ツイン

Jun 10, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11797 (2022) この記事を引用

895 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究では、スペクトル効率を向上させ、多重化を可能にし、低レベルのクロストークを実現するツインコアファイバーセンサーシステムについて報告します。参照された強結合マルチコアファイバーの一部は、パルス半導体光増幅器 (SOA) を組み込んだレーザーキャビティ内のセンサーとして使用されます。各センサーには独自のキャビティ長があり、SOA の周期的なゲートをセンサーのキャビティ往復時間に電気的に一致させることで個別に対処できます。インタロゲータはレーザーとして機能し、高い信号対雑音比を備えた狭いスペクトルを提供します。さらに、スペクトルが重複している場合でも、個々のセンサーの応答を区別することができます。潜在的に、問い合わせられるセンサーの数を大幅に増やすことができ、これはマルチポイントセンシングにとって魅力的な機能です。

ひずみや温度などのパラメータをリアルタイムに監視するセンシング用途での光ファイバーの使用は、小型、軽量、電磁耐性などの光ファイバーの固有の特性を活用できるため、多くの関心を集めています。さらに、コンクリートや複合材料などの材料に埋め込み、長距離で動作できるため、大きな構造物や領域に沿って前述のパラメータのいずれかを正確に追跡する必要がある多くのアプリケーションにとって魅力的な代替手段となります1。この目的を達成するために、マルチポイントセンシングがよく使用されます。これは、複数の個別のセンサー 2、3 を簡単かつ多目的な方法で問い合わせることで構成され、その空間分解能は隣接するセンシング要素間を識別する能力に関連付けられます。この構成は、特に構造の健全性モニタリングに多くの関連性をもたらしています4,5。

多点センシング技術の中で最も一般的なのは、各センサーが異なる波長で動作する波長分割多重6です。したがって、各センサーの波長シフトと問い合わせウィンドウは、問い合わせできる要素の最大数を定義する制約要因となります。対照的に、時分割多重は、反射光の到着時間が光源から各感知素子までの距離に直接比例するため、反射光を分析することによって各感知素子を個別に問い合わせることに基づいています7。さらに、個別に問い合わせることができる感知素子の数を増やすために、波長と時分割多重を組み合わせることができます8、9。一般に、前述の技術はファイバーブラッググレーティング (FBG)10、11、12、13、14、15 を使用して実装されます。これは、数ミリメートルまでの空間分解能 17 で複数のパラメータ 16 を測定するための成熟した信頼性の高い技術です。さらに、FBG は狭くて明確なピークを提供するため、スペクトルを効率的に利用します。この事実により、同じ問い合わせウィンドウ内で大量の FBG を監視できるようになります。代替として、ファイバ内ファブリペロー干渉計 18、19 およびマッハツェンダー 20 干渉計も使用されます。

近年、センシングの代替として強結合マルチコアファイバー (MCF) が導入されています。 MCF のいくつかの魅力的な特徴は、多用途性、問い合わせの容易さ、感度 21、22、23、24 であり、測定量によっては FBG よりも高くなる可能性があり 25、km 単位のファイバーを製造できるため、1 台から利用可能であることも挙げられます。センシングに適した数千デシメートルの長さのファイバーセグメントを一度に描画します。結合された MCF は複数の幅広いピークを提供するため、その主な欠点はスペクトル効率が低いことです。 C バンドセンサーの広いピークのスペクトルの重なりにより、一般にセンサーの使用は単一点測定に制限されます。この制限を克服するために、センサーの複雑さと長さの増加を犠牲にして、MCF セグメントをカスケード接続するなどの取り組みが行われてきました 26,27。いずれにせよ、結合された MCF ベースのセンサーの魅力的な機能により、スペクトル効率を向上させて多重化を可能にし、構造健全性モニタリングなどの用途のマルチポイントセンサーとしての使用を可能にする技術を開発することは興味深いでしょう。 MCF の中でも、ツインコアファイバー (TCF) を複数の用途の検知素子として使用することは、文献で広く報告されています 28、29、30、31。

この論文では、MCF を使用した多地点質問システムについて説明します。これは、パルス半導体光増幅器 (SOA) を組み込んだレーザーキャビティ内の感知要素として結合ツインコアファイバー (TCF) のセグメントを使用することに基づいています。次のセクションで説明および実証するように、レーザー照射によりセンサーのスペクトル効率が向上し、システムにより多重化が可能になり、間違いなく問い合わせることができるセンサーの数が増加します。

