이점

브래그 격자는 일반적으로 다음과 같은 여러 속성으로 인해 광섬유 센서로서의 장점을 모두 갖추고 있습니다. 즉, 섬유 길이에 비해 광손실이 적고, 전자파장해나 무선주파수 간섭을 받지 않으며, 크기가 작고 가볍습니다. 또한, 유해물질, 고감도, 장기 안정성 등의 환경에서도 본질안전 작동(intrinsically safe operation)이 보장됩니다. 아울러 광섬유 브래그 격자 기술은 직렬연결 형태의 다중화라는 본원적인 능력을 갖추고 있으며, 참조(reference)가 없어도 절대 측정이 가능합니다. 그로 인해 종래의 전기적 감지기술을 대체할 자연적인 대안으로 자리잡았습니다.

Fiber Bragg Grating (FBG) 온도 감도

광섬유 브래그 격자의 스트레인 감도와 마찬가지로 온도 감도는 파장 변화식에서 구할 수 있습니다(식 1):

공식 5

여기서,

– thermal sensitivity of the Bragg grating
– coefficient of thermal expansion of the fiber
– thermo-optic coefficient (dependence of the index of refraction on temperature)

온도 감도 근사에서, 위 값은 아래 온도 범위에서 일정하다고 가정할 수 있습니다.
= 0.55x10-6/ºC
= 5.77 x10-6/ºC

즉, 온도 감도 근사값은 아래의 식으로 나타낼 수 있습니다.

공식 6

FBG @1550 nm 의 값은 아래와 같습니다.

공식 7

Fiber Bragg Grating (FBG) 의 스트레인 감도

광섬유 브래그 격자의 스트레인 감도는 브래그 파장의 변화를 이용하여 구할 수 있습니다.

공식 2

여기서,

ße – strain sensitivity of the Bragg grating
pe – photoelastic constant (variation of index of refraction with axial tension)

광섬유의 pe 는,



따라서 FBG의 스트레인 감도는 아래 식으로 표시됩니다. 

공식 3

FBG @1550 nm 일 때의 스트레인 감도는 다음과 같습니다.

공식 4

그림 4

FBG를 이용한 온도 센서

온도 민감도(temperature sensitivity) 또한 광섬유 브래그 격자의 고유 특성입니다. 이 경우는 브래그 파장 변화의 주된 원인이 열광학 효과(thermo-optic effect)에 의한 실리카 박막의 굴절률 변화에 따른 것입니다. 열팽창 역시 미세구조의 주기에 변동을 가져와 파장 변화의 원인이 됩니다. 하지만 실리카 박막의 열팽창 계수가 낮기 때문에 열팽창의 효과는 미미합니다.

그림 3

FBG를 이용한 스트레인 센서

광섬유 Bragg grating은 센서 고유적인 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 섬유가 수축, 팽창함에 따라 FBG가 스트레인을 측정할 수 있습니다. 이는 본질적으로 광섬유의 변형이 미세구조의 주기에 변화를 가져오고, 결과적으로 브래그 파장이 달라지기 때문이 가능합니다(그림 3).

그림 2 (왼쪽 위: 주사된 빛의 스펙트럼; 오른쪽 위: 전송된 빛의 스펙트럼; 가운데: 빛의 전송과 반사를 형상화한 FBG; 왼쪽 아래: 반사광의 스펙트럼)

작동 (Operation)

공명구조가 된 광섬유 Bragg grating은 파장 선택 미러(wavelength selective mirror), 즉 협대역 필터(narrow band filter)의 역할을 하게 됩니다. 따라서 광대역에서 온 빛이 광사ㅓㅁ유에 주사되면 브래그 대역의 중심파장을 갖는 발진, 즉 극소폭 스펙트럼의 빛만 격자로 후방 반사됩니다. 나머지 빛은 그 다음 브래그 격자까지 광손실 없이 광섬유 속을 계속 나아갑니다(그림2).

브래그 파장은 근본적으로미세구조의 주기와 코어의 굴절률에 의해 결정됩니다.

광섬유 브래그 격자는 대칭구조이므로, 빛이 입사되는 방향과 상관 없이 격자에 의해 항상 브래그 파장만 반사됩니다.

