Mellizo

Jun 10, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 11797 (2022) Citar este artículo

895 Accesos

1 Altmetric

Detalles de métricas

En este trabajo, informamos sobre un sistema de sensor de fibra de doble núcleo que proporciona una eficiencia espectral mejorada, permite la multiplexación y proporciona un bajo nivel de diafonía. Piezas de la referida fibra multinúcleo fuertemente acoplada se utilizan como sensores en una cavidad láser que incorpora un amplificador óptico de semiconductor pulsado (SOA). Cada sensor tiene su longitud de cavidad única y se puede direccionar individualmente haciendo coincidir eléctricamente la activación periódica de la SOA con el tiempo de ida y vuelta de la cavidad del sensor. El interrogador actúa como un láser y proporciona un espectro estrecho con una alta relación señal/ruido. Además, permite distinguir la respuesta de sensores individuales incluso en el caso de espectros superpuestos. Potencialmente, la cantidad de sensores interrogados se puede aumentar significativamente, lo cual es una característica atractiva para la detección multipunto.

El uso de fibras ópticas en aplicaciones de detección para el control en tiempo real de parámetros como la tensión y la temperatura ha despertado mucho interés, ya que en esos campos se pueden aprovechar sus propiedades intrínsecas, como el tamaño pequeño, el peso ligero y la inmunidad electromagnética. Además, gracias a su capacidad para empotrarse en materiales como hormigón o compuestos, y para operar a largas distancias, son una alternativa atractiva para muchas aplicaciones que requieren un seguimiento preciso de cualquiera de los parámetros mencionados a lo largo de grandes estructuras o áreas1. Para ello se suele utilizar la detección multipunto, que consiste en interrogar de forma sencilla y versátil a varios sensores individuales2,3, y cuya resolución espacial está ligada a la capacidad de discernir entre elementos sensores adyacentes. Esta configuración ha ganado mucha relevancia para el monitoreo de la salud de la estructura en particular4,5.

Entre las técnicas de detección multipunto, la más común es la multiplexación por división de longitud de onda6, donde cada sensor opera a una longitud de onda diferente. Por lo tanto, el cambio de longitud de onda de cada sensor y la ventana de interrogación son los factores restrictivos que definen el número máximo de elementos que se pueden interrogar. Por el contrario, la multiplexación por división de tiempo se basa en interrogar individualmente a cada elemento sensor mediante el análisis de la luz reflejada7, ya que los tiempos de llegada de los reflejos son directamente proporcionales a la distancia desde la fuente de luz hasta cada elemento sensor. Además, la multiplexación por división de tiempo y longitud de onda se puede combinar para aumentar el número de elementos de detección que se pueden interrogar individualmente8,9. Comúnmente, las técnicas antes mencionadas se implementan con rejillas de fibra Bragg (FBG)10,11,12,13,14,15, una tecnología madura y confiable para la medición de múltiples parámetros16 con una resolución espacial de unos pocos milímetros17. Además, los FBG hacen un uso eficiente del espectro, ya que proporcionan picos estrechos y bien definidos. Este hecho permite monitorear una cantidad significativa de FBGs en la misma ventana de interrogación. Como alternativa, también se utilizan interferómetros Fabry-Perot18,19 y Mach-Zehnder20 en fibra.

En los últimos años, las fibras multinúcleo fuertemente acopladas (MCF) se han introducido como una alternativa para la detección. Algunas características atractivas de los MCF son su versatilidad, facilidad de interrogación, sensibilidad21,22,23,24, que puede ser mayor que la de los FBG según el mesurando25, y que se pueden fabricar longitudes de km de fibra, lo que lleva a la disponibilidad de una sorteo único de muchos miles de segmentos de fibra de decímetro de largo apropiados para la detección. Su principal inconveniente es su baja eficiencia espectral, ya que los MCF acoplados proporcionan picos múltiples y amplios. La superposición espectral de los picos anchos de los sensores de banda C generalmente restringe su uso a mediciones de un solo punto. Para superar esta limitación, se han realizado esfuerzos como la cascada de segmentos MCF, a expensas de aumentar la complejidad y la longitud del sensor26,27. De todos modos, debido a las atractivas características de los sensores acoplados basados ​​en MCF, sería de interés desarrollar una técnica para mejorar su eficiencia espectral y permitir el multiplexado, haciendo posible su uso como sensores multipunto para aplicaciones como el monitoreo de salud estructural. Entre los MCF, el uso de fibras de doble núcleo (TCF) como elementos de detección para múltiples aplicaciones ha sido ampliamente informado en la literatura28,29,30,31.

En este artículo se presenta un sistema de interrogación multipunto con MCFs. Se basa en el uso de segmentos de fibra acoplada de doble núcleo (TCF) como elementos de detección dentro de una cavidad láser que incorpora un amplificador óptico de semiconductor pulsado (SOA). Como se explica y demuestra en las siguientes secciones, el láser mejora la eficiencia espectral del sensor y el sistema permite la multiplexación, lo que aumenta la cantidad de sensores que se pueden interrogar de manera inequívoca.

