ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-3-442-449ntv-238Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGВысокоточный волоконно-оптический датчик температуры на основе интерферометра Фабри–Перо с отражающими тонкопленочными многослойными структурамиHigh-precision fiber-optic temperature sensor based on Fabry-Perot interferometer with reflective thin-film multilayer structureshttps://orcid.org/0000-0002-1624-2659МоорЯ. Д.MoorI. D.

Моор Янина Дмитриевна — инженер

Санкт-Петербург, 197101

sc 57214998978

 

Ianina D. Moor — Engineer

Saint Petersburg, 197101

sc 57214998978

yanoti@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8888-3527КонновК. А.KonnovK. A.

Коннов Кирилл Александрович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 56032492300

Kirill A. Konnov — PhD (Physics & Mathematics), Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 56032492300

kirillkonnov1991@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2506-0379ПлотниковМ. Ю.PlotnikovM. Yu.

Плотников Михаил Юрьевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 57193069973

Michael Yu. Plotnikov — PhD, Senior Researcher

Saint Petersburg

sc 57193069973

plotnikov-michael@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7988-5854ВолковА. В.VolkovA. V.

Волков Антон Валерьевич — кандидат технических наук, научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 57194565170

Anton V. Volkov — PhD, Scientific Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 57194565170

avvolkov9223@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3120-8109ВаржельС. В.VarzhelS. V.

Варжель Сергей Владимирович — кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 55247304200

Sergey V. Varzhel — PhD, Associate Professor, Senior Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 55247304200

Vsv187@gmail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8256-973XКонновД. А.KonnovD. A.

Коннов Дмитрий Александрович — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Dmitriy A. Konnov — Engineer

Saint Petersburg, 197101

dakonnov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7151-9235СтригалевВ. Е.StrigalevV. E.

Стригалев Владимир Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, доцент, профессор

Санкт-Петербург, 197101

sc 6603225596

Vladimir E. Strigalev — PhD (Physics & Mathematics), Associate Professor, Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 6603225596

vstrglv@mail.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202216122024223442449Copyright © Моор Я.Д., Коннов К.А., Плотников М.Ю., Волков А.В., Варжель С.В., Коннов Д.А., Стригалев В.Е., 20242024Моор Я.Д., Коннов К.А., Плотников М.Ю., Волков А.В., Варжель С.В., Коннов Д.А., Стригалев В.Е.Moor I.D., Konnov K.A., Plotnikov M.Y., Volkov A.V., Varzhel S.V., Konnov D.A., Strigalev V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/238Предмет исследования

Предмет исследования. Предложен вариант реализации волоконно-оптического датчика температуры на основе интерферометра Фабри–Перо и схема опроса экспериментального образца датчика. Предложенное решение позволяет не применять дорогостоящие спектральные измерительные устройства (анализатор спектра, интеррогатор). Определены область свободной дисперсии и фазовая чувствительность разработанного интерферометра Фабри–Перо в диапазоне температур от 20 °С до 590 °С. Рассчитана точность измерения температуры окружающей среды. Выполнена оценка долговременной стабильности измерительной установки при комнатной температуре. Зарегистрирован сдвиг фазы интерферометра Фабри–Перо при изменении температуры.

Метод

Метод. Конструкция интерферометра Фабри–Перо реализована с применением отражающих тонкопленочных многослойных структур, полученных путем поэтапного электронно-лучевого напыления в вакууме на полированные торцевые сколы оптического волокна. Метод опроса интерферометра основан на применении вертикально-излучающего лазера оптического диапазона (VCSEL), работающего в импульсном режиме. Принцип регистрации сдвига фазы интерферометра при изменении температуры использован для выполнения вспомогательной модуляции излучения лазера по длине волны за счет периодического изменения длительности оптических импульсов. Вспомогательная модуляция позволяет получить в сигнале интерферометра дополнительные гармонические составляющие, которые применяются при гомодинной демодуляции и восстановлении сигнала сдвига фазы интерферометра, пропорционального изменению оптической разности хода лучей между зеркалами интерферометра.

