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Aug 25, 2023

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Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7849 (2022) この記事を引用

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ファイバ内マイケルソン干渉計 (MI) ベースの傾斜計を提案し、端部コーティングを施した位置ずれ接続ファイバで構成しました。 位置ずれ接続部で分割された入射光は端部コーティングで反射され、ファイバ コアに再結合されます。 コア モードと \(m{\text{th}}\) クラッド モード間の位相差により、典型的な MI が形成されます。 位置ずれが生じた接続部付近のファイバは、2 本の石英キャピラリ チューブに挿入されます。 キャピラリ石英管の傾きにより、位置ずれして接続された接合部の大きな変形と湾曲が生じ、MI スペクトルの波長と強度が変化します。 実験結果は、0°～50°の角度範囲内で良好な応答を示しています。 波長変調と強度変調の両方を実現し、感度はそれぞれ0.55 nm/deg、0.17 dB/degです。 さらに、このセンサーは、位置ずれして接合された接合部の非対称構造により、強い方向依存性を示します。

傾斜センサー (傾斜計とも呼ばれる) は、構造健全性の監視、地滑り予測、地盤工学/土木測定、ジェスチャー センシングなど、多くのアプリケーションで広く使用されています。 近年、光ファイバー傾斜計は、コンパクトなサイズ、遠隔監視、可燃性ガスや爆発性ガスに対する感度の低さ 1,2 などの独自の利点により、大きな関心を集めています。光ファイバー傾斜計のさまざまな方式が開発されています。回折格子ベースと干渉計ベースの 2 つのタイプに分類されます3,4,5,6。 ファイバーブラッググレーティング（FBG）を例にとると、研磨やテーパーなどの前処理によりコアからクラッドに光が結合するため、FBG が角度変化に敏感になります7、8、9。 しかし、前処理によりファイバーの機械的強度が弱まり、センサーが不安定になることがよくありました。 さらに、傾斜ファイバブラッググレーティング（TFBG）と長周期ファイバグレーティング（LPFG）はどちらも、コアモードをクラッドモードに結合するための典型的な構造であり、傾斜計として適用できます10、11、12。 ただし、透過スペクトルに基づく検出特性により、シングルエンドプローブが望ましい用途 (たとえば、生体内用途) が制限されます 13。 別のタイプの光ファイバーデバイスとして、個別の干渉アームを備えたファイバー内干渉計も傾きの影響を受けやすい14。 たとえば、融合テーパはコアとクラッドのモードの結合に使用され、そこで干渉スペクトルが得られます15。 テーパ部分は柔らかく曲げやすいため、融着テーパを利用した傾斜計が数多く提案されている16,17,18。 この構造の欠点は、溶融テーパーが壊れやすく、測定範囲が狭いことです。 さらに、コアモードフィールドのずれを伴うさまざまなファイバも接続されて、傾斜測定用の干渉計を形成します。たとえば、薄コアファイバ19、中空コアフォトニック結晶ファイバ20、21、マルチクラッドファイバ22などです。このタイプのセンサは、高い性能を発揮します。ただし、これらの特殊な繊維は高価であり、製造プロセスも複雑です23。

この論文では、エンドコーティングを備えた位置ずれ接続シングルモードファイバー (SMF) という単純な構成を使用したマイケルソン干渉計 (MI) ベースの傾斜計を提案し、実験的に実証します。 曲率 24、曲げ 25、26、ひずみ測定に使用される報告されている位置ずれ接続構造とは異なり、提案されたセンシング プローブは、位置ずれ接続接合部の近くの 2 本の石英毛細管に挿入されます。 石英管の傾きによりコアモードとクラッドモード間の結合比が変化し、その結果反射スペクトルがシフトします。 これにより、高感度な傾き測定が実現されます。 この傾斜計は 0.55 nm/deg の高感度を示し、傾斜測定の優れた候補となります。