提案されたシステムでは、複数の MCF ベースのセンサーを多重化する鍵は、MHz 範囲の特定の RF 周波数で共振する、異なる長さのリングキャビティを作成することにかかっています。各キャビティ内で、センシングデバイスは、SOA によって発射された光を反射するレーザーミラーとして機能します。後者は波形発生器でゲートされ、放出されるパルスの周波数レートと幅をプログラムできます。その結果、SOAのナノ秒電気ゲートに同期するセンサーヘッドからの光フィードバックのみが増幅されてキャビティ内を再循環し、別の時間に到着する光信号は吸収されます。光パルスが SOA を複数回通過し、増幅が損失を超えると、インテロゲータはレーザーとして動作し、その放射はキャビティゲインピークで発生し、スペクトルが大幅に狭まり 17、32、33、信号対雑音比が良好になります。比 (SNR) と低レベルのクロストーク。さらに、各感知素子は独自の共振周波数 (\(f_{r}\)) で排他的にアドレス指定されるため、異なる長さで配置された場合、同一または類似のスペクトルを持つセンサーを使用できます 34,35。

提案システムのセットアップを図1に示します。このシステムは、2つの偏波独立型半導体光増幅器（SOA、当社製SOA1013SXSとブースター光増幅器BOA、当社製BOA1004P）、モニタリング用の90:10光ファイバカプラ、単一の光ファイバで構成されています。モードファイバーリール (SMF)、サーキュレーター、およびセンサーにアクセスするための 50:50 カプラー。システムがレーザー発振するのに十分な増幅を確保するために、利得を高めるためにレーザーキャビティ内で 2 つの増幅器 (SOA と BOA) を使用する必要がありました。両方のアンプは、SOAおよびBOAを駆動する高速電流アンプをトリガする波形発生器(Keysight 33600A)によって、同じレートで適切な位相シフトでゲート制御されています。レーザー発振時の全体のパルス持続時間は 10 ns 未満、つまり反射で 1 m のファイバーをカバーすることになります。 SMF の 320 m リールは、キャビティの往復時間を増やし、ゲート周波数を利用可能な電子機器と互換性のある値に下げ、過剰な加熱を避けるために便宜的に使用されました。また、比較的長いファイバーリールにより、センサーによって形成されるキャビティの長さが互いに整数倍にならないことが保証されました 32。サーキュレーターのポート 2 は、50:50 カプラーによってセンサーをリングに接続するために使用されました。センサーは、それぞれに異なる \(f_{r}\) を確保するために異なる長さに配置され、SOA への電流パルスの RF 周波数をスイープすることで個別にアドレス指定できるようになりました。数学的には、各デバイスの \(f_{r}\) は次の方程式で計算できます 33,35:

ここで、\(c\) は光の速度、\(n\) はプローブされるファイバーの実効屈折率、\(L_{RING}\) は SMF リール、SOA によって形成されるリングのキャビティ長です。、BOA とサーキュレーターのポート 1 および 3 (この作業では 340 m に固定されました)、\(L_{SENSOR}\) はポート 2 から光ファイバーカプラーの各出力の端までの距離です。。通常、共振周波数は ~ 106 Hz の範囲 (センサー距離 \(L\) ~ 102 m の場合) であり、実験室での温度変動による変動は ~ 101 Hz (つまり、センサー位置は mm 範囲）。図 1 の設定では、\(f_{rSENSOR1}\) と \(f_{rSENSOR2}\) はそれぞれ 537.16 kHz と 544.49 kHz であることがわかりました。これらの繰り返し周波数の外では、共振時を除いてレーザーが閾値を下回っていたため、検査ウィンドウ内に測定可能な光信号はありませんでした。

尋問セットアップの概略図。

モニタリング目的で光の 10% が使用されました。半分は分光計 (I-MON512-USB、Ibsen Photonics) に接続され、残りの半分はスペクトル測定用の InGaAs アバランシェ光検出器 (Thorlabs APD430C/M) およびオシロスコープ (Tektronix TDS3034) に接続されました。それぞれ、時間的測定。前者では、スペクトルの波長シフトをピコメートルの精度で追跡および保存できますが、後者では、電気ポンプと光パルスの痕跡を表示できるため、光パルスの短縮を測定できます。

