MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA CAP DANIEL ALFREDO CHAMORRO ENRÍQUEZ ANÁLISE DE SENSORES BASEADOS EM FIBRA ÓPTICA Rio de Janeiro 2011

2 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CAP DANIEL ALFREDO CHAMORRO ENRÍQUEZ ANÁLISE DE SENSORES BASEADOS EM FIBRA ÓPTICA Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica no Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Orientadora: Profª. Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi, D.C. Rio de Janeiro

3 c2011 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro - RJ CEP: Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es) Enríquez, Daniel Alfredo Chamorro. E59a Análise de sensores baseados em fibra óptica / Daniel Alfredo Chamorro Enríquez, orientado por Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, p. Dissertação (mestrado) Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro, Engenharía Elétrica. 2.Grades de Bragg - fibra. 3. Grades de período longo. 4.Índice de refração. I. Rocco, Thereza. II. Título. III. Instituto Militar de Engenharia. CDD

4 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CAP DANIEL ALFREDO CHAMORRO ENRÍQUEZ ANÁLISE DE SENSORES BASEADOS EM FIBRA ÓPTICA Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de mestre em Engenharia Elétrica. Orientadora: Profª. Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi, D.C. Aprovada em 25 de novembro de 2011 pela seguinte Banca Examinadora: Profª. Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi, D.C. do IME Presidente Profª. Maria José Pontes, D.C. da UFES. Prof. João Crisóstomo Weyl Albuquerque Costa, D.C. da UFPA. Prof. Paulo Roberto Rosa Lopes Nunes, Ph.D. do IME. Rio de Janeiro

5 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por ser ele o grande arquiteto da minha vida, por me abençoar e por permitir que tudo isso aconteça. À minha esposa Alejandra, que tem sido a minha amiga e companheira fiel durante este tempo, ela com seu amor, compreensão, paciência e apoio incondicionais me ajudou a concluir com sucesso este objetivo. À minha filha María Emilia, que com sua inocência e seu amor, me deu a força e foi a minha motivação para atingir esta meta. Aos meus pais, Salvador e Carmela que com seu amor, sacrifício e bênção têm sido um claro exemplo de vida e superação, a eles que são participantes das minhas conquistas e do meu crescimento pessoal. À professora Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi, pela sua orientação, ajuda desinteressada, dedicação e guia necessária para o desenvolvimento dessa dissertação. Ao glorioso Exército Equatoriano e à Escuela Politécnica del Ejército-ESPE, por terem oferecido a grandiosa oportunidade de me superar. Aos meus colegas e camaradas Cap Milbert Beltrán e Cap Henry Córdova que empreenderam comigo essa missão encomendada pelo Exército Equatoriano, pela sua amizade e por terem compartilhado comigo nos bons e nos maus momentos. Aos amigos que, direta ou indiretamente, muito me ajudaram nessa jornada, em especial, Maj Itiro, Cap Andrezo, Alberto, Gabriela e todos que de uma ou outra forma me apoiaram durante os meus estudos e a minha permanência no Brasil. 4

6 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES... 7 LISTA DE TABELAS...11 LISTA DE SIGLAS INTRODUÇÃO Objetivo Motivação Organização do Trabalho TEORIA DE GRADES EM FIBRA Modos Guiados e Acoplamentos Ressonantes em Grades de Fibra Óptica Teoria de Modos Acoplados Grades de Bragg em Fibra Grades de Período Longo em Fibra GRADES DE BRAGG EM FIBRA E GRADES DE PERÍODO LONGO COMO ELEMENTOS SENSORES Vantagens dos Sensores a Fibra Óptica Grades de Bragg em Fibra Como Elementos Sensores Sensor FBG de Temperatura Sensor FBG de Tração Sensor FBG de Índice de Refração Grades de Período Longo Como Elementos Sensores

7 3.3.1 Sensor LPG de Temperatura Sensor LPG de Tração Sensor LPG de Índice de Refração do Meio Externo COMPARAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Caracterização de Grades de Bragg Medidas Experimentais e Simulação da Sensibilidade da FBG à Temperatura Medidas Experimentais e Simulação da Sensibilidade da FBG à Tração Simulação da Sensibilidade da FBG ao Índice de Refração do Meio Externo Caracterização de Grades de Período Longo Simulação da Sensibilidade da LPG à Temperatura Simulação da Sensibilidade da LPG à Tração Simulação da Sensibilidade da LPG ao Índice de Refração do Meio Externo Sensores Híbridos FBG-LPG Para Discriminação Simultânea de Temperatura e Índice de Refração do Meio Externo CONCLUSÕES Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS APÊNDICE Apêndice 1: Publicação Resultante Desta Dissertação

8 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIG. 2.1 Ilustração dos raios ópticos dos modos guiados FIG. 2.2 Acoplamento contra-direcional para grade de reflexão FIG. 2.3 Acoplamento co-direcional para grade de transmissão FIG. 2.4 Espectro de reflexão de FBGs em função de Δβ L para κ ξ L=π 2 e κ ξ L=2π FIG. 2.5 Espectros de transmissão de uma LPG em função de Δβ'L para κ ξ L=π/4, κ ξ L=π/2 e κ ξ L=π FIG. 3.1 Sensores a fibra óptica extrínsecos e intrínsecos FIG. 3.2 FIG. 3.3 FIG. 3.4 FIG. 3.5 FIG. 3.6 Resposta típica da mudança do comprimento de onda de uma FBG para a temperatura (YIN, 2008) Mudança no comprimento de onda da grade de Bragg com a temperatura (SMITA, 2007) Resposta típica da mudança do comprimento de onda de uma FBG para a tração (YIN, 2008) Resposta espectral da refletividade de uma grade de Bragg uniforme de 2cm de comprimento para diferentes índices de refração. A linha sólida corresponde a 0.5*10-4 de mudança do índice de refração (OTHONOS, 1997) Espectro de transmissão de (a) uma LPG de 40 mm de comprimento e período de 400μm fabricada em B-Ge com o corte em um comprimento de onda de 644nm. (b) LPG fabricada com a fibra Corning SMF-28 com período de 320μm (JAMES, 2003) FIG. 3.7 Espectro de transmissão de uma LPG FIG. 3.8 FIG. 3.9 Mudança no comprimento de onda de uma banda de atenuação de uma LPG com a temperatura. A LPG foi fabricada com o período de 280 μm em fibra Corning SMF-28. Os espectros correspondem às temperaturas de 22,7 C, 49,1 C, 74,0 C, 100,9 C, 127,3 C, e 149,7 C, (BHATIA, 1996) Mudança do comprimento de onda de uma grade de período longo com a temperatura (SMITA, 2007)