En el sistema propuesto, la clave para multiplexar varios sensores basados ​​en MCF se basa en la creación de cavidades de anillo con diferentes longitudes que resuenan en una frecuencia de RF particular en el rango de MHz. En cada cavidad, el dispositivo sensor actúa como un espejo láser que refleja la luz que lanza una SOA. Este último está cerrado con un generador de forma de onda, que permite programar la tasa de frecuencia y el ancho del pulso emitido. Como resultado, solo se amplifica y recircula a través de la cavidad la retroalimentación óptica de un cabezal de sensor que está sincronizado con la activación eléctrica de nanosegundos de la SOA, mientras que se absorbe la señal óptica que llega en otro momento. Cuando el pulso óptico pasa varias veces a través de la SOA, y siempre que la amplificación supere la pérdida, el interrogador funciona como un láser, cuya emisión tiene lugar en el pico de ganancia de la cavidad con un estrechamiento espectral significativo17,32,33, buena relación señal/ruido (SNR) y bajo nivel de diafonía. Además, como cada uno de los elementos sensores se dirige exclusivamente a su propia frecuencia de resonancia (\(f_{r}\)), se pueden utilizar sensores con espectros idénticos o similares si se despliegan en diferentes longitudes34,35.

La configuración del sistema propuesto se muestra en la Fig. 1. Consta de dos amplificadores ópticos semiconductores independientes de la polarización (SOA, Thorlabs SOA1013SXS y amplificador óptico Booster BOA, Thorlabs BOA1004P), un acoplador de fibra óptica 90:10 para monitoreo, un solo carrete de fibra de modo (SMF), un circulador y un acoplador 50:50 para acceder a los sensores. Se requirió el uso de dos amplificadores (SOA y BOA) en la cavidad del láser para aumentar la ganancia con el fin de garantizar suficiente amplificación para que el sistema emitiera el láser. Ambos amplificadores fueron activados a la misma velocidad y con un cambio de fase apropiado por un generador de forma de onda (Keysight 33600A) que activó los amplificadores de corriente de alta velocidad para impulsar la SOA y la BOA. La duración total del pulso cuando se emitía el láser era inferior a 10 ns, es decir, cubría 1 m de fibra en reflexión. El carrete de 320 m de SMF se utilizó por conveniencia para aumentar el tiempo de ida y vuelta de la cavidad y reducir la frecuencia de activación a valores compatibles con la electrónica disponible, evitando un calentamiento excesivo. El carrete de fibra relativamente largo también aseguró que cualquiera de las longitudes de las cavidades formadas por los sensores no fueran múltiples enteros entre sí32. El puerto 2 del circulador se utilizó para conectar los sensores al anillo por medio de un acoplador 50:50. Los sensores se ubicaron en diferentes longitudes para garantizar un \(f_{r}\) diferente para cada uno de modo que pudieran abordarse individualmente mediante el barrido de la frecuencia de RF de los pulsos de corriente a la SOA. Matemáticamente, la \(f_{r}\) de cada dispositivo se puede calcular con la siguiente ecuación33,35:

donde \(c\) es la velocidad de la luz, \(n\) es el índice de refracción efectivo de la fibra probada,\(L_{RING}\) es la longitud de la cavidad del anillo formado por el carrete SMF, el SOA , la BOA y los Puertos 1 y 3 del circulador, que en este trabajo se fijó a 340 m, y \(L_{SENSOR}\) es la distancia del Puerto 2 al final de cada una de las salidas del acoplador de fibra óptica . Por lo general, la frecuencia de resonancia está en el rango de ~ 106 Hz (para una distancia del sensor de \(L\) ~ 102 m), y las variaciones debidas a las fluctuaciones de temperatura en un laboratorio están limitadas a ~ 101 Hz (es decir, un error en el posición del sensor en el rango de mm). Para la configuración de la Fig. 1, se encontró que \(f_{rSENSOR1}\) y \(f_{rSENSOR2}\) eran 537,16 kHz y 544,49 kHz, respectivamente. Fuera de esas frecuencias de repetición no había señal óptica medible en la ventana de interrogación, ya que el láser estaba por debajo del umbral excepto cuando estaba en resonancia.

Esquema de la configuración del interrogatorio.

Para fines de monitoreo se utilizó el 10% de la luz: la mitad conectada a un espectrómetro (I-MON512-USB, Ibsen Photonics) y la otra mitad a un fotodetector de avalancha InGaAs (Thorlabs APD430C/M) y un osciloscopio (Tektronix TDS3034) para análisis espectral. y medidas temporales, respectivamente. Con el primero, cualquier cambio de longitud de onda en el espectro podría rastrearse y almacenarse con precisión de picómetro, mientras que con el segundo, podría medirse cualquier acortamiento del pulso óptico, ya que podrían mostrarse las trazas de la bomba eléctrica y los pulsos ópticos.

Este sistema de interrogación se ha combinado típicamente con FBG17,32,33,34,35. Sin embargo, en este trabajo, la novedad radica en el hecho de que se utilizaron secciones de TCF acoplados como elementos de detección y espejos de cavidad láser parcial, ya que la combinación del sistema de interrogación propuesto y los MCF acoplados podría fusionar los beneficios de ambos elementos. Por un lado, el sistema de interrogación permite multiplexar, optimizar la eficiencia espectral de los sensores, interrogándolos individualmente y utilizando dispositivos con espectros similares o incluso idénticos, ya que se identifican por su \(f_{r}\) y no por la forma de sus espectros. Por otro lado, los MCF aportan varias ventajas intrínsecas como alta sensibilidad, facilidad de interrogación, posibilidad de diseñar geometrías ad-hoc para optimizar su sensibilidad para la medida de determinados parámetros36,37, etc. Así, los beneficios potenciales de la combinación de el sistema de interrogación propuesto con MCF es de gran interés para los sistemas de detección multipunto.

