空間を利用した光センサー

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13369 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

周波数シフト干渉法 (FSI) を使用した新しいアクティブ ファイバー キャビティ リングダウン (FCRD) 技術が初めて提案されました。 このスキームを使用すると、リングダウン時間の代わりにリングダウン距離を測定することにより、外部パラメータを空間領域で監視できます。 双方向エルビウムドープファイバー増幅器 (Bi-EDFA) を採用して、固有のキャビティ損失を補償し、より高い感度を実現します。 また、Bi-EDFA の増幅自然放出 (ASE) ノイズを低減するために 2 つのバンドパス フィルターが使用されます。 よく知られているタイムドメインアクティブFCRD方式と比較して、私たちが提案する方法では、タイムドメインアクティブFCRDに必要なパルスレーザーの使用を回避でき、連続波レーザーを使用してファイバーキャビティに注入し、光パワーを安定化します。ファイバーキャビティにより、EDFA のゲイン変動によって引き起こされるリングダウン信号のベースラインドリフトを抑制し、検出精度を向上させることができます。 さらに、この新しい方法により、差動検出方法を使用して ASE ノイズをさらに低減し、リングダウン信号のベースライン ドリフトを排除できるようになります。 磁場センサーは、概念実証のデモンストレーションとして開発されました。 実験結果は、提案したセンサの感度 0.01537 (1/km・Gs) が達成されたことを示しています。 これは、タイムドメインアクティブ FLRD 方式と比較して最高の磁場感度です。 ASE ノイズが減少したため、提案されたセンシング システムの安定性も大幅に向上しました。

ファイバー キャビティ リングダウン (FCRD) センシング技術は、光損失を測定するための高感度な方法です 1、2、3。 従来の CRD スキームと同様に、キャビティ損失は、通常パルス レーザーのリングダウン時間と呼ばれる減衰率から決定できます。 しかし、光が 2 つのミラーの間で往復する従来の CRD 方式とは異なり、FCRD では通常、高い分割比を持つ一対のファイバ方向性結合器を使用して、マルチパス アプローチを実現するためのファイバ キャビティを形成します。 ミラーベースのキャビティと比較して、ファイバ キャビティには、アライメント不要、堅牢性、低コストという利点があり、大規模な多機能センサー ネットワークに適しているため、FCRD はガス 4 などの多くのアプリケーションで一般的な選択肢となっています。 、液体5、6、屈折率7、ひずみ8、温度9、磁場センシング10など。 しかし、ファイバキャビティには、ファイバカプラやセンサヘッドの挿入損失が大きいため、固有のキャビティ損失が大きく、感度が低下するという欠点があります。

感度を向上させるために、この目標を達成する簡単な方法の 1 つは、センサー ヘッドの挿入損失を低減することですが、改善にはまだ限界があります。 別のアプローチは、エルビウムドープファイバ増幅器 (EDFA) をファイバキャビティに導入することによって、固有のキャビティ損失を補償することです。 EDFA はゲイン ソースとして機能するため、この新しい FCRD は通常、タイムドメイン アクティブ FCRD または増幅型 FCRD11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21 と呼ばれます。 2001 年に、ジョージ スチュワートによってアクティブ FCRD 技術が初めて提案され、固有のキャビティ損失が EDFA11 によって十分に補償できるため、感度が向上しました。 ただし、アクティブ FCRD センシング方式には 2 つの新たな問題も生じます。 1 つは EDFA のゲイン変動であり、これによりリングダウン信号が非指数関数的に減衰し、測定精度と長期安定性が低下します 20、21。 もう 1 つは、EDFA によって生成される増幅自然放出 (ASE) ノイズです。これは、リングダウン信号のベースライン ドリフトを引き起こし、センシング システムの安定性を低下させます 12、13、17。 利得変動の影響を最小限に抑えるために、ファイバ キャビティ内で利得クランプ EDFA を使用して利得変動の影響を軽減しました 14,16 が、ファイバ キャビティを励起するために時間領域アクティブ FCRD でパルス レーザーが使用されたため、利得変動は依然として存在します。したがって、ファイバキャビティ内で電力の安定化を実現できないため、安定性は通常約 10% のみであり、実用には適していません 18。 幸いなことに、ファイバキャビティ内のレーザパワーを安定させるためにカオスレーザが提案され、利得変動の影響が効果的に抑制されたため、最近2.84%の良好な安定性が達成されました19。 安定性を向上させるために、ASE ノイズを抑制する適応フィルタが提案されている 12,13 が、ASE ノイズを完全に除去することは不可能であり、安定性はまだ十分ではありません。