9 FIG Mudança nos picos do comprimento de onda em função da tração exercida sobre uma LPG para varias bandas de ressonância. A linha tracejada corresponde à mudança para uma FBG com coeficiente de nm/%ε. A LPG foi fabricada em fibra Corning SMF-28 com um período de 280 μm (BHATIA, 1999) FIG Comparação das mudanças do comprimento de onda com (a) temperatura induzida (b) tração induzida da LPG e FBG (YIN, 2008) FIG (a) Mudança do espectro com o incremento da tração para o modo da casca LP 07, (b) Sensibilidade à tração para dois modos da casca (HUANG, 2010) FIG (a) Desvio em comprimento de onda induzido pela variação do índice de refração do meio externo à fibra (a LPG foi fabricada com um período de 400 μm em fibra dopada com boro-germânio); (b) transmissão no pico de atenuação da LPG (KHALIQ, 2002) FIG Resposta espectral em transmissão da ressonância, situada aproximadamente em 1300nm, de uma LPG escrita em fibra Corning SMF-28 (EIRA, 2007); FIG Espectros de transmissão de uma LPG, quando imersa em diferentes substâncias (POSSETTI, 2009) FIG Espectros de transmissão de uma LPG, normalizados, quando imersa em diferentes substâncias (POSSETTI, 2009) FIG Espectros de transmissão de uma LPG em soluções de etileno glicol com diferentes concentrações (CHONG, 2003) FIG. 4.1 FIG. 4.2 FIG. 4.3 FIG. 4.4 FIG. 4.5 Simulação do espectro de reflexão normalizado de FBGs em função de Δβ L para κ ξ L=π/2, κ ξ L=π, κ ξ L=3π 2 e κ ξ L=2π Montagem experimental utilizada para medições de temperatura com sensores de grades de Bragg em fibra Espectros de reflexão da grade de Bragg medidos para um intervalo de temperatura de 10 C a 52 C Espectros de reflexão da grade de Bragg simulados para um intervalo de temperatura de 10 C a 52 C Espectros de reflexão medido (linha tracejada) e simulado (linha cheia) da grade de Bragg em 10 C e 52 C FIG. 4.6 Diagrama esquemático para medição de tração do sensor FBG

10 FIG. 4.7 Espectros de refletividade da FBG medidos com valores de (a) 50 μm, FIG. 4.8 FIG. 4.9 Espectros de refletividade da FBG medidos no laboratório para valores de 0 μm até 200 μm com passo de 10 μm Espectros de refletividade da FBG simulados para valores de 0 με até 1000με com passos de 50 με FIG Espectros de reflexão medido (linha tracejada) e simulado (linha cheia) da grade de Bragg em 250 με e 1000 με FIG Espectro de refletividade para uma FBG uniforme para diferentes índices de refração FIG Simulação dos espectros de transmissão normalizados de uma LPG em função de Δβ'L para κ ξ L=π/4, κ ξ L=π/2, κ ξ L=3π/4 e κ ξ L=π FIG Montagem experimental utilizada por Bathia et al (BHATIA, 1999) para determinar a mudança espectral termo induzida nas bandas de ressonância de uma LPG FIG Simulação da mudança no comprimento de onda de uma banda de atenuação de uma LPG com a temperatura. A LPG foi fabricada com o período de 280 μm em fibra Corning SMF-28. Os espectros correspondem às temperaturas de 22,7 C, 49,1 C, 74 C, 100,9 C, 127,3 C e 149,7 C FIG Espectro de transmissão simulado (linha cheia) para uma LPG atuando como sensor de temperatura para uma temperatura de 22.7 C e C. As curvas tracejadas foram obtidas de (BHATIA, 1999) para comparação FIG Montagem experimental utilizada por Huang et al (HUANG, 2010) para determinar a mudança espectral nas bandas de ressonância de uma LPG quando é submetida à tração FIG Simulação da mudança no comprimento de onda da banda de atenuação de uma LPG com a tração. Os espectros correspondem às trações de 1000 με, 1500 με, 2000 με e 2500 με FIG Espectro de transmissão simulado (linha cheia) para uma LPG atuando como sensor de tração para uma tração de (a) 1000 με e (b) 2000 με. As curvas tracejadas foram obtidas de (HUANG, 2010) para comparação FIG Montagem experimental utilizada por Eira (EIRA, 2007) e (POSSETTI, 2009) para determinar a mudança espectral nas bandas de ressonância de uma LPG quando é submetida a variações do índices de refração do meio externo

11 FIG Simulação da mudança no comprimento de onda da banda de atenuação de uma LPG com o índice de refração do meio externo quando a LPG foi mergulhada em soluções com porcentagens de 0% a 100% de etileno glicol em água com passos de 20% FIG Comparação do espectro de transmissão simulado (linha cheia) e medido pelo autor da referência (EIRA, 2007) (linha pontilhada) para uma LPG atuando como sensor de índice de refração do meio externo quando a LPG foi mergulhada em soluções com diferentes porcentagens de etileno glicol em água (a) 0%, (b) 40%, (c) 60% e (d) 100% FIG Simulação dos espectros de transmissão da LPG, quando imersa em diferentes substâncias FIG Simulação dos espectros de transmissão da LPG, quando imersa em diferentes substâncias FIG Comparação entre os resultados simulados (linha cheia) e medidos por Posseti (POSSETTI, 2009) (linha pontilhada), quando a LPG está imersa em diferentes soluções (a) querosene, (b) tíner e (c) etanol FIG Espectro de transmissão simulado (linha cheia) de uma LPG em soluções de etileno glicol com diferentes concentrações. Os símbolos foram obtidos da FIG para a sua comparação FIG Montagem experimental proposta para medir simultaneamente o índice de refração e a temperatura de soluções aquosas FIG Simulação do espectro transmitido por uma LPG e refletido por uma FBG para duas diferentes soluções: água (linha cheia) e concentração 80% de etileno glicol (linha tracejada) FIG Espectro de reflexão simulado de uma FBG em soluções com diferentes concentrações de etileno glicol FIG Espectro de reflexão simulado para um sensor FBG de temperatura. A simulação considera que a solução tem uma concentração de 80% de etileno glicol FIG Espectro de reflexão de um sensor FBG de índice de refração do meio externo e de temperatura. A linha cheia representa água à 25 C e a linha tracejada representa uma solução com concentração de 80% de etileno glicol à 50 C FIG Relação entre a variação do índice de refração do meio externo, temperatura, mudança de comprimento de onda, concentração da solução e refletividade da FBG

