Double

Jun 10, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 11797 (2022) Citer cet article

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Dans ce travail, nous rapportons un système de capteur à fibre à double cœur qui offre une efficacité spectrale améliorée, permet le multiplexage et donne un faible niveau de diaphonie. Des morceaux de la fibre multicœur fortement couplée mentionnée sont utilisés comme capteurs dans une cavité laser incorporant un amplificateur optique à semi-conducteur pulsé (SOA). Chaque capteur a sa longueur de cavité unique et peut être adressé individuellement en faisant correspondre électriquement le déclenchement périodique du SOA au temps d'aller-retour de la cavité du capteur. L'interrogateur agit comme un laser et fournit un spectre étroit avec un rapport signal/bruit élevé. De plus, il permet de distinguer la réponse des capteurs individuels même dans le cas de spectres qui se chevauchent. Potentiellement, le nombre de capteurs interrogés peut être augmenté de manière significative, ce qui est une caractéristique intéressante pour la détection multipoint.

L'utilisation de fibres optiques dans les applications de détection pour la surveillance en temps réel de paramètres tels que la déformation et la température a suscité beaucoup d'intérêt, car dans ces domaines, leurs propriétés intrinsèques telles que la petite taille, la légèreté et l'immunité électromagnétique peuvent être exploitées. De plus, grâce à leur capacité à être intégrés dans des matériaux tels que le béton ou les composites, et à fonctionner sur de longues distances, ils constituent une alternative intéressante pour de nombreuses applications nécessitant un suivi précis de l'un des paramètres susmentionnés le long de grandes structures ou zones1. À cette fin, on utilise souvent la détection multipoint, qui consiste à interroger de manière simple et polyvalente plusieurs capteurs individuels2,3, et dont la résolution spatiale est liée à la capacité de discernement entre éléments sensibles adjacents. Cette configuration a gagné en pertinence pour la surveillance de l'état des structures en particulier4,5.

Parmi les techniques de détection multipoint, la plus courante est le multiplexage par répartition en longueur d'onde6, où chaque capteur fonctionne à une longueur d'onde différente. Ainsi, le décalage en longueur d'onde de chaque capteur et la fenêtre d'interrogation sont les facteurs contraignants qui définissent le nombre maximum d'éléments interrogeables. En revanche, le multiplexage temporel est basé sur l'interrogation individuelle de chaque élément sensible au moyen de l'analyse de la lumière réfléchie7, car les temps d'arrivée des réflexions sont directement proportionnels à la distance entre la source lumineuse et chaque élément sensible. De plus, le multiplexage en longueur d'onde et le multiplexage temporel peuvent être combinés afin d'augmenter le nombre d'éléments de détection pouvant être interrogés individuellement8,9. Généralement, les techniques susmentionnées sont mises en œuvre avec des réseaux de Bragg sur fibre (FBG)10,11,12,13,14,15, une technologie mature et fiable pour la mesure de plusieurs paramètres16 avec une résolution spatiale jusqu'à quelques millimètres17. De plus, les FBG font une utilisation efficace du spectre, car ils fournissent des pics étroits et bien définis. Ce fait permet de surveiller une quantité importante de FBG dans la même fenêtre d'interrogation. Comme alternative, des interféromètres Fabry-Perot18,19 et Mach-Zehnder20 dans la fibre sont également utilisés.

Ces dernières années, les fibres multicœurs fortement couplées (MCF) ont été introduites comme alternative pour la détection. Certaines caractéristiques attrayantes des MCF sont leur polyvalence, leur facilité d'interrogation, leur sensibilité21,22,23,24, qui peuvent être supérieures à celles des FBG en fonction du mesurande25, et le fait que des kilomètres de longueur de fibre peuvent être fabriqués, conduisant à la disponibilité d'un tirage unique de plusieurs milliers de segments de fibre de plusieurs décimètres appropriés pour la détection. Leur principal inconvénient est leur faible efficacité spectrale, car les MCF couplés fournissent des pics multiples et larges. Le chevauchement spectral des larges pics des capteurs en bande C limite généralement leur utilisation à des mesures ponctuelles. Pour surmonter cette limitation, des efforts tels que les segments MCF en cascade ont été faits, au détriment de l'augmentation de la complexité et de la longueur du capteur26,27. Quoi qu'il en soit, en raison des caractéristiques attrayantes des capteurs couplés à base de MCF, il serait intéressant de développer une technique pour améliorer leur efficacité spectrale et permettre le multiplexage, rendant possible leur utilisation en tant que capteurs multipoints pour des applications telles que la surveillance de la santé structurelle. Parmi les MCF, l'utilisation de fibres à double cœur (TCF) comme éléments de détection pour de multiples applications a été largement rapportée dans la littérature28,29,30,31.

