Um Mach

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 12130 (2022) Citar este artigo

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23 Altmétrico

Detalhes das métricas

Um novo tipo de sensor interferométrico de fibra 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 resoluções de tensão e fase recordes, 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 de deformação atto estejam ao alcance na faixa de frequência ultrassônica com tais interferômetros.

Os interferômetros de fibra óptica têm despertado enorme interesse nos últimos anos devido às suas aplicações potenciais em sensoriamento óptico1, comunicações de fibra óptica2, computação óptica3 e imagens biomédicas4,5. Sensores interferométricos passivos de fibra (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 de resolver pequenos sinais, é necessário i) maximizar a resposta do sensor a perturbações externas (ou seja, sensibilidade) e ii) minimizar ruídos indesejados.

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 redes de Bragg de fibra com mudança de fase \(\pi \) (\(\pi \)-FBG)10,11,12,13, FBG14 de luz lenta, 15,16,17 e interferômetros Fabry-Perot de fibra longa 18,19,20,21,22,23. Entretanto, um esforço considerável também foi dedicado à redução do ruído. Como o ruído do laser de interrogação normalmente domina um esquema IFS passivo, a maior parte da pesquisa recente tem se concentrado no desenvolvimento de novos lasers de baixo ruído ou na melhoria das técnicas de estabilização do laser.

Em última análise, porém, 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 termocondutor), que apresenta um rápido roll-off em altas frequências, normalmente domina em frequências acima de 100 Hz . O ruído termomecânico, de característica espectral 1/f, é o mecanismo predominante em baixas frequências (ex.: < 10 Hz)28,29.

Alcançar a detecção de fibra óptica com ruído térmico limitado é atraente e desafiador: atraente porque representa o poder de resolução máximo que um sensor pode alcançar; desafiador porque atingir o ruído térmico minúsculo requer que um sistema de detecção tenha uma sensibilidade extremamente alta e um ruído de sistema muito baixo . Nas últimas três décadas, tem havido um esforço contínuo para desenvolver sensores de fibra óptica que possam operar no nível de ruído térmico1,33,34,35,36,37,38. Geralmente, duas abordagens distintas foram adotadas para atingir este objetivo: i) discriminação de frequência e ii) discriminação de fase. Em um esquema de discriminação de frequência, um ressonador óptico, como uma rede de Bragg de fibra (FBG) ou um interferômetro Fabry-Perot de fibra (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 desta abordagem é que o próprio sensor pode ser muito compacto, normalmente da ordem de um metro ou menos. A desvantagem, no entanto, reside na sua incapacidade de distinguir o sinal de detecção do ruído do laser, o que muitas vezes torna o laser de interrogação o maior responsável pela resolução geral do sensor . Como resultado, para obter uma operação limitada por ruído térmico com um esquema de discriminação de frequência, é necessário implantar um laser de ruído ultrabaixo ou um sistema de estabilização de frequência de laser altamente sofisticado . Enquanto isso, um esquema de discriminação de fase aproveita a sensibilidade de fase de um interferômetro tradicional de caminho duplo, como o Michelson36, o Mach-Zehnder35 ou a configuração Sagnac33. Ele tem uma exigência 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 são frequentemente bastante volumosos, com comprimentos de braço excedendo dezenas ou mesmo centenas de metros para que possam atingir sensibilidade de fase suficiente . Eles não são apenas difíceis de embalar, mas também altamente suscetíveis a flutuações induzidas pelo ambiente.