Analysis and Design of a Hybrid Optical Fiber Refractometer for Large Dynamic Range Measurements
| Autor: | J. H. Sharp, Michel Cattoen, Olivier D. Bernal, Valérie Chavagnac, Francoise Lizion, Han Cheng Seat, H. Apriyanto, Frederic Surre |
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| Přispěvatelé: | Equipe Capteurs optiques et systèmes intégrés intelligents (LAAS-OASIS), Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS), Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT), Politeknik Negeri Indramayu, University of Glasgow, Department of Electrical and Electronic Engineering, School of Mathematics, Computer Science & Engineering, City University London, City University London, Géosciences Environnement Toulouse (GET), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD) |
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2020 |
| Předmět: |
Optical fiber
Materials science 01 natural sciences multimode fiber law.invention Gaussian beam modelling refractive index measurement Optics Refractometer law Fresnel equation Electrical and Electronic Engineering ray optics fiber refractometer Instrumentation Multi-mode optical fiber business.industry 010401 analytical chemistry Single-mode optical fiber single-mode fiber wave optics Fresnel equations Physical optics Cladding (fiber optics) 0104 chemical sciences hybrid sensor design [SPI.OPTI]Engineering Sciences [physics]/Optics / Photonic business |
| Zdroj: | IEEE Sensors Journal IEEE Sensors Journal, 2020, 20 (10), pp.5260-5269. ⟨10.1109/JSEN.2020.2969417⟩ IEEE Sensors Journal, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2020, 20 (10), pp.5260-5269. ⟨10.1109/JSEN.2020.2969417⟩ |
| ISSN: | 1530-437X |
| DOI: | 10.1109/JSEN.2020.2969417⟩ |
| Popis: | A fiber refractometer with large dynamic range from 1.316 to 1.61 RIU has been realized using a hybrid configuration of a single-mode fiber (SMF) coupled to a stripped-cladding multimode fiber (MMF) as sensing element. An extended analysis of the diffraction principle of a Gaussian beam is specifically developed for this sensor configuration to determine the injected power density into the MMF which, when subsequently combined with ray optics, analytical wave optics and Fresnel equations, enables the sensor response to be comprehensively estimated. Simulation results have been experimentally corroborated to very high agreement for a 2-cm and a 5-cm decladded section of multimode fiber used as the sensing element. The results show, for the shorter sensor (2 cm), a very high sensitivity of ~ −250 a.u./RIU being achieved in the Zone II operating regime, i.e. for indices between the cladding and core indices together with a resolution of $2.76\times 10^{-{6}}$ RIU being attained. In addition, the developed models have been used to accurately predict the response of sensing elements of various lengths, hence demonstrating the potential capability of this research to be exploited for optimizing bespoke design of fiber refractometers of any arbitrary sensing lengths or dimensions. As an example, we present the design of a refractometer achieving a maximum sensitivity of 300 a.u./RIU with a potential resolution of $2.26\times 10^{-{6}}$ RIU. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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