このような尋問システムは、通常、FBG 17、32、33、34、35 と組み合わされています。ただし、この研究では、提案された質問システムと結合MCFを組み合わせることで、両方の要素の利点を統合できるため、結合TCFのセクションが検出素子および部分的なレーザーキャビティミラーとして使用されたという事実に新規性が依存しています。一方では、問い合わせシステムでは、多重化、センサーのスペクトル効率の最適化、個別の問い合わせ、類似または同一のスペクトルを持つデバイスの使用が可能になります。これは、センサーは \(f_{r}\) によって識別されるためであり、スペクトルの形状。一方、MCF は、高感度、問い合わせの容易さ、特定のパラメータの測定の感度を最適化するためのアドホック形状を設計できる可能性など、いくつかの固有の利点を提供します 36,37 。提案された MCF を備えた質問システムは、多点検知システムにとって大きな関心を集めています。

この研究で使用された TCF は、中心コアと、ドリル加工されたクラッドに追加された 1 つの追加コアを備えた標準的な通信プリフォームから製造されました。 2 つのコアのサイズと物理的特性はほぼ等しく、サイドコアの中心はファイバーの中心から 15.5 μm 離れた位置にありました (図 2a を参照)。各コアの平均直径と開口数 (NA) はそれぞれ 8.2 μm と 0.14 で、標準 SMF の平均直径と一致します。一方、ファイバの平均直径は 125 μm でした 28。

(a) この作業で使用した 125 μm TCF の断面図。 (b) TCF のセクションとミラー化されたシングルモードファイバーの短い部分で構成されるセンサーヘッドの概略図。

一般に結合 MCF、特にこの TCF の動作原理は、各コアが導波路として機能すると仮定できるため、結合モード理論によって説明できます 38。光ファイバーに関するその詳細とそれに対応する理論的および数学的分析については、参考文献 39、40 で詳細に説明されています。簡単に言うと、結合された MCF 内を伝播するスーパーモードは、個々のガイドを通る伝播モードの線形結合です41。 TCF が放射対称の SMF に融着接続され、LP01 モードで励起されると、中心コアに電力を持つ 2 つの直交スーパーモードのみが結合されます。この研究で使用される TCF (図 2a を参照) では、図 3 に示すように、2 つの結合された直交伝播スーパーモード SP01 および SP02 のみが励起されます。

TCF で励起された 2 つの結合直交スーパーモードの 3D および 2D プロファイルのシミュレーション。 (a) にはスーパーモード SP01 が示され、(b) にはスーパーモード SP02 が示されています。

参考文献 39、40 の数式によると、電力伝送はファイバのコア間で周期的であり、発射波長 \(\lambda\)、TCF セグメントの長さ \(z\)、および伝播する直交スーパーモードの実効屈折率の差 \(\Delta n\)。ここで、中心 (\(P_{0}\)) と隣接するコア (\(P_{1}\)) の正規化されたパワーは次の式で与えられます。

ここで、PhotonDesign シミュレーションソフトウェアによって提供された結果によると、この TCF では、1550 nm および室温で \(\Delta n\) = 0.873 × 10–4 となります。式 (2) と (3) は、光パワーが一方のコアからもう一方のコアに周期的に完全に転送されるという事実を強調しています。この研究でセンサーヘッドとして使用された図2bに示すSMF-TCF-SMF構造では、広帯域光がTCFの中心コアに入射され、その出口で分光計によって分析されると、一連の最大値が得られます。と最小値がスペクトルに現れます。ただし、同じ SMF-TCF-SMF 構造が反射で調べられると 21、27、36、37、光はその構造を通って往復し、出力における正規化された結合パワーは次のようになります。

式からわかるように、 (2) から (5) まで、結合期間は送信または反射で構造を調べるかどうかに関係なく変更されません。スペクトル内で最大値が発生する波長 (\(\lambda_{m}\)) も同様に変更されず、周期が \(\pi\) の倍数の整数 (\(m\)) に等しい場合に発生します。。

