Abstract

A novel (to our best knowledge) optical fiber strain sensor using a fiber ring resonator based on frequency comb Vernier spectroscopy is proposed and demonstrated. A passively mode-locked optical fiber laser is employed to generate a phased-locked frequency comb. Strain applied to the optical fiber of the fiber ring resonator can be measured with the transmission spectrum. A good linearity is obtained between displacement and the inverse of wavelength spacing with an R2 of 0.9989, and high sensitivities better than 40pm/με within the range of 0 to 10με are achieved. The sensitivity can be proportionally improved by increasing the length of the optical fiber ring resonator.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
    [CrossRef]
  2. C. K. Kirkendall and A. Dandridge, J. Phys. D 37, 197 (2004).
    [CrossRef]
  3. F. Adler, M. J. Thorpe, K. C. Cossel, and J. Ye, Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 175 (2010).
    [CrossRef]
  4. M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
    [CrossRef]
  5. K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
    [CrossRef]
  6. M. J. Thorpe, K. D. Moll, R. J. Jones, B. Safdi, and J. Ye, Science 311, 1595 (2006).
    [CrossRef]
  7. M. J. Thorpe, F. Adler, K. C. Cossel, M. H. G. de Miranda, and J. Ye, Chem. Phys. Lett. 468, 1 (2009).
    [CrossRef]
  8. M. J. Thorpe, D. Balslev-Clausen, M. S. Kirchner, and J. Ye, Opt. Express 16, 2387 (2008).
    [CrossRef]
  9. Y. Bitou, T. R. Schibli, and K. Minoshima, Opt. Express 14, 644 (2006).
    [CrossRef]
  10. T. Gherman and D. Romanini, Opt. Express 10, 1033 (2002).
  11. A. Schliesser, C. Gohle, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Express 14, 5975 (2006).
    [CrossRef]
  12. C. Gohle, B. Stein, A. Schliesser, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 99, 263902 (2007).
    [CrossRef]
  13. L. F. Stokes, M. Chodorow, and H. J. Shaw, Opt. Lett. 7, 288 (1982).
    [CrossRef]
  14. M. A. Zumberge and F. K. Wyatt, Pure Appl. Geophys. 152, 221 (1998).
    [CrossRef]

2010

F. Adler, M. J. Thorpe, K. C. Cossel, and J. Ye, Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 175 (2010).
[CrossRef]

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

2009

M. J. Thorpe, F. Adler, K. C. Cossel, M. H. G. de Miranda, and J. Ye, Chem. Phys. Lett. 468, 1 (2009).
[CrossRef]

2008

2007

C. Gohle, B. Stein, A. Schliesser, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 99, 263902 (2007).
[CrossRef]

2006

2004

C. K. Kirkendall and A. Dandridge, J. Phys. D 37, 197 (2004).
[CrossRef]

2002

1998

M. A. Zumberge and F. K. Wyatt, Pure Appl. Geophys. 152, 221 (1998).
[CrossRef]

1997

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

1982

Adler, F.

F. Adler, M. J. Thorpe, K. C. Cossel, and J. Ye, Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 175 (2010).
[CrossRef]

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

M. J. Thorpe, F. Adler, K. C. Cossel, M. H. G. de Miranda, and J. Ye, Chem. Phys. Lett. 468, 1 (2009).
[CrossRef]

Askins, C. G.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

Balslev-Clausen, D.

Bertness, K. A.

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

Bitou, Y.

Chodorow, M.

Cossel, K. C.

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

F. Adler, M. J. Thorpe, K. C. Cossel, and J. Ye, Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 175 (2010).
[CrossRef]

M. J. Thorpe, F. Adler, K. C. Cossel, M. H. G. de Miranda, and J. Ye, Chem. Phys. Lett. 468, 1 (2009).
[CrossRef]

Dandridge, A.

C. K. Kirkendall and A. Dandridge, J. Phys. D 37, 197 (2004).
[CrossRef]

Davis, M. A.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

de Miranda, M. H. G.

M. J. Thorpe, F. Adler, K. C. Cossel, M. H. G. de Miranda, and J. Ye, Chem. Phys. Lett. 468, 1 (2009).
[CrossRef]

Feng, J.

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

Friebele, E. J.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

Gherman, T.

Gohle, C.

C. Gohle, B. Stein, A. Schliesser, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 99, 263902 (2007).
[CrossRef]

A. Schliesser, C. Gohle, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Express 14, 5975 (2006).
[CrossRef]

Hänsch, T. W.

C. Gohle, B. Stein, A. Schliesser, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 99, 263902 (2007).
[CrossRef]

A. Schliesser, C. Gohle, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Express 14, 5975 (2006).
[CrossRef]

Jones, R. J.

M. J. Thorpe, K. D. Moll, R. J. Jones, B. Safdi, and J. Ye, Science 311, 1595 (2006).
[CrossRef]

Kersey, A. D.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

Kirchner, M. S.

Kirkendall, C. K.