12 LISTA DE TABELAS TAB. 4.1 Índices de refração das soluções com diferentes porcentagens de etileno glicol. 80 TAB. 4.2 Valores dos índices de refração para as soluções TAB. 4.3 Valores de amplitude do espectro de reflexão da FBG para cada temperatura e variação do índice de refração do meio externo

13 LISTA DE SIGLAS AEAC EDF FBG LPG NIST OSA RIU SFBG SMF SRI UV Álcool Etílico Anidro Combustível - Anhydride Ethyl Alcohol Combustible Fibra Dopada com Érbio - Erbium Doped Fiber Grade de Bragg em Fibra - Fiber Bragg Grating Grade de Período Longo - Long Period Grating Instituto Nacional de Normas e Tecnologia - National Institute of Standards and Technology Analisador de Espectro Óptico - Optical Spectrum Analyzer Unidade de Índice de Refração - Refractive Index Unit Superestrutura de Grade de Bragg em Fibra - Superstructure Fiber Bragg Grating Fibra Monomodo - Single Mode Fiber Índice de Refração do Meio Externo - Surrounding Refractive Index Ultravioleta - Ultraviolet 12

14 RESUMO Neste trabalho se apresenta uma análise de sensores à fibra óptica baseados em grades de Bragg em fibra e grades de período longo para aplicação em monitoramento de temperatura, tração e índice de refração do meio externo. Esses parâmetros podem interagir com uma ou várias características da luz guiada pela fibra tais como intensidade, fase, estado de polarização e/ou o comprimento de onda do sinal propagado. Inicialmente, é feita uma análise de modos guiados e acoplamentos ressonantes em fibras ópticas, seguida do estudo da teoria básica das grades em fibra e o tratamento das grades de Bragg em fibra e grades de período longo como elementos sensores. As grades de Bragg em fibra utilizadas como sensores de temperatura e tração foram simuladas e caracterizadas em termos dos seus espectros de reflexão óptica. Os resultados das simulações foram comparados com os dados obtidos das medidas experimentais feitas no laboratório de Fotônica da Seção de Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia, obtendo-se coeficientes de temperatura e de tração das grades de Bragg em fibra de acordo com a literatura. Além disso, foram realizadas simulações de sensores FBG de índice de refração do meio externo. As grades de período longo como elementos sensores de temperatura, tração e índice de refração do meio externo foram simuladas em termos dos seus espectros de transmissão óptica, e os resultados foram comparados com dados de medições obtidos da literatura. Os resultados mostraram que grades de Bragg em fibra e grades de período longo para monitoramento de temperatura, tração e índice de refração do meio externo, podem operar em uma faixa dinâmica prática com uma grande capacidade de detecção. Finalmente foi proposta uma configuração de um sensor híbrido FBG-LPG para discriminação simultânea de temperatura e de índice de refração do meio externo para ser aplicado em um meio aquoso e detectar a poluição. É apresentada a simulação do sensor com o objetivo de analisar o comprimento de onda e variações de amplitude do espectro refletido da grade de Bragg em fibra para obter a temperatura e as variações do índice de refração do meio externo, respectivamente. Os resultados mostraram que a variação na amplitude do espectro refletido da FBG depende da variação do espectro de transmissão da grade de período longo com a modificação do índice de refração do meio externo e a mudança de comprimento de onda refletida depende da temperatura da solução aquosa. 13

15 ABSTRACT In this work, is presented an analysis of fiber optic sensors based on fiber Bragg gratings and long period gratings for application in monitoring of temperature, strain and surrounding refractive index. These parameters may interact with one or more characteristics of the guided light such as intensity, phase, polarization state and / or the wavelength of the propagated signal. Firstly, is performed an analysis of couplings and resonant guided modes in optical fibers, then the study of the basic theory of fiber gratings and the treatment of fiber Bragg gratings and long period gratings as sensing elements are developed. Fiber Bragg gratings used as temperature and strain sensors have been simulated and characterized in terms of their optical reflection spectra. The simulation results were compared with measurements achieved from the characterizations developed in the Photonics Laboratory of the Electrical Engineering Department of the Instituto Militar de Engenharia. The strain and temperature coefficients of the fiber Bragg gratings were obtained and were in good agreement with those from the literature. In addition, simulations were performed for FBGs as surrounding refractive index sensors. The long period gratings as sensing elements of temperature, strain and surrounding refractive index were simulated in terms of their optical transmission spectra and the results were compared with measurement data obtained from literature. The results show that fiber Bragg gratings and long period gratings temperature, strain and surrounding refractive index sensors can operate over a practical dynamic range with a great sensing capability. Finally it is proposed a configuration of a hybrid fiber Bragg grating together with a long period grating sensor used for simultaneously detect surrounding refractive index and temperature to be applied in aqueous environment and to reveal pollution. The simulation of such sensor is presented and is analyzed the reflected wavelength and the amplitude variations of the fiber Bragg grating spectrum to obtain the temperature and the external refractive index variations, respectively. The results show that the fiber Bragg grating reflected amplitude change depends on the variation of the long period grating transmission spectrum with the surrounding refractive index modification and the reflected wavelength shift depends on the temperature of the aqueous solution. 14