Dans cet article, un système d'interrogation multipoint avec MCFs est présenté. Il est basé sur l'utilisation de segments d'une fibre couplée à deux cœurs (TCF) comme éléments de détection à l'intérieur d'une cavité laser qui intègre un amplificateur optique à semi-conducteur pulsé (SOA). Comme expliqué et démontré dans les sections suivantes, le laser améliore l'efficacité spectrale du capteur et le système permet le multiplexage, augmentant ainsi le nombre de capteurs pouvant être interrogés sans erreur.

Dans le système proposé, la clé du multiplexage de plusieurs capteurs basés sur MCF repose sur la création de cavités en anneau de différentes longueurs qui résonnent à une fréquence RF particulière dans la gamme MHz. Dans chaque cavité, le dispositif de détection agit comme un miroir laser qui réfléchit la lumière émise par un SOA. Ce dernier est couplé à un générateur de forme d'onde, qui permet de programmer le taux de fréquence et la largeur de l'impulsion émise. En conséquence, seule la rétroaction optique d'une tête de capteur qui est synchrone avec le déclenchement électrique nanoseconde du SOA est amplifiée et recircule à travers la cavité, tandis que le signal optique arrivant à un autre instant est absorbé. Lorsque l'impulsion optique passe plusieurs fois à travers le SOA, et à condition que l'amplification dépasse la perte, l'interrogateur fonctionne comme un laser, dont l'émission a lieu au pic de gain de la cavité avec un rétrécissement spectral significatif17,32,33, un bon rapport signal/bruit (SNR) et faible niveau de diaphonie. De plus, comme chacun des éléments de détection est adressé exclusivement à sa propre fréquence de résonance (\(f_{r}\)), des capteurs avec des spectres identiques ou similaires peuvent être utilisés s'ils sont déployés à des longueurs différentes34,35.

La configuration du système proposé est illustrée à la Fig. 1. Il se compose de deux amplificateurs optiques à semi-conducteurs indépendants de la polarisation (SOA, Thorlabs SOA1013SXS et Booster Optical Amplifier BOA, Thorlabs BOA1004P), un coupleur à fibre optique 90:10 pour la surveillance, un seul bobine de fibre de mode (SMF), un circulateur et un coupleur 50:50 pour accéder aux capteurs. L'utilisation de deux amplificateurs (SOA et BOA) dans la cavité laser était nécessaire pour augmenter le gain afin d'assurer une amplification suffisante pour que le système émette. Les deux amplificateurs ont été déclenchés à la même vitesse et avec un déphasage approprié par un générateur de forme d'onde (Keysight 33600A) qui a déclenché les amplificateurs de courant à grande vitesse pour piloter le SOA et le BOA. La durée globale de l'impulsion lors du laser était inférieure à 10 ns, c'est-à-dire couvrant 1 m de fibre en réflexion. La bobine de 320 m de SMF a été utilisée par commodité pour augmenter le temps d'aller-retour de la cavité et abaisser la fréquence de déclenchement à des valeurs compatibles avec l'électronique disponible, en évitant un échauffement excessif. La bobine de fibre relativement longue garantissait également que les longueurs des cavités formées par les capteurs n'étaient pas des multiples entiers les unes des autres32. Le port 2 du circulateur a été utilisé pour connecter les capteurs à l'anneau au moyen d'un coupleur 50:50. Les capteurs étaient situés à différentes longueurs afin d'assurer un \(f_{r}\) différent pour chacun afin qu'ils puissent être adressés individuellement en balayant la fréquence RF des impulsions de courant vers le SOA. Mathématiquement, le \(f_{r}\) de chaque appareil peut être calculé avec l'équation suivante33,35 :

