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짧은 센서부를 가진 편광유지 광자결정 광섬유 기반 편광 간섭형 스트레인 센서
Polarization-Maintaining Photonic-Crystal-Fiber-based Polarimetric Strain Sensor with a Short Sensing Head 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.25 no.3, 2014년, pp.131 - 136  

노태규 (부경대학교 전기공학과) ,  이용욱 (부경대학교 전기공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (19)

  1. J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin, "All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding," Opt. Lett. 21, 1547-1549 (1996). 

  2. J. C. Knight, "Photonic crystal fibres," Nature (London) 424, 847-851 (2003). 

  3. 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. 91, 091109 (2007). 

  4. 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. 20, 237-239 (2008). 

  5. W. Shin, Y. L. Lee, B.-A. Yu, Y.-C. Noh, and T. J. Ahn, "Highly sensitive strain and bending sensor based on in-line fiber Mach-Zehnder interferometer in solid core large mode area photonic crystal fiber," Opt. Commun. 283, 2097-2101 (2010). 

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

  7. X. Dong, H. Y. Tam, and P. Shum, "Temperature-insensitive strain sensor with polarization-maintaining photonic crystal fiber based Sagnac interferometer," Appl. Phys. Lett. 90, 151113 (2007). 

  8. O. Frazao, J. M. Baptista, and J. L. Santos, "Temperatureindependent strain sensor based on a Hi-Bi photonic crystal fiber loop mirror," IEEE Sens. J. 7, 1451-1455 (2007). 

  9. Y.-G. Han, "Temperature-insensitive strain measurement using a birefringent interferometer based on a polarizationmaintaining photonic crystal fiber," Appl. Phys. B 95, 383-387 (2009). 

  10. T. K. Noh and Y. W. Lee, "Temperature-insensitive polarimetric fiber strain sensor with short polarization-maintaining photonic crystal fiber," Appl. Phys. Express 5, 112502 (2012). 

  11. 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. 12, 39-43 (2012). 

  12. L. M. Hu, C. C. Chan, X. Y. Dong, Y. P. Wang, P. Zu, W. C. Wong, W. W. Qian, and T. Li, "Photonic crystal fiber strain sensor based on modified Mach-Zehnder interferometer," IEEE Photonics J. 4, 114-118 (2012). 

  13. A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, "Fiber grating sensors," J. Lightwave Technol. 15, 1442-1463 (1997). 

  14. O. Frazao, J. P. Carvalho, L. A. Ferreira, F. M. Araujo, and J. L. Santos, "Discrimination of strain and temperature using Bragg gratings in microstructured and standard optical fibres," Meas. Sci. Technol. 16, 2109-2113 (2005). 

  15. C. Martelli, J. Canning, N. Groothoff, and K. Lyytikainen, "Strain and temperature characterization of photonic crystal fiber Bragg gratings," Opt. Lett. 30, 1785-1787 (2005). 

  16. 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 46, 529-535 (2009). 

  17. D. Choi and Y. W. Lee, "Current-controlled tunable fiber multiwavelength filter based on polarization-diversity loop structure," Jpn. J. Appl. Phys. 50, 062502 (2011). 

  18. E. De la Rosa, L. A. Zenteno, A. N. Starodumov, and D. Monzon, "All-fiber absolute temperature sensor using an unbalanced high-birefringence Sagnac loop," Opt. Lett. 22, 481-483 (1997). 

  19. D.-H. Kim and J. U. Kang, "Analysis of temperaturedependent birefringence of a polarization-maintaining photonic crystal fiber," Opt. Eng. 46, 075003 (2007). 

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