한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 6 호, pp. 846~851, 2010. 9 (ISSN 1226-9549) Journal of the Korean Society of Marine Engineering 광섬유형방향성결합기의광분배비를이용한수위센서연구손경락 계광현 1 ( 원고접수일 :2010 년 5 월 27 일, 원고수정일 :2010 년 7 월 30 일, 심사완료일 :2010 년 8 월 16 일 ) A Study on the Liquid-level Sensors Using Splitting Ratio of Fiber-optic Directional Couplers Kyung-Rak Sohn Kwang-Hyun Key 1 요약 : 광섬유형결합기의끝단면을이용한액체 - 공기경계면감지센서를제안하고특성을시험하였다. 이센서시스템의원리는광섬유끝단의경계면에접촉하는물질의굴절률변화에따라발생하는추가적인광손실을이용하는것이다. 각각다른광분배비를가지는다섯가지의광섬유형결합기를이용하여물과공기에접촉하였을때의스펙트럼응답특성을측정하고분석하였다. 이실험결과는다중센서헤드를가지는센서시스템을개발할경우결합기의광분배비를결정하는데유용하게사용되어질것이다. 제안된센서구조를이용하여다중센서배열을위한결합기선택에활용될수있기를기대한다. 또한다중지역에서동시에발생하는홍수나침수을감시하는모니터링시스템에적용될수있다. 주제어 : 광섬유센서, 방향성결합기, 광분배비, 침수센서, 스넬의법칙 Abstract: A liquid-air interface sensing system using the flat end surfaces of a fused-silica fiber coupler has been demonstrated. The principle is based on the additional optical loss caused by changing the refractive index of the external material at the boundary of the end face made of a fiber. The immersion characteristics of this system with respect to the different splitting ratios of the couplers were investigated to determine the sensitivity when it responses to water and air. These experimental data are very useful for selecting the coupling ratio of a coupler in order to develop a multiple sensing probe system. In the proposed sensor structure, it can be emphasize that the sensing probe can be appropriately arrayed on the basis of splitting ratio of the coupler. As a result, it is expected that the proposed liquid-air interface sensors can also be applied to monitor flooding that occurs in multiple areas at the same time. Key words: Fiber-optic sensor, Directional coupler, Splitting ratio, Immersion sensors, Snell's law 1. 서론 액화연료와기체층의경계를감지하기위한다양한형태의센서소자에대한연구가진행되어져왔다 [1]. 주로전기저항, 정전용량, 음향임피던스등의차를이용한것이며, 이중정전용량을이용 한방법이성공적으로개발되었고상용화되어우주항공분야의액화수소및산소의수위를감시하는응용에적용되었다. 그러나정전용량을이용하는것은전기적전력공급을필요로하는전자소자로서불꽃을일으켜액체연료를발화시킬수있는 교신저자 ( 한국해양대학교전자통신공학과, E-mail:krsohn@hhu.ac.kr, Tel: 051-410-4312) 1 한국해양대학교대학원전자통신공학과 846 / 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 6 호, 2010. 9
