Ein Mach

Jul 22, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12130 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Ein neuer Typ eines interferometrischen Fasersensors, der auf einem Mach-Zehnder-Fabry-Perot-Hybridschema basiert, wurde experimentell demonstriert. Das Interferometer kombiniert die Vorteile einer Doppelpfadkonfiguration und eines optischen Resonators und führt zu rekordhohen Dehnungs- und Phasenauflösungen, die nur durch das intrinsische thermische Rauschen in optischen Fasern über einen breiten Frequenzbereich begrenzt sind. Durch den ausschließlichen Einsatz handelsüblicher Komponenten ist der Sensor in der Lage, rauschbegrenzte Dehnungsauflösungen von 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) bei 10 Hz und 1 f\(\ varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) bei 100 kHz. Man geht davon aus, dass bei geeigneter Skalierung mit solchen Interferometern die Auflösung von Atto-Dehnungen im Ultraschallfrequenzbereich in erreichbarer Nähe liegt.

Faseroptische Interferometer haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen in der optischen Sensorik1, der faseroptischen Kommunikation2, der optischen Datenverarbeitung3 und der biomedizinischen Bildgebung4,5 großes Interesse geweckt. Insbesondere passive interferometrische Fasersensoren (IFS) können extrem hohe Signalauflösungen erreichen und eignen sich daher besonders für die Entwicklung hochempfindlicher optischer Sensoren6,7,8,9. Grundsätzlich basieren alle IFS auf dem gleichen Funktionsprinzip, d. h. der Untersuchung optischer Phasen-/Frequenzschwankungen, die durch externe Messgrößen (z. B. Dehnung, Temperatur, Druck usw.) durch optische Interferenz hervorgerufen werden1. Um die Fähigkeit eines IFS zur Auflösung kleiner Signale zu optimieren, muss man i) die Reaktion des Sensors auf externe Störungen (dh die Empfindlichkeit) maximieren und ii) unerwünschtes Rauschen minimieren.

Das erste Ziel kann durch die Verwendung interferometrischer Verfahren mit scharfer Phasen-/Frequenzunterscheidung erreicht werden. Im Laufe der Jahre wurden mehrere hochempfindliche IFS-Techniken demonstriert, darunter \(\pi \)-phasenverschobene Faser-Bragg-Gitter (\(\pi \)-FBG)10,11,12,13, Slow-Light-FBG14, 15,16,17 und Langfaser-Fabry-Perot-Interferometer18,19,20,21,22,23. Mittlerweile wurden auch erhebliche Anstrengungen unternommen, um den Lärm zu senken. Da in einem passiven IFS-Schema typischerweise das Rauschen des Abfragelasers dominiert, konzentrierten sich die meisten neueren Forschungsarbeiten entweder auf die Entwicklung neuartiger rauscharmer Laser24 oder auf die Verbesserung der Laserstabilisierungstechniken25.

Letztendlich ist die Auflösung von IFS jedoch durch das intrinsische thermische Rauschen optischer Fasern begrenzt. Es gibt zwei Arten von thermischem Rauschen in Fasern. Das thermodynamische Rauschen (auch als thermoleitendes Rauschen bekannt), das bei hohen Frequenzen schnell abklingt, dominiert typischerweise bei Frequenzen über 100 Hz26,27. Das thermomechanische Rauschen, das eine spektrale Charakteristik von 1/f aufweist, ist der vorherrschende Mechanismus bei niedrigen Frequenzen (z. B. < 10 Hz)28,29.

