TELKOM NIKA , Vol.12, No .4, Dece mbe r  2014, pp. 81 1~8 1 8   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v12i4.123    811      Re cei v ed  Jul y  27, 201 4; Revi sed O c tob e r 23, 201 4; Acce pted No vem ber 1 0 , 2014   Resolution Improvement in Fabry-Perot Displacemen Sensor Based on Fringe Counting Method      Nur Izzati Ismail, Nor Hafizah  Ngajiki n , No r Fadzlina Mohd Zaman, Maisarah A w ang,   Asrul Izam  Azmi, Nik Noo r dini Nik Ab d. Malik, Norazan M ohd  Kas s im  Lig h t w ave C o mmunicati on R e searc h  Group  (LCRG)  F a cult y   of Elec trical Eng i ne eri ng, Univ ersiti T e kno l og i Mal a ysia   813 10 Jo hor, Mala ysi a , Ph: + 607-5 535 30 2   e-mail: izzati.is m ail@fke g ra du ate.utm.m y       A b st r a ct     T h is pap er pre s ents an i m pro v ed F r ing e  Co untin g Metho d  (F CM) techniq ue in ord e r to enh anc e   the dis p lac e me nt resol u tion  of a F abry-Per o t Displ ac e m ent  Sensor (F PDS) . A simu lati on  mo de l of a F P DS   base d  o n  th e i m pr ove d  F C M  has  be en  dev elo ped  a nd s i mu late d for  na no meter  dis p la cement r ang b y   usin g MAT L A B  mathe m atic al s o ftw are. Unlike  co nve n ti ona l F C M th at an aly z e d  th e  nu mber  of fri nges   prod uced  over  one time per i od, the i m prov ed F C M ana ly z e d t he nu mb er of fringes fo r one lar gest F r ee  Spectral  Ra ng e (F SR). In thi s  w o rk, the i n it ial  le ngth  of F abry-Per o t Inte rferometer (F P I ) cavity h a s b e e n   set at 75  μ m d ue to li mitati on  of the mach in ing pr ecisi on e qui p m ent. F o r the disp lac e ment ana lysis, t h e   improve d  F C M  techni qu e is  u s ed as  an  al go rithm. T h res e arch res u lts pr ove th at this F P DS cou l det ect  displ a ce ment  at 10 n m  res o l u tion  over  a   w o rki ng r ang e  of 4 0  n m . It  show ed th at t he  improv ed  F C techni qu ma nag ed t o  e n h ance  the  cap abil i ty of  th e  conv entio na l  F C M in  d e tecting  na no mete r   displ a ce ment.       Ke y w ords : frin ge cou n tin g  method, fabry- pe rot displ a ce me nt sensor, faby - perot interfer o m eter       1. Introduc tion  Displa ceme nt as  one  co mpone nt in  vibration  can  be dete c te d by a vari ety of   displ a cement  se nsors  working  ba sed  o n  differe nt  p r incipl es.  T h e s e se nsors work ba sed  on  cap a citive, indu ctive, piezo e le ctric  and mo st  rece ntly usin g optical te chn o logy [1]-[2].  Displa ceme nt sen s o r  b a sed on  opti c al tech nolo g y has  dra w n incre a si ng  attention from  manufa c turers a nd  re se arche r sin c e it  ca n give  re markabl e p e rforman c e s  i n  high  sen s itivity,  lightwei ght, fast re sp on se  and immu nity to elec troma gnetic inte rference (EMI) [3 ]-[4]. There a r e   three types o f  optical based displ a cem ent sen s o r whi c h are Intensity-Ba se d  Sensors (IB S ),  Fabry-P e rot I n terferomete r  (FPI), and Fi ber Br a gg G r ating (FBG ). Among the s e  three metho d s,  FPI is mo re  prefe rre sin c e it p r ovide s  high  disp la cement  resolu tion [5]. This  type of se nso r  is  also  calle d as Fabry-Pe rot  Displa ceme nt Senso r  (FP D S).    In evaluating  the FPDS perfo rman ce,  sen s or’ s  re solutio n  ha s been an alyzed. Thi s   resolution  re pre s ent s the  small e st  chang that can be  d e t e cted by  th se nsor. High   displ a cement  re solutio n  o f  FPDS all o ws the  se nsor to  dete c displ a cement  ca used  by  the  moving o b je ct pre c isely. In orde r to  provide FP DS  with a  high  resol u tion, alg o rithm  used  to  pro c e ss th e detecte d inte rfere n ce sig n a l sho u ld be  carefully ch ose n . This i s  be cau s e t he  preferred algorithm  will determine the resoluti on li mit of the FPDS. Several algorithm have  been  propo sed for the  past fe w ye ars.  