Основные результаты

Основные результаты. Конструкция высокотемпературного датчика реализована на основе интерферометра Фабри–Перо, отражающие зеркала которого представляют собой пять чередующихся слоев тонких пленок диоксида титана и оксида алюминия. По результатам температурного эксперимента сделан вывод, что увеличение температуры окружающей среды приводит к уменьшению области свободной дисперсии интерферометра Фабри–Перо. Полученные результаты соответствуют теоретическим данным. Показано, что фазовая чувствительность интерферометра к изменению температуры составляет 0,94 рад/К. Точность измерений температуры по уровню 3σ равна 0,017 К.

Практическая значимость

Практическая значимость. Результаты исследования могут иметь важное значение при создании систем мониторинга температур свыше 300 °С. Применение подобного интерферометра позволит проводить высокоточные относительные измерения температуры.

An embodiment of a fiber-optic temperature sensor based on a Fabry-Perot interferometer and a scheme for interrogating an experimental sample of the sensor are proposed. The proposed solution makes it possible not to use expensive spectral measuring devices (spectrum analyzer, interrogator). The region of free dispersion and the phase sensitivity of the developed Fabry-Perot interferometer were determined in the temperature range from 20 °C to 590 °C. The accuracy of measuring the ambient temperature is calculated. The long-term stability of the measuring setup at room temperature has been evaluated. The phase shift of the Fabry-Perot interferometer with temperature change was registered. The design of the Fabry-Perot interferometer is implemented using reflective thin-film multilayer structures obtained by stage-bystage electron-beam deposition in vacuum on polished end cleavages of an optical fiber. The interferometer interrogation method is based on the use of a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) operating in a pulsed mode. The principle of registering the phase shift of the interferometer with a change in temperature is based on the use of auxiliary modulation of laser radiation along the wavelength due to modulation (periodic change) of the duration of optical pulses. Auxiliary modulation makes it possible to obtain additional harmonic components in the interferometer signal, which are further used in homodyne demodulation to restore the interferometer phase shift signal proportional to the change in the optical path difference between the interferometer mirrors. The design of the high-temperature sensor is based on a Fabry-Perot interferometer the reflecting mirrors of which are five alternating layers of thin films of TiO2 and Al2O3. Based on the results of the temperature experiment, it was concluded that an increase in the ambient temperature leads to a decrease in the free dispersion region of the Fabry-Perot interferometer. The conclusion made is consistent with the theoretical data. According to the results of the experiment, it is shown that the phase sensitivity of the interferometer to temperature changes is 0.94 rad/K. The accuracy of temperature measurements at the 3σ level was 0.017 K. The results of the study may be of great importance in creating systems for monitoring temperatures above 300 °C. The use of such an interferometer makes it possible to carry out high-precision relative temperature measurements.