El TCF utilizado en este trabajo se fabricó a partir de una preforma de telecomunicaciones estándar con un núcleo central y un núcleo adicional agregado a su revestimiento perforado. Los dos núcleos eran aproximadamente iguales en tamaño y propiedades físicas, y el centro del núcleo lateral estaba ubicado a 15,5 µm del centro de la fibra (ver Fig. 2a). El diámetro medio y la apertura numérica (NA) de cada uno de los núcleos fueron de 8,2 μm y 0,14, respectivamente, para coincidir con los de un SMF estándar, mientras que el diámetro medio de la fibra fue de 125 μm28.

(a) Sección transversal del TCF de 125 µm utilizado en este trabajo. (b) Esquema de la cabeza del sensor que comprende una sección de TCF y una pieza corta de fibra monomodo reflejada.

El principio de funcionamiento de los MCF acoplados en general y de este TCF en particular puede explicarse mediante la Teoría del Modo Acoplado, ya que se puede suponer que cada uno de los núcleos actúa como una guía de ondas38. Su particularización para fibras ópticas y su correspondiente análisis teórico y matemático se explica detalladamente en las Refs.39,40. Brevemente, los supermodos que se propagan en MCF acoplados son la combinación lineal de los modos de propagación a través de cada guía individual41. Cuando el TCF se empalma por fusión a un SMF con simetría radial y se excita con el modo LP01, solo se acoplarán los dos supermodos ortogonales que tienen energía en el núcleo central. Para el TCF utilizado en este trabajo (ver Fig. 2a), solo se excitan los dos supermodos de propagación ortogonal acoplados SP01 y SP02, como se muestra en la Fig. 3.

Simulaciones de los perfiles 3D y 2D de los dos supermodos ortogonales acoplados excitados en el TCF. En (a) se muestra el supermodo SP01 y en (b) el supermodo SP02.

De acuerdo con las expresiones matemáticas en Refs.39,40, la transferencia de potencia es cíclica entre los núcleos de la fibra, y depende de la longitud de onda lanzada \(\lambda\), la longitud del segmento TCF \(z\) y la diferencia entre los índices de refracción efectivos de los supermodos ortogonales de propagación \(\Delta n\). Aquí, las potencias normalizadas en el núcleo central (\(P_{0}\)) y adyacente (\(P_{1}\)) están dadas por28:

donde \(\Delta n\) = 0,873 × 10–4 para este TCF a 1550 nm ya temperatura ambiente según los resultados proporcionados por el software de simulación PhotonDesign. Las ecuaciones (2) y (3) destacan el hecho de que la potencia óptica se transfiere completamente de un núcleo a otro periódicamente. En la estructura SMF-TCF-SMF que se muestra en la Fig. 2b, que se usó como cabeza sensora en este trabajo, cuando se lanza una luz de banda ancha al núcleo central del TCF y se analiza a su salida por un espectrómetro, una serie de máximos y los mínimos aparecen en el espectro. Sin embargo, cuando se interroga la misma estructura SMF-TCF-SMF en reflexión21,27,36,37, la luz viaja de un lado a otro a través de ella y la potencia acoplada normalizada en la salida se convierte en:

Como se puede notar a partir de las Ecs. (2) a (5), el período de acoplamiento no se modifica independientemente de interrogar a la estructura en transmisión o reflexión. La longitud de onda a la que se produce el máximo en el espectro (\(\lambda_{m}\)) tampoco se modifica y se produce cuando el período es igual a un número entero múltiple (\(m\)) de \(\pi\) .

Por lo tanto, si excitamos el TCF con una SOA cuyos pulsos están sintonizados a la \(f_{r}\) de la cavidad (~ 106 Hz), el sistema emitirá un láser a \(\lambda_{m}\), proporcionando una pico único, mucho más nítido y estrecho en el espectro en comparación con los amplios máximos y mínimos obtenidos cuando tales MCF se interrogan con una fuente de luz de banda ancha21,22,23. Este hecho permite la limpieza de picos múltiples y el uso y multiplexación de dispositivos basados ​​en MCF con espectros idénticos o similares en la misma ventana de interrogación, ya que se identifican inequívoca e individualmente por el \(f_{r}\) único de cada uno. . Además, si el TCF se expone a una perturbación externa, como una vibración o tensión, su frecuencia de resonancia de RF no cambiará, mientras que su longitud de onda láser \(\lambda_{m}\) cambiará según la perturbación. Tal cambio se puede correlacionar con la perturbación; por lo tanto, el sistema mencionado se puede utilizar con fines de medición y detección.

Para demostrar dicho principio de funcionamiento, se fabricaron dos estructuras SMF-TCF-SMF (TCF1 y TCF2) y se colocaron en la configuración de la Fig. 1 como dispositivos de detección, cada una de ellas con un segmento TCF de ~ 8 cm pero con el segmento en TCF1 ligeramente más largo que el de TCF2 (\(L_{TCF1} > L_{TCF2}\)). Para ello, se utilizaron una cortadora de fibra de precisión y un empalmador de fusión de precisión. Con el primero se obtuvieron segmentos de fibra con ángulos de corte cercanos a 0°, mientras que con el segundo se alineó y empalmó el núcleo central del TCF con el del SMF con bajas pérdidas de inserción. Con fines de comparación, ambas muestras fueron interrogadas por una fuente de luz de banda ancha continua (trazo discontinuo) y en una cavidad láser (trazo sólido), como se muestra en la Fig. 4.

Espectros de los sensores TCF fabricados cuando son probados por una fuente de luz de banda ancha en una configuración de bucle abierto convencional (línea de puntos) y como parte de una cavidad de láser pulsado, ajustando la frecuencia de repetición a la longitud de la cavidad resonante de cada uno (línea continua).