광섬유형방향성결합기의광분배비를이용한수위센서연구 91 위험성을항상내포하고있다. 또한응답속도가느리고무게가무겁고고가인단점을가지고있다. 전기적인안정성이보장되고소자의신뢰성을보장할수있는대안으로광섬유를이용한센서연구가많은주목을받고있다 [2-5]. 인화성이강한액체탱크의수위를측정하기위한방법으로미국의 NASA에서는광섬유와프리즘을이용하여공기- 액체경계면을감지하는센서를발표하였다 [6]. 프리즘의끝단면이공기에노출되면전반사를통해대부분이되돌아오지만, 액체와접촉하면전반사조건을만족하지못하여상당량의광전력이손실되는원리를이용하였다. 그러나다중센서에대한개별신호분리와모니터링은고가의광시간영역굴절률측정기 (Optical time-domain refractometer: OTDR) 를사용하였으며전기적인신호처리를위한부가적인시스템이요구되었다. M. Bottacini 등이제안한플라스틱광섬유센서는광섬유끝단의경계면에서발생하는공기와액체의굴절률차이를이용하여광감쇠량으로침수여부를판단하였다 [7]. 제안된센서헤드는수백마이크로미터이하의직경을가지는광섬유끝단을전반사가일어날수있게적당한각도로가공해야하는정밀공정이필요하다. 또한센서를다중화는방안이제시되지못하고단일센서에대한실험결과만제시하였다. 광섬유의측면을일부분연마하여소산장 (Evanescent field) 을외부물질로유도함으로서침수센서로활용할수있는방법도제시되었다 [8]. 총 8개의센서를직렬연결하여수위센서에대한실험결과를제시하였는데각각의센서에대한감쇠비가 0.26 db로민감도가좋지못하여신뢰성있는시스템을구성하기가어려운단점이있다. 본논문에서는광섬유형방향성결합기를이용하여액체와공기의경계면을감지할수있는센서헤드를구현하였다. 방향성결합기의광분배비에따라센서의민감도가달라짐을실험결과를통해제시하였으며설계를위한최적광분배비를구하였다. 실험결과는다중센서헤드를가지는이산형수위센서시스템의다중화를위한설계기준으로활용될수있다. 2. 동작원리 방향성결합기는두개의인접한광도파로로구성되며두도파로의소산장의중첩에의하여광결합이일어난다. Figure 1은통신용단일모드광섬유와동일한파라미터를가지는방향성결합기의기본구조와시뮬레이션결과를보여주고있다. 두도파로는 S 1 과 S 2 로구분되어지며, S 1 로입사된모드는도파로를따라진행하면서 S 2 로점진적으로광결합이일어남을알수있다. 여기서 Z는광결합길이를의미한다. 만약 Z를 A-A' 으로설정한다면 S 1 에선 90% 의광전력이존재하고 10% 는 S 2 로전달되어진다. 따라서 90:10 광결합기를구현할수있다. E-E' 는 S 1 과 S 2 에동일한광전력이존재하게되는지점으로 50:50 광결합기 ( 또는 3 db 결합기 ) 로사용할수있다. Figure 1: Schematic of directional coupler and simulation results Figure 2: 2 2 fiber-optic coupler and cross section view of sensor head 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 6 호, 2010. 9 / 847
92 손경락 계광현 Figure 2는두개의입력단과두개의출력단을가지는광섬유형결합기 ( 주로 2 2 결합기로부름 ) 를보여준다. 광결합영역의동작원리는 Figure 1 과같다. 입사광은광결합영역에서결합비에의해 m:n으로나뉘어져두개의광섬유끝단인 S 1 과 S 2 로진행한다. 센서헤드의끝단면은광섬유코어 (n 1) 와 n 2 굴절률을가지는외부물질의경계면이된다. 굴절률이다른두매질의경계면에서는스넬의법칙에따른입사파, 반사파, 투과파가생긴다. 경계면에서의반사도는입사각 θ i 와굴절률 n 2 의함수로표현되며, 입사각이일정할경우외부물질의굴절률에전적으로의존한다. 공기에비하여액체의굴절률이상대적으로크므로제안된센서는수위를측정하는소자로충분히활용할수있음을알수있다. 반사파의광전력 (P r) 은식 (1) 로나타낼수있다. 합비에따른광손실은 S 1 과 S 2 끝단에광파워미터를부착하여측정하였다. S 1 의경우분배비가줄어들수록선형적인광손실을보이며 3 db 정도의변동폭을보이고있으나, S 2 의경우동일분배비영역에서 7dB 이상의변화폭을보이고있다. 두단자의상대적인손실비 (S 1-S 2) 는 50:50 결합비에서는거의차이가없지만 90:10 결합비에서는 10dB 정도의큰차이를보인다. 이결과를통하여광분배비조절에따른센서의민감도제어가가능함을알수있다. log (1) 여기서 R은경계면에서의반사도를의미한다. 센서헤드의끝단이굴절률이다른물질에접촉된다면반사광전력의변화가생기며이를식 (2) 의소멸비 (E r) 로나타내어센서의민감도를비교할수있다. log (2) Figure 3: Optical loss vs. splitting ratio of coupler 여기서 P r1 과 P r2 는각각서로다른굴절률을가진 n 2 에광섬유센서헤드가접촉되었을때의반사광전력을나타낸다. 광결합기의광분배비가달라지면각각의센서헤드가가지는광전력이달라지므로센서의민감도를조절하는파라미터로활용할수있다. 3. 실험결과및분석 Figure 3은광결합기의광분배비에따른삽입손실을측정한결과를보여준다. 결합비가각각다른 5개의광섬유형결합기를사용하여출력광의크기를비교하였다. 여기서 S 1 은 90 % 에서 50 % 로광분배비가 10 % 씩줄어드는경우이며, S 2 는 10 % 에서 50 % 로광분배비가10% 씩늘어나는경우이다. 광대역광원을입사광으로사용하였으며결 Figure 4: Experimental setup for investigating the sensing responses Figure 4는두개의센서헤드를가지는다중점수위센서의실험도이다. 원형의물탱크에 S 1 을바 848 / 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 6 호, 2010. 9