интерферометр Фабри–Перовысокотемпературный датчикобласть свободной дисперсиифазовая чувствительностьсигнал сдвига фазычувствительность интерферометраFabry-Perot interferometerhigh temperature sensorfree spectral rangephase sensitivityphase drift signalinterferometer sensitivityРабота выполнена при финансовой поддержке программы «Приоритет 2030».The work is financially supported by Priority 2030 programReferencesKashyap R. Fiber Bragg Gratings. San Diego, CA: Academic Press, 1999. 478 p.Kashyap R. Fiber Bragg Gratings. San Diego, CA, Academic Press, 1999, 478 p.Мешковcкий И.К., Варжель С.В., Беликин М.Н., Куликов А.В., Брунов В.С. Термический отжиг решеток Брэгга при изготовлении волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 5. С. 91–93.Meshkovsky I.K., Varzhel S.V., Belikin M.N., Kulikov A.V., Brunov V.S. Thermal annealing of Bragg grating on manufacturing of fiber-optic phase sensor. Journal of Instrument Engineering, 2013, vol. 56, no. 5, pp. 91–93. (in Russian)Liao C.R., Wang D.N. Review of femtosecond laser fabricated fiber Bragg gratings for high temperature sensing // Photonic Sensors. 2013. V. 3. N 2. P. 97–101. https://doi.org/10.1007/s13320-012-0060-9Liao C.R., Wang D.N. Review of femtosecond laser fabricated fiber Bragg gratings for high temperature sensing. Photonic Sensors, 2013, vol. 3, no. 2, pp. 97–101. https://doi.org/10.1007/s13320-012-0060-9Минкин А.М., Созонов Н.С., Фадеев К.М., Шевцов Д.И. Миниатюрный волоконно-оптический датчик давления на основе интерферометра Фабри-Перо // II Всеросийская конференции «Оптическая рефлектометрия – 2018»: сборник тезисов докладов. 2018. С. 86–89.Minkin A.M., Sozonov N.S., Fadeev K.M., Shevtcov D.I. Miniature fiber-optic pressure sensor based on the Fabry–Pérot interferometer. Proc. of the 2nd All-Russian Conference «Optical Reflexometry-2018», 2018, pp. 86–89. (in Russian)Pratt D.J. Optical wavelength sensor: Patent РСТ WO1995020144A1. 1995.Pratt D.J. Optical wavelength sensor. Patent РСТ WO1995020144A1, 1995.Egorova O.N., Vasil’ev S.A., Likhachev I.G., Sverchkov S.E., Galagan B.I., Denker B.I., Semjonov S.L., Pustovoi V.I. A Fabry–Perot interferometer formed in the core of a composite optical fibre heavily doped with phosphorus oxide // Quantum Electronics. 2019. V. 49. N 12. P. 1140–1144. https://doi.org/10.1070/QEL17133Egorova O.N., Vasil’ev S.A., Likhachev I.G., Sverchkov S.E., Galagan B.I., Denker B.I., Semjonov S.L., Pustovoi V.I. A Fabry– Perot interferometer formed in the core of a composite optical fibre heavily doped with phosphorus oxide. Quantum Electronics, 2019, vol. 49, no. 12, pp. 1140–1144. https://doi.org/10.1070/QEL17133Huang C., Xie W., Lee D., Qi C., Yang M., Wang M., Tang J. Optical fiber humidity sensor with porous TiO2/SiO2/TiO2 coatings on fiber tip // IEEE Photonics Technology Letters. 2015. V. 27. N 14. P. 1495–1498. https://doi.org/10.1109/LPT.2015.2426726Huang C., Xie W., Lee D., Qi C., Yang M., Wang M., Tang J. Optical fiber humidity sensor with porous TiO2/SiO2/TiO2 coatings on fiber tip. IEEE Photonics Technology Letters, 2015, vol. 27, no. 14, pp. 1495–1498. https://doi.org/10.1109/LPT.2015.2426726Агафонова Д.С. Волоконно-оптический датчик температуры. Патент RU155334U1. Бюл. 2015. № 28.Agafonova D.S. Fiber optical temperature sensor. Patent RU155334U1, 2015. (in Russian)Egorova O.N., Semjonov S.L., Velmiskin V.V., Yatsenko Yu.P., Sverchkov S.E., Galagan B.I., Denker B.I., Dianov E.M. Phosphatecore silica-clad Er/Yb-doped optical fiber and cladding pumped laser // Optics Express. 2014. V. 22. N 7. P. 7632–7637. https://doi.org/10.1364/OE.22.007632Egorova O.N., Semjonov S.L., Velmiskin V.V., Yatsenko Yu.P., Sverchkov S.E., Galagan B.I., Denker B.I., Dianov E.M. Phosphatecore silica-clad Er/Yb-doped optical fiber and cladding pumped laser. Optics Express, 2014, vol. 22, no. 7, pp. 7632–7637. https://doi.org/10.1364/OE.22.007632Duan D.W., Rao Y., Hou Y.