광섬유의 다중 모드 간섭 및 격자 공진을 이용한

굴절률 및 온도 분리 측정에 관한 연구

Study on Separate Measurement of Refractive Index and Temperature Using Fiber

Multi-Mode Interference and Grating Resonance

홍길동* ․ 김이박†

Gil-Dong Hong*[eqn: cdot]Lee-Park Kim†

Abstract

In this paper, we demonstrated the separate measurement of refractive index(RI) and temperature using a combination of the multi-mode interference(MMI) of no-core fiber(NCF) and the grating resonance of double-clad fiber(DCF). An NCF segment concatenated with a long-period fiber grating (LPFG) inscribed on DCF was utilized as the sensor head. We selected two resonance dips in the transmitted spectrum generated by the MMI and the grating resonance as sensor indicators DMMI and DLPFG. First, we observed how the two sensor indicators responded to external RI variations by increasing the concentration of the sucrose solution injected around the sensor head from 0% to 50%(1.3330 ∼ 1.4201RIU) with increments of 10%. While one sensor indicator DMMI formed by the MMI showed a total wavelength shift of ∼6.6nm with an adjusted R2 value of 0.99821, another sensor indicator DLPFG formed by the grating resonance of the LPFG written on DCF showed a total wavelength shift of ∼0.28nm with an adjusted R2 value of 0.43149. This result indicates that DMMI is 23 times more sensitive to RI than DLPFG and that DMMI can be employed to measure RI almost independently of ambient temperature changes. On the other hand, to investigate the temperature response of the sensor indicators, the sensor head was placed inside the glass container filled with distilled water, and the temperature of the incubated distilled water(0% sucrose solution) was increased using a hot plate. With the increase of the applied temperature from 30 to 55°C, DLPFG showed a total wavelength shift of ∼1.86nm with an adjusted R2 value of 0.9991. In contrast, for the same temperature change, DMMI exhibited a total wavelength shift of ∼0.18nm with an adjusted R2 value of 0.92857. This implies that DLPFG is sufficient to be used for temperature measurement nearly independent of external RI variations. As a result, the two sensor indicators DMMI and DLPFG of the proposed sensor head can be utilized for the separate measurement of RI and temperature changes, respectively.

Key Words：Grating resonance, Multi-mode interference, Refractive index, Temperature

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†Corresponding Author：Professor, School of Electrical Engineering; Professor, 00 University, Korea
E-mail：abced@abced.ac.kr
https://orcid.org/0000-0000-0000-0000

* Master's course, School of Electrical Engineering, 00 University, Korea
https://orcid.org/0000-0000-0000-0000
Received：
Revised：
Accepted：

1. 서 론

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지금까지 굴절률(refractive index: 이하 RI)은 질병의 진단[1], 환경 및 생체 모니터링[2], 생화학 분야[3]에서 중요한 측정 파라미터로 여겨졌다. 그렇기에 다양한 센서들이 외부 RI를 신속하게 측정하기 위해 제안되었으며, 이들 중 광섬유를 활용한 RI 감지 방안은 전자기의 내성, 신속한 실시간 측정의 가능성, 화학적 내성 등의 이유로 많은 주목을 받았다[4]. 대표적인 예로, 단일 모드 광섬유(single mode fiber: 이하 SMF)에 광섬유 브래그 격자(optical fiber Bragg grating: 이하 FBG)와 식각(etching) 기술을 함께 적용하여 이소프로필알콜(isopropyl alcohol) 농도에 따른 RI를 측정한 사례가 존재하였으며[5], SMF에 광섬유 장주기 격자(long-period fiber grating: 이하 LPFG) 쌍(pair) 사이에 테이퍼링(tapering)을 적용하여 외부 RI에 대한 측정 민감도를 개선한 연구도 보고되었다[6]. 하지만, 광섬유를 활용한 RI 측정 과정에서 온도 섭동이 인가될 경우, 광 신호의 지연[7] 및 온도 변화로 인한 측정 대상의 미세한 RI 변화가 측정 결과값에 오차를 초래할 우려가 존재한다[8]. 그렇기에 정확한 외부 RI 변화를 감지하기 위해서는 RI 및 온도에 대해 분리 측정이 가능한 시스템이 필요하다. 그에 따른 대표적인 예로, 2016년 Chen 연구진들은 콘카나발린 A(Con A) 단백질을 검출하기 위해 광섬유 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance: 이하 SPR) 기법을 사용하였으며, 온도에 상대적으로 둔감한 패브리-페로(Fabry-Perot) 구조를 결합하여 온도 변화에 따른 반응성을 분리하였다[9]. 또한 최근 굴절률 측정 시 인가되는 온도 섭동에 대한 반응을 동시에 검출하기 위해 초단 위상 편이(ultra-short phase shifted) FBG를 새긴 마이크로프로브(microprobe)가 제안되기도 하였다[10]. 하지만 상기 언급된 패브리-페로 구조는 외부 RI 변화에는 둔감하고 온도에만 민감하게 반응하여 온도에 따른 변화를 독립적으로 측정할 수 있으나 단백질 검출부인 SPR 영역 내에서 외부 RI 및 온도 변화에 모두 반응함으로써 Con A의 검출을 위한 RI 측정값에 온도 변동에 따른 오차가 커질 수 있다는 우려가 존재하였으며, 최근 구현된 초단 위상 편이 FBG가 새겨진 마이크로프로브는 FBG의 제작 비용이 상대적으로 높다는 단점이 존재하였다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 코어가 없는 광섬유(no-core fiber: 이하 NCF)의 다중 모드 간섭(multi-mode interference: 이하 MMI)과 이중 클래딩 광섬유(double-clad fiber: 이하 DCF)의 LPFG 공진(resonance)을 활용하여 외부 RI와 온도의 상보적 반응성을 기반으로 외부 RI와 온도 변화를 분리 측정할 수 있는 광섬유 센서를 합리적인 제작 비용(￦ 160 미만)으로 구현하고자 한다.