Die Erzielung einer durch thermisches Rauschen begrenzten faseroptischen Sensorik ist sowohl attraktiv als auch herausfordernd: attraktiv, weil sie das maximale Auflösungsvermögen darstellt, das ein Sensor möglicherweise erreichen kann; Eine Herausforderung, da das Erreichen des winzigen thermischen Rauschens erfordert, dass ein Sensorsystem sowohl eine extrem hohe Empfindlichkeit als auch ein sehr geringes Systemrauschen aufweist30,31,32. In den letzten drei Jahrzehnten wurden kontinuierlich Anstrengungen unternommen, faseroptische Sensoren zu entwickeln, die mit dem thermischen Rauschpegel arbeiten können1,33,34,35,36,37,38. Im Allgemeinen wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt, um dieses Ziel zu erreichen: i) Frequenzunterscheidung und ii) Phasenunterscheidung. In einem Frequenzdiskriminierungsschema wird ein optischer Resonator wie ein Faser-Bragg-Gitter (FBG)37 oder ein Faser-Fabry-Perot-Interferometer (FFPI)38 verwendet, um ein scharfes Spektralmerkmal (d. h. einen Resonanzpeak) zu erzeugen, das verwendet werden kann als hochempfindlicher optischer Frequenzdiskriminator. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass der Sensor selbst sehr kompakt sein kann, typischerweise in der Größenordnung von einem Meter oder weniger. Der Nachteil liegt jedoch darin, dass sie das Sensorsignal nicht vom Laserrauschen unterscheiden können, was häufig dazu führt, dass der abfragende Laser den größten Einfluss auf die gesamte Sensorauflösung hat39. Um einen durch thermisches Rauschen begrenzten Betrieb mit einem Frequenzdiskriminierungsschema zu erreichen, muss daher entweder ein extrem rauscharmer Laser37 oder ein hochentwickeltes Laserfrequenzstabilisierungssystem30,38 eingesetzt werden. Unterdessen nutzt ein Phasendiskriminierungsschema die Phasenempfindlichkeit eines herkömmlichen Doppelpfad-Interferometers, wie etwa des Michelson36, des Mach-Zehnder35 oder der Sagnac-Konfiguration33. Die Anforderungen an den Abfragelaser sind viel geringer, da das Phasen-/Frequenzrauschen des Lasers in diesen Interferometern ein Gleichtaktrauschen ist. Andererseits sind Phasendiskriminierungssensoren oft recht sperrig und haben Armlängen von deutlich mehr als zehn oder sogar hundert Metern, damit sie eine ausreichende Phasenempfindlichkeit erreichen35,36. Sie sind nicht nur schwer zu verpacken, sondern auch sehr anfällig für umweltbedingte Schwankungen.

In diesem Artikel berichten wir über die Demonstration eines neuen Typs von ultrahochauflösendem IFS: einem Mach-Zehnder-Fabry-Perot-Hybridinterferometer (MZ-FP). Das Interferometer kombiniert eine traditionelle Doppelpfadkonfiguration mit faseroptischen Resonatoren, um die Mängel der früheren IFS-Systeme zu überwinden. Dies führt zu einem kompakten IFS-System, das bei der Abfrage durch einen handelsüblichen Diodenlaser auf dem thermischen Rauschniveau arbeiten kann. Darüber hinaus wurde ein bodenbasiertes Isolationssystem entwickelt, um Dehnungsauflösungen auf Rekordniveau über einen breiten Frequenzbereich zu erreichen.

(a) Ein schematisches Diagramm der im Experiment verwendeten FFPIs. (b) Systemaufbau des MZ-FP-Hybridinterferometers.

Die Idee hinter dem MZ-FP-Hybridinterferometer ist sehr einfach: Ein Zweipfad-Interferometer wie ein Mach-Zehnder ist ideal, um die Auswirkungen des Laserrauschens abzuschwächen, erfordert jedoch lange Arme, um die gewünschte Phasenempfindlichkeit zu erreichen. Mittlerweile bietet ein optischer Resonator wie ein Fabry-Perot eine hohe Empfindlichkeit in Miniaturgröße, da er effektiv einen langen optischen Pfad in einem kleinen Gehäuse faltet. Wenn wir nun die beiden langen Arme eines Mach-Zehnder durch zwei identische Fabry-Perots ersetzen, kann die resultierende Hybridkonfiguration im Prinzip die Vorteile beider Schemata beibehalten. Das Konzept der MZ-FP-Hybridinterferometer wurde erstmals von einem von uns in einem früheren Bericht entwickelt39. Der vorliegende Beitrag konzentriert sich auf seine experimentelle Umsetzung.

