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감광성 섬유
그림1) 그림2) 그림3)
통신 산업이 발달함에 따라, FBG (Fiber Bragg Grating)의 수요도 급속도로 증가하였다. FBG는 다중 통신 채널을 단일 광섬유에 구현 가능토록 하는 고밀도의 파장 분할 멀티플렉싱 시스템에 주로 사용된다. 통신 산업의 호황기간에는 광섬유를 위한 새로운 응용분야중 다수가 FBG를 위한 연구, 개발을 위한 촉진제 역할을 하였지만, 현재는 FBGs의 생산성이 그 한계에 그림 1) 그림 2) 그림3) 미치고 있다.
섬유의 감광성은 FBG inscription전에 파이버 (섬유)내에 수소나 중수소를 로딩하거나, 파이버 내, 코어 내에 게르마늄의 양을 증가시킴으로 향상시킬수 있다. 더 높은 기압과 온도, 더 긴 immersion 시간은 코어 내에 확산될 수 있는 가스의 양을 증가시킨다. 높은 온도와 기압 조건의 공정은 추가의 공정 시간과 비용이 든다. Fibercore`s PS1250/1500과 같은 감광성 광학 파이버는 이와 같은 추가의 공정 과정을 피하기 위해 개발되었다. 이들 파이버 (섬유) 들의 감광성은 코어내에 게르마늄에 기원하여, 게르마늄의 농도에 의해 감광성이 결정된다. 그러나 이 기술 또한 파이버의 NA (numerical aperture)를 증가시키고, 굴절율을 증가시켜, 파이버 접속이나 splice 손실의 원인이 된다. Boron이 코어의 굴절율을 줄이기 위해 더해질 수 있는 것으로 알려져, 고온, 고압의 공정을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
대부분의 FBG는 통신 산업 분야에 사용된다. 그러나 과거 5년, 이들 분야를 위한 섬유의 조건은 완전히 다르지만, 센서, 레이져 산업분야에서 FBG의 수요가 급속도로 증가하였다. 보완된 화학 기상 증착법 (Modified CVD)과 같은 대량생산 테크닉을 사용함으로서, 섬유는 특정한 응용분야를 위해 최적화될 수 있다. 열, 외력, 기압 센서로서의 FBG의 사용은 수십년간 학문적 관심의 대상이었다. 이는 섬유의 국소적인 외부조건의 변화가 팽창이나 수축의 원인이되고, FBG의 pitch 를 변형시켜 반사 파장을 변화시키는 동작 원리이다. 그러나, 이 기술은 최근에 들어서야 기술적인 측면과 FBG에 기초한 솔루션을 상업적으로 구현하기에 충분히 낮은 기반시설 비용등을 갖추게 되었다.
광섬유를 이용한 센서분야는 매우 경쟁이 치열하다. 성능뿐 아니라, 높은 온도와 기압, tight 벤드 radii (휘어지는 정도를 반지름으로 측정), 그리고 다양한 응용분야를 위해 적절치 않은 일반 (광)통신 섬유등을 위해 특별한 광섬유등 다양한 분야에 걸쳐 그 수요가 증가하고 있다. 오일, 가스 산업등 고온의 환경은 일반 아크릴레이트 코팅을 녹여 광섬유 클래딩 (광섬유 겉부분에 해당되는 부분) 유리가 어떠한 보호없이 노출되게 만든다. 아크릴레이트 대신 폴리마이드 코팅을 이용하여 약 300 도까지 광섬유를 사용할 수 있다. 광섬유의 휘어짐이나 벤딩으로 인한 손실은 높은 NA (Numerical Aperture) 섬유를 이용하여 최소화할 수 있다. 풍력 터빈은 FBG 센서를 이용하여 풍력 발전의 loading을 모니터한다. 이 정보는 터빈의 효율을 최대화하기 위해 이용된다. 몇 생산업체는 작은 구경의 광섬유 사용을 선호하는데 이는 복합 재료에 대한 분열이 적고 구조와 광섬유 코어 사이의 커플링을 향상시킬 수 있기 때문이다.
신뢰도는 광섬유 디자인의 또다른 핵심 요소가 된다. 신뢰성이 높은 FBG를 제작하기 위한 솔루션은 코팅을 제거하지 않고 grating을 새기는 것이다. 이러한 기술은 다양한 방법을 통해 이루어질 수 있는데, `cold writing`이라 불리는 방법은 FBG를 코팅을 통해 새기는 것이고, draw tower grating 테크닉은 drawing 과정동안 FBG를 쓰는 방법등이 있다. 두 테크닉모두 매우 높은 감광성의 섬유를 필요로한다. 신뢰도를 높이는 다른 방법은 클래딩의 지름을 줄이는 것이다. 섬유가 감기되 되었을때 (coliled), 더 큰 지름의 크래딩을 가진 섬유가 더 많은 외력을 받게되기 때문이다.
센서 산업은 높은 NA, 작은 지름의 섬유를 목표로 하는 반면, 섬유 레이져 산업은 낮은 NA와 큰 지름의 감광성 섬유를 필요로한다. 일반적으로, 두개의 FBG가 레이져 캐비티를 만들기위해 사용된다. 하나는 반사도가 100 %에 가깝고, 다른 하나는 상대적으로 낮은 반사도를 갖아 방향성 출력 전력과 효율, 잡음 사이에 밸런스를 유도한다. 핵심이 되는 요소는 감광성, 모드 매칭, 흡수 특성이다. 감광성은 필요한 반사도를 갖는 FBG를 쓰기위해 적절한 레벨이 되어야 하고, 도핑된 섬유와 좋은 모드 매칭은 splice 손실을 줄여 효율을 유지하는데 도움이 되며열에 의한 failure를 줄일 수 있다. 흡수특성은 낮아야만 한다. 빛의 흡수 또는 산란특성은 신뢰도와 직접적인 연관성을 갖기 때문이다.
감광성 섬유의 미래는 아직 확정되지 않았다. 섬유 레이져 시장은 확실히 확대될 것이고, 센서 시장 또한 새로운 응용분야가 많이 개척될 것이다.
그림 1)빛의 파장이 광섬유 코어내 FBG에 의한 굴절율의 작은 변화에 의해 다르게 반사된다. 반사되지 않는 빛은 FBG에 의해 영향을 받지 않는다.
그림 2)단일 모드 광섬유의 코어로서, 주기적인 구조의 굴절율 변화를 보여준다.
그림 3)수정된 화학 기상 증착법 (modified chemical vapor deposition)을 이용하여 광섬유 제작을 할 수 있다.
출처 : http://www.nature.com/nphoton/journal/v5/n8/full/nphoton.2011.160.htm
관련링크 : http://www.gtnet.go.kr/search/search_main_v.jsp
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