배민찬, 이용욱

2. 센서의 제작 및 이론

NCF(Tholabs, FG125LA)와 DCF(Tholabs, DCF13)에 제작된 LPFG(이하 DCF-LPFG)를 접합하기 위해 우선 NCF 가닥 20 mm와 DCF 가닥 18 mm를 상용 아크 융착 접속기(arc fusion splicer)를 통해 접속하였다.

(a)

(b)

Fig. 1. (a) Schematic diagram of NCF concatenated with DCF-LPFG and (b) microscope image of LPFG on DCF

그 후, 접속된 DCF의 영역에 CO2 펄스 레이저를 이용하여 648μm 격자 간격으로 총 16.2mm의 LPFG를 제작하였다. 이때, 지정된 격자 간격은 NCF에 의해 생성된 표지자의 파장 위치를 고려하여 겹치지 않도록 설정하였다. Fig. 1(a)는 상기 언급된 NCF와 DCF-LPFG가 접합된 센서부의 모식도를 보여주고 있으며, 1(b)는 실제 DCF에 세겨진 LPFG의 현미경 이미지를 보여준다. 상기 모식도의 센서부에서 SMF를 통해 광대역 광원(broadband source)(Fiber Labs Inc, ASE-FL7701) 출력이 입사되어 NCF를 통과할 때, 입사광은 다중 모드(multi-mode)를 여기하면서 유도된다. NCF의 특성상 코어가 없기에 NCF 주위의 외부 매질의 RI에 의해 다중 모드가 결정이 된다. 이 다중 모드의 개수를 결정하는 V 변수는 수식(1)과 같이 정의된다.

Fig. 2. Measured transmission spectrum generated by MMI of NCF and grating resonance of DCF-LPFG

[eqn: V`=` {2 pi } over {lambda _{0}} a _{} ` sqrt {n _{1} ^{2} -n _{2} ^{2}}]	(1)

여기서, a는 NCF의 반경(radius), n1 및 n2는 각각 NCF 및 NCF 주변 매질의 RI를 의미한다. 이때, a는 62.5μm로 매우 큰 값에 해당되기에 여러 개의 모드가 NCF 내에서 존재하며, 이러한 다중 모드는 모드 간 경로차(optical path difference)에 의해 MMI를 발생시킨다. 자유 공간(free space) 상에서 MMI에 의해 발생된 단일 혹은 다중 자기 이미지(self-image) m차의 파장 λm은 수식(2)와 같이 표현된다[11].

[eqn: lambda _{m} =`m( {n _{eff} `a _{} ^{2}} over {L} )`(m`=`0,1,2...)]	(2)

이때, m은 MMI에 의해 형성된 자기 이미지 번호이며, neff와 L은 각각 NCF의 유효 RI 및 NCF의 길이를 의미한다. neff는 NCF 주변 매질의 RI에 의해 결정이 되므로 주변 매질의 종류에 따라 λm이 달라진다는 것을 쉽게 유추할 수 있다. 이에 반해, DCF에 CO2 레이저로 새겨진 LPFG의 공진 파장 λLPFG은 수식(3)과 같이 정의된다.

