표지자 파장 의존성을 조사하기 위해 HWP와 QWP의 방위각을 조절하여 센서 표지자의 파장 위치를 1548.16, 1553.92, 1584.52 nm로 각각 고정시킨 후 각각의 경우에 대해 순서대로 스트레인 민감도 측정을 수행하였다. 각각의 실험에서는 0~8 mε 범위의 동일한 스트레인을 센서부에 인가하였고, 측정된 결과를 그림 3(a), 3(b), 3(c)에 나타내었다.
87 pm/με으로 측정되었다. 제안된 센서는 PM-PCF를 사용한 기존의 스트레인 센서들과 비교할 때 가장 짧은 센서부를 사용하였고, 또한, 일반적인 FBG 스트레인 센서와 비교할 때 유사한 스트레인 민감도를 가지면서 2배 이상의 측정 범위를 갖는다. 또한, 센서의 온도 민감도는 30~100℃의 온도 변화에 대해 약 -12 pm/με로 측정되었다.
0 cm이었으며, 이는 센서부로 사용되는 FBG 길이(1~3 cm)와 비슷한 수준이고, 기존의 연구 결과들에서 사용된 PM-PCF 중 가장 짧은 것에 비해 약 2배 정도 짧아진 길이이다. 특히, 제안된 센서가 현장에서 사용될 때의 실용적인 관점에서 센서 표지자(indicator)로 사용되는 투과 스펙트럼 골(transmission spectrum dip)의 파장을 달리 선택할 경우, 이러한 센서 표지 자의 파장 변화가 센서의 스트레인 민감도에 주는 영향을 실험적 및 이론적으로 조사하였다.
대상 데이터
물론, PM-PCF의 길이가 길어질수록 평균 효과에 의해 국소복굴절 변화가 PM-PCF의 평균적인 복굴절에 미치는 영향은 줄어들게 된다. 본 논문에서는 국소부의 스트레인 측정과 외란에 의한 영향을 최소화하기 위해, 이전 연구들에서 사용된 센서부의 길이보다 훨씬 짧은 2 cm의 센서부를 사용하였고, 센서부의 길이가 감소하면서 발생된 복굴절의 변화에 의해 스트레인 민감도가 변화(감소) 된 것으로 판단된다.
실험에 사용된 PCF는 큰 공기구멍과 작은 공기구멍의 지름이 평균적으로 각각 4.5 μm 와 2.2 μm이고, 공기구멍들 간 간격은 4.4 μm인, 코어가 실리카(silica)로 이루어진 PM-PCF(Thorlabs, PM-1550-01) 이며, 그 단면도를 그림 2(b)의 내부그림에 나타내었다.
그림 1은 본 논문에서 제안된 광섬유 스트레인 센서의 구조를 나타내고 있으며, 내부 그림은 센서 시스템의 블록 다이어그램(block diagram)을 보여주고 있다. 제안된 센서 시스템은 광대역 광원(broadband source, Fiberlabs FL7004), 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer, Yokogawa AQ 6370C), 3 dB 광섬유 결합기(fiber coupler), 1/2 파장판(halfwave plate: 이하 HWP), 1/4 파장판(quarter-wave plate: 이하 QWP), XYZ 이동 스테이지(translation stage), 그리고 2 cm 길이의 PM-PCF로 구성되어 있다. 실험에 사용된 PCF는 큰 공기구멍과 작은 공기구멍의 지름이 평균적으로 각각 4.
데이터처리
00 nm로 측정되었다. 이동된 골의 파장 변화량은 선형 회귀 분석(linear regression analysis)을 통해 그선형성을 조사하였고, 그 결과를 내부그림에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이, 제안된 센서는 0~8 mε의 범위에서 선형적인 반응을 보였고, 측정된 스트레인 민감도는 ~0.
성능/효과
(c)에서 센서 표지자들의 스트레인 민감도는 각각 ~0.86, ~0.86, ~0.82 pm/με으로 측정되었으며, 결과를 보면 알 수 있듯이 제안된 센서의 스트레인 민감도는 센서 표지자들의 파장 위치에 대한 의존도가 매우 낮음을 알 수 있다.
또한, 센서의 온도 민감도는 30~100℃의 온도 변화에 대해 약 -12 pm/με로 측정되었다. 3개의 서로 다른 센서 표지자 파장에 대한 스트레인 민감도 측정을 통해 센서 표지자로 사용되는 투과 골의 파장이 스트레인 민감도에는 거의 영향을 주지 않는다는 것을 확인하였고, 이론적인 분석을 통해 이를 검증하였다.