16 1 INTRODUÇÃO Nos últimos 20 anos, o avanço na tecnologia de fibra óptica em telecomunicações fomentou o desenvolvimento de sensores a fibra óptica (YIN, 2008). Estes dispositivos apresentam vantagens em comparação com os convencionais em algumas características que são cada vez mais relevantes no mercado, tais como tamanho reduzido, biocompatibilidade, alta sensibilidade, baixa potência, imunidade a interferências eletromagnéticas, geometria, facilidade de integração, custo potencialmente baixo, capacidade de multiplexação e robustez ambiental (ERDOGAN, 1997). Existem várias vantagens sobre o uso de sensores a fibra óptica. Devido à sua baixa atenuação, a fibra óptica é capaz de transmitir informações a longas distâncias. Essa propriedade permite o uso de sensores a fibra óptica em sensoriamento remoto, onde o sensor pode ser localizado a vários quilômetros de distância da unidade de análise ainda oferecendo confiabilidade (YIN, 2008). Além disso, também é possível fazer uma medição distribuída ao longo da fibra, se a necessidade se baseia em uma aquisição de dados extensa. A quantidade de informações que pode ser transmitida em uma fibra óptica é muito maior da que a das tecnologias elétricas, assim, vários parâmetros da luz, tais como comprimento de onda, intensidade, polarização e fase podem ser usados em uma única medição, aumentando a sensibilidade do sensor (YIN, 2008). Por outro lado, a multiplexação permite o uso de um grande número de sensores na mesma fibra. Em alguns casos, o número de sensores de fibra usados para apoiar um sistema de monitoração estrutural pode ser muito grande, talvez envolvendo milhares de sensores (UDD, 1998). Devido às características das fibras e dos dispositivos ópticos, é possível usar sua passividade para a fabricação de sensores a fibra químicos e elétricos, possibilitando seu uso em ambientes hostis. Além disso, a multiplicidade de técnicas ópticas desenvolvidas para análise química e caracterização, permite o seu uso nesta área. Sensores ópticos podem ser utilizados em ambientes perigosos e explosivos, ou onde possa existir alta interferência eletromagnética (YIN, 2008). Seu tamanho e peso reduzidos garantem a fabricação de sensores pequenos, um atributo importante quando comparado com outros sensores comuns. 15

17 Também conhecidos por suas propriedades não invasivas, os sensores a fibra óptica são amplamente utilizados para fins biológicos, como sensores ideais para aplicações biomédicas (YIN, 2008). Em comparação com os sensores convencionais, sensores a fibra óptica têm potencialmente maior sensibilidade, faixa dinâmica e resolução quando se necessita detectar variações de pequenos parâmetros (YIN, 2008). Sensores a fibra óptica estão encontrando uma série de aplicações no meio civil, industrial, e militar (DAKIN, 1988). São geralmente classificados como sensores extrínseco ou intrínseco de acordo com a forma como a informação é introduzida no sistema de transmissão. Nos sensores extrínsecos, a fibra conduz a luz ao ponto de medição e depois leva a luz que já foi alterada pelo meio externo (em intensidade, fase ou polarização) ao receptor. Este tipo de sensor é caracterizado pelo fato do mensurando atuar numa região externa à fibra óptica, isto é, a fibra óptica é usada apenas como canal óptico de transporte da radiação ao local de monitoração. Em algumas aplicações, o elemento sensor externo pode ser baseado em tecnologia eletrônica, sendo, a radiação óptica que é transportada pela fibra, convertida em energia elétrica que será depois codificada pela informação do mensurando. Como esse tipo de sensor não é totalmente óptico, embora seja extrínseco, é normalmente designado por sensor híbrido. Por outro lado, nos sensores intrínsecos, o meio externo modula a onda óptica durante a sua propagação através da fibra. Nesta categoria de sensores o mensurando atua diretamente na fibra, alterando uma ou mais propriedades ópticas da radiação guiada. Em outras palavras, o elemento sensor é a própria fibra. Em certas aplicações em que a sensibilidade da fibra óptica é baixa, pode revestir-se a fibra com um filme sensível à presença de um mensurando específico, ampliando assim o efeito sobre a radiação que se propaga na fibra. Esta é uma forma indireta, embora intrínseca, de medir uma grandeza física. (GRATTAN, 1999). Nos últimos anos, sensores a fibra óptica têm sido pesquisados com o intuito de uso nas mais diversas aplicações. Sensores intrínsecos são usados na medicina, em defesa e em aplicações aeroespaciais e podem ser usados para medir temperatura, pressão, tração, umidade, aceleração, etc. Sensores extrínsecos são usados em telecomunicações, por exemplo, para monitorar o estado e o desempenho das fibras ópticas dentro de uma rede (YIN, 2008). A função essencial de um sensor é medir a influência de algum parâmetro (o mensurando) na forma de onda incidente (o sinal). Os parâmetros podem ser classificados em seis grupos (DAKIN, 1988): 16

18 (a) Radiantes- intensidade, comprimento de onda, estado de polarização e fase da radiação eletromagnética ou acústica; (b) Mecânicos- força, pressão, torque, tração, vazão, massa, etc.; (c) Térmicos- temperatura, temperatura diferencial medida no espaço e/ou tempo e fluxo de calor; (d) Elétricos- tensão, carga, corrente, resistência, indutância, capacitância, duração de pulso, frequência e constante dielétrica; (e) Magnéticos- densidade de fluxo magnético, direção e permeabilidade do campo magnético; (f) Químicos- composição química, toxicidade, potencial de oxidação-redução, ph, pressão parcial de gás carbônico (pco 2 ), etc. Todos estes parâmetros podem alterar o sinal, embora alguns sejam mais úteis do que outros e as grandezas elétricas são muitas vezes os sinais de saída preferenciais. O processo de transdução envolvido no sensor pode ser obtido em uma fase de interação ou pode incluir uma fase intermediária (DAKIN, 1988). Em um sensor óptico, as medidas são feitas para mudar as características da luz transmitida ao longo da fibra, e essas mudanças, por sua vez são detectadas em um receptor óptico. Esse processo de duas fases é absolutamente fundamental para o funcionamento de sensores a fibra óptica e implica no grande cuidado que se deve ter na caracterização de ambas as fases da interação. Os sensores a fibra óptica consistem em uma fonte de luz constante (ou modulada) injetada em uma fibra óptica e transmitida para outro ponto onde a medição é feita. Neste ponto, os parâmetros que estão sendo medidos são usados para modular uma das propriedades da luz e essa luz modulada é coletada pela mesma ou por outra fibra e é levada ao detector onde é convertida em um sinal elétrico. A capacidade de transportar grande quantidade de informação de uma rede de fibra óptica implica em que seja possível a multiplexação de um grande número de sensores passivos em um enlace. A luz pode ser coerentemente modulada em fase e frequência, e coerente ou incoerentemente modulada em amplitude e estado de polarização. O comprimento de onda pode ser usado como portador de informação e tem a característica de carregar informação espacial altamente detalhada (DAKIN, 1988). 17

