um Mach

Jul 22, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12130 (2022) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

Um novo tipo de sensor de fibra interferométrica baseado em um esquema híbrido Mach-Zehnder Fabry-Perot foi demonstrado experimentalmente. O interferômetro combina os benefícios de uma configuração de caminho duplo e de um ressonador óptico, levando a tensões recordes e resoluções de fase limitadas apenas pelo ruído térmico intrínseco nas fibras ópticas em uma ampla faixa de frequência. Usando apenas componentes disponíveis no mercado, o sensor é capaz de atingir resoluções de deformação limitadas por ruído de 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) a 10 Hz e 1 f\(\ varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) a 100 kHz. Com um aumento de escala adequado, acredita-se que as resoluções atto-strain estejam dentro do alcance na faixa de frequência ultrassônica com tais interferômetros.

Os interferômetros de fibra óptica têm despertado grande interesse nos últimos anos devido às suas aplicações potenciais em sensoriamento óptico1, comunicações de fibra óptica2, computação óptica3 e imagens biomédicas4,5. Os sensores de fibra interferométrica passiva (IFS), em particular, são capazes de atingir resoluções de sinal extremamente altas, tornando-os especialmente adequados para o desenvolvimento de sensores ópticos ultrassensíveis6,7,8,9. Fundamentalmente, todos os IFS são construídos sobre o mesmo princípio operacional, ou seja, sondando flutuações ópticas de fase/frequência induzidas por mensurandos externos (por exemplo, deformação, temperatura, pressão, etc.) através de interferência óptica1. A fim de otimizar a capacidade de um IFS para resolver pequenos sinais, é preciso i) maximizar a resposta do sensor a perturbações externas (ou seja, sensibilidade) e ii) minimizar o ruído indesejado.

O primeiro objetivo pode ser alcançado usando esquemas interferométricos com discriminação nítida de fase/frequência. Ao longo dos anos, várias técnicas IFS ultrassensíveis foram demonstradas, incluindo \(\pi \)-phase shifted fibra Bragg gratings (\(\pi \)-FBG)10,11,12,13, slow-light FBG14, 15,16,17 e interferômetros Fabry-Perot de fibra longa18,19,20,21,22,23. Enquanto isso, um esforço considerável também foi dedicado à redução do ruído. Como o ruído do laser de interrogação geralmente domina em um esquema IFS passivo, a maioria das pesquisas recentes tem se concentrado no desenvolvimento de novos lasers de baixo ruído24 ou na melhoria das técnicas de estabilização do laser25.

Em última análise, no entanto, a resolução do IFS é limitada pelo ruído térmico intrínseco das fibras ópticas. Existem dois tipos de ruídos térmicos nas fibras. O ruído termodinâmico (também conhecido como ruído termocondutivo), que apresenta um rápido roll-off em altas frequências, normalmente domina em frequências acima de 100 Hz26,27. O ruído termomecânico, de característica espectral 1/f, é o mecanismo predominante nas baixas frequências (por exemplo, < 10 Hz)28,29.

Alcançar a detecção de fibra óptica limitada por ruído térmico é atraente e desafiador: atraente porque representa o poder de resolução máximo que um sensor pode alcançar; desafiador porque alcançar o ruído térmico minúsculo requer um sistema de detecção para ter uma sensibilidade extremamente alta e um ruído de sistema muito baixo30,31,32. Nas últimas três décadas, tem havido um esforço contínuo para desenvolver sensores de fibra ótica que possam operar no nível de ruído térmico1,33,34,35,36,37,38. Geralmente, duas abordagens distintas foram adotadas para atingir esse objetivo: i) discriminação de frequência e ii) discriminação de fase. Em um esquema de discriminação de frequência, um ressonador óptico como uma grade de Bragg de fibra (FBG)37 ou um interferômetro de fibra Fabry-Perot (FFPI)38 é empregado para criar uma característica espectral nítida (ou seja, um pico de ressonância) que pode ser usado como um discriminador de frequência óptica altamente sensível. A vantagem dessa abordagem é que o próprio sensor pode ser muito compacto, normalmente da ordem de um metro ou menos. A desvantagem, no entanto, reside na incapacidade de distinguir o sinal de detecção do ruído do laser, o que muitas vezes torna o laser de interrogação a maior responsabilidade da resolução geral do sensor39. Como resultado, para obter uma operação limitada por ruído térmico com um esquema de discriminação de frequência, um laser de ruído ultrabaixo37 ou um sistema altamente sofisticado de estabilização de frequência a laser30,38 deve ser implantado. Enquanto isso, um esquema de discriminação de fase aproveita a sensibilidade de fase de um interferômetro de caminho duplo tradicional, como o Michelson36, o Mach-Zehnder35 ou a configuração Sagnac33. Ele tem um requisito muito menor no laser de interrogação porque o ruído de fase/frequência do laser é um ruído de modo comum nesses interferômetros. Por outro lado, os sensores de discriminação de fase costumam ser bastante volumosos, com comprimentos de braço bem superiores a dezenas ou mesmo centenas de metros para que atinjam sensibilidade de fase suficiente35,36. Eles não são apenas difíceis de embalar, mas também altamente suscetíveis a flutuações induzidas pelo ambiente.