実験装置の概略図を図1aに示します。 干渉スペクトルの監視には、広帯域光源 (BBS)、光スペクトル アナライザ (OSA)、偏波コントローラ (PC)、および光サーキュレータが使用されます。 入射光の偏光状態はスリーリングPCにより制御されます。 図 1b は、MI ベースの傾斜計の概略図を示しています。 ファイバー軸は z 軸として定義されます。 ファイバの 2 つのセクションが位置をずらして接続されており、Y 軸はオフセットされ、X 軸は位置合わせされています。 図1bに示すように、位置ずれ接続ジョイントの左側は「導入ファイバ」として定義され、右側は「位置ずれ接続ファイバ」として定義されます。 位置ずれ接続されたファイバの端には銅膜がメッキされます。 導入ファイバと位置ずれ接続ファイバは、それぞれ 2 本の石英キャピラリ管に挿入されます。 これら 2 本の毛細管間の距離は数ミリメートルです。 左側の毛細管は固定されており、右側の毛細管は自由に回転できるため、ファイバーの角度を調整できます。 位置ずれして接合された接合部の画像を図 1b に示します。

(a) 実験装置の概略図。 (b) 傾斜計の概略図。

図1bに示すように、導入ファイバからの入射光は、位置ずれ接続部で2つに分割されます。 光の一部はコアモードとして位置ずれ接続ファイバのコアに結合され、別の部分はクラッドモードとして位置ずれ接続ファイバのクラッドに結合される。 これら 2 つの光の部分は銅フィルムで反射され、位置ずれが生じた接続部でリードイン ファイバのコアとクラッドに再結合されます。 導入ファイバのコアの再結合コア モードとクラッド モードは、角度の検出に使用されます。

再結合されたコア モードとクラッド モードの位相差により、典型的な MI が引き込みファイバのコアに形成されます。 干渉縞は反射スペクトルで観察でき、次のように表すことができます。

ここで \(I_{co}\) と \(I_{cl}^{m}\) はコア モードと \(m{\text{th}}\) クラッド モードの光強度です。 \(R\) は銅膜の反射率で、その値は通常 0.8 より大きくなります。 \(\varphi^{m}\) はコア モードと \(m{\text{th}}\) クラッド モード間の位相差であり、次のように記述できます。

ここで、 \(L_{co}\) と \(L_{cl}^{m}\) は、コア モードと \(m{\text{th}}\) クラッド モードの伝播長です。 \(\lambda\) は MI の入射光の波長です。 \(n_{eff}^{co}\) と \(n_{eff}^{m,cl}\) は、コア モードと \(m{\text{th}}\) の実効屈折率です。それぞれクラッドモード。 位相差が条件を満たす場合：

送信ディップは次の場所で発生します。

キャピラリ石英管を曲げたり傾けたりすると、位置ずれ接続部での光の入射角が変化するため、コアモードと \(m{\text{th}}\) クラッドモードの間の位相差が変化します。それに応じて。 このようにして、干渉スペクトルの波長シフトが発生します。 さらに、位置ずれして接続されたファイバの曲率が増加するにつれて、より多くの光がコアからクラッドに結合されるため、干渉スペクトルの強度はそれに応じて減少します。

SMF (Corning、SMF-28e) の 2 つのセクションを 2 本の石英キャピラリー チューブに挿入し、市販の融着接続機 (FURUKAWA、S178) をカスタマイズしたモードで使用して、位置をずらして接続します。 ファイバのコアとクラッドの直径はそれぞれ 9.2 μm と 125 μm です。 マグネトロンスパッタリング（ULVAC、ACS-4000-C4）を使用して、位置ずれ接続されたファイバの劈開端に銅膜がめっきされます。 膜厚は６０ｎｍである。 石英管はエポキシ樹脂接着剤 (Henkel、E-120HP) でファイバーに固定されています。 これら 2 つの毛細管間の距離は約 3.5 mm です。

マイケルソン干渉理論によれば、縞コントラストは光の結合比と透過損失に依存します。 コアのオフセットの程度は結合比に影響し、位置ずれ接続されたファイバの長さはコアモードとクラッドモードの伝送損失に影響します。 したがって、フリンジコントラストを向上させるためには、位置ずれ接続されたファイバの長さと接続部のコアオフセットを改善することが重要です。

