un macho

Jul 22, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12130 (2022) Citar este artículo

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Se ha demostrado experimentalmente un nuevo tipo de sensor de fibra interferométrica basado en un esquema híbrido Mach-Zehnder Fabry-Perot. El interferómetro combina los beneficios de una configuración de doble camino y un resonador óptico, lo que lleva a resoluciones de fase y tensión récord limitadas solo por el ruido térmico intrínseco en las fibras ópticas en un amplio rango de frecuencia. Usando solo componentes disponibles en el mercado, el sensor puede lograr resoluciones de deformación limitadas por ruido de 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) a 10 Hz y 1 f\(\ varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) a 100 kHz. Con una escala adecuada, se cree que las resoluciones de atto-deformación están al alcance en el rango de frecuencia ultrasónica con tales interferómetros.

Los interferómetros de fibra óptica han despertado un gran interés en los últimos años debido a sus posibles aplicaciones en detección óptica1, comunicaciones de fibra óptica2, computación óptica3 e imágenes biomédicas4,5. Los sensores de fibra interferométrica pasiva (IFS), en particular, son capaces de alcanzar resoluciones de señal extremadamente altas, lo que los hace especialmente adecuados para desarrollar sensores ópticos ultrasensibles6,7,8,9. Fundamentalmente, todos los IFS se basan en el mismo principio operativo, es decir, prueban las fluctuaciones ópticas de fase/frecuencia inducidas por medidas externas (p. ej., tensión, temperatura, presión, etc.) a través de interferencias ópticas1. Para optimizar la capacidad de un IFS para resolver señales pequeñas, es necesario i) maximizar la respuesta del sensor a las perturbaciones externas (es decir, la sensibilidad) y ii) minimizar el ruido no deseado.

El primer objetivo se puede lograr mediante el uso de esquemas interferométricos que presenten una discriminación aguda de fase/frecuencia. A lo largo de los años, se han demostrado varias técnicas IFS ultrasensibles, incluidas las rejillas de Bragg de fibra con desplazamiento de fase \(\pi \) (\(\pi \)-FBG)10,11,12,13, FBG14 de luz lenta, 15,16,17 e interferómetros Fabry-Perot de fibra larga18,19,20,21,22,23. Mientras tanto, también se ha dedicado un esfuerzo considerable a reducir el ruido. Dado que el ruido del láser de interrogación suele dominar en un esquema de IFS pasivo, la mayor parte de la investigación reciente se ha centrado en desarrollar nuevos láseres de bajo ruido24 o en mejorar las técnicas de estabilización de láser25.

Sin embargo, en última instancia, la resolución de IFS está limitada por el ruido térmico intrínseco de las fibras ópticas. Hay dos tipos de ruidos térmicos en las fibras. El ruido termodinámico (también conocido como ruido termoconductor), que se caracteriza por una rápida caída a altas frecuencias, normalmente domina a frecuencias superiores a 100 Hz26,27. El ruido termomecánico, que tiene una característica espectral de 1/f, es el mecanismo predominante a bajas frecuencias (p. ej., < 10 Hz)28,29.

Lograr una detección de fibra óptica con limitación de ruido térmico es atractivo y desafiante: atractivo porque representa el máximo poder de resolución que un sensor puede alcanzar; desafiante porque alcanzar el minúsculo ruido térmico requiere que un sistema de detección tenga una sensibilidad extremadamente alta y un ruido de sistema muy bajo30,31,32. Durante las últimas tres décadas, ha habido un esfuerzo continuo para desarrollar sensores de fibra óptica que puedan operar al nivel de ruido térmico1,33,34,35,36,37,38. En general, se han adoptado dos enfoques distintivos para lograr este objetivo: i) discriminación de frecuencia y ii) discriminación de fase. En un esquema de discriminación de frecuencia, se emplea un resonador óptico como una rejilla de Bragg de fibra (FBG)37 o un interferómetro Fabry-Perot de fibra (FFPI)38 para crear una característica espectral nítida (es decir, un pico de resonancia) que puede usarse como un discriminador óptico de frecuencia altamente sensible. La ventaja de este enfoque es que el sensor en sí puede ser muy compacto, normalmente del orden de un metro o menos. Sin embargo, la desventaja radica en su incapacidad para distinguir la señal de detección del ruido del láser, lo que a menudo hace que el láser interrogador sea el mayor responsable de la resolución general del sensor39. Como resultado, para lograr una operación con ruido térmico limitado con un esquema de discriminación de frecuencia, se debe implementar un láser de ruido ultrabajo37 o un sistema de estabilización de frecuencia láser altamente sofisticado30,38. Mientras tanto, un esquema de discriminación de fase aprovecha la sensibilidad de fase de un interferómetro tradicional de doble trayectoria, como el Michelson36, el Mach-Zehnder35 o la configuración Sagnac33. Tiene un requisito mucho menor en el láser de interrogación porque el ruido de fase/frecuencia del láser es un ruido de modo común en estos interferómetros. Por otro lado, los sensores de discriminación de fase suelen ser bastante voluminosos, con longitudes de brazo que superan con creces las decenas o incluso los cientos de metros para que alcancen suficiente sensibilidad de fase35,36. No solo son difíciles de envasar, sino que también son muy susceptibles a las fluctuaciones inducidas por el entorno.