したがって、パルスがキャビティの \(f_{r}\) (約 106 Hz) に同調された SOA で TCF を励起すると、システムは \(\lambda_{m}\) でレーザ発振し、このような MCF を広帯域光源で調べたときに得られる広い最大値と最小値と比較して、スペクトル内で非常に鋭くて狭いピークが得られます 21、22、23。この事実により、複数のピークのクリーンアップが可能になり、同じ問い合わせウィンドウ内で同一または類似のスペクトルを持つ MCF ベースのデバイスを使用および多重化することが可能になります。これは、各デバイスが一意の \(f_{r}\) によって紛れもなく個別に識別されるためです。。さらに、TCF が振動やひずみなどの外部摂動にさらされた場合、その RF 共振周波数は変化しませんが、発振波長 \(\lambda_{m}\) は摂動に応じてシフトします。このようなシフトは摂動と相関関係がある可能性があります。したがって、参照されたシステムは測定とセンシングの目的に使用できます。

このような動作原理を実証するために、2 つの SMF-TCF-SMF 構造 (TCF1 および TCF2) が製造され、図 1 のセットアップにセンシングデバイスとして配置されました。それぞれの TCF セグメントは約 8 cm ですが、セグメントは TCF1 にあります。 TCF2 よりわずかに長い (\(L_{TCF1} > L_{TCF2}\))。そのために、精密ファイバークリーバーと精密融着接続機が使用されました。前者では、0°に近い劈開角度を持つファイバセグメントが得られましたが、後者は、TCFの中心コアとSMFの中心コアを低い挿入損失で位置合わせして接続するために使用されました。比較の目的で、図 4 に示すように、両方のサンプルを連続広帯域光源 (破線のトレース) とレーザーキャビティ内 (実線のトレース) で検査しました。

製造された TCF センサーが、従来の開ループ構成 (点線) およびパルスレーザーキャビティの一部として広帯域光源によってプローブされ、繰り返し周波数をそれぞれの共振キャビティ長に合わせて調整したときのスペクトル (実線)。

予測どおり、レーザー発振構成でキャビティ内を介して検査されたデバイスのスペクトルは、連続広帯域光源で検査されたサンプルのスペクトルよりもはるかに狭い (TCF1 の場合は FWHM = 5.13 nm、TCF2 の場合は FWHM = 4.26 nm)。開ループ (TCF1 の場合は FWHM = 12.83 nm、TCF2 の場合は FWHM = 13.79 nm)。従来の構成で動作する同じセンサーの応答とは対照的に、レーザー発振モードで測定される光信号は単一のピークで構成され、同等の振幅の他のピークが見えるため、センシングに使用することが困難になります。提案されたレーザー構成で達成されるこのスペクトルの狭化と複数のピークのクリーンアップにより、ピークの重ね合わせのないセンサーの多重化が可能になります。

最初のテストでは、両方のサンプルを同じ周波数 (1 Hz) と振幅 (500 mVpp) の振動にさらしました。そのために、TCF1 と TCF2 は、長さ約 1 m の 2 本の薄くて柔軟な木製の梁の上面の中央に縦方向に表面接着されました。図 5 に示すように、ビームは平行で両端で支えられ、ファンクションジェネレーター (Hewlett Packard 33120A) と出力インピーダンス 4Ω のオーディオアンプ (Brüel) に接続されたシェーカーによって各ビームの中心に振動が加えられました。そしてケアー）。この設定では、一方または両方のビームのみを同時に振動させることができ、クロストークの評価が可能になりました。 TCF1 と TCF2 は、コアが互いに垂直に配向されるように各ビームに表面接合されました。TCF1 はコアが水平に、TCF2 が垂直に配向されました。この目的のために、参考文献 21 に記載されているプロセスが複製されました。この研究で使用されているような非対称 MCF の感度は、コアの配向と効果が適用される平面との関係に依存します 21、25、42、43。したがって、振動が垂直に加えられると、予想される波長シフトに関して、TCF1 の感度は最小になり、TCF2 の感度は最大になります。さらに、TCF の表面が平らであるため、コアに対して垂直に位置合わせされるため、位置合わせプロセスが容易になります (図 2a を参照)。したがって、ファイバを平面に押し付けるだけで、コアの方向を知ることができます。平らな表面を作成するために、プリフォームを旋盤に取り付け、コアが垂直になるまで回転させました。その後、プリフォームの最表面を平坦化した。

実験装置の概略上面図と側面図。振動が加わった様子を側面から見た図です。拡大図は、センサーヘッドが各ビームにどのように表面接着されたかを示しています。

結果を図２〜図５にまとめて示す。図 6a では、TCF1 を振動にさらし、TCF2 をアイドル状態のままにした結果が示されています。図 6b では、TCF2 が振動にさらされ、TCF1 は非アクティブのまま放置されました。図 7 では、両方のセンサーが振動にさらされました。同じ時間です。それぞれの場合において、両方のセンサーは、ゲートの周波数を空洞の共振周波数に調整することによって調べられました。