Thi s  in clud es wave numbe sp a c ing  metho d  [6],  combi nation  of Fourie r tra n sform meth od and  mi nim u mean sq uare error est i mation  (MM SE)- based  sign al  pro c e s sing  method [7],  control a nd  pha se d e mo dulation te ch nique [8], a n d   freque ncy  m odulate d  p h a s gen erated  ca rri er  (F M P GC) de mod u lation  sche me b a sed  on  the  arcta nge nt (A rctan )  alg o rit h m [9], and Fring e   Co unti ng Metho d  (FCM ) [10]-[1 2 ]. Neverthel ess,  all the s met hod s h a ve th eir  own  sho r tcomin gs.  The  wave numb e r sp aci ng  met hod  mana ge d to   achi eve re so lution abo ut 16 nm b u t requires  accu rate data  an alysis  on th e waven u mb er  spa c in g. Oth e r m e thod such  a s  Fo urie r tra n sfo r m m e thod  and  M M SE-ba sed  signal p r o c e ssing  method, the  control and  pha se dem o dulation  te ch nique, an d the FMPG C-Arctan te chni que  contri bute ve ry high re sol u tion, up to sub nan omet e r  displ a ceme nt resol u tion.  However, these   techni que s n eed a  compl e x data p r o c essing. In  co ntrast, F C M t e ch niqu e offers an  algo rithm   with less  co mplex data  pro c e ssi ng i n  displ a cem ent dete c tion . Despite the  simpli city of the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 9 30   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4: 811  – 818   812 system, this tech niqu e is limited to disp lacem ent det e ction up to  micromete r  range only. It is   only po ssibl e  to rea c h n anomete r  di splacement d e tection  with  some  modif i cation in  F C techni que [1 3]-[14]. Therefore, in this pape r,  a new frin ge co unting me ch anism  ha s b een   develop ed in  orde r to en ha nce the FP DS resol u tion  and called a s  the improve d  FCM techniq ue.  This te chni qu e is di scusse d in detail s  in  the  followin g  se ction. The  develope d  F P DS ba sed o n   the improve d  FCM si mula tion model i s  analyze d  in  terms of n u m ber  of fring e  for a  spe c i f ic   displ a cement      2. Working P r inciple of F P DS  FPI is a pa ssive optical  stru cture that  used m u ltip le-be a m inte rferen ce in a  cavity  b e t w e e n  tw o s e mi r e flec tive  s u r f ac es [1 5 ]. T h is FPI configu r ation is u s e d  for nan om eter  displ a cement  detection in  this proj ect.  Figur e 1  sh ows the FP DS co nfigura t ion in detect i ng  displ a cement . Refere nce b eam in this fi gure i s  the  re flection from f i ber-air inte rf ace at the fro n of the cavity while  se nsin g  beam i s  the  reflectio n   of fiber-air i n terfa c e at the  ba ck of the  cavity.  Mirro r M 2  that attached t o  the moving obje c t will  move backward and al so forwa r d, h ence  cha nge s the  length of F P I cavity,  d . This chan g e s lea d  to significa n t alteration of ph ase   differen c e ( φ ) between  ref e ren c e reflect i on and sen s i n g refle c tion in FPDS operation as state d   in (3). Th ese  two beam sign al interfe r e with ea ch   other a nd re sulted in the variation s  of F P interferen ce signal a s  pre s ented in (1 ).         Figure 1. FPDS Con c e p t in Displa ceme nt Sensing       Acco rdi ng to the multi-be a m  interferen ce prin ciple, t he no rmali z e d  tran sfer fu nction of  the refle c ted  interferen ce  spectrum at wavelength  λ  i s  given by th e well -known  Airy function . It  can b e  expre s sed a s  belo w  [16].                  (1)             Whe r             (2)      and ph ase differen c e,               (3)       R   is   reflec tivity of the mirror,  n  is   refrac tive index of the FP  c a vit y d  is le ngth  of FPI  cavity, and  λ   is light cente r  wavelength i n  vacuum. By  utilizing (1),  the displa ce ment of the M 2   can b e  dete c ted from the reflected inte rferen ce  spe c trum.