Como se predijo, los espectros de los dispositivos que se interrogan a través de la intracavidad en una configuración láser son mucho más estrechos (FWHM = 5,13 nm para TCF1 y FWHM = 4,26 nm para TCF2) que los de las muestras interrogadas con una fuente de luz de banda ancha continua y en un bucle abierto (FWHM = 12,83 nm para TCF1 y FWHM = 13,79 nm para TCF2). La señal óptica medida en un modo de operación láser consta de un solo pico, en contraste con la respuesta del mismo sensor operado en la configuración convencional, cuando se ven otros picos de amplitud comparable, lo que dificulta su uso para la detección. Este estrechamiento espectral y limpieza de picos múltiples logrados con la configuración láser propuesta permite multiplexar sensores sin superposición de picos.

La primera prueba consistió en someter ambas muestras a vibraciones de idéntica frecuencia (1 Hz) y amplitud (500 mVpp). Con ese fin, TCF1 y TCF2 se unieron superficialmente longitudinalmente al centro del lado superior de dos vigas de madera delgadas y flexibles de ~ 1 m de longitud. Como se ilustra en la Fig. 5, los haces eran paralelos y se apoyaban en los extremos, mientras que las vibraciones se aplicaban al centro de cada haz mediante un vibrador conectado a un generador de funciones (Hewlett Packard 33120A) y un amplificador de audio de impedancia de salida de 4 Ω (Brüel y Kjaer). Con esta configuración, fue posible someter a vibraciones solo uno o ambos haces al mismo tiempo, lo que permitió evaluar la diafonía. TCF1 y TCF2 estaban unidos a la superficie de cada viga con sus núcleos orientados perpendicularmente entre sí: TCF1 tenía sus núcleos orientados horizontalmente y TCF2 verticalmente, respectivamente. Para ello, se replicó el proceso descrito en la Ref.21. La sensibilidad de los FCM asimétricos como el utilizado en este trabajo depende de la relación entre la orientación de los núcleos y el plano en el que se aplica el efecto21,25,42,43. Por lo tanto, como las vibraciones se aplicaron verticalmente, con respecto al cambio de longitud de onda esperado, TCF1 tendría una sensibilidad mínima, mientras que TCF2 tendría una sensibilidad máxima. Además, la superficie plana en el TCF facilitó el proceso de alineación, ya que está alineado perpendicularmente a los núcleos (ver Fig. 2a). Así, con solo presionar la fibra contra una superficie plana, se podría conocer la dirección de los núcleos. Para crear la superficie plana, la preforma se montó en un torno y se giró hasta que los núcleos quedaron verticales. Después de eso, la preforma se aplanó en la superficie superior.

Vistas esquemáticas superior y lateral de la configuración experimental. La vista lateral muestra cómo se aplicó la vibración. El primer plano muestra cómo los cabezales de los sensores se unieron a la superficie de cada haz.

Los resultados se resumen en las Figs. 6 y 7. En la Fig. 6a se muestran los resultados de exponer TCF1 a vibraciones y dejar TCF2 en reposo, en Fig. 6b TCF2 se sometió a vibraciones mientras que TCF1 se dejó inactivo, y en Fig. 7 ambos sensores se sometieron a vibraciones en al mismo tiempo. En cada caso, ambos sensores fueron interrogados ajustando la frecuencia de activación a la frecuencia de resonancia de la cavidad.

Resultados en el dominio de la frecuencia cuando (a) TCF1 estaba vibrando y TCF2 estaba inactivo, y (b) TCF1 estaba inactivo y TCF2 estaba vibrando. En los recuadros se muestran los resultados en el dominio del tiempo de cada caso.

Resultados en el dominio de la frecuencia cuando ambos dispositivos vibraban. Los resultados en el dominio del tiempo se muestran en el recuadro.

Para los casos en que solo uno de los sensores estaba vibrando, la buena SNR medida a 1 Hz, la estrechez del pico y el bajo nivel de los componentes armónicos en el dominio de la frecuencia fueron significativos. De hecho, las SNR para los casos de la Fig. 6a, b fueron 21,74 y 47,13, respectivamente. Con respecto a la diferencia en el cambio de longitud de onda entre sensores frente a la misma perturbación, fue causada por la orientación del núcleo. Como era de esperar, dado que TCF2 tenía como objetivo maximizar la sensibilidad, el cambio de longitud de onda fue mucho mayor en este dispositivo. En cuanto al sensor que estaba en reposo en cada caso, los resultados indican que la interferencia en la señal provocada por el sensor que estaba vibrando fue baja. En el dominio del tiempo, este hecho se refleja en el pequeño cambio de longitud de onda en comparación con el del sensor vibratorio. En la Fig. 6a, el desplazamiento registrado en el sensor de reposo es solo el 4,6% de la señal del sensor vibratorio, mientras que en la Fig. 6b es del 2,1%. En el dominio de la frecuencia, la amplitud del pico FFT en 1 Hz es menos de un orden de magnitud inferior a la del sensor que está vibrando.

Cuando ambos sensores fueron sometidos a vibraciones idénticas simultáneamente (ver Fig. 7), TCF2 mostró una mayor sensibilidad que TCF1. Esto último se esperaba debido a la orientación perpendicular ya descrita de los núcleos (ver Fig. 5). En el dominio del tiempo, el cambio de longitud de onda de TCF2 fue aproximadamente un orden de magnitud mayor que el de TCF1 (\(\Delta \lambda_{TCF2}\) = 1060 pm y \(\Delta \lambda_{TCF1}\) = 142 pm). En el dominio de la frecuencia, se notó un pico en 1 Hz y un bajo nivel de componentes armónicos en la señal de ambos sensores. Por lo tanto, la vibración fue detectada y medida con alta precisión por ambos sensores y la diafonía no tuvo un efecto significativo en las medidas ni en su sensibilidad.