(a) TCF1 が振動し、TCF2 が非アクティブである場合、および (b) TCF1 が非アクティブで、TCF2 が振動している場合の周波数領域の結果。挿入図には、各ケースの時間領域の結果が示されています。

両方のデバイスが振動している場合、結果は周波数領域になります。時間領域での結果を挿入図に示します。

センサーの 1 つだけが振動している場合、1 Hz で測定された良好な SNR、ピークの狭さ、および周波数領域での高調波成分のレベルの低さが重要でした。実際、図 6a、b の場合の SNR はそれぞれ 21.74 と 47.13 でした。同じ摂動に対するセンサー間の波長シフトの違いについては、コアの向きによって引き起こされました。予想通り、TCF2 は感度を最大化することを目的としていたため、このデバイスでは波長シフトがはるかに大きくなりました。各ケースで静止していたセンサーに関しては、振動していたセンサーによって引き起こされる信号への干渉が低かったことが結果からわかりました。時間領域では、この事実は、振動センサーと比較して小さな波長シフトに反映されます。図 6a では、静止センサーに記録されたシフトは振動センサーの信号のわずか 4.6% ですが、図 6b では 2.1% です。周波数領域では、1 Hz の FFT ピークの振幅は、振動しているセンサーの振幅よりも 1 桁未満小さくなります。

両方のセンサーが同時に同じ振動にさらされた場合 (図 7 を参照)、TCF2 は TCF1 よりも高い感度を示しました。後者は、既に説明したコアの垂直配向により予想されました (図 5 を参照)。時間領域では、TCF2 の波長シフトは TCF1 の波長シフトよりも約 1 桁高かった (\(\Delta \lambda_{TCF2}\) = 1060 pm および \(\Delta \lambda_{TCF1}\) = 142午後）。周波数領域では、両方のセンサーからの信号に 1 Hz のピークと低レベルの高調波成分が目立ちました。したがって、振動は両方のセンサーによって高精度に検出および測定され、クロストークは測定や感度に大きな影響を与えませんでした。

次のテストは、3 つ以上のセンサーが同時に接続された場合の質問システムのパフォーマンスを評価することで構成されました。そのために、図 1 のセットアップを変更して、サーキュレータのポート 2 と 50:50 カプラの間に可変減衰器 (Hewlett Packard 8157A) を追加しました。 8 個ものセンサーを含む構成でシステムの損失をシミュレートするために、6 dB に設定され、50:50 カプラーの 3 dB 損失に加えて、各出力で合計 9 dB の損失が生成されました。。前のテストと同様に、両方のセンサーに振動 (1 Hz および 500 mVpp) を与え、ゲート周波数をそれぞれの共振周波数に調整することで質問しました。減衰器の追加によりファイバーキャビティの長さがわずかに増加したため、センサーの共振周波数が変化しました。この場合、TCF1 と TCF2 はそれぞれ 328.3 kHz と 353.4 kHz でした。

結果を図２〜図５にまとめて示す。図 8a では、TCF1 を振動にさらし、TCF2 をアイドル状態のままにした結果が示されています。図 8b では、TCF2 が振動にさらされ、一方 TCF1 は非アクティブのまま放置されました。図 9 では、両方のセンサーが振動にさらされました。同じ時間です。

(a) TCF1 が振動し、TCF2 が非アクティブであった場合、および (b) TCF1 が非アクティブで、TCF2 が振動していた場合の周波数領域の結果。挿入図には、各ケースの時間領域の結果が示されています。

両方のデバイスが振動している場合、結果は周波数領域になります。時間領域での結果を挿入図に示します。

1 Hz の振動は、それぞれのケースで振動を受けたデバイス (図 8a の TCF1 および図 8b の TCF2) によって記録されましたが、静止したデバイスからの信号は振動を検出しませんでした。実際、各ケースの FFT は、SNR が常に 3 を上回っていることを示しています。これは、検出限界を定義するルールとして一般に採用される比率です 44。したがって、結果は、両方のセンサーが、性能に影響を与えないレベルの干渉で 1 Hz の振動を検出して記録できたことを示しています。