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 9 30       Res o lution Improv ement in Fabry - P e rot  Displac e ment Sens or (FP D S) .... (Nur Izz a ti Is mail)  813 3. FPDS Bas e d on the Im prov ed FCM Techniqu e   3.1. FPDS Simulation Mo del  As afo r e  m entione d, th e imp r oved   FCM i s  dev elope d  to  e n han c e  re so lution of  conve n tional  FCM for nanom eter range di spla ce me nt dete c tion. In order to eval uate  perfo rman ce   of the  ne w i m prove d  m e thod, a   simul a tion  m o del  based on   eq uation s (1-3)  is  develop ed u s ing MATLA B  mathematical software.  Several important pa ra meters in FPDS   stru cture are  analyzed in 2 - dime nsi onal  analysi s   whi c h are length  of the FPI cavity and mirror   reflec tivity.  Figure 2  sho w s the ill ust r ation of th e d e velope d FP DS mo del. T he initial  len g t h of FPI  c a vity,  d o  is chosen to be a t  75 µm due to limitation in  pre c isi o n ma chini ng eq uip m ent. Length  of  FPI cavity is increa sed  by nanom eter v a riation  fo r e a ch  simul a tio n . Hen c e, th e length of F P cavity  unde rg oes a  continu ous ch ang e with  a certai n   displ a cemen t,  D,  thus resulting in a new  d This  displa ce ment vari atio n an alysi s  is  need ed in  o r der to  obtai n   displ a cement  re solutio n  of  the   sen s o r . The o t her pa ramet e rs involve d  in this simul a tion are a s  tab u lated in Tabl e 1.          Figure 2. Modelling of FP DS in MATLA B  Software       Table 1. FPDS Simulation   Parameters  Values  Initial length of FPI cavity d 0  75  µm   Mirrors reflectivity,  R  98%   Refractive index  of FP cavity ,   n  1.0    Light incident angle at M 1  0°      3.2. The Improv ed FCM Technique   Based  on  F C M te chni qu e, a la rge  nu mber of  cou n ted  frin ge s prod uced will   improve   resolution  of the FPDS. T h erefo r e, this  pape r p r e s en ts an im prove d  fring e  count ing meth od th at  con s id ers tot a l num be r of  fringe s in  the  larg est  FS instea d of  on e time p e ri od  in  conve n tio n al  FCM. Pro c e s s step s for b o t h countin g method s are  ill ustrate d  in flow ch art s  in Figure 3.    In this work, the simul a ted light sou r ce is  ran g ing fro m  600 nm to 1700 nm wavelength.   Acco rdi ngly, the large s t F S R is exa m in ed within thi s  wavelen g th  rang e. Witho u t displ a ce m ent  ( 0 n m ), t he la rge s t FS R i s  fou nd to   be 2 00  nm a s  sh own in  Fig u re  4. Thi s   F S R value  will   be   used in the proposed  algorithm.  Varying the di splacement val ue  w ill varies the FSR range,  thus  will ch ange th e numbe r of fringe s p r od uced.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 9 30   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4: 811  – 818   814     (a)  Conventional FCM Technique                               (b) Imp r oved  FCM Te ch niq u e       Figure 3. Pro c e ss Step s of  the Conventi onal FCM an d the Improve d  FCM Te ch n i que                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 9 30       Res o lution Improv ement in Fabry - P e rot  Displac e ment Sens or (FP D S) .... (Nur Izz a ti Is mail)  815   Figure 4. Rel a tive Output Intensity of  FPDS in Wavele ngth Dom a in  Rep r e s entati o n   ( d 0 = 7 5  µm)     Fring e  calculation in both  FCM te chni q ues  i s  d one i n  time dom ai n analy s is.  Hence, the  optical  sp ect r um n eed s t o  be tra n sfo r med i n to  time dom ain  rep r e s entatio n. The follo wing   equatio ns a r e  used fo r the tran sform a tion  process.     Operating fre quen cy, f m  =                         (4)    Sampling fre quen cy, f = 2 f                   (5)     Time,                               (6)        Whe r c  is sp eed of light,  λ  is operating  wavele ngth a nd  L  is len g th  of the signal.      