La siguiente prueba consistió en evaluar el desempeño del sistema de interrogación cuando se conectaron más de dos sensores al mismo tiempo. Con ese fin, se modificó la configuración de la figura 1 para incluir un atenuador variable (Hewlett Packard 8157A) entre el puerto 2 del circulador y el acoplador 50:50. Se fijó en 6 dB, lo que sumado a las pérdidas de 3 dB del acoplador 50:50 generaba una pérdida total de 9 dB en cada salida para simular las pérdidas de un sistema en una configuración de hasta 8 sensores . Al igual que en la prueba anterior, ambos sensores fueron sometidos a vibraciones (1 Hz y 500 mVpp) e interrogados ajustando la frecuencia del gating a la frecuencia de resonancia de cada uno. La adición del atenuador aumentó ligeramente la longitud de la cavidad de la fibra y, por lo tanto, cambió la frecuencia de resonancia de los sensores. Para este caso fueron 328,3 kHz y 353,4 kHz para TCF1 y TCF2, respectivamente.

Los resultados se resumen en las Figs. 8 y 9. En la Fig. 8a se muestran los resultados de exponer TCF1 a vibraciones y dejar TCF2 en reposo, en Fig. 8b TCF2 se sometió a vibraciones mientras que TCF1 se dejó inactivo, y en Fig. 9 ambos sensores se sometieron a vibraciones en al mismo tiempo.

Resultados en el dominio de la frecuencia cuando (a) TCF1 estaba vibrando y TCF2 estaba inactivo y (b) TCF1 estaba inactivo y TCF2 estaba vibrando. En los recuadros se muestran los resultados en el dominio del tiempo de cada caso.

Resultados en el dominio de la frecuencia cuando ambos dispositivos vibraban. Los resultados en el dominio del tiempo se muestran en el recuadro.

La oscilación de 1 Hz la registró el dispositivo sometido a vibraciones en cada caso (TCF1 en la Fig. 8a y TCF2 en la Fig. 8b), mientras que la señal del dispositivo en reposo no detectó ninguna oscilación. De hecho, la FFT de cada caso muestra que la SNR está siempre por encima de 3, que es la relación que suele tomarse como regla para definir el límite de detección44. Por lo tanto, los resultados indican que ambos sensores pudieron detectar y registrar la vibración de 1 Hz con un nivel de interferencia que no afectó su desempeño.

Cuando la vibración se aplicó simultáneamente a ambos dispositivos (ver Fig. 9), ambos registraron la oscilación, pero con sensibilidades ligeramente más bajas. Al igual que sucedió en las pruebas anteriores, en todos los casos, TCF2 mostró una mayor sensibilidad debido a su mejor orientación del núcleo.

La última prueba consistió en medir diferentes parámetros con cada cabezal sensor. Teniendo en cuenta que la sensibilidad a la temperatura de este TCF ya se ha informado28 (46,4 pm/K), y que el objetivo de este trabajo es proponer y demostrar un sistema de multiplexación para MCF, se decidió medir el rendimiento del TCF frente a dos parámetros diferentes de la temperatura. Estos parámetros fueron seleccionados para ser vibraciones sinusoidales (1 Hz y 500 mVpp), y ciclos de deformación consistentes en ciclos de estiramiento y compresión en pasos de 257.57 μm por medio de una etapa de precisión lineal (Newport M-UMR 12.40). Con ese fin, se eliminó el atenuador para que la configuración experimental para estas pruebas fuera idéntica a la de la Fig. 1. Se eligió el TCF2 para medir vibraciones, ya que estaba pegado a una viga de madera y tenía una mejor orientación del núcleo. en comparación con TCF1 (ver Fig. 5). Este último fue reemplazado por TCF3 (ver Fig. 10), una muestra con un segmento TCF un poco más largo (~ 12 cm) y cuyo \(f_{rSENSOR3}\) ~ 566.9 kHz.

Espectros del TCF3 fabricado cuando es probado por una fuente de luz de banda ancha en una configuración de bucle abierto convencional (línea de puntos) y como parte de una cavidad de láser pulsado, ajustando la frecuencia de repetición a la longitud de la cavidad resonante (línea continua).

Cuando TCF3 fue interrogado con una fuente de luz de banda ancha continua, el FWHM del pico máximo fue de 6,63 nm, mientras que el FWHM del pico único que aparece en el espectro cuando fue interrogado por la SOA pulsada fue solo de 1,16 nm.

Los resultados de estas pruebas se muestran en las Figs. 11 y 12. En la Fig. 11a, TCF3 se sometió a tensión mientras que TCF2 se dejó en estado inactivo, en la Fig. 11b TCF2 se sometió a vibraciones y TCF3 se dejó inactivo, y en la Fig. 12 TCF2 y TCF3 se sometieron a vibraciones y tensión, respectivamente y simultáneamente.

Resultados cuando (a) TCF3 se sometió a tensión y TCF2 estaba inactivo, y (b) TCF3 estaba inactivo y TCF2 vibraba. En el recuadro, se muestra el resultado en el dominio del tiempo.

Resultados cuando TCF2 vibraba y TCF3 se filtraba simultáneamente.