[eqn: lambda _{LPFG} = LAMBDA (n _{co} ^{eff} `-n _{clad,n} ^{eff} )`]	(3)

여기서 Λ는 격자 간의 간격을 나타내며, [eqn: n _{co} ^{eff} `] 및 [eqn: n _{clad,n} ^{eff} `]는 각각 코어 모드와 n차 클래딩 모드의 유효 RI를 의미한다. 일반적으로 DCF의 경우 이중 클래딩 구조로 인해 외부 매질과 교환되는 에너지의 양이 적기에 외부 매질 변화로부터 둔감한 특성을 가지고 있다. 하지만 주변 온도 변화에 대해서는 코어와 클래딩 모드 사이에서 일어나는 광열 효과(thermo-optic effect)로 인해 유효 RI의 차이가 발생하고, 이로 인해 파장의 변화가 발생된다. 이처럼 온도(T)에 따른 λLPFG의 변화를 나타내는 λLPFG의 온도 민감도는 수식 (4)와 같이 정의된다.

[eqn: {d lambda _{LPFG}} over {dT} =(n _{co} ^{eff} `-n _{clad} ^{eff} ) {d LAMBDA } over {dT} `+` LAMBDA {d(n _{co} ^{eff} `-n _{clad} ^{eff} )} over {dT} `]	(4)

이 식으로부터 DCF의 격자 공진 파장은 온도에 따라 그 값이 변화한다는 사실을 유추할 수 있다[12].

Fig. 2는 입사된 빛이 NCF를 통과하면서 발생된 MMI에 의한 간섭 스펙트럼과 DCF-LPFG 영역을 통과하면서 생성된 격자 공진이 함께 나타난 투과(transmission) 스펙트럼을 보여준다. 이때, 관측된 두 센서 표지자(sensor indicator)의 구분은 DCF에 LPFG를 제작하기 전에 NCF를 통과하며 생성된 MMI에 의한 투과 골을 먼저 표지자 DMMI로 지정한 후, DCF 상에 LPFG를 새겨 DCF- LPFG를 제작하고 난 뒤 생성되는 격자 공진 골을 표지자 DLPFG로 지정하였다.

3. 외부 RI 및 온도에 대한 응답

제작된 센서가 RI 및 온도 변화를 독립적으로 측정할 수 있는지 검증하기 위해 Fig. 3과 같은 실험 셋업을 구성하였다. 제작된 센서부를 광섬유 고정기 (fiber holder)를 사용하여 오목한 유리 용기(glass container)에 위치하도록 고정한 뒤, 센서부 양단에 접속된 SMF를 각각 광대역 광원 및 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer: OSA)(YOKOGAWA, AQ6370C)와 연결하였다. 이후, 외부 RI에 대한 반응성을 측정하기 위해 온도 조절을 위한 핫 플레이트(hot plate)의 온도는 고정한 채로, 유리 용기에 담긴 설탕 용액(sucrose solution)의 농도를 0∼50%(1.3330∼1.4201RIU) 범위에서 10% 단위로 증가시키면서 센서부의 투과 스펙트럼 변화를 OSA를 통해 관측하였다. 마찬가지로 온도 섭동에 따른 센서부의 파장 변화를 관측하기 위해 일반적인 증류수(distilled water, 즉 0% 설탕 용액)를 주입한 후, 핫 플레이트를 이용하여 주입된 증류수의 온도를 30∼55°C 범위에서 5°C 간격으로 증가시키면서 투과 스펙트럼을 측정하였다.

먼저, Fig. 4(a)에서는 설탕 용액의 농도 증가에 따른 외부 RI 변화에 대해 투과 스펙트럼 내에 존재하는 선택된 두 표지자들의 스펙트럼 변화를 보여주고 있다. 4(a)의 두 내부 그림은 두 표지자 파장 근처에서 파장 대역을 10nm 범위(span)로 확대한 스펙트럼들을 보여준

Fig. 3. Schematic diagram of experimental setup to investigate response of selected two indicators(DMMI and DLPFG) to external RI and temperature variations

(a)

(b)

Fig. 4. (a) Measured transmission spectrum for concentration changes in sucrose solution (0 ∼ 50%) and (b) linear regression results of sensor indicators(DMMI and DLPFG)