両方のデバイスに同時に振動を加えた場合 (図 9 を参照)、両方のデバイスで振動が記録されましたが、感度はわずかに低くなりました。以前のテストで起こったように、すべての場合において、TCF2 はコアの配向性が優れているため、より高い感度を示しました。

最後のテストでは、各センシングヘッドでさまざまなパラメータを測定しました。この TCF の温度感度がすでに報告されている 28 (46.4 pm/K) こと、およびこの研究の目的が MCF 用の多重化システムを提案および実証することであることを考慮して、TCF の性能を測定することにしました。温度とは異なる 2 つのパラメータ。これらのパラメータは、正弦波振動 (1 Hz および 500 mVpp)、およびリニア精密ステージ (Newport M-UMR 12.40) を使用して 257.57 μm ステップの伸張および圧縮サイクルからなるひずみサイクルとなるように選択されました。そのため、これらのテストの実験セットアップが図 1 のものと同じになるように、減衰器が取り外されました。振動測定に使用するために TCF2 が選択されました。これは、すでに木製の梁に接着されており、コアの方向がより良好であったためです。 TCF1との比較（図5参照）。後者は TCF3 (図 10 を参照) に置き換えられました。このサンプルは、わずかに長い TCF セグメント (約 12 cm) と \(f_{rSENSOR3}\) ~ 566.9 kHz を備えたサンプルです。

製造された TCF3 を、従来の開ループ構成で広帯域光源でプローブしたとき (点線)、およびパルスレーザーキャビティの一部として繰り返し周波数を共振キャビティ長に合わせて調整したときのスペクトル (実線)。

TCF3 を連続広帯域光源で調べた場合、最大ピークの FWHM は 6.63 nm でしたが、パルス SOA で調べた場合にスペクトル上に現れる独特のピークの FWHM はわずか 1.16 nm でした。

これらのテストの結果を図 1 と 2 に示します。図 11a では、TCF3 に歪みが加えられ、TCF2 はアイドル状態のままでした。図 11b では、TCF2 が振動を受け、TCF3 は非アクティブ状態のままになり、図 12 では、TCF2 と TCF3 が振動を受け、TCF3 がアイドル状態のままになりました。それぞれ、そして同時に緊張します。

(a) TCF3 に歪みがかかり、TCF2 が不活性である場合、および (b) TCF3 が不活性で TCF2 が振動している場合の結果。挿入図には、時間領域での結果が示されています。

TCF2 が振動し、TCF3 が同時に歪んだ場合の結果。

結果は、すべてのテストにおいて、振動とひずみのサイクルが各センサーによって正しく追跡されたことを示しています。一方、ひずみ測定では、TCF3 のみを測定した場合、テスト範囲での SNR は 27.38、波長シフトは 1875 pm でした (図 11a を参照)。これは、TCF3 が 1.8 の感度に達したことを示しています。 pm/με。両方のセンサーをテストした場合 (図 12 を参照)、テスト範囲内の波長シフトが 1750 pm であったため、TCF3 は 1.7 pm/με の感度を示しました。これらの結果は、この TCF が他の MCF ベースのひずみセンサーで報告されている感度よりも高い 23 ため、この TCF がひずみ測定に重要な性能を備えていること、およびクロストークにより 6.7% の感度損失が発生したことを示しています。一方、TCF2のみが振動している場合、SNRは34.32、波長シフトは600pmでした（図11bを参照）が、両方のセンサーをテストした場合は450pmでした（図12を参照）。したがって、この場合、クロストークによる感度の損失は 25% でした。いずれの場合も、両方のパラメータによって引き起こされるシフトが正確に記録されたため、後者の影響は測定量に関係なく測定に重大な影響を与えませんでした。

この研究では、結合された MCF ベースのセンサーのための多点問い合わせシステムの実現可能性を提案し、実証しました。その動作原理は、各センサーヘッドがゲート SOA によって発射された光を反射するレーザーミラーとして機能する複数のリング共振空洞を作成することに基づいています。このようにして、ゲート周波数は各キャビティの物理的長さに正比例するため、各キャビティは、ゲート周波数を調整することによって容易かつ個別に対処することができる。したがって、センサーが異なる長さに分散されている場合、それぞれのセンサーは固有の共振周波数を持ち、間違いなく識別できるようになります。さらに、識別はキャビティの長さのみに依存するため、類似または同一のスペクトルを持つセンサーを同じシステム内で多重化することができます。