Abbildung 1 zeigt unseren Versuchsaufbau. Zwei kommerzielle FFPIs (Micron Optics, FFP-SI), wie in Abb. 1a dargestellt, sind in Konfiguration und Spezifikationen identisch, jeweils mit einer Hohlraumlänge von 1 m, einem freien Spektralbereich von 105 MHz und einer Linienbreite von 116 kHz. An beiden Enden der FFPIs sind mehrschichtige dielektrische Spiegel beschichtet, wodurch sie eine hohe Feinheit von etwa 902 erreichen können. Mit einem meterlangen Hohlraum aus Singlemode-Fasern (SMF) macht jeder FFPI einen effektiven Faserpfad von etwa 574 aus m bei Betrieb auf Resonanz39,40. An jedem FFPI ist ein piezoelektrischer (PZT) Aktuator angebracht, um eine Feineinstellung der Hohlraumlänge zu ermöglichen. Der gesamte Versuchsaufbau ist in Abb. 1b dargestellt. Das Interferometer wird von einem kommerziellen Einzelfrequenz-Diodenlaser (RIO, Orion) abgefragt, der bei 1550,1 nm und einer Linienbreite von unter 1 kHz arbeitet. Zwei Faserkoppler, FC1 und FC2, bilden die Doppelpfadkonfiguration für das MZ-Interferometer, in dessen beiden Armen die beiden FFPIs, hier FFPI-1 und FFPI-2 genannt, eingesetzt sind. Ein Fotodetektor (PD), der FC2 folgt, prüft die interferometrische Ausgabe. Im Resonanzbetrieb beträgt die Einfügungsdämpfung der beiden FFPIs etwa 5 dB. Das MZ-FP-Interferometer hat einen Gesamteinfügedämpfung (unter der Quadraturbedingung) von 15 dB aufgrund zusätzlicher Faserkoppler, die in das Interferometer eingefügt sind (in Abb. 1b nicht gezeigt) für PDH-Verriegelungs- und Signalüberwachungszwecke.

Um einen optimalen Betrieb dieses Hybridinterferometers zu gewährleisten, müssen zunächst zwei technische Herausforderungen bewältigt werden: i) beide FFPIs müssen in der Lage sein, über längere Zeiträume (Minuten oder länger) gleichzeitig in Resonanz mit dem Laser zu bleiben, und ii) Schwankungen, die durch verursacht werden Umgebungsgeräusche müssen auf einen Wert unter dem Niveau des thermischen Faserrauschens unterdrückt werden. Um die erste Herausforderung zu bewältigen, wird ein Pound-Drever-Hall-System (PDH) verwendet, um die Laserfrequenz auf einen Resonanzpeak von FFPI-1 zu fixieren, wie in Abb. 1b dargestellt. Darüber hinaus sind FFPI-1 und FFPI-2 in einer Glasfaserbox versiegelt, um sie in der gleichen isolierten Umgebung zu halten. Durch Anlegen einer Gleichspannung an den PZT-Aktuator im FFPI-2 kann die Resonanzfrequenz des FFPI-2 an die Frequenz des Lasers angepasst werden. Dadurch kann der Laser gleichzeitig mit beiden FFPIs in Resonanz sein. Da die beiden FFPIs zusammen verpackt sind, unterliegen sie ähnlichen Schwankungen, was dazu beiträgt, den Resonanzzustand mehrere Minuten lang aufrechtzuerhalten, selbst wenn keine direkte Frequenzkopplung zwischen FFPI-2 und dem Laser besteht. Um umweltbedingte Phasenschwankungen zu unterdrücken, ist das gesamte MZ-Interferometer in einer großen Glasfaserkammer montiert, die in alle Richtungen mit einer 2-Zoll-Schicht Gartenerde isoliert ist. Aufgrund seiner hervorragenden thermischen und akustischen Isolationseigenschaften wird hier der Boden als Dämmmaterial gewählt41. Die Kammer wird auf einem Vibrationsisolator (Minus K, BM-1) platziert, um niederfrequente Vibrationen vom Boden zu blockieren.