As stated b e fore, the conv entional F C M  techni q ue a n alyze s  nu m ber of frin ges for one   time pe riod. I n  contrast, th e imp r oved  F C co unts  th e nu mbe r  of f r inge exists  within th e la rgest  F S R .  F i gu r e   5  sh ow s th e fr in g e  pa tte rn s   o b t ain ed  by usi ng th e  co nvention a l  FCM  an d t h e   improve d  FCM techni que.  The imp r ov ed FCM tech nique  pro d u c ed 33 fri nge s for the la rg est  FSR while th e co nvention a l FCM  prod uce d  only  25  fringe s for on e time pe rio d .  Highe r   cou n t ed  numbe r of fringe s re sulted  in a better re solutio n  of FPDS.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 9 30   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4: 811  – 818   816     (a)  Conve n tio nal FCM T e chniqu e         (b) Imp r oved  FCM Te ch niq u e     Figure 5. Rel a tive Output Intensity of FPDS  in Time Domain Repr es entation for Both  Tech niqu es ( d 0 = 75 µm)       4. Results a nd Discu ssi on    In this sectio n, relation shi p  between th e num b e of fringe s an d d i spla cem e nt  of FPDS   based on the  improved F C M techniqu e is presente d This rel a tionship provid es informatio n on   the displ a ce ment re soluti on and  wo rki ng ra nge of  t he develo ped  FPDS simul a tion model. G r aph   depi cted in F i gure  6(a) illu strate s that n u mbe r  of  frin ges  are va rie d  acco rdin g to the value  of   displ a cement . Numbe r  of f r inge s d e cre a se  stea dily starting  from  75 µm to 75. 04 µm len g th  of  FPI cavity. Beyond  75.04   µm, the nu m ber  of frin ge s sta r ts to  in crease a gain  d ue to i n cohe ren t   sup e rp ositio n  [17]. This pa ttern sho w s that  the  devel oped  FPDS  ba sed  on the  improved F C M   techni que i s   able to dete c t  the displ a ce ment up to 4 0  nm.  The relation ship b e twee n the le ngth   of FPI cavity  and the di spl a cem ent is ill ustrate d  in  Fi gure 6 ( b ) . Th e FPDS re sol u tion is ide n tified   as 10 nm  sin c e the num be r of cou n ted fringe s le ss th an this value i s  not linea r in  pattern.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Res o lution Improv ement in Fabry - P e rot  Displac e ment Sens or (FP D S) .... (Nur Izz a ti Is mail)  817   (a)         (b)     Figure 6.  (a)  Cou n ted Nu mber of FP Interfere n ce Fri nge s for a Sp ecific L ength  of FPI Cavity  and (b ) Detected Displa ce ment for a Sp ecific L ength  of FPI Cavity      5. Conclusio n   FPDS ba se on the im prov ed F C M te ch nique i s  d e ve loped  and  prese n ted in thi s  pa pe r.  Analytical mo del of FPDS is sim u lated b y  using  initial  length of the  FPI cavity of 75 µm.  Fro m   the sim u latio n , FPDS  with  a di spla cem ent re sol u tion  of 10  nm a n d  wo rking  ra n ge of 4 0  nm   are   reali z ed  with the used of the improve d  FCM te chniq ue. These re sults a r e obt ained for 75  µm  initial length  of FPI cavity  with a light source  rangi n g  from 60 0 n m  to 1700 n m  wavele ngt h. The  prop osed FP DS config urat ion is targete d  for app lications that re qui re a nano met e r displa cem ent  detectio n   su ch a s  mi croscope, tele scop e, and  al so  di sk sli d e r . Th e  appli c atio n o f  this FP DS  can  be exten ded   to many  othe r a ppli c ation s  sin c e  it  offers the immuni zation to EMI, lightweight and  als o  ease of implementation.      Referen ces   [1]  Cha u rasi ya  H.  Rece nt T r ends of Meas urem ent a nd D e ve l opme n t of Vi br ation S ens ors.  Internati ona l   Journ a l of Co mputer Scie nce I ssues (IJCSI).  201 2;  9(4).  [2]  Santoso  D R A Simp le I n strumentati o n  S yst e m  fo r La rge Stru ctu r e Vi b r a t i o n Mon i to ring . Ind ones ia Journ a l Of Elektrical Eng i ne e r ing . 20 10; 8(3) : 265-74.   [3]  Lee BH, Kim   YH, Park KS,  Eom JB, Kim  MJ, Rho  BS,  et al. Interfer o m etric fiber  o p t ic sens ors.  Sensors.  20 12;  12(3): 246 7-8 6 0 5 10 15 20 25 30 35 75 75.01 75.02 75.03 75.04 75.05 75.06 Number of FP  Interference  Fringes Length of FPI Cavity    (µm) 0 10 20 30 40 50 60 75 75.01 75.02 75.03 75.04 75.05 75.06 Displacement (nm) Length of  FPI Cavity   (µm) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4: 811  – 818   818 [4]  Mhdi B, Min i str y  of S, T e chnol og y BI, Alja ber  N, Min i stry of S, T e chnolo g y  BI, et al . Design  an d   constructio n  of optica l  fiber se nsor s y stem fo r detection of stress and fine  motion.  Interna t iona l Journ a l   of Nano D e vic e s, Sensors a n d  Systems (IJ-Nan o ).  201 2; 1(1): 25-33.   [5]  García YR, Corres JM, Goicoechea J. Vibr atio n detecti on usi ng  optic al fiber s ens or s.  Journa l of   Sensors . 20 10;  2010.   [6]  Che n  J-H, Hua ng  X-G, Z hao J-R,  T ao J, He W - X,  Liu S-H.  F abr y–Per o t in terference- bas ed fiber- opti c   sensor for sma ll disp lac e ment  measurem ent.  Optics Communications.  2 0 1 0 ; 283(1 7 ): 331 5-9.  [7]  Z hou  X, Y u  Q. W i de-ra ng e d i splac e ment s e nsor  bas e d   on  fiber-o ptic F a br y–Per o t inter f erometer fo r   subn an ometer measur ement.  Sensors Journal, IEEE.  2011;  11(7): 160 2-6.   [8]  Seat H, Ch a w ah P, Catto en  M,  Sourice A,  Planti e r G, Bo udi n F ,  et  al.  Dual-m od ulati o n fiber F a br y- Perot i n terfero m eter  w i t h   do ubl e refl ectio n  for sl o w l y -v ar yi ng  dis p l a ce ments.  Optics letters.  20 12 37(1 4 ): 288 6-8 .   [9]  Jia P, W a n g  D. Self-ca l i b rated  no n-co ntact fi bre- opt ic F abr y–P e ro t interferom etric vibr atio n   displ a cem ent  sensor s y stem  using l a ser e m i ssion fre que nc y  m odu late d  phase  gen er ated carri er   demo dul atio n scheme.  Meas u r ement Scie nc e and T e ch no l ogy.  201 2; 23( 11): 115 20 1.  [10]  Gango pa dh ya T K , Henderso n PJ. Vibratio n :  hist or y   and m easur ement  w i th an e x trins i F abr y–Per o t   sensor  w i t h  sol i d-state las e r in terferometr y A ppli ed o p tics.  1 999; 38( 12): 24 71-7.   [11]  Gango pa dh ya y T K . Non-co ntact vibr atio n  m eas ureme n t   base d  on  an e x trinsic  F abr y–Per o interferom eter  impl emente d  usin g arr a ys of sin g le- m ode fi bres.   Measur e m e n t  Science  an T e chno logy . 2 004; 15( 5): 911 [12]  Sathitan on  N, Pullte ap S.  A F i ber Op tic In terferom etric Sens or  for D y nam ic  Measur ement.   Internatio na l Journ a l of Co m puter Scie nce  & Engin eeri n g .  2008; 2(2).   [13]  Seat HC, Pul l teap S.  An extrinsic fiber  F abry-Perot interf ero m eter  for dynamic  displac e me nt  me asur e m ent.  Mechatro nics a nd Automati on,  2007 ICMA 2 0 07 Internati o n a l  Confer ence. 2 007.   [14] Pullte ap  S.  Devel o p m e n t of a F i ber base d  Interferomet ric Sensor for  Non-cont act Displ ace m ent  Measur e m ent .  Internation a l  conferenc e on Com puter,  El ectrical, a nd S y st ems Scienc e, Pari (F rance). 201 0 .   [15]  Iizuka K. Elem ents of Photon i cs, In F r ee  Space and Sp eci a l  Media: Joh n  W ile y  & So ns. 200 2.  [16]  Ngaj iki n  NH, K a ssim NM, Mo hamma d AB, W i tjakso n o  G. W i de ran ge  of electrostatic  ac tuation MEMS   FPO T F .   Progress In Electro m a g n e tics Res earch C . 20 09;  9: 155-69.   [17]  Ma C, D o n g  B ,  Gong J, W a n g   A. Dec o d i ng  the sp ectra  of lo w - fi ness e  e x trins i c o p tica l  fiber F a br y- Perot interfero m eters.  Optics express.  20 11;  19(24): 23 72 7 - 42.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.