다. 4(a)의 내부 그림을 통해 두 표지자의 외부 RI 변화에 의한 파장 변위 차를 쉽게 확인할 수 있다. 또한, 두 표지자들의 파장 변화 선형성을 각각 조사한 결과, 표지자 DMMI는 전체 RI 변화(0.0871RIU)에 대해 ∼6.6nm의 파장 변화를 보였으며, 선형 회귀 분석 결과(보정 R2 값)는 0.99821로 나타났다. 반면, 다른 표지자 DLPFG의 경우, 앞서 언급된 동일한 RI 범위에서 ∼0.28nm의 파장 변화와 0.43149의 보정 R2 값을 나타내었다. 상기 두 표지자들의 RI 민감도는 약 23배 차이가 나며, 이는 DMMI가 DLPFG에 의해 큰 영향을 받지 않고 거의 독립적으로 RI 측정을 수행할 수 있다는 것을 나타낸다.

다음으로 센서부의 RI 측정 시 주변 온도 변화에 의한 영향을 평가하기 위해 Fig. 3의 실험 셋업에서 증류수를 유리 용기에 충분히 담길 정도로 주입하였다. 이후, 핫 플레이트를 이용하여 유리 용기에 담긴 증류수의 온도가 30°C가 될 때까지 서서히 가열하였으며, 온도계(thermometer)를 시용하여 센서에 직접 인가되는  증류수의 온도가 얼마인지 확인하였다. 이후, 핫 플레이트를 이용하여 유리 용기를 가열하며 주입된 증류수의 온도가 5°C씩 증가할 때마다 투과 스펙트럼의 변화를 관

(a)

(b)

Fig. 5. (a) Measured transmission spectrum for temperature changes (30 ∼ 55°C) in 0% sucrose solution and (b) linear regression results of sensor indicators(DMMI and DLPFG)

측하였다. Fig. 5(a)는 주변 온도 변화가 발생하는 상황에서 두 표지자(DMMI 및 DLPFG)의 스펙트럼 변화를 보여주고 있다. Fig. 5(a)의 두 내부 그림은 두 표지자 파장 근처에서 파장 대역을 7nm로 확대한 스펙트럼들을 보여주고 있으며, 이를 통해 온도 변화에 의해 유도되는 DLPFG의 파장 변화가 DMMI에 비해 훨씬 큰 것을 확인할 수 있다. Fig. 5(b)는 두 표지자의 온도 변화에 따른 파장 변화를 기반으로 선형 회귀 분석을 수행한 결과를 보여주고 있다. DLPFG의 경우 전체 온도 변화(25°C)에 대해 ∼1.86nm의 파장 변화가 관측되었으며 이에 따른 선형 회귀 분석 결과(보정 R2 값)는 0.9991로 조사되었다. 반면, DMMI의 경우에는 동일한 온도 변화에 대해 ∼0.18nm의 10배 이상 작은 파장 변화량이 관측되었으며, 이에 대응하는 보정 R2 값은 0.92857로 평가되어 DLPFG에 비해 상대적으로 낮은 선형성을 보였다. 이러한 결과는 표지자 DLPFG가 RI 변화와 거의 무관하게 주변 온도 변화를 독립적으로 측정하는데 활용될 수 있음을 시사한다.

