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Jan 24, 2024

공간을 활용한 광센서

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13369(2022) 이 기사 인용 주파수 편이 간섭계(FSI)를 사용하는 새로운 활성 섬유 공동 링다운(FCRD) 기술이 다음을 위해 제안되었습니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13369(2022) 이 기사 인용

주파수 편이 간섭계(FSI)를 사용하는 새로운 활성 섬유 캐비티 링다운(FCRD) 기술이 처음으로 제안되었습니다. 이 방식을 사용하면 링다운 시간 대신 링다운 거리를 측정하여 공간 영역에서 외부 매개변수를 모니터링할 수 있습니다. 더 높은 감도를 달성하기 위해 고유한 공동 손실을 보상하기 위해 양방향 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(Bi-EDFA)가 사용됩니다. 그리고 Bi-EDFA의 ASE(증폭자발방출) 잡음을 줄이기 위해 2개의 대역통과 필터가 사용됩니다. 잘 알려진 시간 영역 능동 FCRD 방식과 비교하여 우리가 제안한 방법을 사용하면 시간 영역 능동 FCRD에 필요한 펄스 레이저 사용을 피할 수 있으며 연속파 레이저를 사용하여 섬유 공동에 주입하고 광 출력을 안정화시킵니다. EDFA의 이득 변동으로 인한 링다운 신호의 기준선 드리프트를 억제하여 감지 정밀도를 향상시킬 수 있는 파이버 캐비티. 또한 이 새로운 방법을 사용하면 ASE 잡음을 더욱 줄이기 위한 차동 감지 방법을 사용할 수 있으므로 링다운 신호의 기준선 드리프트를 제거할 수 있습니다. 자기장 센서는 개념 증명 시연으로 개발되었습니다. 실험 결과는 제안된 센서가 0.01537(1/km·Gs)의 감도를 달성했음을 보여줍니다. 이는 시간 영역 활성 FLRD 방법에 비해 가장 높은 자기장 감도입니다. ASE 노이즈 감소로 인해 제안된 감지 시스템의 안정성도 크게 향상되었습니다.

FCRD(Fiber Cavity Ringdown) 감지 기술은 광 손실을 측정하는 매우 민감한 방법입니다1,2,3. 기존 CRD 방식과 유사하게 공동 손실은 일반적으로 펄스 레이저의 링다운 시간이라고 불리는 감쇠율로부터 결정될 수 있습니다. 그러나 빛이 두 개의 거울 사이에서 앞뒤로 반사되는 기존 CRD 방법과 달리 FCRD는 일반적으로 다중 통과 접근 방식을 달성하기 위해 광섬유 공동을 형성하기 위해 분할 비율이 높은 한 쌍의 광섬유 방향성 커플러를 사용합니다. 거울 기반 캐비티에 비해 파이버 캐비티는 정렬이 필요 없고 견고하며 비용이 저렴하고 대규모 다기능 센서 네트워크에 적합하다는 장점이 있어 FCRD가 가스와 같은 많은 응용 분야에서 인기 있는 선택이 되었습니다.4 , 액체5,6, 굴절률7, 변형률8, 온도9, 자기장 감지10 등. 그러나 파이버 캐비티는 파이버 커플러와 센서 헤드의 삽입 손실이 크기 때문에 고유 캐비티 손실이 커서 감도가 좋지 않다는 단점이 있습니다.

감도를 향상시키기 위해 이 목표를 달성하는 간단한 방법 중 하나는 센서 헤드의 삽입 손실을 줄이는 것이지만 개선은 여전히 ​​제한적입니다. 또 다른 접근 방식은 EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)를 광섬유 캐비티에 도입하여 고유한 캐비티 손실을 보상하는 것입니다. EDFA가 게인 소스로 제공되므로 이 새로운 FCRD는 일반적으로 시간 영역 활성 FCRD 또는 증폭된 FCRD11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21로 명명됩니다. 2001년에 George Stewart가 처음으로 능동형 FCRD 기술을 제안하였고, EDFA11에 의해 고유의 공동 손실이 충분히 보상될 수 있어 감도가 향상되었습니다. 그러나 능동 FCRD 감지 방법에는 두 가지 새로운 문제도 발생합니다. 하나는 EDFA의 이득 변동으로, 이로 인해 링다운 신호가 비지수적으로 감소하여 측정 정밀도와 장기 안정성이 저하됩니다. 또 다른 것은 EDFA에 의해 생성된 증폭 자연 방출(ASE) 잡음으로, 이는 링다운 신호의 기준 드리프트를 일으키고 감지 시스템의 안정성을 감소시킵니다. 이득 변동의 영향을 최소화하기 위해 이득 변동 효과를 줄이기 위해 이득 고정 EDFA를 섬유 캐비티에 사용했지만 펄스 레이저가 시간 영역 활성 FCRD에서 섬유 캐비티를 여기시키기 위해 사용되었기 때문에 이득 변동은 여전히 ​​존재합니다. 따라서 섬유 캐비티에서 전력 안정화를 제공할 수 없으므로 안정성은 일반적으로 약 10%에 불과하여 실제 적용에는 적합하지 않습니다. 다행스럽게도 광섬유 캐비티에서 레이저 출력을 안정화하기 위해 혼돈 레이저가 제안되었으며 이득 변동의 영향이 효과적으로 억제되어 최근 2.84%의 우수한 안정성이 달성되었습니다. 안정성을 향상시키기 위해 ASE 잡음을 억제하는 적응형 필터가 제안되었으나12,13 완전히 제거하는 것이 불가능하여 여전히 안정성이 충분하지 않았다.