Fibre segment interferometry using code-division multiplexed optical signal processing for strain sensing applications

A novel optical signal processing scheme for multiplexing fibre segment interferometers is proposed. The continuous-wave, homodyne technique combines code-division multiplexing with single-sideband modulation. It uses only one electro-optic phase modulator to achieve both range separation and quadrature interferometric phase measurement. This scheme is applied to fibre segment interferometry, where a number of long-gauge length interferometric fibre sensors are formed by subtracting pairs of signals from equidistantly placed, weak back reflectors. In this work we give a detailed account of the signal processing involved and, in particular, explore aspects such as electronic bandwidth requirements, noise, crosstalk and linearity, which are important design considerations. A signal bandwidth of ±20 kHz permits the resolution of phase change rates of 2.5 × 104 rad s-1 for each of the four 16.5 m long segments in our setup. We show that dynamic strain resolutions below 0.2 nanostrain Hz-0.5 at 2 m sensor gauge length are achievable, even with an inexpensive diode laser. When used in applications that require only relative strain change measurements, this scheme compares well to more established techniques and can provide high-fidelity yet cost-effective measurements

Distributed Fiber Ultrasonic Sensor and Pattern Recognition Analytics

Ultrasound interrogation and structural health monitoring technologies have found a wide array of applications in the health care, aerospace, automobile, and energy sectors. To achieve high spatial resolution, large array electrical transducers have been used in these applications to harness sufficient data for both monitoring and diagnoses. Electronic-based sensors have been the standard technology for ultrasonic detection, which are often expensive and cumbersome for use in large scale deployments. Fiber optical sensors have advantageous characteristics of smaller cross-sectional area, humidity-resistance, immunity to electromagnetic interference, as well as compatibility with telemetry and telecommunications applications, which make them attractive alternatives for use as ultrasonic sensors. A unique trait of fiber sensors is its ability to perform distributed acoustic measurements to achieve high spatial resolution detection using a single fiber. Using ultrafast laser direct-writing techniques, nano-reflectors can be induced inside fiber cores to drastically improve the signal-to-noise ratio of distributed fiber sensors. This dissertation explores the applications of laser-fabricated nano-reflectors in optical fiber cores for both multi-point intrinsic Fabry–Perot (FP) interferometer sensors and a distributed phase-sensitive optical time-domain reflectometry (φ-OTDR) to be used in ultrasound detection. Multi-point intrinsic FP interferometer was based on swept-frequency interferometry with optoelectronic phase-locked loop that interrogated cascaded FP cavities to obtain ultrasound patterns. The ultrasound was demodulated through reassigned short time Fourier transform incorporating with maximum-energy ridges tracking. With tens of centimeters cavity length, this approach achieved 20kHz ultrasound detection that was finesse-insensitive, noise-free, high-sensitivity and multiplex-scalability. The use of φ-OTDR with enhanced Rayleigh backscattering compensated the deficiencies of low inherent signal-to-noise ratio (SNR). The dynamic strain between two adjacent nano-reflectors was extracted by using 3×3 coupler demodulation within Michelson interferometer. With an improvement of over 35 dB SNR, this was adequate for the recognition of the subtle differences in signals, such as footstep of human locomotion and abnormal acoustic echoes from pipeline corrosion. With the help of artificial intelligence in pattern recognition, high accuracy of events’ identification can be achieved in perimeter security and structural health monitoring, with further potential that can be harnessed using unsurprised learning

Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben

Microwave Photonics for Distributed Sensing

In the past few years, microwave-photonics technologies have been investigated for optical fiber sensing. By introducing microwave modulation into the optical system, the optical detection is synchronized with the microwave modulation frequency. As a result, the system has a high SNR and thus an improved detection limit. In addition, the phase of the microwave-modulated light can be obtained and Fourier transformed to find the time-of-arrival information for distributed sensing. Recently, an incoherent optical-carrier-based microwave interferometry (OCMI) technique has been demonstrated for fully distributed sensing with high spatial resolution and large measurement range. Since the modal interference has little influence on the OCMI signal, the OCMI is insensitive to the types of optical waveguide. Motivated by the needs of distributed measurement in the harsh environment, in the first part of this paper, several OCMI-based sensing systems were built by using special multimode waveguides to perform sensing for heavy duty applications. Driven by an interest on the high-resolution sensing, in the second part of the paper, I propose a coherence-gated microwave photonics interferometry (CMPI) technique, which uses a coherent light source to obtain the optical interference signal from cascaded weak reflectors. The coherence length of the light source is carefully chosen or controlled to gate the signal so that distributed sensing can be achieved. The experimental results indicate that the strain resolution can be better than 0.6 µε using a Fabry-Perot interferometer (FPI) with a cavity length of 1.5 cm. Further improvement of the strain resolution to the 1 nε level is achievable by increasing the cavity length of the FPI to over 1m. The CMPI has also been utilized for distributed dynamic measurement of vibration by using a new signal processing method. The fast time-varying optical interference intensity change induced by the sub-scan rate vibration is recorded in the frequency domain. After Fourier transform, distinctive features are shown at the vibration location in the time domain signal, where the vibration frequency and intensity can be retrieved. The signal processing method supports vibration measurement of multiple points with the measurable frequency of up to 20 kHz

Effect of polarization sensitivity on ultrasmall SOI-based AWG for FBG sensor interrogation

Polarization sensitivity is an important factor that affects the interrogation of ultrasmall arrayed waveguide grating (AWG) for fiber Bragg grating (FBG) sensor. An ultrasmall 1  ×  8 silicon-on-insulator (SoI) AWG with a core size of less than 530  μm  ×  480  μm is proposed in this study. This ultrasmall SoI AWG exhibits good transmission spectra and high polarization sensitivity. The increased channel numbers and tight structure increase the polarization sensitivity of AWG. Temperature interrogation experiments show that the FBG sensor interrogation is drastically affected when the effect of polarization sensitivity on the ultrasmall AWG is sufficiently large

Silicon Carbide And Agile Optics Based Sensors For Power Plant Gas Turbines, Laser Beam Analysis And Biomedicine

Proposed are novel sensors for extreme environment power plants, laser beam analysis and biomedicine. A hybrid wireless-wired extreme environment temperature sensor using a thick single-crystal Silicon Carbide (SiC) chip embedded inside a sintered SiC probe design is investigated and experimentally demonstrated. The sensor probe employs the SiC chip as a Fabry-Perot (FP) interferometer to measure the change in refractive index and thickness of SiC with temperature. A novel temperature sensing method that combines wavelength-tuned signal processing for coarse measurements and classical FP etalon peak shift for fine measurements is proposed and demonstrated. This method gives direct unambiguous temperature measurements with a high temperature resolution over a wide temperature range. An alternative method using blackbody radiation from a SiC chip in a two-color pyrometer configuration for coarse temperature measurement and classical FP laser interferometry via the same chip for fine temperature measurement is also proposed and demonstrated. The sensor design is successfully deployed in an industrial test rig environment with gas temperatures exceeding 1200 C. This sensor is proposed as an alternate to all-electrical thermocouples that are susceptible to severe reliability and lifetime issues in such extreme environments. A few components non-contact thickness measurement system for optical quality semi-transparent samples such as Silicon (Si) and 6H SiC optical chips such as the one used in the design of this sensor is proposed and demonstrated. The proposed system is self-calibrating and ensures a true thickness measurement by taking into account material dispersion in the wavelength band of operation. For the first time, a 100% repeatable all-digital electronically-controlled pinhole laser beam profiling system using a Texas Instruments (TI) Digital Micro-mirror Device (DMD) commonly used in projectors is experimentally demonstrated using a unique liquid crystal image generation system with non-invasive qualities. Also proposed and demonstrated is the first motion-free electronically-controlled beam propagation analyzer system using a TI DMD and a variable focus liquid lens. The system can be used to find all the parameters of a laser beam including minimum waist size, minimum waist location and the beam propagation parameter M2. Given the all-digital nature of DMD-based profiling and all-analog motion-free nature of the Electronically Controlled Variable Focus Lens (ECVFL) beam focus control, the proposed analyzer versus prior-art promises better repeatability, speed and reliability. For the first time, Three Dimensional (3-D) imaging is demonstrated using an electronically controlled Liquid Crystal (LC) optical lens to accomplish a no-moving parts depth section scanning in a modified commercial 3-D confocal microscope. The proposed microscopy system within aberration limits has the potential to eliminate the sample or objective motion-caused mechanical forces that can distort the original sample structure and lead to imaging errors. A signal processing method for realizing high resolution three dimensional (3-D) optical imaging using diffraction limited low resolution optical signals is also proposed