6 μm のコアオフセットと 1、2、4、および 8 cm の異なる長さを備えた 4 つの MI サンプルが製造されました。 図 2 に示すように、各 MI サンプルは、干渉スペクトルにおいて明確なフリンジ コントラストと自由スペクトル範囲を示します。ファイバー長が短い MI サンプルのフリンジ コントラストが小さいことがわかります。 繊維長 1 cm の MI サンプルのフリンジ コントラストが最も大きくなります。 ただし、短いファイバは融着接続機での操作が難しいため、以下の実験では長さ 2 cm の位置ずれ接続ファイバを選択します。

コアオフセットが 6 μm、異なる長さが 1、2、4、および 8 cm の 4 つの MI サンプルの干渉スペクトル。

さらに、融着接続機内の X 方向および Y 方向のモーターを移動させることにより、位置ずれ接続部の芯ズレを改善します。 ファイバ長が 2 cm、コア オフセットが 1、2、4、8、10、12 μm の異なる 6 つの MI サンプルを作成しました。 干渉スペクトルを図 3 に示します。12 μm のオフセットを持つ MI サンプルは最大のコントラスト比を獲得しますが、大きな挿入損失に耐えます。 したがって、コアのオフセットと挿入損失の間にはトレードオフの関係があります。 次の実験では、位置ずれ接続ジョイントのコア オフセットが 8 μm に選択されます。

長さ 2 cm、コアオフセット 1、2、4、8、10、12 μm の MI サンプルの干渉スペクトル。

図 1a に示す実験設定では、傾斜計の傾斜性能が特徴付けられます。 最適化されたパラメータ、すなわち、位置ずれして接続されたファイバ長さ 2 cm およびコア オフセット 8 μm が選択されます。 図 4 に示すように、干渉スペクトルは約 12 dB の縞コントラストを示します。 挿入損失は約 - 31 dB で、これはサニャック干渉計 (約 - 42 dB) およびマッハ ツェンダー干渉計 (約 - 32 dB) に基づく他のファイバー デバイスに近似しています。 図 4 の破線のボックスに示すように、1553.2 nm 付近の干渉谷の波長と干渉縞のコントラストが傾斜測定の指標として使用されます。

位置ずれして接続されたファイバ長 2 cm、コア オフセット 8 μm のセンサーの干渉スペクトル。

実験は一定の室温 (22.5 °C) で行われます。 チルト角は0°から50°まで5°刻みで変化します。 標準角度は精度0.05°の電子角度計（RION、DMI410）を使用しています。 角度の増加に伴う干渉谷を図 5 に示します。これは、強い角度の特徴を示しています。 挿入図に示すように、角度の方向は y 軸に沿っています。

傾斜計の角度 0° と 50° の干渉谷がいくつかあります。

干渉谷の波長と強度は、それぞれ図6a、bに示すように、角度の関数としてプロットされています。 角度が 0° から 50° に増加すると、干渉の谷が長波長側に移動し、強度が増加します。 角度に対するセンサーの応答が非線形であることは明らかです。 これは、角度が大きくなるにつれて、より多くの光がコアからクラッドに結合され、クラッドのモードが周囲の曲げに対してより敏感になるためです。 また、位置ずれ接続部は角度が大きい場合に非常に大きな歪みが加わり、コアモードと高次クラッドモードとの位相差が大きくなる。 波長と強度の応答曲線は二次フィッティングによって得られ、フィッティング式は図に示されています。 傾斜角度0°から20°の範囲で、センサーの応答は良好な直線性を示します。 波長感度0.55nm/deg、強度感度0.17dB/degが得られます。

異なる傾斜角に対する波長 (a) と強度 (b) の応答。

図1aには3リングPCがありますが、実験結果は0°〜50°の角度範囲の偏光状態の影響を受けないことに注意してください。 傾斜角がさらに増加し​​た場合 (通常は 70° より大きい場合) のみ、実験結果は偏光状態の影響を受けます。 偏光コントローラがないと、より短い波長領域に新たなディップが現れます。 この現象は参考文献 28 と一致しており、偏光状態の変化によって引き起こされます。

