일반기술

열광학 폴리머 평면도파로의 소산장결합을 이용한광섬유형 온도센서

본 발명은 측면연마된 광섬유와 열광학 평면도파로 결합기를 이용하여 새로운 형태의 온도센서의 개발에 관한 것이다.또한 온도의 검출시 센서의 감도를 향상시키고 조절하는 방법과 편광의존성이 없는 센서의 구조를 제공함에 그 특징이있다.측면 연마된 광섬유와 열광학 폴리머 평면도파로을 결합기는 광결합시 파장영역의 여과특성이 나타나고 온도가 변화함에 따라 열광학 평면도파로의 굴절률이 변하게 되어 공진파장이 이동하므로 이를 이용한 온도의 변화를 감지한다.본 발명은 평면도파로의 상부클래딩의 굴절률을 광섬유의 클래딩의 굴절률(1.440)과 같은 산화실리콘(SiO 2 )층을 올리므로 편광의존성이 없는 우수한 감도를 가진 온도센서를 구현하고, 열광학 폴리머의 재질에 따라 온도감지 범위와 분해능을 달리하는 광섬유형 온도센서를 제공함에 목적이 있다.도 1과 같이 측면이 코어 가까이 연마된 단일모드 광섬유와 다중모드를 가지는 평면도파로의 소산장 결합(evanescent field coupling)이 형성되면 두 광경로 사이에 광에너지 교환이 발생할 수 있다. 평면도파로는 여러 모드를 가질 수 있으며 이중에 광섬유 모드와 위상정합(phase matching) 조건을 만족하는 모드가 효과적인 광 결합을 일으킨다. 평면 도파로의 코어층과 클래딩의 굴절률 차이를 크게 하면 매우 높은 분산특성을 가지게 된다. 여기서 분산특성이란 평면도파로의 유효굴절률이 파장에 따라 크게 달라지는 현상을 의미한다. 따라서 광섬유와 평면도파로의 유효굴절률은 특정한 파장과 모드에서 일치하게 되며 이때 광섬유로부터 입사된 광전력은 평면도파로로 이동하게 된다. 여기서 위상정합을 만족하는 광의 파장은 공진파장으로 정의된다. 단일모드 광섬유의 코어층과 클래딩층의 굴절률 차이는 0.01∼0.001정도로서 매우 작으며 이것의 유효굴절률은 클래딩층보다 크고 코어보다 작은 범위 안에 있다. 따라서 광섬유의 파장에 대한 유효굴절률의 변화는 매우 미약하다. 이때 두 광경로 사이에 위상정합이 존재하기 위해서는 평면도파로의 상부클래딩 물질은 광섬유 클래딩 물질의 굴절률보다 같거나 작아야 한다. 다중모드를 가지는 평면도파로의 m번째 모드의 유효굴절률을 찾기 위한 고유치 방정식은 다음과 같다.여기서 m은 모드의 차수를 나타내는 정수, λ는 광의 파장, d는 평면도파로의 코어층 두께, n o는 평면도파로의 코어 굴절률 그리고 neo 는 m번째 고차모드의 유효 굴절률이다. 1 과 2 는 평면도파로의 코어층과 클래딩층의 경계에서 발생하는 위상천이로서 다음과 같이 주어진다.