그림 2(a)는 센서부로 사용된 PM-PCF에 0에서 8 mε까지 스트레인이 인가될 때 투과 스펙트럼의 변화를 보여주고 있다. HWP와 QWP의 방위각(azimuth angle)을 조절함으로써 최대 소거율(extinction ratio)을 갖는 스펙트럼을 얻었고, 스트레인이 인가되지 않았을 때의 소거율은 ~25.5 dB로 측정되었다. 스트레인 인가 시 스펙트럼은 장파장 쪽으로 이동하였고, 센서 표지자로 사용된 1543.
결과적으로 센서 표지자의 파장이 1 nm 변할 때, 스트레인 민감도는 ~0.00055 pm/με 만큼 변한다는 것을 알 수 있으며, 이는 0.878 pm/με의 민감도를 기준으로 볼 때 ~0.063%에 해당하는 양이다.
그림에서 알 수 있듯이, 제안된 센서는 0~8 mε의 범위에서 선형적인 반응을 보였고, 측정된 스트레인 민감도는 ~0.87 pm/με이었으며, 선형성을 나타내는 R2값은 ~0.998이었다.
그러나, 실제 PM-PCF 제작 시 광섬유 인출 과정에서 불균일한 압력에 의해 광섬유 내 공기구멍의 지름 및 공기 구멍들 간 간격이 완벽히 동일하게 유지되지 못할 수 있고, 이러한 국소 부분의 복굴절은 PM-PCF 전체 길이에 대한 평균 복굴절과 달라질 수 있다. 따라서, 이러한 국소 복굴절 변화는 그 변화가 크지 않고 변화량에 대한 예측이 불가능하지만, PM-PCF의 길이가 달라질 경우 PM-PCF의 평균적인 복굴절을 변화시킬수 있고, 결과적으로 스트레인 민감도를 변화시킬 수 있다. 물론, PM-PCF의 길이가 길어질수록 평균 효과에 의해 국소복굴절 변화가 PM-PCF의 평균적인 복굴절에 미치는 영향은 줄어들게 된다.
모드 필드 직경 부정합에 의한 접속 손실은 이론적으로 유도되며 피할 수 없는 손실이지만[16], 융착 접속 시 PM-PCF에 발생되는 공기구멍 붕괴현상은 시행착오에 의해 줄일 수 있으며 이러한 공기구멍 붕괴현상을 최소화하기 위해 광섬유 융착 접속기의 접속변수를 변경해가면서 접속 손실을 최소화하였다. 상대적으로 큰 접속 손실은 사냑 복굴절 간섭계의 최대 투과도를 감소시키지만, 제안된 센서는 복조 시 파장의 이동량을 이용해 인가된 스트레인을 측정하므로 투과도의 변화는 인가된 스트레인 측정의 정확도에는 영향을 미치지 않는다. 그림 1에서와 같이 PM-PCF 양단의 두 접속지점은 접착제를 이용해 XYZ이동 스테이지 위에 고정시켰고, 하나의 스테이지만을 이동시키면서 PM-PCF에 스트레인을 인가하였다.
센서부의 길이를 더욱 감소시키기 위해 1 cm의 센서부를 이용하여 추가적인 실험을 진행하였으나, 출력 간섭 스펙트럼에서 파장 간격이 ~213.28 nm로 증가되었으며, 이는 광대역 광원의 출력 파장 대역폭인 ~80 nm의 약 2.6배에 해당한다. 따라서, 기존의 광대역 광원으로 실험을 진행할 경우 센서 표지자를 광원의 출력 파장 대역 내에 위치시키는 것이 쉽지 않아 스트레인에 의한 파장변화를 정밀하게 분석하는 것이 어렵고, 넓은 대역폭의 새로운 광대역 광원을 사용할 경우 센서 표지자의 거동을 측정하는 것은 용이하나 전체 센서 시스템의 구성 가격이 증가하게 된다.
이 결과를 바탕으로 3개의 센서 표지자들의 파장에 대해 스트레인 민감도 S (= ∆λ0/ε) 를 구해보면 각각 0.878, 0.881, 0.898 pm/με을 얻을 수 있다.
86 nm로 측정되었다. 제안된 센서의 온도 민감도는 약 -12 pm/℃로서, 이는 일반적인 PMF(약 -990 pm/℃)에 비해 약 82배 정도 외부 온도 변화에 둔감한 결과이다[17, 18]. 하지만, 측정된 온도 민감도는 기존의 다른 연구 결과에서 온도 챔버(chamber)를 사용하여 측정한 PM-PCF의 온도 민감도[6-9]에 비해서는 큰 값이며, 이러한 차이는 열판을 사용하여 실험을 하는 경우 PM-PCF의 한쪽 면이 외부 공기와 접촉되기 때문에, PM-PCF 전체적으로 온도 분포가 심한 구배를 가져 광섬유의 온도가 일정하게 유지되지 않아 발생하는 것으로 사료된다.
