[논문]빅셀(VCSEL)의 온도 의존성을 이용한 파장 가변 형 광섬유 격자 온도센서

이충기; 김성문

doi:10.3807/kjop.2018.29.6.241

빅셀(VCSEL)의 온도 의존성을 이용한 파장 가변 형 광섬유 격자 온도센서
Fiber Bragg Grating Temperature Sensor by the Wavelength Tuning Using the Temperature Dependence of VCSEL 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.29 no.6, 2018년, pp.241 - 246

이충기 (파이브테크 기술연구소) , 김성문 (부산대학교 전자전기공학과)

초록
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본 논문에서는 광섬유 브래그 격자(FBG)를 이용한 광온도센서를 제작하였으며 광원은 출력 파장의 온도 의존성을 가지는 저가형 VCSEL이 사용되며 FBG에서 반사되는 빛의 파장을 분석하는 interrogator는 VCSEL에서 변화되는 출력 파장을 VCSEL의 내부 온도로 확인하는 방법을 적용하여 저가격의 광온도센서를 구현하였다. VCSEL의 내부온도를 $52.2^{\circ}C$에서 $14^{\circ}C$까지 조절하면서 출력 파장을 1519.90 nm에서 1524.25 nm까지 총 4.35 nm 파장을 변화시켰으며 온도 조절에 따른 파장 변화 반복도 오차는 ${\pm}0.003nm$이며 온도 측정 오차는 ${\pm}0.18^{\circ}C$로 측정되었다. 광온도센서를 사용하여 $22.3{\sim}194.2^{\circ}C$의 온도를 측정한 결과 인가한 온도 ${\Delta}T$에 따른 광원 내부 온도 변화 값은 $0.146^{\circ}C/{\Delta}T$이고 인가한 온도 ${\Delta}T$에 따른 온도 프로브 반사 파장 변화 값(${\Delta}{\lambda}_{\beta}T/{\Delta}T$)은 $16.64pm/^{\circ}C$로 측정되었으며 센서의 측정 오차는 ${\pm}1^{\circ}C$로 나타났다. VCSEL의 출력 파장은 온도에 의존성을 가지고 있어 좁은 범위의 출력 파장을 변화시키기 위한 광원으로 사용하기에 매우 적합하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a low-cost optical temperature sensor is implemented, using a fiber Bragg grating (FBG) as the temperature probe and a low-cost VCSEL with temperature-dependent output wavelength as the light source. To analyze the wavelength of the reflected light from the FBG, an interrogation was applied using a method of referring to the internal temperature according to the output wavelength of the VCSEL. When the temperature of the VCSEL was adjusted from 14 to $52.2^{\circ}C$, the output wavelength varied from 1519.90 to 1524.25 nm. The degree of wavelength tuning according to temperature was $0.114nm/^{\circ}C$. The variable wavelength repeatability error according to temperature was ${\pm}0.003nm$, and the temperature measurement error was ${\pm}0.18^{\circ}C$. As a result of measuring the temperatures from 22.3 to $194.2^{\circ}C$, the value of the internal temperature change of the light source according to the applied temperature ${\Delta}T$ was $0.146^{\circ}C/{\Delta}T$, the change in reflected wavelength of the temperature probe according to applied temperature ${\Delta}T$ was measured at $16.64pm/^{\circ}C$. and the temperature measurement error of the sensor was ${\pm}1^{\circ}C$.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. (a) The construction of tunable wavelength optical temperature sensors using temperature dependence of VCSEL. (b) The structure of VCSEL package and the graph about the value of the internal temperature change of the VCSEL to tune the wavelength and the value of the measured power of the reflected light from the FBG.
그림 Fig. 2. (a) The graph about the output wavelength according to internal application temperature of light source (applied temperature range: 14~52.2℃, output wavelength range: 1519.90~1524.25 nm). (b) Graph about output wavelength repeatability according to internal temperature of light source (output wavelength at 14℃ and 52.2℃: 1519.90 nm, 1524.25 nm, maximum repeatability error: ±0.003 nm).
그림 Fig. 3. (a) The photograph of fabricated temperature probe. (b) The graph about the reflection wavelength of the temperature probe (temperature of the probe: 21.17℃, the center optical wavelength: 1520.93 nm, 3-dB bandwidth: 0.11 nm).
그림 Fig. 4. (a) The graph about the measured temperature of the light source and the reflection wavelength of the probe according to the applied temperature of temperature probe (measurement temperature range: 22.3~194.2℃). (b) The graph about the measured value of internal temperature of the light source when the power of the reflected wavelength according to the applied temperature is the maximum value (The value of the reflected wavelength change of the temperature probe according to applied temperature ΔΤ: 16.64 pm/℃).
그림 Fig. 5. The graph about the error and the measured temperature of the optical temperature sensor according to the applied temperature of temperature probe.