En este artículo, informamos la demostración de un nuevo tipo de IFS de ultra alta resolución: un interferómetro híbrido Mach-Zehnder Fabry-Perot (MZ-FP). El interferómetro combina una configuración tradicional de doble vía con resonadores de fibra óptica para superar las deficiencias de los esquemas IFS anteriores. Esto conduce a un sistema IFS compacto capaz de operar al nivel de ruido térmico mientras es interrogado por un láser de diodo comercial comercial. Además, se ha diseñado un sistema de aislamiento basado en el suelo para ayudar a lograr resoluciones de tensión de nivel récord en un amplio rango de frecuencia.

(a) Un diagrama esquemático de los FFPI utilizados en el experimento. ( b ) Diseño del sistema del interferómetro híbrido MZ-FP.

La idea detrás del interferómetro híbrido MZ-FP es muy simple: un interferómetro de doble trayectoria como Mach-Zehnder es ideal para mitigar el impacto del ruido del láser, pero requiere brazos largos para lograr la sensibilidad de fase deseada. Mientras tanto, un resonador óptico como Fabry-Perot ofrece una alta sensibilidad en un tamaño en miniatura, ya que pliega efectivamente un largo camino óptico dentro de un paquete pequeño. Ahora, si reemplazamos los dos brazos largos de un Mach-Zehnder con dos Fabry-Perot idénticos, la configuración híbrida resultante en principio puede conservar los beneficios de ambos esquemas. El concepto de interferómetros híbridos MZ-FP fue concebido por primera vez por uno de nosotros en un informe anterior39. El presente trabajo se centra en su realización experimental.

La Figura 1 muestra nuestra configuración experimental. Dos FFPI comerciales (Micron Optics, FFP-SI), como se ilustra en la Fig. 1a, son idénticos en configuración y especificaciones, cada uno con una longitud de cavidad de 1 m, un rango espectral libre de 105 MHz y un ancho de línea de 116 kHz. Los espejos dieléctricos multicapa están revestidos en ambos extremos de los FFPI, lo que les permite alcanzar una gran finura de alrededor de 902. Con una cavidad de un metro de largo hecha de fibra monomodo (SMF), cada FFPI representa una ruta de fibra efectiva de alrededor de 574 m al operar en resonancia39,40. Se adjunta un actuador piezoeléctrico (PZT) en cada FFPI para permitir un ajuste fino de la longitud de la cavidad. El diseño experimental general se muestra en la Fig. 1b. El interferómetro es interrogado por un láser de diodo de frecuencia única comercial (RIO, Orion) que opera a 1550,1 nm con un ancho de línea inferior a 1 kHz. Dos acopladores de fibra, FC1 y FC2, forman la configuración de doble vía para el interferómetro MZ, con los dos FFPI, denominados aquí FFPI-1 y FFPI-2, insertados en sus dos brazos. Un fotodetector (PD) que sigue a FC2 sondea la salida interferométrica. Cuando se opera en resonancia, la pérdida de inserción de los dos FFPI es de unos 5 dB. El interferómetro MZ-FP tiene una pérdida de inserción general (bajo la condición de cuadratura) de 15 dB debido a los acopladores de fibra adicionales insertados en el interferómetro (no se muestra en la Fig. 1b) para fines de monitoreo de señal y bloqueo de PDH.

