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Jun 10, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11797 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

In questo lavoro, riportiamo un sistema di sensori in fibra twin-core che fornisce una migliore efficienza spettrale, consente il multiplexing e fornisce un basso livello di diafonia. Pezzi della suddetta fibra multicore fortemente accoppiata vengono utilizzati come sensori in una cavità laser che incorpora un amplificatore ottico a semiconduttore pulsato (SOA). Ciascun sensore ha la sua lunghezza di cavità unica e può essere indirizzato individualmente abbinando elettricamente il gating periodico della SOA al tempo di andata e ritorno della cavità del sensore. L'interrogatore agisce come un laser e fornisce uno spettro ristretto con un elevato rapporto segnale-rumore. Inoltre, permette di distinguere la risposta dei singoli sensori anche in caso di spettri sovrapposti. Potenzialmente, il numero di sensori interrogati può essere aumentato in modo significativo, il che è una caratteristica interessante per il rilevamento multipunto.

L'uso delle fibre ottiche nelle applicazioni di rilevamento per il monitoraggio in tempo reale di parametri quali deformazione e temperatura ha suscitato molto interesse, poiché in questi campi è possibile sfruttare le loro proprietà intrinseche come dimensioni ridotte, leggerezza e immunità elettromagnetica. Inoltre, grazie alla loro capacità di essere incorporati in materiali come cemento o compositi e di operare su lunghe distanze, rappresentano un'alternativa interessante per molte applicazioni che richiedono un tracciamento preciso di uno qualsiasi dei parametri sopra menzionati lungo grandi strutture o aree1. A questo scopo viene spesso utilizzato il rilevamento multipunto, che consiste nell'interrogare in modo semplice e versatile più singoli sensori2,3, e la cui risoluzione spaziale è legata alla capacità di discernere tra elementi sensibili adiacenti. Questa configurazione ha acquisito molta rilevanza in particolare per il monitoraggio dello stato delle strutture4,5.

Tra le tecniche di rilevamento multipunto, la più comune è il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda6, in cui ciascun sensore funziona a una lunghezza d'onda diversa. Pertanto, lo spostamento della lunghezza d'onda di ciascun sensore e la finestra di interrogazione sono i fattori vincolanti che definiscono il numero massimo di elementi che possono essere interrogati. Al contrario, il multiplexing a divisione di tempo si basa sull'interrogazione di ciascun elemento sensibile individualmente mediante l'analisi della luce riflessa7, poiché i tempi di arrivo delle riflessioni sono direttamente proporzionali alla distanza dalla sorgente luminosa a ciascun elemento sensibile. Inoltre, è possibile combinare la multiplazione della lunghezza d'onda e della divisione temporale per aumentare il numero di elementi sensibili che possono essere interrogati individualmente8,9. Comunemente, le tecniche sopra menzionate sono implementate con reticoli in fibra di Bragg (FBG)10,11,12,13,14,15, una tecnologia matura e affidabile per la misurazione di parametri multipli16 con una risoluzione spaziale fino a pochi millimetri17. Inoltre, gli FBG fanno un uso efficiente dello spettro, poiché forniscono picchi stretti e ben definiti. Questo fatto consente di monitorare una quantità significativa di FBG nella stessa finestra di interrogazione. In alternativa vengono utilizzati anche gli interferometri in fibra Fabry-Perot18,19 e Mach-Zehnder20.

Negli ultimi anni, come alternativa per il rilevamento, sono state introdotte le fibre multicore fortemente accoppiate (MCF). Alcune caratteristiche interessanti degli MCF sono la loro versatilità, facilità di interrogazione, sensibilità21,22,23,24, che può essere superiore a quella degli FBG a seconda del misurando25, e la possibilità di produrre chilometri di fibra, portando alla disponibilità da un singola estrazione di molte migliaia di segmenti di fibra lunghi un decimetro adatti al rilevamento. Il loro principale svantaggio è la bassa efficienza spettrale, poiché gli MCF accoppiati forniscono picchi multipli e ampi. La sovrapposizione spettrale degli ampi picchi dei sensori in banda C ne limita generalmente l'uso a misurazioni a punto singolo. Per superare questa limitazione, sono stati compiuti sforzi come la messa in cascata di segmenti MCF, a scapito dell'aumento della complessità e della lunghezza del sensore26,27. In ogni caso, date le caratteristiche interessanti dei sensori accoppiati basati su MCF, sarebbe interessante sviluppare una tecnica per migliorare la loro efficienza spettrale e consentire il multiplexing, rendendo possibile il loro utilizzo come sensori multipunto per applicazioni come il monitoraggio della salute strutturale. Tra le MCF, l'uso delle fibre twin core (TCF) come elementi di rilevamento per molteplici applicazioni è stato ampiamente riportato in letteratura28,29,30,31.