マッハ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12130 (2022) この記事を引用

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23 オルトメトリック

メトリクスの詳細

マッハ・ツェンダー・ファブリ・ペローハイブリッド方式に基づく新しいタイプの干渉ファイバーセンサーが実験的に実証されました。 この干渉計は、ダブルパス構成と光共振器の両方の利点を組み合わせており、広い周波数範囲にわたって光ファイバーの固有の熱雑音によってのみ制限される記録的な高いひずみおよび位相分解能を実現します。 既製のコンポーネントのみを使用して、センサーは、10 Hz で 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) および 1 f\(\ のノイズ制限されたひずみ分解能を達成できます。 100 kHz のバレプシロン \)/\(\sqrt{(}Hz)\)。 適切にスケールアップすると、このような干渉計を使用すると、超音波周波数範囲でアトひずみ分解能が達成できると考えられます。

光ファイバー干渉計は、光センシング 1、光ファイバー通信 2、光コンピューティング 3、生物医学イメージング 4,5 への応用の可能性により、近年多大な関心を集めています。 特に、パッシブ干渉計ファイバーセンサー (IFS) は非常に高い信号分解能に達することができるため、超高感度光センサーの開発に特に適しています 6、7、8、9。 基本的に、すべての IFS は同じ動作原理、つまり外部測定対象 (ひずみ、温度、圧力など) によって引き起こされる光位相/周波数変動を光干渉を通じて調査するという原理に基づいて構築されています1。 小さな信号を解決する IFS の能力を最適化するには、i) 外部摂動に対するセンサーの応答 (つまり、感度) を最大化し、ii) 不要なノイズを最小限に抑える必要があります。

最初の目標は、鋭い位相/周波数識別を特徴とする干渉計方式を使用することで達成できます。 長年にわたり、\(\pi \) 位相シフト ファイバー ブラッグ グレーティング (\(\pi \)-FBG)10,11,12,13、低速光 FBG14 など、いくつかの超高感度 IFS 技術が実証されてきました。 15、16、17、および長繊維ファブリペロー干渉計18、19、20、21、22、23。 一方で、騒音を下げるためにも多大な努力が払われてきました。 通常、パッシブ IFS 方式では質問レーザーのノイズが支配的であるため、最近の研究のほとんどは、新しい低ノイズ レーザーの開発 24 またはレーザー安定化技術の改善 25 に焦点を当てています。

ただし、最終的には、IFS の分解能は光ファイバーの固有の熱雑音によって制限されます。 ファイバーの熱雑音には 2 種類あります。 熱力学的ノイズ (熱伝導ノイズとしても知られています) は、高周波数での素早いロールオフを特徴とし、通常 100 Hz を超える周波数で支配的になります 26,27。 1/f スペクトル特性を持つ熱機械ノイズは、低周波数 (たとえば、< 10 Hz) での主要なメカニズムです 28,29。

熱雑音を制限した光ファイバーセンシングの実現は、魅力的であると同時に挑戦的でもあります。センサーが達成できる最大の分解能を表すため、魅力的です。 極小の熱ノイズに達するには、センシング システムが非常に高い感度と非常に低いシステム ノイズの両方を備えている必要があるため、これは困難です30、31、32。 過去 30 年間にわたり、熱雑音レベルで動作できる光ファイバー センサーを開発する努力が続けられてきました 1,33,34,35,36,37,38。 一般に、この目標を達成するために、i) 周波数弁別と ii) 位相弁別という 2 つの特徴的なアプローチが採用されています。 周波数弁別方式では、ファイバーブラッググレーティング (FBG)37 やファイバーファブリーペロー干渉計 (FFPI)38 などの光共振器を使用して、使用できる鋭いスペクトル特徴 (つまり、共振ピーク) を作成します。高感度の光周波数弁別器として。 このアプローチの利点は、センサー自体を非常にコンパクト (通常は 1 メートル以下のオーダー) にできることです。 しかし、欠点は、感知信号をレーザーノイズから区別できないことであり、そのため、多くの場合、問い合わせレーザーがセンサー全体の解像度の最大の要因となります39。 その結果、周波数弁別方式で熱雑音を制限した動作を達成するには、超低雑音レーザー 37 または高度に洗練されたレーザー周波数安定化システム 30、38 を導入する必要があります。 一方、位相弁別スキームは、マイケルソン 36、マッハツェンダー 35、またはサニャック構成 33 などの従来のダブルパス干渉計の位相感度を利用します。 これらの干渉計ではレーザーの位相/周波数ノイズがコモンモードノイズであるため、尋問レーザーに対する要件ははるかに低くなります。 一方、位相弁別センサーは非常にかさばる場合が多く、十分な位相感度を得るにはアームの長さが数十メートル、さらには数百メートルをはるかに超えます 35,36。 パッケージ化が難しいだけでなく、環境による変動の影響を非常に受けやすくなります。