Die relative Phasenschwankung zwischen den beiden FFPIs ist ein wichtiges Maß für die Stabilität des MZ-FP-Interferometers. Zur besseren Charakterisierung ist in einem der MZ-Arme ein fasergekoppelter akusto-optischer Frequenzschieber (AOFS) installiert. Das AOFS wird von einem harmonischen 50-MHz-Signal angetrieben, was zu einer 50-MHz-Schwebungsnote bei PD führt. Ein Teil der Schwebungsnote wird zur Allen-Abweichungsmessung an einen Frequenzzähler (SRS SR620) gesendet. Die verbleibende Schwebungsnote wird in das Basisband frequenzverschoben, indem sie mit dem ursprünglichen Treibersignal in Quadratur zur Phasenrauschanalyse gemischt wird, die von einem Oszilloskop (Keysight DSOX3034T) und einem dynamischen Fourier-Transformationssignalanalysator (DSA) (SRS, SR785).

(a) Ein Beat-Note-Signal zwischen den beiden MZ-FP-Armen weist eine FWHM von etwa 60 MHz auf. (b) Die Allen-Abweichungen der Schlagnote. Einschub: Langsame Schwankungen der relativen Phase zwischen den MZ-FP-Armen nahe dem Quadraturpunkt. Die 1-Hz-Phasenmodulation wird absichtlich zu Kalibrierungszwecken hinzugefügt.

Wie bereits erwähnt, hängt der ordnungsgemäße Betrieb des MZ-FP-Hybridinterferometers von der gleichzeitigen Resonanz beider FFPIs mit dem Laser ab. Da der Laser frequenzgekoppelt an FFPI-1 ist, bestimmen die relativen Phasenschwankungen zwischen FFPI-1 und FFPI-2 die Wirksamkeit des Schemas. Diese Schwankungen prägen sich in der 50-MHz-Schwebungsnote als übermäßiges Frequenzrauschen ein, das in verschiedenen Zeitskalen sorgfältig gemessen wurde. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Abb. 2 zusammengefasst. Abbildung 2a zeigt das Spektrum der Schwebungsnote, die einen Full-Width-Half-Maximum-Wert (FWHM) von 60 MHz aufweist. Zur Messung des Spektrums wird das 50-MHz-Signal auf 1 Hz heruntergeregelt und anschließend mit dem DSA analysiert. Die Torzeit des DSA beträgt 256 s, was zu einer Frequenzauflösung von 3,9 MHz führt. Die Zeitbereichscharakterisierung der Schwebungsnote wurde ebenfalls mit dem Frequenzzähler durchgeführt, und das Ergebnis ist in Abb. 2b als Allan-Abweichung dargestellt. Bemerkenswert ist hier, dass die Allen-Abweichung ihren Minimalwert von \(4,56\times 10^-{^8}\) bei einer Torzeit von 100 s erreicht, bevor sie bei längeren Torzeiten wieder zurückspringt, was auf die Dominanz der langsamen Frequenzdrift hinweist. Eine solche langsame Drift kann im Zeitbereich beobachtet werden, indem die Schwankung der Basisband-Schwebungsnote unter der Quadraturbedingung überwacht wird. Ein Beispiel einer solchen Messung ist im Einschub von Abb. 2b für eine Dauer von 30 s dargestellt. Hier wird dem 50-MHz-Lokaloszillator absichtlich eine 1-Hz-Phasenmodulation mit einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von 50 Grad hinzugefügt. Dadurch wird eine 1-Hz-Schwingung in der Schlagnote erzeugt, die es uns ermöglicht, die langsame Drift der Schlagnote in Bezug auf die Phase zu kalibrieren. Insgesamt haben wir festgestellt, dass die Quadraturbedingung nach der Optimierung typischerweise mehrere Minuten lang aufrechterhalten werden kann, was die Machbarkeit des MZ-FP-Hybridschemas bestätigt. Eine solche Zeitskala lässt sich auch daran erkennen, dass Allan-Abweichungen bei Torzeiten von bis zu 500 s erfolgreich erfasst wurden.

