Fiber-optic Mach-Zehnder Interferometer for the Detection of Small AC Magnetic Field

미소 교류 자기장 측정을 위한 Mach-Zehnder 광섬유 간섭계 자기센서 특성분석

A fiber-optic magnetic sensor system for the detection of small ac magnetic field(200Hz-2 kHz) was constructed. Magnetic field sensing part was fabricated by bonding a section of optical fiber to amorphous metallic glass(2605SC) having large magnetostriction effect. And with the directional coupler, all fiber type Mach-Zehnder interferometer was constructed to measure the variation of the external magnetic field by translating it into the optical phase shift in the interferometer. The signal fading problem of the interferometer, which is due to random phase drifts originated from the environment, i.e., temperature fluctuation, vibrations, etc., was elliminated by feedback phase compensation. This allows the sensitivity to be maintained at the maximum by keeping the interferometer in quadrature phase condition. The frequency response of metallic glass was found to be nearly flat in the range of 90 Hz-2 kHz and dc bias field for the maximum ac response was 3.5 Oe. The interferometer output showed good linearity over the range $\pm$0.5 Oe. For 1 kHz ac magnetic field the scale factor S and the minimum detectable magnetic field were measured to be 8.0 rad/Oe and $3X10^{-6} Oe/\sqrt{Hz}$at 1 Hz detection bandwidth respectively.

광섬유를 사용하여 미소 교류자기장 (200Hz-2kHz) 감지를 위한 광섬유 간섭계 자기센서시스템을 구성하였다. 자왜효과(magnetostriction effect)가 큰 비정질 metallic glass(2605SC)를 광섬유에 부착하여 자기장 감지부를 제작하고 방향성 결합기 metallic glass(2605SC)를 광섬유에 부착하여 자기장 감지부를 제작하고 방향성 결합기(directional coupler)를 사용한 광섬유 일체식(all-fiber type)으로 Mach-Zehnder 간섭계를 구성하여 외부 자기장의 변화를 간섭계의 위상변화로 변환시켜 그 크기를 측정하였다. 온도변화, 진동 등 주위환경에서 오는 불규칙한 신호에 의한 간섭계의 신호소멸(signal fading) 문제는 능동 위상추적방법(active phase tracking method)으로 간섭계의 기준 광통로(reference arm)에 위치한 위상 변조기에 보상신호를 되먹임으로써, 직각조건(quadrature condition)을 이루어 안정시켰다. 측정 결과 metallic glass의 주파수 반응특성은 900Hz-2kHz 대역에서 거의 비슷한 경향을 보였으며 최대 감도를 나타내는 직류 바이어스 자기장은 3.5 Oe 였다. 미소 교류자기장에 대한 간섭계의 출력은 $\pm$0.5 Oe 범위 안에서 좋은 선형성을 보였다. 1 kHz 교류자기장에 대한 scale factor S는 8.0 rad/Oe 이었으며 최소감지자기장은 $3X10^{-6} Oe/\sqrt{Hz}$(1Hz detection bandwidth)이었다.