AI 본문요약
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문제 정의

FBG를 사용한 광온도센서의 성능을 확인하기 위해 기준센서로 백금온도센서를 사용하였으며, 광온도센서를 전력설비에 적용 시 고전류가 흐르는 메탈의 표면의 온도를 측정하므로 이와 같은 동일한 환경을 맞추기 위해 본 논문에서는 hot plate 표면 온도를 측정하였다. 온도 프로브와 백금온도센서를 같이 hot plate 위에 두고 온도를 변화시켰으며 인가 온도 범위는 백금온도센서 측정 기준으로 22.

제안 방법

본 센서에 사용된 광원(RC32xxx1-Ft from RayCan company)은 그림 1(b)와 같이 VCSEL chip, 내부 온도를 변경하기 위한 TEC, 그리고 내부 온도 값을 측정하기 위한 thermistor로 구성되며 광원의 출력 파장을 변화시키기 위해 내부 온도를 변화시키면서 온도를 측정함과 동시에 FBG에서 반사된 빛과 광원에서 출력되는 빛의 파워를 두 개의 PD를 통해 동시에 측정한다. 그 결과 그림 1(c)의 그래프와 같이 광원의 내부 온도에 따라 온도 프로브인 FBG에서 반사된 빛의 파워를 측정한 PD에서 신호가 출력되는 것을 확인할 수 있다.
기존에 온도 의존특성을 이용한 VCSEL의 파장 가변 방식은 패키지 내부와 외부에 TEC를 부착하여 온도 오차에 따른 출력 파장 변화 오차를 최소화하였지만 본 센서의 광원은 VESEL 내부에 부착된 thermistor를 이용하여 온도 값을 확인하는 피드백 시스템을 적용하여 저가의 VCSEL을 적용하였다. FBG에서 반사되는 파장을 분석하기 위한 복잡하고 고가인 interrogator를 VCSEL의 내부 온도 값 측정으로 대체하였다.
1 nm/℃이다^[9]. VCSEL 내부에 온도를 제어하기 위한 TEC (thermoelectric cooler)를 컨트롤하여 파장을 변화시켰으며 온도에 따라FBG에서 반사되는 파장을 측정하기 위해 VCSEL의 내부의 thermistor를 이용하여 온도 변화 시 측정되는 온도 값과 FBG에서 반사되는 빛의 파워를 photodetector로 측정하고 두 측정 값을 동기화시키게 되면 VCSEL의 내부 온도 값만으로 FBG에서 반사되는 파장을 확인할 수 있게 된다. 기존에 온도 의존특성을 이용한 VCSEL의 파장 가변 방식은 패키지 내부와 외부에 TEC를 부착하여 온도 오차에 따른 출력 파장 변화 오차를 최소화하였지만 본 센서의 광원은 VESEL 내부에 부착된 thermistor를 이용하여 온도 값을 확인하는 피드백 시스템을 적용하여 저가의 VCSEL을 적용하였다.
FBG를 이용한 광온도센서는 측정되는 온도에 따라 FBG에서 반사되는 빛의 파장변화를 측정하는 원리로 넓은 대역의 파장을 출력하는 광원과 FBG에서 반사되는 빛의 파장을 측정하기 위한 interrogator 등의 광소자들이 필수적으로 구성된다^[4,5]. 광대역 파장을 출력하는 광원을 SLD (superluminescent diode)로 적용하고 interrogator를 long-period grating PCF 파장 필터로 적용하여 구성하거나^[6], 광원을 ELED (edge light emitting diode)로 적용하고 FBG에서 반사되는 파장을 확인하기 위한 interrogator로 Fabry-Perot tunable filter를 적용하였다^[7]. 최근에는 단파장 형태로 출력되는 광원을 사용하여 넓은 대역의 파장 범위를 스캔할 수 있게 다양한 형태로 tuning하기 위한 tunable laser를 광대역 파장출력 광원 대신 적용하고 있다.