Gemessene MZ-FP-Antworten unter harmonischen Spannungsmodulationen verschiedener Amplituden bei 100 Hz, 300 Hz, 700 Hz und 1 kHz. Für Daten bei 300 Hz werden lineare Anpassung und Steigung angegeben. Einschub: Der Interferometerausgang aufgrund eines 52-\(p\varepsilon \)-Signals zeigt ein Signal-Rausch-Verhältnis von \(\sim 51\) dB.

Um das MZ-FP-Interferometer als faseroptischen Sensor zu demonstrieren, werden dynamische Dehnungssignale in einen der FFPIs eingespeist, indem eine harmonische Modulation auf seinen PZT-Aktuator angewendet wird, und die resultierende interferometrische Reaktion wird überwacht. Die tatsächlich auf den FFPI ausgeübte Belastung wird anhand der vom Hersteller angegebenen PZT-Reaktion kalibriert, die in unserem Experiment unabhängig überprüft wird. Abbildung 3 zeigt die gemessene MZ-FP-Reaktion, wenn diese Dehnungsmodulation bei 300 Hz mit verschiedenen Amplituden erfolgt. Der MZ-FP-Ausgang zeigt eine gute Linearität gegenüber dem Eingangsdehnungssignal auf einer dB-Log-Skala, wie die lineare Anpassung und die resultierende Steigung zeigen. Der Einschub in Abbildung 3 zeigt den tatsächlichen Dehnungsmodulationspeak, der am Ausgang des Interferometers aufgrund einer winzigen Dehnungsamplitude von 52 p\(\varepsilon \) erkannt wurde. Dies ist die niedrigste Dehnungsamplitude, die wir mit dem PZT-Aktuator zuverlässig erzeugen können, und der Spitzenwert liegt immer noch 51 dB über dem Grundrauschen, was auf ein sehr hohes Maß an Dehnungsauflösung hinweist. Ähnliche Dehnungs-Reaktionsmessungen wurden auch bei anderen Modulationsfrequenzen durchgeführt, z. B. 100 Hz, 700 Hz und 1000 Hz, und die entsprechenden Datenpunkte sind in Abb. 3 enthalten.

Rauschbegrenzte Auflösung des MZ-FP-Interferometers (in Dehnung und Phase). Außerdem werden theoretische Vorhersagen zum Grundrauschen aufgrund des thermischen Faserrauschens gezeigt, was auf einen durch thermisches Rauschen begrenzten Betrieb bei Frequenzen über 10 Hz hinweist.