Para garantizar el funcionamiento óptimo de este interferómetro híbrido, primero se deben superar dos desafíos técnicos: i) ambos FFPI deben poder permanecer en resonancia con el láser simultáneamente durante períodos prolongados (minutos o más), y ii) fluctuaciones causadas por El entorno ambiental debe suprimirse por debajo del nivel de ruido térmico de la fibra. Para abordar el primer desafío, se utiliza un sistema Pound-Drever-Hall (PDH) para bloquear la frecuencia del láser a un pico de resonancia de FFPI-1, como se muestra en la Fig. 1b. Además, FFPI-1 y FFPI-2 están sellados juntos en una caja de fibra de vidrio para mantenerlos en el mismo entorno aislado. Al aplicar un voltaje de CC en el actuador PZT en FFPI-2, la frecuencia de resonancia de FFPI-2 se puede ajustar para que coincida con la frecuencia del láser. Esto permite que el láser esté en resonancia con ambos FFPI al mismo tiempo. Dado que los dos FFPI se empaquetan juntos, experimentan fluctuaciones similares, lo que ayuda a preservar la condición de resonancia durante varios minutos, incluso en ausencia de un bloqueo de frecuencia directo entre el FFPI-2 y el láser. Mientras tanto, para suprimir las fluctuaciones de fase inducidas por el medio ambiente, todo el interferómetro MZ está montado en una gran cámara de fibra de vidrio aislada con una capa de 2 pulgadas de tierra de jardín en todas las direcciones. Aquí se elige el suelo como material aislante debido a sus propiedades superiores de aislamiento térmico y acústico41. La cámara se coloca encima de un aislador de vibraciones (Minus K, BM-1) para bloquear las vibraciones de baja frecuencia del suelo.

La fluctuación de fase relativa entre los dos FFPI es una medida importante de la estabilidad del interferómetro MZ-FP. Para caracterizarlo mejor, se instala un cambiador de frecuencia acústico-óptico acoplado a fibra (AOFS) en uno de los brazos MZ. El AOFS está impulsado por una señal armónica de 50 MHz, lo que da como resultado una nota pulsada de 50 MHz en PD. Parte de la nota del tiempo se envía a un contador de frecuencia (SRS SR620) para medir la desviación de Allen. La nota de tiempo restante se desplaza en frecuencia a la banda base mezclándola con la señal de activación original en cuadratura para el análisis de ruido de fase, que se realiza mediante un osciloscopio (Keysight DSOX3034T) y un analizador de señal dinámica (DSA) por transformada de Fourier (SRS, SR785).

(a) Una señal de nota de tiempo entre los dos brazos MZ-FP exhibe un FWHM de alrededor de 60 mHz. (b) Las desviaciones de Allen de la nota del tiempo. Recuadro: Fluctuaciones lentas de la fase relativa entre los brazos MZ-FP cerca del punto de cuadratura. La modulación de fase de 1 Hz se agrega intencionalmente con fines de calibración.

Como se señaló anteriormente, el funcionamiento adecuado del interferómetro híbrido MZ-FP se basa en la resonancia simultánea de ambos FFPI con el láser. Dado que el láser está bloqueado en frecuencia a FFPI-1, las fluctuaciones de fase relativas entre FFPI-1 y FFPI-2 dictan la efectividad del esquema. Estas fluctuaciones se imprimen en la nota de pulso de 50 MHz como ruido de frecuencia excesiva, que se ha medido cuidadosamente en varias escalas de tiempo. Los resultados de estas mediciones se resumen en la figura 2. La figura 2a muestra el espectro de la nota del tiempo, que tiene un valor de ancho completo medio máximo (FWHM) de 60 mHz. El espectro se mide batiendo la señal de 50 MHz hasta 1 Hz y luego analizándola con el DSA. El tiempo de puerta del DSA es de 256 s, lo que lleva a una resolución de frecuencia de 3,9 mHz. La caracterización en el dominio del tiempo de la nota pulsada también se llevó a cabo utilizando el contador de frecuencia, y el resultado se muestra como desviación de Allan en la Fig. 2b. Notablemente aquí, la desviación de Allen alcanza su valor mínimo de \(4.56\times 10^-{^8}\) en un tiempo de puerta de 100 s antes de que se recupere en tiempos de puerta más largos, lo que indica el dominio de la deriva de frecuencia lenta. Tal deriva lenta se puede ver en el dominio del tiempo al monitorear la fluctuación de la nota del tiempo de la banda base bajo la condición de cuadratura. En el recuadro de la Fig. 2b se muestra una muestra de dicha medición con una duración de 30 s. Aquí, se agrega intencionalmente una modulación de fase de 1 Hz al oscilador local de 50 MHz con una amplitud de pico a pico de 50 grados. Esto genera una oscilación de 1 Hz en la nota del tiempo, lo que nos permite calibrar la desviación lenta de la nota del tiempo en términos de fase. En general, hemos descubierto que, una vez optimizada, la condición de cuadratura normalmente se puede mantener durante varios minutos, lo que valida la viabilidad del esquema híbrido MZ-FP. Esta escala de tiempo también es evidente por el hecho de que se han registrado con éxito desviaciones de Allan en tiempos de puerta de hasta 500 s.