Los resultados indican que los ciclos de vibración y deformación han sido rastreados correctamente por cada sensor en todas las pruebas. Por un lado, para las medidas de deformación, cuando solo se le sometió a TCF3, la SNR fue de 27,38 y el cambio de longitud de onda fue de 1875 pm en el rango ensayado (ver Fig. 11a), lo que indica que TCF3 alcanzó una sensibilidad de 1,8 pm/με. Cuando se probaron ambos sensores (ver Fig. 12), TCF3 mostró una sensibilidad de 1,7 pm/με, ya que el cambio de longitud de onda fue de 1750 pm en el rango probado. Estos resultados indican que este TCF tiene un rendimiento significativo para las mediciones de deformación, ya que su sensibilidad es mayor que la reportada por otros sensores de deformación basados ​​en MCF23, y que la diafonía provocó una pérdida de sensibilidad del 6,7 %. Por otro lado, cuando solo TCF2 estaba vibrando, la SNR fue de 34,32 y el cambio de longitud de onda fue de 600 pm (ver Fig. 11b), mientras que fue de 450 pm cuando se probaron ambos sensores (ver Fig. 12). Así, para este caso, la pérdida de sensibilidad provocada por la diafonía fue del 25%. En cualquier caso, el efecto de este último no tuvo un impacto significativo en las medidas independientemente del mensurando, ya que el desplazamiento provocado por ambos parámetros se registró con precisión.

En este trabajo, hemos propuesto y demostrado la viabilidad de un sistema de interrogación multipunto para sensores acoplados basados ​​en MCF. Su principio de funcionamiento se basa en la creación de varias cavidades resonantes anulares en las que cada uno de los cabezales sensores actúa como un espejo láser que refleja la luz que lanza una puerta SOA. De esta manera, cada cavidad puede ser direccionada de manera fácil e individual sintonizando la frecuencia de la puerta, ya que esta última es directamente proporcional a la longitud física de cada una de las cavidades. Así, si los sensores están distribuidos en diferentes longitudes, cada uno de ellos tendrá una frecuencia de resonancia única que permitirá su identificación inequívoca. Además, como la identificación depende únicamente de la longitud de la cavidad, se podrían multiplexar en el mismo sistema sensores con espectros similares o incluso idénticos.

Una de las principales ventajas proporcionadas por el sistema propuesto es la mejora significativa de la eficiencia espectral de los sensores acoplados basados ​​en MCF. En comparación con los espectros de salida proporcionados por estos dispositivos, que se componen de picos múltiples y amplios cuando son interrogados por una fuente de luz de banda ancha continua; cuando los mismos dispositivos son interrogados por el SOA controlado, los espectros de salida de cada sensor solo tienen un pico único, nítido y estrecho, ya que el sistema realiza una limpieza de múltiples picos y solo emite láseres en la longitud de onda a la que se encuentra el pico de ganancia de la cavidad. situado. Estas características permiten incluir una mayor cantidad de sensores en la ventana de interrogación, lo que sumado a la posibilidad de utilizar sensores con espectros idénticos, permite aumentar significativamente la cantidad de dispositivos que pueden ser interrogados mediante este sistema.

Se ha demostrado la viabilidad del sistema de interrogación propuesto para una configuración con 2 sensores que constaban de segmentos de TCF de diferentes longitudes que estaban sujetos al mismo (vibración) y a diferentes estímulos (vibración y deformación). En todos los casos, el sistema fue capaz de detectar y medir el efecto aplicado con alta sensibilidad, alta SNR y un nivel significativamente bajo de diafonía, incluso en una configuración que simulaba una situación con 8 sensores.

Por lo tanto, la alta sensibilidad proporcionada por los MCF para la medición simultánea de diferentes parámetros, combinada con la alta eficiencia espectral, la alta SNR y el bajo nivel de diafonía proporcionados por la configuración de interrogación, sugieren que el sistema propuesto puede ser atractivo para aplicaciones que requieren precisión multipunto. detección con mínima intrusividad y facilidad de interrogación, como el monitoreo de la salud estructural de aeronaves, edificios, etc. Además, dado que el sistema propuesto es compatible con cualquier MCF, permite multiplexar e interrogar MCF con diferentes geometrías simultáneamente dentro de la misma configuración.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Bado, MF & Casas, JR Una revisión de las aplicaciones recientes de sensores de fibra óptica distribuida para el monitoreo de la salud estructural en ingeniería civil. sensores https://doi.org/10.3390/s21051818 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Li, W., Yuan, Y., Yang, J. y Yuan, L. Revisión de la tecnología de red de sensores de fibra óptica basada en interferometría de luz blanca. Fotónico Sens. 11, 31–44. https://doi.org/10.1007/s13320-021-0613-x (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Senior, JM, Moss, SE & Cuswo, D. Técnicas de multiplexación para redes de sensores puntuales ópticos no interferométricos: una revisión. Integración de fibra Optar. 17, 3–20. https://doi.org/10.1080/014680398245028 (1998).

Artículo Google Académico

Lorenzo, J. & Doll, W. (eds) Leves and Dams: Advances in Geophysical Monitoring and Characterization 91–120 (Springer, 2019).

Libro Google Académico

Maaskant, R. et al. Sensores de red de Bragg de fibra óptica para monitoreo de puentes. Cemento Concr. compos. 19, 21–33. https://doi.org/10.1016/S0958-9465(96)00040-6 (1997).