Die rauschbegrenzte Auflösung ist ein Schlüsselparameter für ein IFS. Das Grundrauschen des MZ-FP-Interferometers wurde mit dem DSA über einen Zeitraum von sechs Jahrzehnten mit Fourier-Frequenzen (0,1 - \(10^5\) Hz) erfasst. Dies ist in Abb. 4 sowohl hinsichtlich der Dehnungs- als auch der Phasenauflösung dargestellt. Die Dehnungsauflösung wird durch Kalibrierung des gemessenen Rauschspektrums (in der Einheit dBV/\(\sqrt{Hz}\)) unter Verwendung der in Abb. 3 angegebenen linearen Dehnungsreaktionssteigung erhalten. Die Phasenauflösung wird aus der Dehnungsauflösung basierend auf berechnet die Beziehung \(\delta \varphi = 2\pi (l/\lambda )\varepsilon \), wobei l die effektive Armlänge des Interferometers ist, \(\lambda \) die Wellenlänge ist und \(\varepsilon \) ist Belastung. Beachten Sie, dass l über die Beziehung \(l=(2/\pi )\mathscr {F}l_c\) mit der Länge des FFPI \(l_c\) zusammenhängt, wobei \(\mathscr {F}\) ist Finesse des FFPI40. Die Phasenrauschskala wird auch unabhängig durch einen Phasenkalibrierungsprozess überprüft, der bei der Darstellung in Abb. 2b (Einschub) verwendet wurde, und das Ergebnis stimmt sehr gut mit dem berechneten Ergebnis überein. Basierend auf Abb. 4 weist das Rauschspektrum einen allmählichen Abfall bei hohen Frequenzen (> 1 kHz), einen relativ flachen Bereich im mittleren Frequenzbereich (10 Hz–1 kHz) und einen schnellen Anstieg bei den niedrigen Frequenzen auf -Frequenzende (< 10 Hz), die qualitativ dem allgemeinen Verhalten des thermischen Rauschens der Faser entsprechen39.

Um einen quantitativen Vergleich zwischen dem gemessenen Rauschspektrum und der theoretischen Vorhersage des thermischen Faserrauschens durchzuführen, werden sowohl das thermodynamische Rauschen als auch das thermomechanische Rauschen auf Basis der etablierten Modelle29 berechnet. Die Berechnung folgt der von Duan für die MZ-FP-Konfiguration39 dargelegten Strategie und verwendet für SMF-28-Fasern spezifische Parameter, einschließlich eines effektiven Brechungsindex von 1,468 und eines Temperaturkoeffizienten für den Brechungsindex von \(9,2\times 10^-{^6 }\)/K, ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von \(5,5\times 10^-{^7}\)/K, eine Wärmeleitfähigkeit von 1,37 W/(mK), eine thermische Diffusionsfähigkeit von \(8,2\times 10^ -{^7}\) m\(^2\)/s, Randbedingungsparameter von \(3,846\times 10^5\)/m und \(3,848\times 10^4\)/m und ein Young's Modul von 68 GPa36,42. Die resultierenden theoretischen Kurven sind auch in Abb. 4 dargestellt. Aus Abb. 4 ist ersichtlich, dass das gemessene Rauschspektrum unseres MZ-FP-Interferometers sehr gut mit dem thermodynamischen Rauschspektrum bei Fourier-Frequenzen über 10 Hz übereinstimmt, was auf das Erreichen thermischer Werte hinweist -Rauschbegrenzte Auflösung in diesem Frequenzbereich. Unterhalb von 10 Hz zeigt das Grundrauschen jedoch deutliche Anzeichen einer Niederfrequenzdrift und bleibt über dem vorhergesagten thermomechanischen Rauschen. Beachten Sie, dass die Rauschspitzen bei 60 Hz, 180 Hz, 300 Hz und 540 Hz in der experimentellen Kurve wahrscheinlich auf austretendes Stromleitungsrauschen zurückzuführen sind, während die Rauschstöße um 30 Hz und 5 Hz vermutlich durch ein verbleibendes Ungleichgewicht zwischen diesen verursacht werden die beiden FFPIs mechanischen und/oder elektronischen Ursprungs. Die Hochfrequenzspitze bei 58 kHz wird durch die PDH-Lockbox eingeführt. Es ist hier erwähnenswert, dass ein ähnlicher Versuch, der auf einem einzelnen meterlangen FFPI-Sensor basiert, ebenfalls durchgeführt wurde, jedoch aufgrund der Dominanz des Laserrauschens die thermische Rauschgrenze nicht erreichte22,23. Dies unterstreicht den Vorteil des MZ-FP-Hybridschemas, da es die Auswirkungen des Laserrauschens erheblich abschwächt.