où \(c\) est la vitesse de la lumière, \(n\) est l'indice de réfraction effectif de la fibre sondée,\(L_{RING}\) est la longueur de la cavité de l'anneau formé par la bobine SMF, le SOA , le BOA et les Ports 1 et 3 du circulateur, qui a été fixé à 340 m dans ce travail, et \(L_{SENSOR}\) est la distance du Port 2 à l'extrémité de chacune des sorties du coupleur à fibre optique . Typiquement, la fréquence de résonance est de l'ordre de ~ 106 Hz (pour une distance du capteur de \(L\) ~ 102 m), et les variations dues aux fluctuations de température dans un laboratoire sont limitées à ~ 101 Hz (c'est-à-dire une erreur dans la position du capteur dans la plage mm). Pour la configuration de la Fig. 1, \(f_{rSENSOR1}\) et \(f_{rSENSOR2}\) se sont avérés être respectivement de 537,16 kHz et 544,49 kHz. En dehors de ces fréquences de répétition, il n'y avait pas de signal optique mesurable dans la fenêtre d'interrogation, car le laser était en dessous du seuil sauf lorsqu'il était en résonance.

Schéma de la configuration d'interrogation.

À des fins de surveillance, 10 % de la lumière a été utilisée : la moitié connectée à un spectromètre (I-MON512-USB, Ibsen Photonics) et l'autre moitié à un photodétecteur à avalanche InGaAs (Thorlabs APD430C/M) et un oscilloscope (Tektronix TDS3034) pour la détection spectrale. et des mesures temporelles, respectivement. Avec le premier, tout décalage de longueur d'onde dans le spectre pourrait être suivi et stocké avec une précision picométrique, tandis qu'avec le second, tout raccourcissement de l'impulsion optique pourrait être mesuré, car les traces de la pompe électrique et des impulsions optiques pourraient être affichées.

Un tel système d'interrogation a été combiné typiquement avec les FBG17,32,33,34,35. Cependant, dans ce travail, la nouveauté repose sur le fait que des sections de TCF couplées ont été utilisées comme éléments de détection et miroirs de cavité laser partiels, car la combinaison du système d'interrogation proposé et des MCF couplées pourrait fusionner les avantages des deux éléments. D'une part, le système d'interrogation permet de multiplexer, d'optimiser l'efficacité spectrale des capteurs, de les interroger individuellement et d'utiliser des appareils aux spectres similaires voire identiques, car identifiés par leur \(f_{r}\) et non par la forme de leur spectre. D'autre part, les MCF offrent plusieurs avantages intrinsèques tels qu'une sensibilité élevée, une facilité d'interrogation, la possibilité de concevoir des géométries ad-hoc pour optimiser leur sensibilité pour la mesure de certains paramètres36,37, etc. Ainsi, les avantages potentiels de la combinaison de le système d'interrogation proposé avec MCFs sont d'un grand intérêt pour les systèmes de détection multipoint.

Le TCF utilisé dans ce travail a été fabriqué à partir d'une préforme télécom standard avec un noyau central et un noyau supplémentaire ajouté à sa gaine percée. Les deux cœurs étaient à peu près égaux en taille et en propriétés physiques, et le centre du cœur latéral était situé à 15,5 µm du centre de la fibre (voir Fig. 2a). Le diamètre moyen et l'ouverture numérique (NA) de chacun des cœurs étaient de 8,2 μm et 0,14, respectivement, pour correspondre à ceux d'un SMF standard, tandis que le diamètre moyen de la fibre était de 125 μm28.

( a ) Coupe transversale du TCF de 125 µm utilisé dans ce travail. (b) Schéma de la tête de capteur comprenant une section de TCF et un court morceau de fibre monomode miroir.

Le principe de fonctionnement des MCF couplés en général et de ce TCF en particulier peut être expliqué par la théorie du mode couplé, car on peut supposer que chacun des cœurs agit comme un guide d'onde38. Sa particularisation pour les fibres optiques et son analyse théorique et mathématique correspondante sont expliquées en détail dans les références 39, 40. En bref, les supermodes qui se propagent dans les MCF couplés sont la combinaison linéaire des modes de propagation à travers chaque guide individuel41. Lorsque le TCF est épissé par fusion à un SMF à symétrie radiale et excité avec le mode LP01, seuls les deux supermodes orthogonaux qui ont de la puissance dans le noyau central seront couplés. Pour le TCF utilisé dans ce travail (voir Fig. 2a), seuls les deux supermodes à propagation orthogonale couplés SP01 et SP02 sont excités, comme le montre la Fig. 3.

Simulations des profils 3D et 2D des deux supermodes orthogonaux couplés excités dans le TCF. En (a) le supermode SP01 est représenté, et en (b) le supermode SP02.