-S., Zhu T. Microbubble based fiber-optic Fabry-Perot interferometer formed by fusion splicing single-mode fibers for strain measurement // Applied Optics. 2012. V. 51. N 8. P. 1033–1036. https://doi.org/10.1364/AO.51.001033Duan D.W., Rao Y., Hou Y.-S., Zhu T. Microbubble based fiber-optic Fabry-Perot interferometer formed by fusion splicing single-mode fibers for strain measurement. Applied Optics, 2012, vol. 51, no. 8, pp. 1033–1036. https://doi.org/10.1364/AO.51.001033Machavaram V.R., Badcock R.A., Fernando G.F. Fabrication of intrinsic fibre Fabry-Perot sensors in silica fibres using hydrofluoric acid etching // Sensors and Actuators, A: Physical. 2007. V. 138. P. 248–260. https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.04.007Machavaram V.R., Badcock R.A., Fernando G.F. Fabrication of intrinsic fibre Fabry-Perot sensors in silica fibres using hydrofluoric acid etching. Sensors and Actuators, A: Physical, 2007, vol. 138, pp. 248–260. https://doi.org/10.1016/j.sna.2007.04.007Liu S., Wang Y., Liao C., Wang G., Li Z., Wang Q., Zhou J., Yang K., Zhong X., Zhao J., Tang J. High-sensitivity strain sensor based on in-fiber improved Fabry–Perot interferometer // Optics Letters. 2014. V. 39. N 7. P. 2121–2124. https://doi.org/10.1364/OL.39.002121Liu S., Wang Y., Liao C., Wang G., Li Z., Wang Q., Zhou J., Yang K., Zhong X., Zhao J., Tang J. High-sensitivity strain sensor based on in-fiber improved Fabry–Perot interferometer. Optics Letters, 2014, vol. 39, no. 7, pp. 2121–2124. https://doi.org/10.1364/OL.39.002121Ma Z., Pang F., Liu H., Chen Z., Wang T. Air microcavity formed in sapphire-derived fiber for high temperature sensing // Proc. of the 26th International Conference on Optical Fiber Sensors. 2018. P. WF48. https://doi.org/10.1364/OFS.2018.WF48Ma Z., Pang F., Liu H., Chen Z., Wang T. Air microcavity formed in sapphire-derived fiber for high temperature sensing. Proc. of the 26th International Conference on Optical Fiber Sensors, 2018, pp. WF48. https://doi.org/10.1364/OFS.2018.WF48Терентьев В.С., Симонов В.А. Метод моделирования асимметричного зеркала для дифракционного отражательного интерферометра в одномодовом волокне // Прикладная фотоника. 2017. Т. 4. № 2. С. 107–120.Terent’ev V.S., Simonov V.A. High-finesse multiple-beam reflection interferometer based on dielectric diffraction structure in a single-mode fiber. Applied Photonics, 2017, vol. 4, no. 2, pp. 107–120. (in Russian)Тертышник А.Д., Волков П.В., Горюнов А.В., Лукьянов А.Ю. Волоконно-оптический интерференционный датчик температуры. Патент RU2466366C1. Бюл. 2012. № 31.Tertyshnik A.D., Volkov P.V., Gorjunov A.V., Luk’janov A.J. Fibreoptic interference temperature sensor. Patent RU2466366C1, 2012. (in Russian)Bennett J.M., Pelletier E., Albrand G., Borgogno J.P., Lazarides B., Carniglia C.K., Schmell R.A., Allen T.H., Tuttle-Hart T., Guenther K.H., Saxer A. Comparison of the properties of titanium dioxide films prepared by various techniques // Applied Optics. 1989. V. 28. N 16. P. 3303–3317. https://doi.org/10.1364/AO.28.003303Bennett J.M., Pelletier E., Albrand G., Borgogno J.P., Lazarides B., Carniglia C.K., Schmell R.A., Allen T.H., Tuttle-Hart T., Guenther K.H., Saxer A. Comparison of the properties of titanium dioxide films prepared by various techniques. Applied Optics, 1989, vol. 28, no. 16, pp. 3303–3317. https://doi.org/10.1364/AO.28.003303Hirsch M., Majchrowicz D., Wierzba P., Weber M., Bechelany M., Jędrzejewska-Szczerska M. Low-coherence interferometric fiber-optic sensors with potential applications as biosensors // Sensors. 2017. V. 17. N 2. P. 261. https://doi.org/10.3390/s17020261Hirsch M., Majchrowicz D., Wierzba P., Weber M., Bechelany M., Jędrzejewska-Szczerska M. Low-coherence interferometric fiber-optic sensors with potential applications as biosensors. Sensors, 2017, vol. 17, no. 2, pp. 261. https://doi.org/10.3390/s17020261Lee D., Yang M., Huang C., Dai J. Optical fiber high-temperature sensor based on dielectric films extrinsic Fabry–Pérot cavity // IEEE Photonics Technology Letters. 