19 Entre os dispositivos usados para formar sensores a fibra óptica, existem as grades de Bragg em fibra (FBG) e as grades período longo (LPG), utilizadas para medir vários parâmetros como temperatura, pressão, índice de refração e tração, os interferômetros de Michelson e Mach-Zehnder, geralmente utilizados para medir rotações, o interferômetro de Fabry-Perot usado em multiplexação e o interferômetro de Sagnac para detectar diferenças muito pequenas no comprimento de onda (YIN, 2008). Entre esses componentes, a FBG e LPG são opções muito atraentes, uma vez que são dispositivos simples, robustos e extremamente eficientes para fins de sensoriamento (ERDOGAN, 1997). Em 1996, Bhatia e Vengsarkar demonstraram pela primeira vez sensores ópticos usando LPGs capazes de medir temperatura e tração, bem como o índice de refração externo (BHATIA, VENGSARKAR, 1996). Descobriram que a sensibilidade à temperatura média de LPGs é muito maior do que nas FBGs e fortemente dependente do tipo de fibra e da estrutura da grade. Em sua investigação, as LPGs foram fabricadas em quatro diferentes tipos de fibra e seu comportamento espectral foi examinado para os modos da casca de diferentes ordens. Percebeu-se que o modo da casca de terceira ordem de uma LPG com um período de 210 μm produzido em uma fibra monomodo padrão operando em 980 nm apresentou a maior sensibilidade à temperatura, 0,154 nm/ C. 10 vezes maior que a de uma FBG (~0,014 nm/ C) (YIN, 2008). A primeira utilização de uma FBG como um refratômetro foi relatada por Asseh et al em (ASSEH, 1998). O descascamento feito com polimento de um lado da grade, permite ao campo evanescente interagir com o meio circundante. Com essas características da grade, o comprimento de onda de Bragg pode ser dependente do índice de refração do meio externo, pois o índice de refração do modo efetivo de propagação é influenciado pelo índice de refração do meio externo. Foi demonstrado que a sensibilidade era dependente da espessura da casca restante. A espessura da casca ótima deve ser ao menos de 1 μm, o que permite obter um sensor muito sensível com uma resolução de 2,5*10-4 RIU (Unidade de Índice de Refração-Refractive Index Unit) operando em 1330 nm. Ha Lee et al em (HA LEE, 2000) demonstraram um método interferométrico usando uma LPG que Van Brakel et al (VAN BRAKEL, 2005) posteriormente utilizaram para a medição de índice de refração. A técnica utilizou dois tipos de fibras separadas para criar um sensor insensível à temperatura. Falciai et al em (FALCIAI, 2001) adaptaram a qualidade de sensoriamento de índice de refração de uma LPG para demonstrar um sensor de concentração de solução. O índice de 18

20 refração do cloreto de cálcio, cloreto de sódio e soluções aquosas de etileno glicol foram testados a partir de água destilada em um estado saturado. Yin et al em (YIN, 2001) propuseram o uso de uma LPG ultrafina, em fibras com 30 μm de diâmetro. A casca fina aumenta a sensibilidade da LPG ao índice de refração do meio externo. Uma aplicação interessante envolveu uma LPG com uma casca ultrafina de cristal líquido que exibiu uma mudança do índice de refração em resposta à radiação óptica incidente polarizada. Prédios e construções estão expostos a riscos de incêndio durante eventos extremos, tais como terremotos, tremores, ameaças terroristas, etc. Estudar o comportamento dessas construções em um ambiente de alta temperatura (por exemplo, colapso progressivo das construções de aço) tornou-se um assunto de fundamental importância que continua a demonstrar crescente interesse na comunidade científica. Os sensores estão atualmente disponíveis para implantação em ambientes de risco, assim como para experimentos de laboratório (HUANG, 2010). Por exemplo, para entender a física fundamental envolvida no processo de interação de uma estrutura com o fogo, pesquisadores utilizaram duas treliças com isolamento de aço que foram testadas em fogo produzido com combustível de aviação (NIST, 2006). A interação fogo-estrutura nunca seria plenamente compreendida sem a ajuda de sensores que podem medir diretamente grandes deformações a altas temperaturas. Em referência à investigação do colapso das torres do World Trade Center (NIST, 2006), nenhuma das amostras de aço recuperado do Marco Zero mostrou evidência de exposição a temperaturas acima de 600 C durante mais de 15 min. Apenas três das amostras recuperadas de painéis exteriores alcançou temperaturas superiores a 250 C durante o incêndio ou depois do colapso. Portanto, uma faixa de temperatura de até 700 C parece apropriada para a pesquisa de construções em ambientes de fogo. Medições de tração em alta temperatura têm sido tentadas por vários pesquisadores com sensores de grade de Bragg (CARLOS, 2007) e sensores de Fabry-Perot (XIAO, 1997). Para medições simultâneas de tração e de temperatura, sensores de grades de período longo fabricadas em fibra birrefringente (HAN, 2005) e pares de LPGs compactadas (BEY, 2008) têm sido investigados. Além disso, nos terremotos e tremores, os sistemas de construção muitas vezes experimentam grandes deformações, nesses casos edifícios críticos, como hospitais, subestações de energia, estações de bombeiros e delegacias de polícia são instalações essenciais, pois devem dar uma resposta imediata e ajudar com a evacuação e, portanto, 19

21 devem permanecer em funcionamento imediatamente após um evento de grandes magnitudes. Assim, acompanhar e avaliar a condição de grande tensão crítica de edifícios é de suma importância para as comunidades propensas a terremotos. Até hoje, as ferramentas mais utilizadas para medições de tração são medidores de resistência elétrica. No entanto, devido às propriedades eletromecânicas das juntas, materiais de apoio e os adesivos usados nos medidores de resistência, a tração máxima que pode ser medida antes da sua falha é limitada. Além disso, medidores de tração com fio provavelmente perderão os seus sinais, devido à queda de energia durante um forte terremoto quando as estruturas que estão sendo monitoradas são submetidas a grandes deformações. Por outro lado, sensores a fibra óptica que são resistentes à corrosão, tolerantes a altas temperaturas e imunes a interferências eletromagnéticas são tecnologias promissoras para a medição da tração. Nesta categoria, a tecnologia de grade de Bragg em fibra tem sido amplamente investigada e aceita em comunidades de monitoração estrutural. O outro tipo de tecnologia de grades que pode ser usada é a grade de período longo (CHEN, 2009). As LPGs oferecem a capacidade adicional de sensoriamento de índice de refração que tem sido utilizada em aplicações de sensoriamento químico e bioquímico. No entanto, devido a que as LPGs também são inerentemente sensíveis à temperatura, há um problema potencial de sensibilidade cruzada de temperatura, quando são usadas em detecção do índice de refração. Além disso, embora se possam usar as LPGs para medir as concentrações de substâncias químicas, a determinação exata do nível de concentração precisa da calibração com a temperatura, assim como a resposta do índice de refração da substância química em função da temperatura. Para isto, foram propostos esquemas simples e inovadores para a medição simultânea de temperatura e índice de refração com uma superestrutura de grade de Bragg em fibra (SFBG- superstructure fiber Bragg grating). A SFBG é um tipo especial de FBG que funciona como uma FBG periodicamente modulada e também como uma grade de período longo, simultaneamente (EGGLETON,1994). Quando a poluição é a causa do estudo, a medição simultânea da temperatura e do índice de refração do meio externo é uma boa maneira de prever qualquer tipo de degradação do meio ambiente. Existem alguns trabalhos na literatura que mostram a possibilidade de medir os dois diferentes parâmetros simultaneamente. Gwandu et al em (GWANDU, 2002) demonstraram o uso de um dispositivo de LPG em cascata escrito em fibra de casca dupla para a medição simultânea de índice de refração e temperatura. O modo do núcleo é acoplado a ambos os 20