VCSEL 내부에 온도를 제어하기 위한 TEC (thermoelectric cooler)를 컨트롤하여 파장을 변화시켰으며 온도에 따라FBG에서 반사되는 파장을 측정하기 위해 VCSEL의 내부의 thermistor를 이용하여 온도 변화 시 측정되는 온도 값과 FBG에서 반사되는 빛의 파워를 photodetector로 측정하고 두 측정 값을 동기화시키게 되면 VCSEL의 내부 온도 값만으로 FBG에서 반사되는 파장을 확인할 수 있게 된다. 기존에 온도 의존특성을 이용한 VCSEL의 파장 가변 방식은 패키지 내부와 외부에 TEC를 부착하여 온도 오차에 따른 출력 파장 변화 오차를 최소화하였지만 본 센서의 광원은 VESEL 내부에 부착된 thermistor를 이용하여 온도 값을 확인하는 피드백 시스템을 적용하여 저가의 VCSEL을 적용하였다. FBG에서 반사되는 파장을 분석하기 위한 복잡하고 고가인 interrogator를 VCSEL의 내부 온도 값 측정으로 대체하였다.
VCSEL의 출력 파장은 온도 의존성을 가지고 있어 좁은 범위의 출력 파장을 변화시키기 위한 광원으로 사용하기에 매우 적합하다. 또한 FBG에서 반사되는 파장을 측정하기 위해 기존에는 고가의 파장 가변 형 필터인 interrogator를 적용하였으나 본 센서는 VCSEL에서 변화되는 출력 파장을 VCSEL의 내부 온도로 확인하여 기존의 interrogator를 대신하였다.
본 논문에서 제안하는 VCSEL의 온도 의존성을 이용한 파장 가변 형 광온도센서의 구조는 그림 1(a)와 같이 센서의 광원인 VCSEL, isolator, 광원의 파워를 모니터링하기 위한 모니터링 PD (photodetector), 온도를 측정하기 위한 FBG, FBG에서 반사되는 빛의 파워를 측정하기 위한 수광부 PD, 그리고 두 개의 3-dB coupler로 구성된다. 광원에서 출력된 빛은 3-dB coupler를 통해 모니터링 PD와 두 번째 3-dB coupler에 나눠져 입력되고 3-dB coupler를 통과한 빛은 온도 프로브인 FBG에 입력되고 아래의 식 (1)과 같이 grating period Λ가 맞는 Bragg wavelength λ_β만 반사되어 다시 두 번째 3-dB coupler를 거쳐 수광부인 PD에 입력된다.
본 논문에서는 FBG를 이용한 광온도센서를 제작 하였으며 광범위 대역 파장을 출력하거나 단일 파장을 다양한 형태로 변화시켜 출력하는 고가의 광원 대신 광통신에서 많이 사용되는 저가형 VCSEL을 적용하였다. VCSEL의 출력 파장은 온도 의존성을 가지고 있어 좁은 범위의 출력 파장을 변화시키기 위한 광원으로 사용하기에 매우 적합하다.
본 논문에서는 고가격으로 인해 제한된 시장을 확대하기 위해 광온도센서의 광원을 광통신에서 활발히 사용되는 저가의 VCSEL (vertical cavity surface emitting laser)을 적용하였다. VCSEL은 내부 온도에 따라 출력 파장이 변화되는 특성을 가진다.