Respuestas MZ-FP medidas bajo modulaciones de tensión armónica de varias amplitudes a 100 Hz, 300 Hz, 700 Hz y 1 kHz. El ajuste lineal y la pendiente se dan para datos a 300 Hz. Recuadro: La salida del interferómetro debido a una señal de 52-\(p\varepsilon \) muestra una relación señal-ruido de \(\sim 51\) dB.

Para demostrar el interferómetro MZ-FP como un sensor de fibra óptica, se introducen señales de tensión dinámica en uno de los FFPI mediante la aplicación de una modulación armónica en su actuador PZT y se monitorea la respuesta interferométrica resultante. Las cantidades reales de tensión aplicada en el FFPI se calibran utilizando la respuesta PZT especificada por el fabricante, que se verifica de forma independiente en nuestro experimento. La Figura 3 muestra la respuesta MZ-FP medida cuando esta modulación de tensión es de 300 Hz con varias amplitudes. La salida del MZ-FP muestra una buena linealidad frente a la señal de tensión de entrada en una escala logarítmica en dB, como lo muestra el ajuste lineal y la pendiente resultante. El recuadro de la figura 3 muestra el pico de modulación de tensión real detectado en la salida del interferómetro debido a una pequeña amplitud de tensión de 52 p\(\varepsilon\). Esta es la amplitud de deformación más baja que podemos producir de manera confiable con el actuador PZT y el pico todavía está 51 dB por encima del piso de ruido, lo que indica un nivel muy alto de resolución de deformación. También se han tomado medidas de respuesta de tensión similares en otras frecuencias de modulación, por ejemplo, 100 Hz, 700 Hz y 1000 Hz, y los puntos de datos correspondientes se incluyen en la Fig. 3.

Resolución limitada por ruido del interferómetro MZ-FP (en tensión y fase). También se muestran las predicciones teóricas del ruido de fondo debido al ruido térmico de la fibra, lo que indica un funcionamiento con ruido térmico limitado a frecuencias superiores a 10 Hz.

La resolución con limitación de ruido es un parámetro clave para un IFS. El ruido de fondo del interferómetro MZ-FP se capturó con el DSA en un lapso de seis décadas de frecuencias de Fourier (0,1 - \(10^5\) Hz). Se muestra en la Fig. 4 en términos de resolución de tensión y fase. La resolución de deformación se obtiene calibrando el espectro de ruido medido (en unidades de dBV/\(\sqrt{Hz}\)) usando la pendiente de respuesta de deformación lineal dada en la Fig. 3. La resolución de fase se calcula a partir de la resolución de deformación basada en la relación \(\delta \varphi = 2\pi (l/\lambda )\varepsilon \), donde l es la longitud efectiva del brazo del interferómetro, \(\lambda \) es la longitud de onda, y \(\varepsilon \) es tensión. Tenga en cuenta que l está relacionado con la longitud del FFPI \(l_c\) a través de la relación \(l=(2/\pi )\mathscr {F}l_c\), donde \(\mathscr {F}\) es el delicadeza del FFPI40. La escala de ruido de fase también se verifica de forma independiente a través de un proceso de calibración de fase, que se ha utilizado para trazar el recuadro de la Fig. 2b, y el resultado concuerda muy bien con el resultado calculado. Con base en la Fig. 4, el espectro de ruido presenta una disminución gradual en las frecuencias altas (> 1 kHz), una región relativamente plana en el rango de frecuencias medias (10 Hz–1 kHz) y una acumulación rápida en las frecuencias bajas. -extremo de frecuencia (< 10 Hz), que coinciden cualitativamente con los comportamientos generales de ruido térmico de la fibra39.