C. K. Kirkendall and A. Dandridge, J. Phys. D 37, 197 (2004).
[CrossRef]

Koo, K. P.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

LeBlanc, M.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

Minoshima, K.

Moll, K. D.

M. J. Thorpe, K. D. Moll, R. J. Jones, B. Safdi, and J. Ye, Science 311, 1595 (2006).
[CrossRef]

Patrick, H. J.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

Putnam, M. A.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

Raynor, M. W.

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

Romanini, D.

Safdi, B.

M. J. Thorpe, K. D. Moll, R. J. Jones, B. Safdi, and J. Ye, Science 311, 1595 (2006).
[CrossRef]

Schibli, T. R.

Schliesser, A.

C. Gohle, B. Stein, A. Schliesser, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 99, 263902 (2007).
[CrossRef]

A. Schliesser, C. Gohle, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Express 14, 5975 (2006).
[CrossRef]

Shaw, H. J.

Stein, B.

C. Gohle, B. Stein, A. Schliesser, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 99, 263902 (2007).
[CrossRef]

Stokes, L. F.

Thorpe, M. J.

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

F. Adler, M. J. Thorpe, K. C. Cossel, and J. Ye, Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 175 (2010).
[CrossRef]

M. J. Thorpe, F. Adler, K. C. Cossel, M. H. G. de Miranda, and J. Ye, Chem. Phys. Lett. 468, 1 (2009).
[CrossRef]

M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
[CrossRef]

M. J. Thorpe, D. Balslev-Clausen, M. S. Kirchner, and J. Ye, Opt. Express 16, 2387 (2008).
[CrossRef]

M. J. Thorpe, K. D. Moll, R. J. Jones, B. Safdi, and J. Ye, Science 311, 1595 (2006).
[CrossRef]

Udem, T.

C. Gohle, B. Stein, A. Schliesser, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 99, 263902 (2007).
[CrossRef]

A. Schliesser, C. Gohle, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Express 14, 5975 (2006).
[CrossRef]

Wyatt, F. K.

M. A. Zumberge and F. K. Wyatt, Pure Appl. Geophys. 152, 221 (1998).
[CrossRef]

Ye, J.

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

F. Adler, M. J. Thorpe, K. C. Cossel, and J. Ye, Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 175 (2010).
[CrossRef]

M. J. Thorpe, F. Adler, K. C. Cossel, M. H. G. de Miranda, and J. Ye, Chem. Phys. Lett. 468, 1 (2009).
[CrossRef]

M. J. Thorpe, D. Balslev-Clausen, M. S. Kirchner, and J. Ye, Opt. Express 16, 2387 (2008).
[CrossRef]

M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
[CrossRef]

M. J. Thorpe, K. D. Moll, R. J. Jones, B. Safdi, and J. Ye, Science 311, 1595 (2006).
[CrossRef]

Zumberge, M. A.

M. A. Zumberge and F. K. Wyatt, Pure Appl. Geophys. 152, 221 (1998).
[CrossRef]

Annu. Rev. Anal. Chem.

F. Adler, M. J. Thorpe, K. C. Cossel, and J. Ye, Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 175 (2010).
[CrossRef]

Appl. Phys. B

M. J. Thorpe and J. Ye, Appl. Phys. B 91, 397 (2008).
[CrossRef]

K. C. Cossel, F. Adler, K. A. Bertness, M. J. Thorpe, J. Feng, M. W. Raynor, and J. Ye, Appl. Phys. B 100, 917 (2010).
[CrossRef]

Chem. Phys. Lett.

M. J. Thorpe, F. Adler, K. C. Cossel, M. H. G. de Miranda, and J. Ye, Chem. Phys. Lett. 468, 1 (2009).
[CrossRef]

J. Lightwave Technol.

A. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlanc, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, J. Lightwave Technol. 15, 1442 (1997).
[CrossRef]

J. Phys. D

C. K. Kirkendall and A. Dandridge, J. Phys. D 37, 197 (2004).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. Lett.

C. Gohle, B. Stein, A. Schliesser, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 99, 263902 (2007).
[CrossRef]

Pure Appl. Geophys.

M. A. Zumberge and F. K. Wyatt, Pure Appl. Geophys. 152, 221 (1998).
[CrossRef]

Science

M. J. Thorpe, K. D. Moll, R. J. Jones, B. Safdi, and J. Ye, Science 311, 1595 (2006).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (5)

Fig. 1.
Fig. 1.

Schematic of the strain sensor using fiber resonator based on frequency comb Vernier spectroscopy.

Fig. 2.
Fig. 2.

Schematic of frequency comb Vernier spectroscopy. The frequency comb transmitted through the resonator has frequency spacing.

Fig. 3.
Fig. 3.

Transmission spectra with displacements of 0, 10, 100, and 1000 μm, respectively.

Fig. 4.
Fig. 4.

Response of the sensing head with displacement.

Fig. 5.
Fig. 5.

Linear relationship between the displacement and the inverse of wavelength spacing.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

1x×frep=nΔlc+0.78εnlc.
n(0.78εl+Δl)=λ0(λ0+Δλ)Δλ,

Metrics