광섬유형방향성결합기의광분배비를이용한수위센서연구 93 닥쪽에설치하였고 S 2 는 S 1 보다위쪽에설치하였다. 수위가상승할경우 S 1 이먼저침수되도록하기위한센서배열이다. 센서의침수유무상태에따른광손실을측정하기위하여출력단에광파워미터를사용하였으며, 전기적인신호처리를위하여광전변환소자와신호인식보드, 신호처리단말기를구성하였다. (a) (b) Figure 5: Optical responses corresponding to immersion situation of S1 and S2. (a) reflection power vs. splitting ratio and (b) optical loss vs. immersion situation 광결합비가서로다른다섯가지광섬유형결합기에대한센서의침수응답특성을측정한결과는 Figure 5와같다. Figure 5(a) 는광전력분배 비에대한반사광전력의변화를센서헤드의침수유무에대한파라미터로측정한결과이다. 모든경우에대하여기준반사광전력은두센서가공기중에노출되었을때측정한것이며 0 db로정규화하였다. 먼저 50:50 광결합기에대하여 S 1 이침수되고 S 2 가공기중에있다면 3 db 정도의광손실이발생한다. 반대의경우에도거의동일한광손실을보인다. 이것은두센서헤드가절반씩분배된광전력을가지므로동일한침수응답특성을보인것이다. 광분배비의차가커질수록 S 1 의광손실은급격하게증가하고 S 2 의광손실은감소함을알수있다. 광분배가상대적으로많은센서헤드는외부굴절률 n 2 의변화에훨씬민감하게반응함을보이는것으로, 물에침수되었을경우입사광의상당부분이물속으로투과되어빠져나감을의미한다. S 2 의경우 S 1 보다상대적으로적은광전력을가짐으로반사광전력의변화에기여하는정도가 S 1 보다작다. 점선은각각의경우에대한반사도를이용하여식 (2) 로부터계산한반사광전력이며, 점으로나타낸실험결과와유사한경향을보이고있다. 두센서가동시에침수된경우에는결합비에관계없이 10 db이하의소멸비를보인다. 입사광전력 (p in) 은두센서로분리된광전력의합과동일하므로동시침수에대한응답특성은결합비와관계없음에기인한다. Figure 5(b) 는침수된센서헤드에따른광손실을 5가지결합기로구분하여보여준다. S 1 과 S 2 에대한응답특성을구별하기위해서는주어진다이나믹영역에서신호차가크게나야한다. 가장이상적인경우는 S 1 의침수에대하여다이나믹영역의 50 % 신호감쇠가발생하는것이다. 70:30 결합기의경우 S 1 과 S 2 의개별적인침수에대하여상당한신호감쇠차이가있음을보인다. Figure 6은광전변환모듈과신호처리기를통해획득한전기적인신호응답특성이다. Figure 6(a) 는 50:50 결합기를이용한실험결과이다. S 1 센서의침수에대하여 0.1V 이하의신호변화를보인반면 S 1 과 S 2 의동시침수에대해서는 2.3V 정도의신호감쇠를보인다. 다중위치에대한센서응용을위해서는 S 1 의민감도를향상시켜야할필 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 6 호, 2010. 9 / 849
94 손경락 계광현 (a) (b) 요가있다. Figure 6(b) 는 S 1 의광분배비가 70% 인경우이다. S 1 의침수에대하여 1.25 V 정도의신호변동이발생하며 S 1 과 S 2 의동시침수에대해서는 1 V까지신호가떨어진다. 2.3 V 정도의동적응답범위에서 S 1 은절반정도의신호감쇠를보임으로서매우안정적으로동작하는이중센서헤드시스템을구현할수있다. 만약 S 1 의광분배비가 90 % 까지올라가면 Figure 6(c) 와같이 S 1 의침수에대한신호감쇠가동적응답범위에육박하는신호감쇠를보이며 S 1 과 S 2 동시침수와구별하기힘든경우가발생할수있다. 본실험결과로부터확인할수있는광전력변화기반광섬유형센서시스템설계규칙은최하위에설치되는광섬유센서의광분배비가전체전력의절반이상되어야한다는것이다. 센서헤드가 2개이상으로증가할경우목적에적합한광분배비를산출하기위한과정이필요하다. (c) Figure 6: Temporal responses for showing electrical signal variation corresponding to immersion situation of S1 and S2. (a) 50:50 coupler, (b) 70:30 coupler and (c) 90:10 coupler 4. 결론 액화수소및산소등과같은물질이수송시스템의연료로사용됨으로서액체의유무를실시간으로확인할수있는센서시스템이요구되고있으며, 안전을위해비전기적으로동작하는센서에대한관심이고조되고있다. 본연구에서는광섬유와광결합기를이용하여수위를모니터링할수있는센서구조를제안하였으며다중센서헤드를위한결합기의적절한광분배비에대한실험결과를제시하였다. 또한광결합기를이용하여반사광전력의감쇠정도를관측함으로서두개의센서를활용한동시침수상태를감시할수있음을보였다. 이는센서의다중화를위한추가적인공정이나복잡한신호분석과정이필요하지않음을의미한다. 다중센서시스템을설계할경우제안된센서구조와실험결과가결합기배열과광분배비선택에활용될수있기를기대한다. 본연구의결과는다중지역에서동시에발생하는홍수나범람을감시하는모니터링시스템에응용될수있다. 참고문헌 [1] A. A. Kazemi, C. Yang, and S. Chen, 850 / 한국마린엔지니어링학회지제 34 권제 6 호, 2010. 9
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