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Aug 25, 2023

정위

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7849(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

끝단 코팅이 있는 오정렬 접합 섬유로 구성된 섬유 내 Michelson 간섭계(MI) 기반 경사계가 제안되고 실험적으로 시연됩니다. 오정렬 접합부에서 분할된 입사광은 끝 코팅에서 반사되어 광섬유 코어에 다시 결합됩니다. 코어 모드와 \(m{\text{th}}\) 클래딩 모드 간의 위상 차이로 인해 일반적인 MI가 형성됩니다. 오정렬 접합부 근처의 광섬유는 두 개의 모세관 석영 튜브에 삽입됩니다. 모세관 석영 튜브의 기울기는 정렬 불량 접합부의 상당한 변형 및 곡률로 이어지며, 이로 인해 MI 스펙트럼의 파장과 강도가 변경됩니다. 실험 결과는 0°~50°의 각도 범위 내에서 좋은 응답을 나타냅니다. 파장 변조와 강도 변조가 모두 각각 0.55 nm/deg 및 0.17 dB/deg의 감도로 실현됩니다. 더욱이, 센서는 오정렬 접합부의 비대칭 구조로 인해 강한 방향 의존성을 나타냅니다.

기울기 센서(경사계라고도 함)는 구조 상태 모니터링, 산사태 예측, 지질 공학/토목 측정 및 동작 감지를 비롯한 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 최근에는 광섬유 경사계가 소형 크기, 원격 모니터링, 인화성 및 폭발성 가스에 대한 민감도1,2 등의 고유한 장점으로 인해 큰 관심을 받고 있습니다. 광섬유 경사계의 다양한 방식이 개발되었으며, 이는 주로 다음과 같습니다. 격자 기반과 간섭계 기반의 두 가지 유형으로 분류됩니다. 섬유 브래그 격자(FBG)를 예로 들면 연마 및 테이퍼링과 같은 전처리를 통해 코어의 빛을 클래딩에 결합하여 FBG를 각도 변화에 민감하게 만들 수 있습니다7,8,9. 그러나 전처리 과정에서 섬유의 기계적 강도가 약해지고 센서는 일반적으로 불안정해집니다. 더욱이, TFBG(Tilted Fiber Bragg Gating)와 LPFG(Long Period Fiber Gating)는 모두 코어 모드를 클래딩 모드에 결합하는 일반적인 구조이며 경사계10,11,12로 적용할 수 있습니다. 그러나 전송 스펙트럼을 기반으로 한 감지 특성은 단일 종단 프로브가 선호되는 응용 분야(예: 생체 내 응용 분야)를 제한합니다. 또 다른 유형의 광섬유 장치로서 별도의 간섭 암이 있는 광섬유 내 간섭계도 기울기에 민감합니다14. 예를 들어, 융합 테이퍼는 간섭 스펙트럼이 얻어지는 코어-클래딩 모드의 결합에 사용됩니다. 테이퍼 영역이 부드럽고 구부러지기 쉽기 때문에 융합 테이퍼를 기반으로 한 많은 경사계가 제안되었습니다. 이 구조의 단점은 퓨즈 테이퍼가 부서지기 쉽고 측정 범위가 작다는 것입니다. 또한 코어 모드 필드 정렬이 잘못된 다양한 광섬유도 접합되어 얇은 코어 광섬유19, 중공 코어 광결정 광섬유20,21, 멀티클래딩 광섬유22 등과 같은 경사 측정용 간섭계를 형성합니다. 이러한 유형의 센서는 높은 성능을 나타냅니다. 그러나 이러한 특수 섬유는 고가이고 제조 공정이 복잡합니다.

본 논문에서는 간단한 구성, 즉 끝 코팅이 있는 잘못 정렬된 단일 모드 광섬유(SMF)를 사용하여 Michelson 간섭계(MI) 기반 경사계를 제안하고 실험적으로 시연합니다. 곡률24, 굽힘25,26 및 변형 측정에 사용되는 보고된 오정렬 접합 구조와 달리 제안된 감지 프로브는 오정렬 접합 조인트 근처의 두 모세관 석영 튜브에 삽입됩니다. 석영관의 기울기는 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 결합 비율을 변경하여 반사 스펙트럼의 이동을 초래합니다. 이러한 방식으로 매우 민감한 기울기 측정이 이루어집니다. 경사계는 0.55 nm/deg의 높은 감도를 보여 경사 측정에 적합한 후보입니다.