提案されたシステムによってもたらされる主な利点は、結合された MCF ベースのセンサーのスペクトル効率が大幅に向上することです。これらのデバイスによって提供される出力スペクトルと比較すると、連続広帯域光源によって調べられる場合、出力スペクトルは複数の幅広いピークで構成されます。同じデバイスがゲート SOA によって問い合わせられると、システムは複数のピークをクリーンアップし、キャビティゲインピークが存在する波長でのみレーザー発振するため、各センサーからの出力スペクトルには固有の鋭く狭いピークのみが含まれます。位置した。これらの機能により、より多くのセンサーを問い合わせウィンドウに含めることが可能になり、同一のスペクトルを持つセンサーを使用できる可能性が高まり、このシステムによって問い合わせられるデバイスの数を大幅に増やすことができます。

提案された尋問システムの実現可能性は、同じ刺激（振動）と異なる刺激（振動と歪み）を受けた異なる長さの TCF セグメントで構成される 2 つのセンサーを備えたセットアップで実証されました。すべてのケースにおいて、システムは、8 個のセンサーを備えた状況をシミュレートした構成であっても、高感度、高 SNR、および大幅に低いクロストークで、適用された効果を検出および測定することができました。

したがって、さまざまなパラメータの同時測定に対して MCF によって提供される高い感度と、問い合わせセットアップによって提供される高いスペクトル効率、高い SNR、および低レベルのクロストークと組み合わせて、提案されたシステムが正確なマルチポイントを必要とするアプリケーションに魅力的である可能性があることを示唆しています。航空機や建物などの構造健全性モニタリングなど、最小限の侵入性と問い合わせの容易さでセンシングを行うことができます。さらに、提案されたシステムはあらゆる MCF と互換性があるため、同じ設定内で異なる形状を持つ MCF を同時に多重化し問い合わせることができます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、一部は欧州地域開発基金、一部はプロジェクト TEC2015-638263-C03-1-R および PGC2018-101997-B-I00 に基づく経済競争力大臣、一部は科学革新省によって支援されました。 : プロジェクト PID2021-122505OB-C31 および TED2021-129959B-C21 に基づき、一部は Gobierno Vasco/Eusko Jaurlaritza により、プロジェクト IT1452-22 および ELKARTEK (KK 2021/00082 および KK 2021/00092) に基づき、一部はスウェーデン学術会議により実施、Office of Naval Research Global (Award N62909-20-1-2033) および一部は Vinnova Innovair: Forskningsprojekt inom flygteknik (DN 2020-00187) によるものです。ジョス・アモレビエタの研究は、バスク大学 UPV/EHU からの博士課程フェローシップによって資金提供されています。著者らは、有益な議論とサポートを提供してくれた Kenny Hey Tow、Erik Zetterlund、Fredrik Laurell に感謝の意を表します。

通信工学部、バスク大学 UPV/EHU、48013、ビルバオ、スペイン

ホス・アモレビエタ、ガイスカ・ドゥラナ、アンヘル・オルテガ＝ゴメス、ホセバ・ズビア、ジョエル・ビラトロ

光ファイバー、スウェーデン RISE 研究所、164 40、ストックホルム、スウェーデン

キャロライン・フランシスカンジェリス & ウォルター・マーグリス

イケルバスク・バスク科学財団、48011、ビルバオ、スペイン

ジョエル・ビラトロ

応用物理学科、王立工科大学、106 91、ストックホルム、スウェーデン

ウォルター・マーグリス

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論文の初稿は JA と WM によって書かれ、JP、GD、CF、AO-G.、JZ、JVJA、AO-G によってレビューされました。 JA、WM、JP、CF は理論的アプローチで協力し、実験を設計して実行し、データを処理して分析しました。 AO-G。シミュレーションを行い、WM が実験を監督しました。著者全員が実験データについて議論し、原稿を改訂して承認しました。 JA と WM は、すべての著者の意見を反映して最終版を作成しました。

ジョス・アモレビエタへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

アモレビエタ、J.、ペレイラ、J.、デュラナ、G. 他レーザーキャビティに統合されたツインコアファイバーセンサー。 Sci Rep 12、11797 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16103-8

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受信日: 2022 年 5 月 3 日

受理日: 2022 年 7 月 5 日

公開日: 2022 年 7 月 12 日

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