22 modos da casca externa e casca interna. No entanto, os modos da casca interna são insensíveis à mudança no índice de refração e, portanto, respondem apenas à mudança da temperatura, enquanto que os modos da casca exterior são sensíveis a ambos. Assim, através do monitoramento das faixas adequadas de comprimento de onda, é possível separar ambas as respostas. Em (PATRICK, 1996), Patrick et al apresentaram uma configuração híbrida para discriminar simultaneamente tração e temperatura usando uma LPG juntamente com duas FBGs. O sensor (PATRICK, 1996) utiliza a diferença da resposta à tração e temperatura das duas grades de Bragg e uma grade de período longo para discriminar mudanças no comprimento de onda. É uma configuração simples, embora precise de duas grades de Bragg para interrogar a LPG. Eggleton et al em (EGGLETON,1994) propuseram, na década de 90, um procedimento para fabricar grades de Bragg com um envelope variável periodicamente para serem usadas como sensores. Este dispositivo era uma SFBG cujo espectro mostra uma série de picos regularmente espaçados. Guan et al em (GUAN, 2000), em seguida, usaram a superestrutura de grade de Bragg em fibra proposta por Eggleton et al em (EGGLETON,1994), para discriminar tração e temperatura ao mesmo tempo. Recentemente, a SFBG tem atraído muita atenção, pois é uma FBG periodicamente modulada e, como consequência apresenta uma série de comprimentos de onda regularmente separados. Por isso, o espectro de reflexão é semelhante a um pente. A SFBG também funciona como uma LPG e, assim, resulta em bandas de atenuação no espectro de transmissão (GUAN, 2000). Guan et al usou esse recurso da SFBG para medir a tração e temperatura, simultaneamente. Em (SHU, 2001), Shu et al relataram um esquema para medição simultânea de temperatura e índice de refração usando o mesmo dispositivo SFBG. Já que a SFBG possui respostas tanto da grade de Bragg como da de período longo, os autores mostraram que o efeito da temperatura foi medida apenas a partir da resposta da grade de Bragg. As informações do índice de refração foram extraídas a partir da resposta da grade de período longo. Shu et al em (SHU, 2001) demonstraram a dependência da temperatura e do índice de refração de uma solução de sacarose. A ideia é uma forma bem projetada para medir simultaneamente a temperatura e índice de refração. No entanto, ele usa uma configuração de transmissão que complica o sensoriamento remoto. 21

23 1.1 OBJETIVO O trabalho tem por objetivo o estudo, a análise e a simulação de sensores à fibra óptica baseados em grades de Bragg em fibra (FBG) e grades de período longo em fibras (LPG) para a monitoração de diferentes parâmetros. Os resultados das simulações serão comparados com resultados obtidos experimentalmente ou na literatura. É proposta uma configuração híbrida de sensor FBG-LPG para discriminação simultânea de temperatura e índice de refração do meio externo. 1.2 MOTIVAÇÃO A motivação desta dissertação são dois projetos em andamento no Laboratório de Fotônica da Seção de Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia: Monitorização remota de parâmetros ambientais através de sensores a fibra óptica AMBISENSE EDITAL CNPq nº 61/ Convênios Bilaterais Europa Brasil Portugal e Estudo e desenvolvimento de sensores ópticos para a monitorização remota de parâmetros ambientais - EDITAL CAPES CGCI nº 010/ Programa CAPES-FCT (Portugal). Este trabalho se insere nestes dois projetos. 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO A presente dissertação reúne uma análise teórica de sensoriamento óptico com FBGs e LPGs para aplicação como sensores de temperatura, tração e de índice de refração do meio externo. Para isso foram medidos e simulados os coeficientes de temperatura e de tração para os espectros de reflexão das FBGs e simulados sensores FBG ao índice de refração. Além disso, foram simulados os coeficientes de temperatura, tração e índice de refração do meio externo para o espectro de transmissão das LPGs e os resultados foram comparados com medições feitas por outros autores. O Capítulo 2 apresenta a teoria geral de grades. É tratada a teoria que descreve os modos guiados em fibras e o acoplamento dos mesmos no interior da fibra e finalmente a teoria de grades de Bragg e grades de período longo em fibra óptica. 22

24 A teoria das grades de Bragg e das grades de período longo utilizadas como elementos sensores de temperatura, tração e índice de refração do meio externo é apresentada no Capítulo 3. O Capítulo 4 mostra a comparação e análise dos resultados. A análise de cada um dos parâmetros é iniciada com a descrição do procedimento experimental usado para medições e simulações. Numa primeira parte dos resultados foram feitas simulações utilizando a formulação do Capítulo 2. As grades de Bragg utilizadas como sensores de temperatura e tração foram simuladas e caracterizadas em termos dos seus espectros de reflexão óptica. Os resultados das simulações foram comparados com os dados obtidos das caracterizações feitas no laboratório de Fotônica da Seção de Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia. Foram, também, realizadas simulações de sensores FBG de índice de refração. Além disso, foram feitas simulações para as grades de período longo como elementos sensores de temperatura, tração e índice de refração do meio externo. Os resultados foram comparados com dados da literatura. Finalmente, foram feitas simulações para um sensor híbrido FBG-LPG para discriminação simultânea de temperatura e do índice de refração do meio externo. No Capítulo 5, as conclusões apresentam um resumo da comparação entre os resultados experimentais e de simulações e com alguns resultados da literatura. Em seguida, são descritas as possibilidades de trabalhos futuros. 23