측정 결과들을 살펴볼 때, 센서부의 길이를 FBG 수준으로 감소시켰음에도 센서 민감도는 FBG의 스트레인 민감도(~1 pm/με) 와 비슷한 수준이고, 측정 범위는 FBG(~3 mε)에 비해 2배 이상 넓은 것을 알 수 있다.
후속연구
전술했듯이, 센서부로 사용된 PM-PCF의 코어와 클래딩은 낮은 온도 팽창계수를 가지는 순수 실리카(pure silica)로만 이루어져 있으므로 PM-PCF 복굴절의 온도에 대한 민감도는 기존의 PMF에 비해 상대적으로 작게 된다[19]. 따라서, 제안된 센서는 기존의 PMF 기반 스트레인 센서에 비해 외부 온도 변화에 의한 광학적 특성 변화가 크게 감소 된다는 것을 확인하였고, 차후 PM-PCF의 온도 민감도가 더욱 개선된다면 온도에 무관한 스트레인 센서로의 활용도 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PM-PCF 기반의 스트레인 센서의 단점은 무엇인가?
이러한 PM-PCF 기반의 스트레인 센서는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating: 이하 FBG) 기반 스트레인 센서[13-15]와 비교할 때, 측정 범위가 훨씬 넓다는 장점이 있지만, 센서 부의 길이가 길어 센서 응용 범위에 한계를 가진다는 단점이 있다. 센서부의 길이가 길 경우, 센서를 소형화시킬 수 없을뿐 아니라 국소부 측정에도 한계가 있고, 온도나 압력 변화와 같은 외란에 의한 영향을 쉽게 받을 수 있다. 본 논문에서는 이러한 센서부의 소형화를 더욱 진행시키기 위해 기존의 FBG의 길이와 비슷한 길이의 PM-PCF를 사용하여 구성된 사냑 복굴절 간섭계 기반 편광 간섭형 스트레인 센서를 제안하였다.
PCF 기반 광섬유 센서의 장점은 무엇인가?
PCF 내부의 공기 구멍(air hole)이 입력광원의 파장과 비슷한 크기를 갖게 되면 PCF는 광 밴드갭(photonic bandgap) 효과에 의해 빛을 도파시킬 수 있고, 이 경우 코어(core)와 클래딩(cladding)을 단일 물질(SiO2)로 구성할 수 있기 때문에 PCF는 기존의 굴절률 유도(index guiding) 방식의 광섬유에 비해 현저히 낮은 온도 민감도를 갖는다. 따라서, PCF 기반 광섬유 센서들은 기존의 광섬유 센서들에 비해 상대적으로 온도에 둔감한 장점을 갖고, 이로 인해 마하-젠더(Mach-Zehnder) 또는 페브리페로(Fabry-Perot) 간섭계 구조를 이용하여 기존 광섬유 센서 들에 비해 상대적으로 온도에 둔감한 스트레인(strain) 센서들이 다수 제안되어왔다[3-5]. 특히, 편광 유지 PCF(polarizationmaintaining PCF: 이하 PM-PCF) 기반의 사냑 복굴절 간섭계 (Sagnac birefringence interferometer)[6]는 구조가 간단하고, 스트레인에 대한 복굴절 변화 민감도가 높으며, 입력 편광에 의존하지 않는 특성을 가지기 때문에 스트레인 센서부 (sensor head)나 센서 복조용 필터(demodulation filter)로 널리 사용되고 있다[7-12].
PM-PCF 기반 사냑 복굴절 간섭계의 특성은 무엇인가?
따라서, PCF 기반 광섬유 센서들은 기존의 광섬유 센서들에 비해 상대적으로 온도에 둔감한 장점을 갖고, 이로 인해 마하-젠더(Mach-Zehnder) 또는 페브리페로(Fabry-Perot) 간섭계 구조를 이용하여 기존 광섬유 센서 들에 비해 상대적으로 온도에 둔감한 스트레인(strain) 센서들이 다수 제안되어왔다[3-5]. 특히, 편광 유지 PCF(polarizationmaintaining PCF: 이하 PM-PCF) 기반의 사냑 복굴절 간섭계 (Sagnac birefringence interferometer)[6]는 구조가 간단하고, 스트레인에 대한 복굴절 변화 민감도가 높으며, 입력 편광에 의존하지 않는 특성을 가지기 때문에 스트레인 센서부 (sensor head)나 센서 복조용 필터(demodulation filter)로 널리 사용되고 있다[7-12].
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