Selon les expressions mathématiques des réf.39,40, le transfert de puissance est cyclique entre les cœurs de la fibre et dépend de la longueur d'onde lancée \(\lambda\), de la longueur du segment TCF \(z\) et de la différence entre les indices de réfraction effectifs des supermodes orthogonaux en propagation \(\Delta n\). Ici, les puissances normalisées dans le noyau central (\(P_{0}\)) et le noyau adjacent (\(P_{1}\)) sont données par28 :

où \(\Delta n\) = 0,873 × 10–4 pour ce TCF à 1550 nm et à température ambiante selon les résultats fournis par le logiciel de simulation PhotonDesign. Les équations (2) et (3) mettent en évidence le fait que la puissance optique est entièrement transférée d'un cœur à l'autre périodiquement. Dans la structure SMF-TCF-SMF illustrée à la Fig. 2b, qui a été utilisée comme tête de capteur dans ce travail, lorsqu'une lumière à large bande est lancée dans le noyau central du TCF et analysée à sa sortie par un spectromètre, une série de maxima et les minima apparaissent dans le spectre. Cependant, lorsque la même structure SMF-TCF-SMF est interrogée en réflexion21,27,36,37, la lumière la traverse en aller-retour et la puissance couplée normalisée en sortie devient :

Comme on peut le remarquer à partir des Eqs. (2) à (5), la période de couplage est inchangée quelle que soit l'interrogation de la structure en transmission ou en réflexion. La longueur d'onde à laquelle les maxima ont lieu dans le spectre (\(\lambda_{m}\)) est également inchangée et se produit lorsque la période est égale à un entier multiple (\(m\)) de \(\pi\) .

Ainsi, si nous excitons le TCF avec un SOA dont les impulsions sont accordées sur le \(f_{r}\) de la cavité (~ 106 Hz), le système émettra à \(\lambda_{m}\), fournissant un pic unique, beaucoup plus net et plus étroit dans le spectre par rapport aux larges maxima et minima obtenus lorsque de tels MCF sont interrogés avec une source lumineuse à large bande21,22,23. Ce fait permet de nettoyer plusieurs pics et d'utiliser et de multiplexer des appareils basés sur MCF avec des spectres identiques ou similaires dans la même fenêtre d'interrogation, car ils sont identifiés sans équivoque et individuellement par l'unique \(f_{r}\) de chacun . De plus, si le TCF est exposé à une perturbation externe telle qu'une vibration ou une contrainte, sa fréquence de résonance RF ne changera pas alors que sa longueur d'onde laser \(\lambda_{m}\) se décalera en fonction de la perturbation. Un tel décalage peut être corrélé à la perturbation ; par conséquent, le système mentionné peut être utilisé à des fins de mesure et de détection.

Pour démontrer ce principe de fonctionnement, deux structures SMF-TCF-SMF ont été fabriquées (TCF1 et TCF2) et placées dans la configuration de la Fig. 1 en tant que dispositifs de détection, chacune avec un segment TCF de ~ 8 cm mais avec le segment en TCF1 légèrement plus long que celui du TCF2 (\(L_{TCF1} > L_{TCF2}\)). À cette fin, un couperet de fibre de précision et une épisseuse à fusion de précision ont été utilisés. Avec le premier, des segments de fibre avec des angles de clivage proches de 0° ont été obtenus, tandis que le second a été utilisé pour aligner et épisser le noyau central du TCF avec celui du SMF avec de faibles pertes d'insertion. À des fins de comparaison, les deux échantillons ont été interrogés par une source lumineuse continue à large bande (trace en pointillés) et dans une cavité laser (trace pleine), comme illustré à la Fig. 4.

Spectres des capteurs TCF fabriqués lorsqu'ils sont sondés par une source lumineuse à large bande dans une configuration en boucle ouverte conventionnelle (ligne pointillée) et dans le cadre d'une cavité laser pulsée, accordant la fréquence de répétition à la longueur de la cavité résonnante de chacun (ligne continue).