25 2 TEORIA DE GRADES EM FIBRA Neste capítulo será apresentada a teoria de grades em fibra óptica, tanto da grade de Bragg em fibra (FBG) como da grade de período longo (LPG). Será feita, numa primeira parte, uma análise de modos guiados e acoplamentos ressonantes em fibras ópticas, seguida de um breve tratamento da teoria de modos acoplados, para finalmente se fazer o estudo da teoria básica de grades de Bragg em fibra e grades de período longo. 2.1 MODOS GUIADOS E ACOPLAMENTOS RESSONANTES EM GRADES DE FIBRA ÓPTICA Os modos guiados em uma fibra óptica podem ser classificados em dois tipos. O primeiro são os modos do núcleo que são totalmente refletidos na interface núcleo-casca e são limitados na região central. O outro, são os modos da casca que são totalmente refletidos na fronteira da casca-ar (meio externo) e são contidos em regiões entre a casca e o núcleo, como mostrado na FIG FIG. 2.1 Ilustração dos raios ópticos dos modos guiados. No caso de uma fibra monomodo comum, o modo fundamental do núcleo é descrito por HE 11. No entanto, a abordagem de polarização linear é frequentemente utilizada devido à sua aproximação simples e fácil, que é suficientemente quantitativa para a avaliação do modo 24

26 fundamental do núcleo LP 01, o que pode ser encontrado resolvendo-se a seguinte equação (YIN, 2008): ( ) ( ) ( ) ( ) EQ. 2.1 EQ. 2.2 EQ. 2.3 onde J n são as funções de Bessel do primeiro tipo; K n são as funções de Bessel modificadas; r co é o raio do núcleo; λ é o comprimento de onda no vácuo; n co é o índice de refração do núcleo; n cl é o índice de refração da casca; n eff é o índice de refração efetivo do núcleo. Quando a fibra sofre perturbações, os modos podem ser acoplados a outros modos. A direção principal de acoplamento pode ser determinada como co-propagante ou contrapropagante, dependendo se as direções de propagação dos modos acoplados um com o outro são as mesmas ou opostas. Baseado na direção de acoplamento do modo, as grades em fibra podem ser classificadas em dois tipos: Grade de reflexão ou de período curto, onde o acoplamento ocorre entre os modos que se propagam em direções opostas como está ilustrado na FIG Exemplos destas grades são as grades de Bragg em fibra, grades chirpadas, etc. 25

27 Λ β co... -β co FIG. 2.2 Acoplamento contra-propagante para grade de reflexão. onde Λ é o período da grade; β co é a constante de propagação do modo do núcleo; -β co é a constante de propagação do modo do núcleo difratado pela grade de Bragg. Grade de transmissão, onde o acoplamento ocorre entre os modos que se propagam na mesma direção, como pode ser visto na FIG Exemplo destas grades são as grades de período longo. Λ β co... β cl FIG. 2.3 Acoplamento co-propagante para grade de transmissão. onde Λ é o período da grade; β co é a constante de propagação do modo do núcleo; β cl é a constante de propagação do p-ésimo modo da casca. 26

28 Para o modo difratado ser acumulado construtivamente, cada radiação difratada deve estar em fase, ou seja, a seguinte equação deve ser satisfeita (YIN, 2008): ( ) EQ. 2.4 onde β i é a constante de propagação para o modo incidente; β d é a constante de propagação para o modo difratado; Λ é o período da grade; m é um número inteiro. A diferença de percurso óptico entre os raios difratados das grades adjacentes deve ser um múltiplo inteiro do comprimento de onda para um acoplamento ressonante dos modos, como no caso de uma interferência construtiva em multicamadas dielétricas. Na maioria dos casos, a difração de primeira ordem é dominante, e neste caso, m é unitário. O comprimento de onda resultante pode ser obtido como (ERDOGAN, 1997): [ ( )] EQ. 2.5 onde, no caso de uma fibra monomodo n i,eff é o índice de refração efetivo do modo do núcleo; n d,eff é o índice de refração efetivo dos modos da casca. No acoplamento contra-propagante, o comprimento de onda de Bragg nominal do modo no núcleo é dado por: onde n co,ef é o índice de refração efetivo do modo do núcleo. EQ

29 No acoplamento co-propagante, o comprimento de onda resultante para acoplamento entre os modos do núcleo e casca é dado por (YIN, 2008): ( ( ) ) EQ. 2.7 onde n cl,ef (p) é o índice de refração efetivo do p-ésimo modo da casca. 2.2 TEORIA DE MODOS ACOPLADOS Há vários modos em uma fibra monomodo, incluindo um modo fundamental no núcleo e vários modos na casca. Entretanto, na maioria dos casos de grades em fibras quase uniformes, o acoplamento entre dois modos é dominante em uma região específica de interesse. A variação do índice induzido inicialmente para a grade senoidal uniforme pode ser descrita por (YIN, 2008): ( ) ( ) ( ) ( ) EQ. 2.8 ( ) ( ) { [ ( )] [ ( )]} onde é a variação espacial média do índice de refração sobre um período da grade; é a variação da amplitude do índice senoidal; Λ é o período; é a fase inicial da grade. 28

30 No caso de grades de reflexão monomodo, as expressões para as constantes de acoplamento podem ser descritas por expressões simples (YIN, 2008): EQ. 2.9 EQ onde é a constante de auto-acoplamento para o modo incidente; é a constante de auto-acoplamento para o modo difratado; é a constante de acoplamento cruzado; é o comprimento de onda; é a variação do índice de refração. Quando os dois modos de incidência e reflexão são idênticos tanto em comprimento de onda quanto em intensidade, exceto para as direções de propagação, então. Pelo contrário, no caso de LPGs, os dois modos acoplados que constam de modos do núcleo e da casca, não são idênticos, e então as constantes de acoplamento correspondentes devem ser determinadas pelo cálculo apropriado para os modos e suas integrais. Portanto, as constantes de acoplamento para o caso de acoplamentos entre os modos da casca devem ser descritas como (YIN, 2008): EQ EQ EQ Onde, os diversos parâmetros foram definidos após a EQ