Artículo CAS Google Académico

Senior, JM & Cusworth, SD Multiplexación por división de longitud de onda en sistemas y redes de sensores de fibra óptica: una revisión. Optar. Tecnología láser. 22, 113–126. https://doi.org/10.1016/0030-3992(90)90021-U (1990).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Cooper, DJF, Coroy, T. & Smith, PWE Multiplexación por división de tiempo de grandes conjuntos de sensores de red de Bragg de fibra óptica en serie. aplicación Optar. 40, 2643–2654. https://doi.org/10.1364/AO.40.002643 (2001).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Liu, D., Sun, Q., Lu, P., Xia, L. y Sima, C. Progreso de la investigación en el dispositivo y la tecnología clave para la red de sensores de fibra óptica. Photonic Sens. 6, 1–25 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Vohra, S., Dandridge, A., Danver, B. y Tveten, A. Sensores de fibra óptica (Optical Society of America, 1996).

Google Académico

Childs, P. Un sistema de detección FBG que utiliza WDM y un nuevo esquema de división armónica. J. Tecnología de ondas de luz. 23, 348 (2005).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Yan, L. et al. Redes de sensores de fibra basados ​​en FBG de alta velocidad para mediciones de deformación semidistribuidas. IEEE Photonics J. 5, 7200507. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2013.2258143 (2013).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Luo, Y. et al. Caos óptico y red híbrida de detección cuasi-distribuida de gran capacidad basada en WDM/TDM con monitoreo de fallas de fibra en tiempo real. Optar. Expreso 23, 2416–2423. https://doi.org/10.1364/OE.23.002416 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Valente, LCG et al. En 2002, 15.ª Conferencia técnica sobre sensores de fibra óptica. OFS 2002 (n.º de catálogo 02EX533), vol. 151, 151–154.

Kashyap, R. Rejillas de Fiber Bragg (Academic Press, 2009).

Google Académico

Othonos, A., Kalli, K., Pureur, D. y Mugnier, A. Filtros de longitud de onda en fibra óptica 189–269 (Springer, 2006).

Libro Google Académico

Chen, J., Liu, B. y Zhang, H. Revisión de la tecnología de sensor de red de Bragg de fibra. Frente. Optoelectrón. China 4, 204–212 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Margulis, W., Lindberg, R., Laurell, F. y Hedin, G. Interrogación intracavitaria de una matriz de rejillas de Bragg de fibra. Optar. Expreso 29, 111–118. https://doi.org/10.1364/OE.414094 (2021).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Yoshino, T., Kurosawa, K., Itoh, K. & Ose, T. Interferómetro Fabry-Perot de fibra óptica y sus aplicaciones de sensores. Trans. IEEE. Microondas. Teoría de la tecnología. 30, 1612–1621 (1982).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Rao, Y.-J., Ran, Z.-L. & Gong, Y. Sensores Fabry-Perot de fibra óptica: una introducción (CRC Press, 2017).

Libro Google Académico

Zhao, Y., Zhao, H., Lv, R.-Q. & Zhao, J. Revisión de los interferómetros Mach-Zehnder de fibra óptica con microcavidad fabricados por láser de femtosegundo y aplicaciones de detección. Optar. Ing. Láseres. 117, 7–20 (2019).

Artículo Google Académico

Amorebieta, J. et al. Sensor de flexión vectorial basado en fibra multinúcleo omnidireccional compacto. ciencia Rep. 11, 5989. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85507-9 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Amorebieta, J. et al. Interferómetro de fibra multinúcleo empaquetado para detección de alta temperatura. J. Tecnología de ondas de luz. 37, 2328–2334. https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2903595 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Villatoro, J. et al. Detección precisa de la tensión basada en la interferencia de supermodo en fibras ópticas multinúcleo fuertemente acopladas. ciencia Rep. 7, 4451. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04902-3 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Villatoro, J., Antonio-Lopez, E., Schülzgen, A. & Amezcua-Correa, R. Sensor de vibración de fibra óptica multinúcleo en miniatura. Optar. Letón. 42, 2022–2025. https://doi.org/10.1364/OL.42.002022 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Arrizabalaga, O. et al. Sensor de curvatura distintiva de orientación y flexión vectorial de alto rendimiento basado en fibra multinúcleo asimétrica acoplada. ciencia Rep. 10, 14058. https://doi.org/10.1038/s41598-020-70999-8 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Villatoro, J. et al. Estructura de fibra multinúcleo compuesta para monitoreo de curvatura sensible a la dirección. APL Photonics 5, 070801. https://doi.org/10.1063/1.5128285 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Amorebieta, J. et al. Acelerómetro de fibra multinúcleo de alta sensibilidad para la detección de vibraciones de baja frecuencia. ciencia Rep. 10, 16180. https://doi.org/10.1038/s41598-020-73178-x (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rugeland, P. & Margulis, W. Revisión de sensores de fibra de doble núcleo para mediciones de alta temperatura. aplicación Optar. 51, 6227–6232. https://doi.org/10.1364/AO.51.006227 (2012).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Flores-Bravo, JA, Madrigal, J., Zubia, J., Sales, S. y Villatoro, J. Rejillas de Bragg de fibra de núcleo acoplado para detección de bajo costo. ciencia Rep. 12, 1280. https://doi.org/10.1038/s41598-022-05313-9 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wu, Y. et al. Sensor de curvatura de alta sensibilidad basado en fibra asimétrica de doble núcleo y fibra multimodo. Optar. Tecnología láser. 92, 74–79. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.01.007 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Li, Z. et al. Sensor de presión de gas de alta sensibilidad que utiliza un interferómetro Mach-Zehnder en línea basado en fibra de doble núcleo. Optar. Expreso 23, 6673–6678. https://doi.org/10.1364/OE.23.006673 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Lloyd, GD, Everall, LA, Sugden, K. & Bennion, I. Interrogador de sensor de red de Bragg de fibra multiplexada por división de tiempo de cavidad resonante. Tecnología fotónica IEEE. Letón. 16, 2323–2325. https://doi.org/10.1109/LPT.2004.834849 (2004).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Kersey, AD & Morey, WW Sistema multiplexado de sensor de tensión de fibra láser de rejilla de Bragg con interrogación de modo bloqueado. Electrón. Letón. 29, 112–114. https://doi.org/10.1049/el:19930073 (1993).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Dai, Y., Liu, Y., Leng, J., Deng, G. & Asundi, A. Un nuevo interrogador de sensor de red de Bragg de fibra multiplexada por división de tiempo para el monitoreo de la salud estructural. Optar. Ing. Láseres. 47, 1028–1033. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2009.05.012 (2009).