Comme prévu, les spectres des dispositifs qui sont interrogés via intracavité dans une configuration laser sont beaucoup plus étroits (FWHM = 5,13 nm pour TCF1 et FWHM = 4,26 nm pour TCF2) que ceux des échantillons interrogés avec une source lumineuse à large bande continue et dans un boucle ouverte (FWHM = 12,83 nm pour TCF1 et FWHM = 13,79 nm pour TCF2). Le signal optique mesuré dans un mode de fonctionnement laser est constitué d'un seul pic, contrairement à la réponse du même capteur opéré dans la configuration classique, alors que d'autres pics d'amplitude comparable sont visibles, ce qui le rend difficilement utilisable pour la détection. Ce rétrécissement spectral et ce nettoyage de pics multiples obtenus avec la configuration laser proposée permettent de multiplexer des capteurs sans superposition de pics.

Le premier test a consisté à soumettre les deux échantillons à des vibrations de fréquence (1 Hz) et d'amplitude (500 mVpp) identiques. À cette fin, TCF1 et TCF2 ont été collés en surface longitudinalement au centre de la face supérieure de deux poutres en bois minces et flexibles d'environ 1 m de longueur. Comme illustré sur la Fig. 5, les faisceaux étaient parallèles et supportés aux extrêmes, tandis que les vibrations étaient appliquées au centre de chaque faisceau par un agitateur connecté à un générateur de fonctions (Hewlett Packard 33120A) et un amplificateur audio à impédance de sortie de 4 Ω (Brüel et Kjaer). Avec ce montage, il était possible de ne faire vibrer qu'un ou les deux faisceaux à la fois, ce qui permettait d'évaluer la diaphonie. TCF1 et TCF2 ont été collés en surface à chaque poutre avec leurs noyaux orientés perpendiculairement l'un à l'autre : TCF1 avait ses noyaux orientés horizontalement et TCF2 verticalement, respectivement. À cette fin, le processus décrit dans la Réf.21 a été reproduit. La sensibilité des MCF asymétriques comme celle utilisée dans ce travail dépend de la relation entre l'orientation des noyaux et le plan dans lequel l'effet est appliqué21,25,42,43. Ainsi, comme les vibrations étaient appliquées verticalement, en ce qui concerne le décalage de longueur d'onde attendu, TCF1 aurait une sensibilité minimale, tandis que TCF2 aurait une sensibilité maximale. De plus, la surface plane du TCF a facilité le processus d'alignement, car elle est alignée perpendiculairement aux noyaux (voir Fig. 2a). Ainsi, juste en pressant la fibre contre une surface plane, la direction des noyaux pourrait être connue. Pour créer la surface plane, la préforme a été montée sur un tour et tournée jusqu'à ce que les noyaux soient verticaux. Après cela, la préforme a été aplatie sur la surface la plus haute.

Vues schématiques de dessus et latérales de la configuration expérimentale. La vue latérale montre comment la vibration a été appliquée. Le gros plan montre comment les têtes de capteur ont été collées en surface à chaque faisceau.

Les résultats sont résumés dans les Fig. 6 et 7. Sur la Fig. 6a, les résultats de l'exposition de TCF1 à des vibrations et du maintien de TCF2 au ralenti sont illustrés, sur la Fig. 6b TCF2 a été soumis à des vibrations tandis que TCF1 a été laissé inactif, et sur la Fig. le même temps. Dans chaque cas, les deux capteurs ont été interrogés en ajustant la fréquence du déclenchement à la fréquence de résonance de la cavité.

Résultats dans le domaine fréquentiel lorsque (a) TCF1 vibrait et TCF2 était inactif, et (b) TCF1 était inactif et TCF2 vibrait. Dans les encarts, les résultats dans le domaine temporel de chaque cas sont présentés.

Résultats dans le domaine fréquentiel lorsque les deux appareils vibraient. Les résultats dans le domaine temporel sont présentés dans l'encart.

Pour les cas où un seul des capteurs vibrait, le bon SNR mesuré à 1 Hz, l'étroitesse du pic et le faible niveau des composantes harmoniques dans le domaine fréquentiel étaient significatifs. En fait, les SNR pour les cas des Fig. 6a, b étaient de 21,74 et 47,13, respectivement. Concernant la différence de décalage de longueur d'onde entre les capteurs contre la même perturbation, elle a été causée par l'orientation du cœur. Comme prévu, comme TCF2 visait à maximiser la sensibilité, le décalage de longueur d'onde était beaucoup plus élevé dans cet appareil. En ce qui concerne le capteur qui reposait dans chaque cas, les résultats indiquent que l'interférence dans le signal causée par le capteur qui vibrait était faible. Dans le domaine temporel, ce fait se traduit par le faible décalage de longueur d'onde par rapport à celui du capteur vibrant. Sur la Fig. 6a, le décalage enregistré dans le capteur au repos n'est que de 4,6% du signal du capteur vibrant, alors que sur la Fig. 6b, il est de 2,1%. Dans le domaine fréquentiel, l'amplitude du pic FFT en 1 Hz est inférieure d'un ordre de grandeur en dessous de celle du capteur qui vibre.

