도파로 어레이 격자를 이용한 광섬유 브래그 스트레인 센서의 반사파장 신호 복원 기술

Abstract

광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating: FBG)를 이용한 스트레인 센서는 출력 값으로 브래그 반사 파장의 변화를 제공하게 된다. 본 논문에서는 브래그 격자 스트레인 센서에서 출력되는 빛을 도파로 어레이 격자(arrayed waveguide grating: AWG)에 입력시켜서 파장의 변화를 측정하는 방법을 제안한다. FBG에 스트레인이 가해지게 되면 브래그 반사 파장이 이동하게 되어 AWG를 지나서 출력되는 채널별 광 파워가 변하게 되며, 이 값들의 조합으로 구해지는 centroid 값을 계산하면 브래그 반사 파장과 인가된 스트레인 값을 얻을 수 있다. 브래그 격자의 반사 스펙트럼의 대역폭이 centroid 값에 미치는 영향을 고려하여 3-dB 대역폭이 5.4 nm인 chirped FBG를 사용하였으며, 저항 측정방식의 기존 스트레인 센서와 비교하여 오차범위가 2% 이내인 결과를 확인 하였다. FBG 센서를 외팔보에 부착하여 진동에 따른 스트레인 값을 실시간으로 측정한 결과 진동 주파수 17.8 Hz, damping 시상수 0.96 초를 얻을 수 있었다. Fiber-optic strain sensors based on Bragg reflection gratings produce the change of reflection spectrum when an external stress is applied on the sensor. To measure the Bragg reflection wavelength in high speed, an arrayed waveguide grating device is incorporated in this work. By monitoring the output power from each channel of the AWG, the peak wavelength corresponding to the applied strain could be obtained. To enhance the accuracy of the AWG wavelength interrogation system, a chirped fiber Bragg grating with a 3-dB bandwith of 5.4 nm is utilized. The high-speed response of the proposed system is demonstrated by measuring a fast varying strain produced by the damped oscillation of a cantilever. An oscillation frequency of 17.8 Hz and a damping time constant of 0.96 second are obtained in this measurement.