傾斜計の方向依存性を研究するために、0° から 360° の範囲の方向にわたる角度応答が実証されます。 位置ずれ接続部から 150 mm 離れた導入ファイバには 4 層のシースがあります。 ファイバとこれらのシースはエポキシ樹脂系接着剤で強固に接着されています。 最外側シースの外径は6mmです。 最も外側のシースの周りに20°間隔の目盛りが付けられています。 このようにして、目盛りに応じて導入ファイバの方向を決定することができる。 ファイバをスプライサに置くとき、0°の目盛りが上になるようにシースを回転させて、位置ずれが生じた接続部の方向を決定できるようにします。 図 7 は、さまざまな方位での波長感度と強度感度をプロットしたもので、傾斜計の強い方位依存性を明確に示しています。 図 6 と同様に、すべての方向における角度応答は非線形です。0° ～ 20° の線形範囲のデータは、図 7 の対応する方向における感度を示すために使用されます。

さまざまな方向に関する傾斜計の角度依存性。

図 7 からわかるように、最大​​感度は Y 軸にあり、最小感度は X 軸にあります。 これは、ずれ接合部ではｙ軸方向のずれが最も大きく、ｘ軸方向のずれが少ないことからわかりやすい。 図 7 にはまだいくつかの誤差がありますが、これは次の理由から生じる可能性があります。ファイバーのオフセットにより 2 つの毛細管が同じ水平面上に不完全に設置されており、傾斜にウォークオフ角度が追加される可能性があります。 センサーを機械的に回転させると誤差が生じる可能性があります。 現場でのアプリケーションの場合、周囲温度の変動は常にセンサーの性能低下と大きな測定誤差につながります。

提案された傾斜計の温度応答が特徴付けられます。 傾斜計は管状炉 (SIGMA、OTF60) 内に配置されます。 炉内の温度は 20 ℃から 60 ℃まで 5 ℃ 刻みで徐々に上昇し、各温度で約 30 分間維持されます。 ± 0.05 °C の精度を持つ温度計 (FLUKE、1551A) を使用して、管状炉内の温度をリアルタイムで監視します。 スペクトルは温度が安定しているときに収集されます。 図8aに示すように、干渉谷の波長は36.7pm/℃の感度で長波長側に直線的にシフトします。 スペクトルシフトは、温度上昇によって引き起こされるコアモードとクラッドモードの間の実効屈折率の差によって引き起こされます29。 波長は直線的に増加するため、市販のFBGを導入することで温度影響を効果的に除去できます。 図 8b は、さまざまな温度での干渉谷の強度を示しています。 加熱プロセス全体にわたる最大強度変動は 0.42 dB 未満です。 これは、強度復調の温度と角度の交差感度がわずか約 0.062 度/℃であることを意味します。

傾斜計の温度応答は 20 ～ 60 °C です。

ミスアライメントスプライシングに基づくファイバー内干渉計は、曲率、曲げ、ひずみ測定用の古典的な構造です。 私たちの研究では、コンパクトで反射型のファイバー内 MI ベースの傾斜計が実証されています。 提案されたデバイスは、位置ずれ接続と端部コーティングによって製造されます。 ファイバは、位置ずれが生じた接続部の近くの 2 本の石英毛細管に挿入されているため、傾斜角に対して非常に敏感です。 傾斜計は非対称構造のため、強い方向依存性を示します。 傾斜計の温度応答も特徴付けられており、温度補償を使用して温度に起因する誤差を排除できます。 傾斜計は、コンパクトなサイズ、高感度という利点があり、反射プローブとしてリモート センシングを提供できるため、多くの用途で傾斜測定の優れた候補となります。

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山西省の重点研究開発プログラム（ハイテク分野）。 第201803D121069。

太原工業大学電子工学部、太原市、030000、中国

Huajie Wang、Laifang Zheng、Junsheng Zhang、Jijun Liu

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この作品は著者全員の協力によって実現しました。 HW はこの論文を設計、分析し、執筆しました。 LZ と JZ の執筆 - レビューと編集、JL が図を作成しました。 1、2、3、4、5、6、7、および 8。すべての著者が原稿の出版版を読んで同意しました。

王華傑さんへの対応。

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転載と許可

Wang, H.、Zheng, L.、Zhang, J. 他。 コアオフセットミケルソン干渉計に基づいた、方向依存性の光ファイバー傾斜計。 Sci Rep 12、7849 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12089-5

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受信日: 2021 年 11 月 4 日

受理日: 2022 年 4 月 26 日

公開日: 2022 年 5 月 12 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12089-5

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