Lorsque les deux capteurs ont été soumis simultanément à des vibrations identiques (voir Fig. 7), TCF2 a montré une sensibilité plus élevée que TCF1. Ce dernier était attendu en raison de l'orientation perpendiculaire déjà décrite des noyaux (voir Fig. 5). Dans le domaine temporel, le décalage de longueur d'onde de TCF2 était d'environ un ordre de grandeur supérieur à celui de TCF1 (\(\Delta \lambda_{TCF2}\) = 1060 pm et \(\Delta \lambda_{TCF1}\) = 142 pm). Dans le domaine fréquentiel, un pic à 1 Hz et un faible niveau de composantes harmoniques dans le signal des deux capteurs étaient perceptibles. Ainsi, la vibration a été détectée et mesurée avec une grande précision par les deux capteurs et la diaphonie n'a eu aucun effet significatif sur les mesures ni sur leur sensibilité.

Le test suivant consistait à évaluer les performances du système d'interrogation lorsque plus de deux capteurs étaient connectés en même temps. À cette fin, la configuration de la Fig. 1 a été modifiée pour inclure un atténuateur variable (Hewlett Packard 8157A) entre le port 2 du circulateur et le coupleur 50:50. Il a été fixé à 6 dB, ce qui, ajouté aux pertes de 3 dB du coupleur 50:50, a généré une perte totale de 9 dB sur chaque sortie afin de simuler les pertes d'un système dans une configuration comprenant jusqu'à 8 capteurs . Comme pour le test précédent, les deux capteurs ont été soumis à des vibrations (1 Hz et 500 mVpp) et interrogés en ajustant la fréquence du déclenchement à la fréquence de résonance de chacun. L'ajout de l'atténuateur a légèrement augmenté la longueur de la cavité de la fibre et, par conséquent, la fréquence de résonance des capteurs a changé. Dans ce cas, ils étaient respectivement de 328,3 kHz et 353,4 kHz pour TCF1 et TCF2.

Les résultats sont résumés dans les Fig. 8 et 9. Sur la Fig. 8a, les résultats de l'exposition de TCF1 à des vibrations et du maintien de TCF2 au repos sont illustrés, sur la Fig. 8b TCF2 a été soumis à des vibrations tandis que TCF1 a été laissé inactif, et sur la Fig. 9 les deux capteurs ont été soumis à des vibrations à le même temps.

Résultats dans le domaine fréquentiel lorsque (a) TCF1 vibrait et TCF2 était inactif et (b) TCF1 était inactif et TCF2 vibrait. Dans les encarts, les résultats dans le domaine temporel de chaque cas sont présentés.

Résultats dans le domaine fréquentiel lorsque les deux appareils vibraient. Les résultats dans le domaine temporel sont présentés dans l'encart.

L'oscillation de 1 Hz a été enregistrée par l'appareil qui a été soumis à des vibrations dans chaque cas (TCF1 sur la Fig. 8a et TCF2 sur la Fig. 8b), alors que le signal de l'appareil au repos n'a détecté aucune oscillation. En effet, la FFT de chaque cas montre que le SNR est toujours supérieur à 3, qui est le rapport communément pris comme règle pour définir la limite de détection44. Ainsi, les résultats indiquent que les deux capteurs ont pu détecter et enregistrer la vibration de 1 Hz avec un niveau d'interférence qui n'a pas affecté leurs performances.

Lorsque la vibration était appliquée simultanément aux deux appareils (voir Fig. 9), l'oscillation était enregistrée par les deux, mais avec des sensibilités légèrement inférieures. Comme cela s'est produit dans les tests précédents, dans tous les cas, le TCF2 a montré une sensibilité plus élevée en raison de sa meilleure orientation du noyau.