Artículo Google Académico

Chung, WH, Hwa-Yaw, T., Wai, PKA y Khandelwal, A. Multiplexación por división de tiempo y longitud de onda de sensores FBG utilizando un amplificador óptico semiconductor en configuración de cavidad de anillo. Tecnología fotónica IEEE. Letón. 17, 2709–2711. https://doi.org/10.1109/LPT.2005.859484 (2005).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Amorebieta, J. et al. Termómetro basado en fibra multinúcleo fuertemente acoplado con sensibilidad optimizada. Optar. Tecnología láser. 145, 107532. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107532 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Tang, Z. et al. Optimización de la sensibilidad del sensor de tensión de fibra multinúcleo simétrico basado en la teoría del acoplamiento de modos. Física de infrarrojos. Tecnología 111, 103517. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2020.103517 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Huang, W.-P. Teoría de modo acoplado para guías de ondas ópticas: una descripción general. J. Opt. Soc. Soy. A 11, 963–983. https://doi.org/10.1364/JOSAA.11.000963 (1994).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Hudgings, J., Molter, L. & Dutta, M. Diseño y modelado de conmutadores ópticos pasivos y divisores de potencia utilizando conjuntos de fibras acopladas no planas. IEEE J. Electrón cuántico. 36, 1438–1444. https://doi.org/10.1109/3.892564 (2000).

Artículo ADS CAS Google Académico

Snyder, AW Teoría de modo acoplado para fibras ópticas. J. Opt. Soc. Soy. 62, 1267–1277. https://doi.org/10.1364/JOSA.62.001267 (1972).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Xia, C. et al. Supermodos en estructuras de guía de ondas multinúcleo acopladas. IEEE J. Sel. Arriba. Electrón Cuántico. 22, 196–207. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2015.2479158 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Villatoro, J. et al. Sensor de flexión vectorial ultrasensible basado en fibra óptica multinúcleo. Optar. Letón. 41, 832–835. https://doi.org/10.1364/OL.41.000832 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Yin, G., Zhang, F., Xu, B., He, J. y Wang, Y. Sensor de flexión de intensidad modulada mediante el uso de una fibra de doble núcleo: estudios teóricos y experimentales. Optar. Expreso 28, 14850–14858 (2020).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Shrivastava, A. & Gupta, V. Métodos para la determinación del límite de detección y límite de cuantificación de los métodos analíticos. cron. Ciencia joven. 2, 21 (2011).

Artículo Google Académico

Descargar referencias

Este trabajo fue financiado en parte por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional, en parte por el Ministerio de Economía y Competitividad bajo los proyectos TEC2015-638263-C03-1-R y PGC2018-101997-B-I00, en parte por el Ministerio de Ciencia e Innovación : en el marco de los proyectos PID2021-122505OB-C31 y TED2021-129959B-C21, en parte del Gobierno Vasco/Eusko Jaurlaritza en el marco de los proyectos IT1452-22 y ELKARTEK (KK 2021/00082 y KK 2021/00092), en parte del Consejo Sueco de Ciencias , Office of Naval Research Global (Premio N62909-20-1-2033) y en parte por Vinnova Innovair: Forskningsprojekt inom flygteknik (DN 2020-00187). El trabajo de Josu Amorebieta está financiado por una beca de doctorado de la Universidad del País Vasco UPV/EHU. Los autores desean agradecer a Kenny Hey Tow, Erik Zetterlund y Fredrik Laurell por sus útiles debates y su apoyo.

Departamento de Ingeniería de las Comunicaciones, Universidad del País Vasco UPV/EHU, 48013, Bilbao, España

Josu Amorebieta, Gaizka Durana, Angel Ortega-Gomez, Joseba Zubia & Joel Villatoro

Fibra óptica, RISE Research Institutes of Sweden, 164 40, Estocolmo, Suecia

Caroline Franciscangelis y Walter Margulis

Ikerbasque-Fundación Vasca para la Ciencia, 48011, Bilbao, España

Joel Villatoro

Departamento de Física Aplicada, Instituto Real de Tecnología, 106 91, Estocolmo, Suecia

walter margulis

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

El borrador original del documento fue escrito por JA y WM, y revisado por JP, GD, CF, AO-G., JZ y JVJA y AO-G. colaboraron en el planteamiento teórico, JA, WM, JP y CF diseñaron y realizaron los experimentos, y procesaron y analizaron los datos. AO-G. hizo las simulaciones, WM supervisó los experimentos. Todos los autores discutieron los datos experimentales, revisaron y aprobaron el manuscrito. JA y WM escribieron la versión final con aportes de todos los autores.

Correspondencia a Josu Amorebieta.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Amorebieta, J., Pereira, J., Durana, G. et al. Sensor de fibra de doble núcleo integrado en la cavidad del láser. Informe científico 12, 11797 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16103-8

Descargar cita

Recibido: 03 Mayo 2022

Aceptado: 05 julio 2022

Publicado: 12 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16103-8

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.