대상 데이터

11 nm이다. 백금온도센서를 기준온도센서로 사용하였으며 온도 프로브에 인가된 온도 범위는 22.3~194.2℃이다.
본 센서에 사용된 광원은 내부 온도를 52.2℃에서 14℃까지 낮추면서 광원 출력 파장을 1519.90 nm에서 1524.25 nm까지 총 4.35 nm 파장을 변화시켰으며 온도에 따른 파장 변화 반복도 오차는 ±0.003 nm이다. 광원의 3-dB bandwidth는 0.
온도 프로브에서 FBG의 길이는 55 mm이며 200℃까지 온도를 측정하기 위해 버퍼가 폴리이미드로 코팅된 광섬유를 사용하였으며 알루미늄 재질의 메탈 케이스와 FBG를 고정하기 위해 FBG 영역 외의 부분에 silicone를 사용하였으며 메탈 케이스 밖으로는 광섬유를 보호하기 위해 고온에 견딜 수 있는 Teflon tube를 사용하였다. 온도 프로브는 그림 3(a)와 같이 제작되었으며 FBG에서 반사되는 빛의 3-dB bandwidth 및 중심파장을 확인하기 위해 광대역 파장을 출력하는 SLD 광원을 사용하여 circulator에 빛을 입사시킨 후 FBG에서 반사되는 빛을 OSA로 확인하였으며 온도 프로브 옆에 백금온도센서를 두어 프로브와 온도를 동시에 측정하여 그림 3(b)와 같이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

성능/효과

광원 내부의 온도 변화 범위는 14~52.2℃ 이며 초기 14℃에서 2℃ 단위로 온도를 증가시키면서 측정된 광원 출력 파장의 피크 변화 범위는 1519.90~1524.25 nm로 총 4.35 nm 변화하였고 온도에 따른 파장 변화 값(Δλ/ΔT)은 0.114 nm/℃인 것을 확인할 수 있다.
2℃에서 14℃로 반복하여 변화시키면서 hot plate의 온도를 측정한 결과 그림 4(a)와 같으며 FBG에서 반사되는 빛의 전기적인 최대 신호 값이 출력되는 시간이 hot plate의 온도를 단계 별로 변화시킬 때마다 달라지는 것과 광원의 내부 온도 값 또한 다른 것을 알 수 있다. 광원의 내부 온도를 52.2℃에서 14℃까지 스캔하는데 약 1.5초 소요되며 한번 온도를 측정하는데 대략 3초 정도 소요되는 것을 확인하였다. 신호의 최대값에 대한 광원 내부의 온도 값을 확인하여 인가된 온도에 대한 광원 내부 온도 값은 그림 4(b)와 같이 나타나며 인가한 온도 ΔT에 따른 광원 내부 온도 변화 값은 0.
실험 결과 인가한 온도 ΔT에 따른 광원 내부 온도 변화 값은 0.146℃/ΔT이고 인가한 온도 ΔT에 따른 온도 프로브 반사 파장 변화 값(Δλβ/ΔT)은 16.64 pm/℃로 측정된다.
제작된 온도 프로브에 200℃까지 온도를 인가할 경우 FBG에서 반사되는 중심 파장은 1522.74 nm로 계산되며 광원의 내부 온도를 14~52.2℃로 변화시켰을 때 가변되는 파장 범위는 1519.90~1524.25 nm이므로 상온에서 200℃까지 온도 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다. 광원의 온도에 따른 출력 파장 반복성 확인에서 14℃와 52.