Le dernier test consistait à mesurer différents paramètres avec chaque tête de détection. Tenant compte du fait que la sensibilité à la température de ce TCF a déjà été rapportée28 (46,4 pm/K), et que le but de ce travail est de proposer et de démontrer un système de multiplexage pour les MCF, il a été décidé de mesurer la performance du TCF contre deux paramètres différents de la température. Ces paramètres ont été choisis pour être des vibrations sinusoïdales (1 Hz et 500 mVpp), et des cycles de déformation consistant en des cycles d'étirement et de compression par pas de 257,57 μm au moyen d'un étage de précision linéaire (Newport M-UMR 12.40). À cette fin, l'atténuateur a été retiré afin que la configuration expérimentale de ces tests soit identique à celle de la Fig. 1. TCF2 a été choisi pour être utilisé pour les mesures de vibrations, car il était déjà collé à une poutre en bois et avait une meilleure orientation du noyau. par rapport au TCF1 (voir Fig. 5). Ce dernier a été remplacé par TCF3 (voir Fig. 10), un échantillon avec un segment TCF un peu plus long (~ 12 cm) et dont le \(f_{rSENSOR3}\) ~ 566,9 kHz.

Spectres du TCF3 fabriqué lorsqu'il est sondé par une source lumineuse à large bande dans une configuration en boucle ouverte conventionnelle (ligne pointillée) et dans le cadre d'une cavité laser pulsée, accordant la fréquence de répétition à la longueur de la cavité résonnante (ligne continue).

Lorsque TCF3 a été interrogé avec une source lumineuse continue à large bande, la FWHM du pic maximum était de 6,63 nm, alors que la FWHM du pic unique qui apparaît sur le spectre lorsqu'il a été interrogé par le SOA pulsé n'était que de 1,16 nm.

Les résultats de ces tests sont présentés dans les Fig. 11 et 12. Sur la Fig. 11a, TCF3 a été soumis à des contraintes tandis que TCF2 a été laissé à l'état inactif, sur la Fig. 11b TCF2 a été soumis à des vibrations et TCF3 a été laissé inactif, et sur la Fig. 12 TCF2 et TCF3 ont été soumis à des vibrations et souche, respectivement et simultanément.

Résultats lorsque (a) le TCF3 était soumis à une contrainte et le TCF2 était inactif, et (b) le TCF3 était inactif et le TCF2 vibrait. Dans l'encart, le résultat dans le domaine temporel est affiché.

Résultats lorsque TCF2 vibrait et TCF3 était tendu simultanément.

Les résultats indiquent que les cycles de vibration et de déformation ont été suivis correctement par chaque capteur dans tous les tests. D'une part, pour les mesures de déformation, lorsque seul TCF3 y était soumis, le SNR était de 27,38 et le décalage de longueur d'onde était de 1875 pm dans la gamme testée (voir Fig. 11a), ce qui indique que TCF3 a atteint une sensibilité de 1,8 pm/με. Lorsque les deux capteurs ont été testés (voir Fig. 12), TCF3 a montré une sensibilité de 1,7 pm/με, car le décalage de longueur d'onde était de 1750 pm dans la plage testée. Ces résultats indiquent que ce TCF a une performance significative pour les mesures de contrainte, car sa sensibilité est supérieure à celle rapportée par d'autres capteurs de contrainte basés sur MCF23, et que la diaphonie a provoqué une perte de sensibilité de 6,7 %. En revanche, lorsque seul TCF2 vibrait, le SNR était de 34,32 et le décalage de longueur d'onde était de 600 pm (voir Fig. 11b), alors qu'il était de 450 pm lorsque les deux capteurs étaient testés (voir Fig. 12). Ainsi, pour ce cas, la perte de sensibilité causée par la diaphonie était de 25 %. Dans tous les cas, l'effet de ce dernier n'a pas eu d'impact significatif sur les mesures quel que soit le mesurande, car le décalage provoqué par les deux paramètres a été enregistré avec précision.

Dans ce travail, nous avons proposé et démontré la faisabilité d'un système d'interrogation multipoint pour des capteurs couplés à base de MCF. Son principe de fonctionnement repose sur la création de plusieurs cavités résonnantes en anneau dans lesquelles chacune des têtes de capteur agit comme un miroir laser qui réfléchit la lumière qui est lancée par un gated SOA. De cette manière, chaque cavité peut être adressée facilement et individuellement en réglant la fréquence du déclenchement, celle-ci étant directement proportionnelle à la longueur physique de chacune des cavités. Ainsi, si les capteurs sont répartis à des longueurs différentes, chacun d'eux aura une fréquence de résonance unique qui permettra leur identification sans équivoque. De plus, comme l'identification dépend uniquement de la longueur de la cavité, des capteurs ayant des spectres similaires voire identiques pourraient être multiplexés dans le même système.