2014. V. 26. N 21. P. 2107–2110. https://doi.org/10.1109/LPT.2014.2346622Lee D., Yang M., Huang C., Dai J. Optical fiber high-temperature sensor based on dielectric films extrinsic Fabry–Pérot cavity. IEEE Photonics Technology Letters, 2014, vol. 26, no. 21, pp. 2107–2110. https://doi.org/10.1109/LPT.2014.2346622Киреенков А.Ю., Алейник А.С., Плотников М.Ю., Мехреньгин М.В. Способ частотно-импульсной модуляции полупроводникового лазерного источника оптического излучения для опроса оптических интерферометрических датчиков. Патент RU2646420C1. Бюл. 2018. № 7.Kireenkov A.Y., Alejnik A.S., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V. Method of frequency-pulse modulation of a semiconductor laser source of optical radiation for optical interferometric sensors. Patent RU2646420C1, 2018. (in Russian)Киреенков А.Ю. Волоконно-оптические интерферометрические методы для построения измерительных систем на основе поверхностно-излучающего лазера: дисертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.11.01 / НИУ ИТМО. СПб., 2017. 155 с.Kireenkov A.Iu. Fiber-optic interferometric methods for constructing the measuring systems based on a surface-emitting laser. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. St. Petersburg, NIU ITMO, 2017, 155 p. (in Russian)Ефимов М.Е. Метод и аппаратура для регистрации акустической эмиссии и деформаций композитного графит-эпоксидного материала на основе анализа амплитудно-фазовых характеристик сигнала волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо: диссертация на соискание ученой степени. кандидата технических наук: 05.11.01 / НИУ ИТМО. СПб., 2018. 147 с.Efimov M.E. Method and equipment for the recording acoustic emission and deformations of a composite graphite-epoxy material based on the analysis of the amplitude-phase characteristics of the signal from a fiber-optic Fabry-Pérot interferometer. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. St. Petersburg, NIU ITMO, 2018, 147 p. (in Russian)Plotnikov M.Y., Volkov A.V. Adaptive phase noise cancellation technique for fiber-optic interferometric sensors // Journal of Lightwave Technology. 2021. V. 39. N 14. P. 4853–4860. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3075781Plotnikov M.Y., Volkov A.V. Adaptive phase noise cancellation technique for fiber-optic interferometric sensors. Journal of Lightwave Technology, 2021, vol. 39, no. 14, pp. 4853–4860. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3075781Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N 13. P. 4143–4150. http://dx.doi.org/10.1109/JSEN.2017.2704287Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors. IEEE Sensors Journal, 2017, vol. 17, no. 13, pp. 4143–4150. http://dx.doi.org/10.1109/JSEN.2017.2704287Lee C.E., Atkins R.A., Taylor H.F. Performance of a fiber-optic temperature sensor from -200 to 1050°C // Optics Letters. 1988. V. 13. N 11. P. 1038–1040. https://doi.org/10.1364/OL.13.001038Lee C.E., Atkins R.A., Taylor H.F. Performance of a fiber-optic temperature sensor from -200 to 1050°C. Optics Letters, 1988, vol. 13, no. 11, pp. 1038–1040. https://doi.org/10.1364/OL.13.001038Gao H., Jiang Y., Cui Y., Zhang L., Jia J., Jiang L. Investigation on the thermo-optic coefficient of silica fiber within a wide temperature range // Journal of Lightwave Technology. 2018. V. 36. N 24. P. 5881–5886. https://doi.org/10.1109/JLT.2018.2875941Gao H., Jiang Y., Cui Y., Zhang L., Jia J., Jiang L. Investigation on the thermo-optic coefficient of silica fiber within a wide temperature range. Journal of Lightwave Technology, 2018, vol. 36, no. 24, pp. 5881–5886. https://doi.org/10.1109/JLT.2018.2875941

The authors declare that there are no conflicts of interest present.