후속연구

64 pm/℃로 크게 나타난 이유는 FBG 영역을 벗어난 양 끝단에 silicone을 사용하여 알루미늄 케이스에 고정하므로 인해 온도에 따른 FBG 파장 변화 이외에 기구적으로 FBG 파장 변화에 영향을 준 오차로 판단된다. 논문 발표 이후 기구적으로 발생되는 온도 측정 오차 값을 최소화하기 위한 온도 프로브의 구조개선 연구와 본 센서를 발전소,공장, 고층 건물, 다세대 아파트 등 고전력이 사용되는 곳에 설치된 전압 변환기의 과열로 인해 발생되는 안전사고를 예방하기 위한 온도 모니터링 센서로 적용하기 위해 개발을 진행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강한 전자기파간섭으로 인해 현재 발전설비에 사용되는 온도센서에 발생되는 문제는?	이러한 문제를 해결하기 위해 각 발전설비마다 절연 파괴 보호 및 과열 방지를 위해 온도를 모니터링하기 위한 센서가 매우 중요하게 두각 되고 있다. 현재에 발전설비에 사용되는 온도센서는 온도변화에 따른 저항 변화나 전기적인 신호를 측정하는 것으로서 수백 kV 이상의 고압 환경에서 동작하므로 발전설비에서 발생하는 강한 전자기파간섭(electromagnetic interference, EMI) 때문에 일반적인 전기적인 계측기의 기능에 심각한 영향을 미치게 되어 측정결과에 대한 오차를 매우 크게 만드는 문제를 가지며 또한 전도성 파트를 가지고 있어 절연환경이 요구되는 지점의 온도측정이 매우 어렵다는 단점을 가지고 있다. 그러나 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG)를 이용한 광온도센서는 광섬유라는 절연 물질을 통해 빛의 파장 변화를 이용하여 온도를 측정하므로 EMI와 센서로 인해 절연이 파괴되는 문제를 모두 해결할 수 있다는 장점을 가지고 있다[2,3].
	발전설비에서 생성된 전력이 345 kV 이상의 고압, 전류의 크기도 수 kA 이상으로 전송하는 이유는?	최근 산업발전으로 인해 발전설비에서 생성된 전력은 수백 메가 와트에 이르며 이를 몇 단계에 걸쳐서 나누어서 송전을 하게 되는데 전송선의 손실을 줄이기 위하여 345 kV 이상의 고압으로 전송하게 되며 전류의 크기도 수 kA 이상이다. 이러한 발전설비에 사용되는 전력변환기(transformer), GIS (gas insulated switchgear), 전력공급 케이블 등이 고전류나 고전압으로 인해 발생되는 과열로 절연 파괴 및 화재 발생이 빈번하게 발생하고 있으며 화재 발생시 전력공급이 중단되어 산업현장에 막대한 피해를 주게 된다[1].
	발전설비에 사용되는 전력변환기, GIS, 전력공급 케이블 등이 고전류나 고전압으로 인해 발생되는 과열로 절연 파괴 및 화재 발생이 빈번하게 발생되는데 이를 해결하기 위해 최근 주목받는 것은?	이러한 발전설비에 사용되는 전력변환기(transformer), GIS (gas insulated switchgear), 전력공급 케이블 등이 고전류나 고전압으로 인해 발생되는 과열로 절연 파괴 및 화재 발생이 빈번하게 발생하고 있으며 화재 발생시 전력공급이 중단되어 산업현장에 막대한 피해를 주게 된다[1]. 이러한 문제를 해결하기 위해 각 발전설비마다 절연 파괴 보호 및 과열 방지를 위해 온도를 모니터링하기 위한 센서가 매우 중요하게 두각 되고 있다. 현재에 발전설비에 사용되는 온도센서는 온도변화에 따른 저항 변화나 전기적인 신호를 측정하는 것으로서 수백 kV 이상의 고압 환경에서 동작하므로 발전설비에서 발생하는 강한 전자기파간섭(electromagnetic interference, EMI) 때문에 일반적인 전기적인 계측기의 기능에 심각한 영향을 미치게 되어 측정결과에 대한 오차를 매우 크게 만드는 문제를 가지며 또한 전도성 파트를 가지고 있어 절연환경이 요구되는 지점의 온도측정이 매우 어렵다는 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (10)

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H.-J. Park and M. Song, "Linear FBG temperature sensor interrogation with Fabry-Perot ITU multi-wavelength reference," Sensors 8, 6769-6776 (2008).

상세보기
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Y.-J. Rao, "In-fibre Bragg grating sensors," Meas. Sci. Technol. 8, 355-375 (1997).

상세보기
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상세보기
L. S. Yan, A. Yi, W. Pan, and B, Luo, "A simple demodulation method for FBG temperature sensors using a narrow band wavelength tunable DFB Laser," IEEE Photon. Lett. 22, 1391-1393 (2010).
M. Kondow, T. Kitatani, K. Nakahara, and T. Tanaka, "Temperature dependence of lasing wavelength in a GaInNAs laser diode," IEEE Photon. Lett. 12, 777-779 (2000).
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. Lightw. Technol. 13, 1442-1463 (1997).

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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].

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