Un avantage majeur fourni par le système proposé est l'amélioration significative de l'efficacité spectrale des capteurs couplés à base de MCF. Par rapport aux spectres de sortie fournis par ces dispositifs, qui sont composés de pics multiples et larges lorsqu'ils sont interrogés par une source lumineuse continue à large bande ; lorsque les mêmes dispositifs sont interrogés par le SOA contrôlé, les spectres de sortie de chaque capteur ont uniquement un pic unique, net et étroit, car le système effectue un nettoyage de pics multiples et ne laser qu'à la longueur d'onde à laquelle le pic de gain de la cavité est situé. Ces caractéristiques permettent d'inclure un plus grand nombre de capteurs dans la fenêtre d'interrogation, ce qui, ajouté à la possibilité d'utiliser des capteurs de spectres identiques, permet d'augmenter significativement le nombre de dispositifs pouvant être interrogés au moyen de ce système.

La faisabilité du système d'interrogation proposé a été démontrée pour une configuration avec 2 capteurs constitués de segments de TCF de différentes longueurs qui ont été soumis à la même (vibration) et à des stimuli différents (vibration et déformation). Dans tous les cas, le système a pu détecter et mesurer l'effet appliqué avec une sensibilité élevée, un SNR élevé et un niveau de diaphonie significativement faible, même dans une configuration simulant une situation avec 8 capteurs.

Par conséquent, la sensibilité élevée fournie par les MCF pour la mesure simultanée de différents paramètres, combinée à l'efficacité spectrale élevée, au SNR élevé et au faible niveau de diaphonie fournis par la configuration d'interrogation, suggèrent que le système proposé peut être attrayant pour les applications qui nécessitent une précision multipoint. détection avec une intrusion minimale et une facilité d'interrogation, comme la surveillance de la santé structurelle des avions, des bâtiments, etc. De plus, comme le système proposé est compatible avec n'importe quel MCF, il permet de multiplexer et d'interroger simultanément des MCF avec différentes géométries dans la même configuration.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu en partie par le Fonds européen de développement régional, en partie par le Ministerio de Economía y Competitividad dans le cadre des projets TEC2015-638263-C03-1-R et PGC2018-101997-B-I00, en partie par le Ministerio de Ciencia e Innovación : dans le cadre des projets PID2021-122505OB-C31 et TED2021-129959B-C21, en partie par le Gobierno Vasco/Eusko Jaurlaritza dans le cadre des projets IT1452-22 et ELKARTEK (KK 2021/00082 et KK 2021/00092), en partie par le Conseil scientifique suédois , Office of Naval Research Global (Award N62909-20-1-2033) et en partie par Vinnova Innovair : Forskningsprojekt inom flygteknik (DN 2020-00187). Les travaux de Josu Amorebieta sont financés par une bourse doctorale de l'Université du Pays Basque UPV/EHU. Les auteurs tiennent à remercier Kenny Hey Tow, Erik Zetterlund et Fredrik Laurell pour leurs discussions et leur soutien utiles.

Département d'Ingénierie des Communications, Université du Pays Basque UPV/EHU, 48013, Bilbao, Espagne

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

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Caroline Franciscangelis & Walter Margulis

Fondation Ikerbasque-Basque pour la Science, 48011, Bilbao, Espagne

Joël Villatoro

Département de physique appliquée, Institut royal de technologie, 106 91, Stockholm, Suède

Walter Margulis

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Le projet original du document a été rédigé par JA et WM, et révisé par JP, GD, CF, AO-G., JZ et JVJA et AO-G. ont collaboré à l'approche théorique, JA, WM, JP et CF ont conçu et réalisé les expériences, et traité et analysé les données. AO-G. faisait les simulations, WM supervisait les expériences. Tous les auteurs ont discuté des données expérimentales, révisé et approuvé le manuscrit. JA et WM ont rédigé la version finale avec les contributions de tous les auteurs.

Correspondance à Josu Amorebieta.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Amorebieta, J., Pereira, J., Durana, G. et al. Capteur à fibre bi-cœur intégré dans la cavité laser. Sci Rep 12, 11797 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16103-8

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Reçu : 03 mai 2022

Accepté : 05 juillet 2022

Publié: 12 juillet 2022

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

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