Para realizar una comparación cuantitativa entre el espectro de ruido medido y la predicción teórica del ruido térmico de la fibra, tanto el ruido termodinámico como el ruido termomecánico se calculan en base a los modelos establecidos29. El cálculo sigue la estrategia descrita por Duan para la configuración MZ-FP39 y utiliza parámetros específicos para las fibras SMF-28, incluido un índice de refracción efectivo de 1,468, un coeficiente de temperatura para el índice de refracción de \(9,2\times 10^-{^6 }\)/K, un coeficiente de expansión térmica de \(5,5\times 10^-{^7}\)/K, una conductividad térmica de 1,37 W/(mK), una difusividad térmica de \(8,2\times 10^ -{^7}\) m\(^2\)/s, parámetros de condición de contorno de \(3,846\times 10^5\)/m y \(3,848\times 10^4\)/m, y un parámetro de Young módulo de 68 GPa36,42. Las curvas teóricas resultantes también se muestran en la Fig. 4. Es evidente en la Fig. 4 que el espectro de ruido medido de nuestro interferómetro MZ-FP coincide muy bien con el espectro de ruido termodinámico a frecuencias de Fourier superiores a 10 Hz, lo que indica el logro de la temperatura térmica. -Resolución limitada por ruido en este rango de frecuencia. Sin embargo, por debajo de 10 Hz, el ruido de fondo muestra signos claros de desviación de baja frecuencia y permanece por encima del ruido termomecánico previsto. Tenga en cuenta que los picos de ruido a 60 Hz, 180 Hz, 300 Hz y 540 Hz en la traza experimental probablemente se deban a la fuga de ruido de la línea eléctrica, mientras que se cree que los picos de ruido alrededor de 30 Hz y 5 Hz son causados ​​por un desequilibrio residual entre los dos FFPI de origen mecánico y/o electrónico. La caja de seguridad PDH introduce el pico de alta frecuencia a 58 kHz. Vale la pena mencionar aquí que también se ha llevado a cabo un esfuerzo similar basado en un sensor FFPI de un solo metro de largo, pero no ha logrado alcanzar el límite de ruido térmico debido al dominio del ruido láser22,23. Esto destaca la ventaja del esquema híbrido MZ-FP, ya que mitiga en gran medida el impacto del ruido del láser.

Con el ruido de fondo del interferómetro MZ-FP acercándose al límite establecido por el ruido térmico de la fibra, se lograron resoluciones de tensión récord. La Tabla 1 enumera las resoluciones de deformación medidas en seis frecuencias decadales entre 1 Hz y 100 kHz (fila superior), así como los mejores resultados informados previamente en estas frecuencias23,37,38. Tenga en cuenta que algunos de los registros anteriores se estiman en función de los resultados gráficos porque los valores exactos de la resolución de deformación en estas frecuencias no se proporcionan en estos informes. Es evidente a partir de la Tabla 1 que el interferómetro híbrido MZ-FP ha logrado resoluciones de tensión récord en un amplio rango de frecuencias (con la única excepción de 1 kHz). En algunos casos, por ejemplo, a 100 kHz, la mejora con respecto al registro anterior es casi un factor de 10. Estos resultados demuestran la superioridad de la configuración híbrida MZ-FP como esquema para la detección de fibra óptica de ultra alta resolución.

En resumen, informamos el desarrollo de un nuevo tipo de IFS, que se basa en una configuración híbrida MZ-FP. Mediante el uso de FFPI idénticos como multiplicadores de trayectoria óptica y con la ayuda de un sistema de aislamiento basado en el suelo, el interferómetro ha demostrado la capacidad de alcanzar resoluciones extremadamente altas limitadas solo por el ruido térmico intrínseco en las fibras ópticas en un amplio rango de frecuencia. Se encuentra que las resoluciones de tensión limitadas por ruido son 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) a 10 Hz y 1 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(} Hz)\) a 100 kHz, que es, con mucho, la mejor resolución de deformación jamás reportada para un IFS. El exclusivo esquema híbrido permite que el interferómetro MZ-FP combine los beneficios de una configuración de doble vía y resonadores ópticos, lo que permite una operación con ruido térmico limitado con solo componentes disponibles en el mercado. Con una escala adecuada, es concebible que las resoluciones de atto-deformación se puedan lograr fácilmente dentro del rango de frecuencia ultrasónica con tales configuraciones híbridas. Por lo tanto, esperamos que este trabajo establezca un camino factible hacia el futuro IFS de atto-cepa.

Los autores declaran que los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el artículo. Todos los demás datos relevantes están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias bajo la subvención ECCS-1606836 y por el Programa de Becarios de Investigación para Graduados de Alabama (Ronda 14, 15 y 16).

Estos autores contribuyeron por igual: Nabil Md Rakinul Hoque y Lingze Duan.

Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Alabama en Huntsville, 301 Sparkman Drive, Huntsville, AL, 35899, EE. UU.

Nabil MD Rakinul Hoque & Lingze Duan

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LD concibió el experimento y diseñó el aparato. NMRH desarrolló el aparato experimental, realizó el experimento y analizó los resultados. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Lingze Duan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hoque, NMR, Duan, L. Un interferómetro de fibra óptica híbrido Mach-Zehnder Fabry-Perot que opera en el límite de ruido térmico. Informe científico 12, 12130 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16474-y

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Recibido: 13 mayo 2022

Aceptado: 11 julio 2022

Publicado: 15 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16474-y

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