Da sich das Grundrauschen des MZ-FP-Interferometers der durch das thermische Rauschen der Faser vorgegebenen Grenze nähert, wurden rekordverdächtige Dehnungsauflösungen erreicht. Tabelle 1 listet die gemessenen Dehnungsauflösungen bei sechs dekadischen Frequenzen zwischen 1 Hz und 100 kHz (obere Reihe) sowie die besten Ergebnisse auf, die zuvor bei diesen Frequenzen gemeldet wurden23,37,38. Beachten Sie, dass einige der früheren Aufzeichnungen auf der Grundlage grafischer Ergebnisse geschätzt wurden, da in diesen Berichten keine genauen Werte der Dehnungsauflösung bei diesen Frequenzen angegeben sind. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass das MZ-FP-Hybridinterferometer über einen breiten Frequenzbereich (mit der einzigen Ausnahme bei 1 kHz) rekordverdächtige Dehnungsauflösungen erreicht hat. In einigen Fällen, z. B. bei 100 kHz, beträgt die Verbesserung gegenüber der vorherigen Aufzeichnung fast den Faktor 10. Diese Ergebnisse zeigen die Überlegenheit der MZ-FP-Hybridkonfiguration als Schema für die faseroptische Erfassung mit ultrahoher Auflösung.

Zusammenfassend berichten wir über die Entwicklung eines neuen IFS-Typs, der auf einer MZ-FP-Hybridkonfiguration aufbaut. Durch die Verwendung identischer FFPIs als optische Pfadvervielfacher und mit Hilfe eines bodenbasierten Isolationssystems hat das Interferometer die Fähigkeit bewiesen, extrem hohe Auflösungen zu erreichen, die nur durch das intrinsische thermische Rauschen in optischen Fasern über einen breiten Frequenzbereich begrenzt sind. Die rauschbegrenzten Dehnungsauflösungen betragen 40 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(}Hz)\) bei 10 Hz und 1 f\(\varepsilon \)/\(\sqrt{(} Hz)\) bei 100 kHz, was bei weitem die beste Dehnungsauflösung ist, die jemals für ein IFS berichtet wurde. Das einzigartige Hybridschema ermöglicht es dem MZ-FP-Interferometer, die Vorteile einer Doppelpfadkonfiguration und optischer Resonatoren zu kombinieren und so einen durch thermisches Rauschen begrenzten Betrieb nur mit handelsüblichen Komponenten zu ermöglichen. Bei einer geeigneten Skalierung ist es denkbar, dass mit solchen Hybridkonfigurationen problemlos Atto-Dehnungsauflösungen im Ultraschallfrequenzbereich erreicht werden können. Daher hoffen wir, dass diese Arbeit einen praktikablen Weg für zukünftiges Atto-Stamm-IFS aufzeigt.

Die Autoren erklären, dass die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Artikel verfügbar sind. Alle weiteren relevanten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde teilweise von der National Science Foundation im Rahmen des Grant ECCS-1606836 und vom Alabama Graduate Research Scholars Program (Runde 14, 15 und 16) unterstützt.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Nabil Md Rakinul Hoque und Lingze Duan.

Abteilung für Physik und Astronomie, Universität von Alabama in Huntsville, 301 Sparkman Drive, Huntsville, AL, 35899, USA

Nabil Md Rakinul Hoque & Lingze Duan

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LD konzipierte das Experiment und entwarf die Apparatur. NMRH entwickelte die Versuchsapparatur, führte das Experiment durch und analysierte die Ergebnisse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Lingze Duan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hoque, NMR, Duan, L. Ein Mach-Zehnder-Fabry-Perot-Hybrid-Faseroptik-Interferometer, das an der Grenze des thermischen Rauschens arbeitet. Sci Rep 12, 12130 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16474-y

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Eingegangen: 13. Mai 2022

Angenommen: 11. Juli 2022

Veröffentlicht: 15. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16474-y

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