4. 결 론

본 연구에서 NCF의 MMI와 DCF-LPFG의 온도 및 외부 RI 변화에 대한 독립적인 파장 반응 특성을 활용한 센서를 제안하고, MMI와 격자 공진에 의해 생성된 투과 스펙트럼의 표지자를 각각 DMMI 및 DLPFG라 명명하였다. 또한, 외부 RI 변화와 RI 측정 시 발생되는 온도 섭동에 따른 각 표지자들의 파장 변화는 어떻게 진행되는지 조사하였다. 제안된 센서의 표지자들의 독립적인 반응성을 확인하기 위해 먼저 설탕 용액을 0∼50% 범위에서 10% 간격으로 농도를 증가시키며 외부 RI에 변화를 인가하였다. 그 결과, NCF의 MMI 특성에 의해 생성된 DMMI는 전체 외부 RI 변화(0.0871RIU)에 대해 ∼6.6nm 파장 이동이 관측되었으며 이에 대한 선형 회귀 분석 결과(보정 R2 값)는 0.99821로 계산되었다. 반면, DCF-LPFG에 의해 생성된 공진 파장 DLPFG 경우에는 동일한 RI 변화에 대해 ∼0.28nm 파장 량이 관측되었으며 이에 대응하는 보정 R2 값은 0.43149로 추정되었다. 이로써 MMI에 의해 생성된 DMMI가 외부 RI 변화를 관측하기 위한 충분한 능력을 갖춘 표지자임을 실험을 통해 증명되었다. 또한, 상기 실험과 유사하게, RI 측정 시 인가되는 온도 섭동에 대한 반응성을 조사하기 위해 일반적인 증류수를 주입한 뒤, 핫 플레이트를 이용하여 주입된 용액의 온도를 30∼55°C 범위에서 5°C 간격으로 증가시켰다. 그 결과 DCF-LPFG에 의해 생성된 DLPFG는 전체 온도 섭동량(25°C)에 대해 ∼1.86nm의 파장 변화와 보정 R2 값이 0.9991로 높은 선형성이 관측되었다. 이와 반대로 DMMI은 ∼0.18nm의 파장 변화가 관측되었으며, 파장 변화에 대한 보정 R2 값은 0.92857로 계산되었다. 즉, DMMI와 DLPFG는 외부 RI 및 온도 변화를 독립적으로 측정할 수 있는 충분한 성능을 가지고 있는 표지자임을 실험을 통해 증명하였다. 따라서 우리가 제안한 NCF의 MMI와 DCF-LPFG를 결합한 센서부는 외부 RI 변화와 동시에 인가되는 온도 섭동에 대해 독립적인 측정을 수행할 수 있기에 정확한 RI 측정이 요구되는 바이오센싱(biosensing) 분야 혹은 식품 안전 진단 분야에서도 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgement

이 논문은 2023년도 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임. (No.000000000)

References

[1]	J. Han, et al., “SARS-CoV-2 spike protein detection using slightly tapered no-core fiber-based optical transducer,” Mikrochim Acta, vol. 189, no. 321, pp. 1-13, 2022.

[2]	Y. Zhang, et al., “Optical fiber sensors for measurement of heavy metal ion concentration: A review,” Meas. vol. 158, p. 107742, 2020.

[3]	A. Gumennik, et al., “All-in-Fiber Chemical Sensing,” Adv Mater. vol. 24, no. 45, pp. 6005-6009, 2012.

[4]	C. Teng, et al., “Intensity-modulated polymer optical fiber-based refractive index sensor : A review,” Sensors, vol. 22, no. 1, pp. 1-20, 2022.

[5]	W. Liang, et al., “Highly sensitive fiber bragg grating refractive index sensors,” Appl. Phys. Lett., vol. 86, p. 1561122, 2005.

[6]	J. -F. Ding, et al., “Fiber-taper seeded long-period Grating pair as a highly sensitive refractive-index sensor,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 6, pp. 1247-1249, 2005.

[7]	N. Yang, Q. Qiu, J. Su, and S. Shi, “Research on the temperature chanracteristics of optical fiber refractive index,” Optik, vol. 125, no. 19, pp. 5813-5815, 2014.

[8]	A. N. Bashkatov and E. A. Genina, “Water refractive index in dependence on temperature and wavelength: A simple approximation,” SPIE., vol. 5068, pp. 393-395, 2003.

[9]	S. Chen, Y. L. Qiang, and W. Peng, “Temperature-compensating fiber-optic surface plasmon resonance biosensor,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 28, no. 2, pp. 213-216, 2016.

[10]	M. Chen, T. He, Y. Zhao, and G. Yang, “Ultra-short phase-shifted fiber bragg grating in a microprobe for refractive index sensor with temperature compensation,” Opt. Laser Technol., vol. 157, p. 108672. 2023.

[11]	J. E. Antonio-Lopez, J. J. Sanchez-Mondragon, P. LikamWa, and D. A. May-Arrioja, “All fiber-optic sensor for liquid level measurement,” Opt. Lett., vol. 36, no. 17, pp. 3425-3427, 2011.

[12]	M. N. Ng and K. S. Chiang, “Thermal effects on the transmission spectra of long-period fiber gratings,” Opt. Commun., vol. 208, no. 4, pp. 321-327, 2002.

Biography

Gil-Dong Hong

He received his B.S. degree from the School of Electrical Engineering, Pukyong National University, Busan, South Korea, in Feb. 2022. He is pursuing the master’s degree in Industry 4.0 Convergence Bionics Engineering and is interested in fiber optics and laser applications.

Lee-Park Kim

He received his B.S., M.S., and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Seoul National University in 1998, 2000, and 2004, respectively. He is now a professor at the School of Electrical Engineering in Pukyong National University. His research interests include photonics and oxide semiconductors.