Fiber Bragg grating (FBG)는 일반적으로 길이가 몇 밀리미터에 불과한 미세구조(microstructure)로서, 이러한 미세구조의 표준 단일모드 광섬유에 빔을 조사하면 코어에 격자를 새겨넣을 수 있습니다. 그러기 위해서는 광섬유 위에 위상 마스크를 놓고 UV 레이저빔을 횡방향으로 조사하여 광섬유 코어에 간접 패턴을 형성시키면 됩니다. 이로써 실리카 매트릭스에 영구적인 물성 변화가 일어납니다(그림 1). 코어의 굴절률 변화에 따른 공간-주기 변조(spatial periodic modulation)를 응용하여 광섬유를 공명구조로 바꿈으로써 이러한 변화가 발생합니다. 

온도 민감도(temperature sensitivity) 또한 광섬유 브래그 격자의 고유 특성입니다. 이 경우는 브래그 파장 변화의 주된 원인이 열광학 효과(thermo-optic effect)에 의한 실리카 박막의 굴절률 변화에 따른 것입니다. 열팽창 역시 미세구조의 주기에 변동을 가져와 파장 변화의 원인이 됩니다. 하지만 실리카 박막의 열팽창 계수가 낮기 때문에 열팽창의 효과는 미미합니다.

다중화 능력(Multiplexing)

FBG 기술의 주요 장점 중 하나는 격자 센서 고유의 다중화 능력입니다. 실제로 한 가닥의 광섬유에 수백 개의 브래그 격자를 새겨 넣을 수 있습니다. 광섬유는 몇 mm 이내로 가까이 둘 수도 있고 몇 km씩 떨어져 있게 할 수도 있습니다. 이러한 미세구조들을 적절히 패키지화하여 센서 어레이(sensor array)를 제작하면 온도나 스트레인은 물론, 압력, 가속도, 변위 등의 파라미터에도 민감도를 띠게 만들 수 있습니다. 여기서 중요한 것은, 하나의 광원을 통해 모든 센서의 값을 얻을 수 있다는 점입니다. 뿐만 아니라, 각 센서에 대해 충분한 광 스펙트럼 대역이 할당되는 한, 동일 섬유에 센서를 추가하더라도 광손실이 거의 없고 누화가 발생하지 않습니다(그림 6).

그림 5
그림 6

광섬유 브래그 격자(FBG, Fiber Bragg Grating)는 파장 선택 미러 역할을 하는 주기적 미세구조입니다. 이는 광대역에서 온 빛이 광섬유에 주사되면 브래그 대역의 중심파장을 갖는 발진, 즉 스펙트럼 폭이 매우 좁은 빛만이 격자로 후방 반사된다는 뜻입니다. 나머지 빛은 그 다음 브래그 격자까지 광손실 없이 광섬유 속을 계속 나아갑니다. 광섬유 브래그 격자는 대칭구조이므로, 빛이 입사되는 방향과 상관 없이 격자에 의해 항상 브래그 파장만 반사됩니다.

브래그 파장(λB)은 기본적으로 미세구조의 주기(Λ)와 코어의 굴절률(nef)에 의해 결정됩니다.

 
공식 1

광섬유 브래그 격자는 고유의 센서 특성을 보유합니다. 예를 들어, 섬유가 수축, 팽창함에 따라 FBG가 스트레인을 측정할 수 있습니다. 이는 본질적으로 광섬유의 변형이 미세구조의 주기에 변화를 가져오고, 결과적으로 브래그 파장이 달라지기 때문에 가능합니다. 이 밖에 광전효과를 통한 굴절률 변화도 기여하는 바가 있습니다.

온도 민감도(temperature sensitivity) 또한 광섬유 브래그 격자의 고유 특성입니다. 이 경우 브래그 파장 변화의 주된 원인은 열광학 효과(thermo-optic effect)에 의한 실리카 박막의 굴절률 변화입니다. 열팽창도 미세구조의 주기에 변동을 가져와 파장 변화의 원인이 됩니다. 하지만 실리카 박막의 열팽창 계수 낮기 때문에 열팽창의 효과는 미미합니다.

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