31 Em geral, a relação se conserva para a maioria das grades em fibras que têm mudanças periódicas no índice de refração do núcleo, desde que o confinamento do campo do modo da casca na região do núcleo seja muito menor do que do modo do núcleo. 2.3 GRADES DE BRAGG EM FIBRA FBGs são baseadas em acoplamentos contra-propagantes uma vez que a direção de propagação dos modos acoplados um com outro é oposta. Em uma fibra monomodo, o modo de propagação no núcleo é refletido em um modo de propagação no núcleo idêntico em direção oposta. Na maioria dos casos de FBGs, o acoplamento de reflexão de Bragg é dominante, comparado aos acoplamentos com o modo da casca. Assumindo que a luz é incidente no início da grade (z=0) e que não há luz incidente no final da grade (z=l), as condições de contorno são: ( ) ( ) ; ( ) Então a refletividade da FBG para o modo de propagação do núcleo é descrita por (YIN, 2008): ( ) ( ) ( ) EQ onde EQ EQ ( ) EQ representa o complexo conjugado da constante de acoplamento cruzado. 30

32 Quando, portanto produzindo um valor real de, a potência do modo incidente decai exponencialmente na direção z; ou seja, a potência do modo refletido cresce exponencialmente em direção oposta. Por outro lado, nenhum outro decaimento ou crescimento ocorre, e então evoluem senoidalmente. Portanto, os pontos em podem ser definidos como as extremidades da banda. A máxima refletividade ocorre no comprimento de onda que satisfaz (YIN, 2008): ( ) ( ) EQ onde é o comprimento de onda de Bragg nominal; é o índice de refração efetivo não perturbado do modo do núcleo; é o comprimento de onda máximo. As extremidades da banda ocorrem nos comprimentos de onda, dadas por (YIN, 2008): EQ No caso de uma grade fraca tal que, a largura de banda é inversamente proporcional a. No caso de uma grade forte tal que, a largura de banda é aproximadamente idêntica à largura de banda fracionária, ou seja, as extremidades da abertura da banda estão próximas dos primeiros zeros. Como resultado, o pico principal se torna uma função quadrada larga e plana; entretanto, os lóbulos laterais também aumentam. Na FIG. 2.4 está ilustrado o espectro de refletividade de uma FBG para diferentes valores de (YIN, 2008). 31

33 Refletividade (%) FIG. 2.4 Espectro de reflexão de FBGs em função de Δβ L para κ ξ L=π 2 e κ ξ L=2π. 2.4 GRADES DE PERÍODO LONGO EM FIBRAS As LPGs são baseadas em acoplamentos co-propagantes. No caso de uma fibra monomodo, o modo de propagação no núcleo é dominantemente difratado nos modos da casca, que se propagam na mesma direção. De fato, os modos da casca são sujeitos a perturbações externas e como resultado, não podem se propagar a longas distâncias. Assumindo que a luz é incidente em z = 0 e que não há incidência do modo da casca na entrada da grade, as condições de contorno são: ( ) ( ) ( ) As transmissividades dos modos do núcleo ( ) e da casca ( ) são 0: 32

34 ( ) ( ) ( ) EQ ( ) ( ) EQ EQ EQ ( ) EQ representa o complexo conjugado da constante de acoplamento cruzado. No caso em que as perturbações externas são excluídas, é possível que o modo da casca se propague sobre uma longa distância e seja também reacoplado no modo do núcleo quando encontra outra LPG. A mínima transmissividade ocorre no comprimento de onda que satisfaz, ou seja, 0: EQ [ ( )] = [ ( ) ] EQ onde 33

35 Transmissividade (%) os modos do núcleo e da casca. é o comprimento de onda nominal de difração direta, é a diferença dos índices de refração efetivos não perturbados entre A variação de potência do modo do núcleo para o da casca aumenta gradualmente com relação a, e a máxima variação de potência ocorre em. Depois disso, até a direção de variação de potência se torna oposta (isto é, o modo do núcleo recebe a potência no retorno do modo da casca). Para a maioria dos casos de LPGs, a intensidade de ou na faixa de interesse é menor do que. A FIG. 2.5 apresenta a transmissividade de uma LPG para diferentes valores de κ ξ L 0. FIG. 2.5 Espectros de transmissão de uma LPG em função de Δβ'L para κ ξ L=π/4, κ ξ L=π/2 e κ ξ L=π. 34

36 3 GRADES DE BRAGG EM FIBRA E GRADES DE PERÍODO LONGO COMO ELEMENTOS SENSORES Os sensores a fibra óptica são, essencialmente, um meio pelo qual a luz guiada dentro de uma fibra óptica pode ser modificada em resposta à influência externa física, química, biológica, biomédica ou similar. A luz de uma fonte óptica, cujas propriedades ópticas relevantes permanecem constantes é guiada em uma fibra óptica através de um mecanismo de acoplamento estável e levada ao ponto em que a medição é realizada. Neste ponto, a luz pode ser colhida na saída da fibra e ser modulada, em um componente separado antes de ser relançada na mesma ou em outra fibra diferente, estes são chamados de sensores extrínsecos. A luz também pode continuar no interior da fibra e ser modulada em resposta ao parâmetro a ser medido, enquanto ainda está sendo guiada, estes são conhecidos como sensores intrínsecos. A FIG. 3.1 representa uma figura esquemática de sensores de fibra óptica extrínsecos e intrínsecos (DAKIN, 1988). Mensurando FIG. 3.1 Sensores a fibra óptica extrínsecos e intrínsecos 35

37 O item a ser medido pode ser praticamente qualquer parâmetro físico ou químico e o grupo de sensores a fibra óptica que têm sido desenvolvidos é extremamente diversificado. A propriedade do sinal óptico que pode ser modulada também é extremamente diversificada, abrangendo intensidade, fase, efeito Doppler, estado de polarização, função de modulação da sub-portadora ou comprimento de onda. Os detectores ópticos respondem apenas à intensidade óptica, que por sua vez, é um parâmetro fortemente dependente da temperatura e do envelhecimento, e uma vez que essas dependências também podem ser uma função do comprimento de onda, o mais simples mecanismo de codificação será obviamente digital, onde o estado do sensor é transmitido como uma forma de sequência de pulsos. É interessante observar que, dos mecanismos mencionados, apenas a frequência de modulação e a intensidade de modulação irão produzir um sinal digital (DAKIN, 1988). 3.1 VANTAGENS DOS SENSORES A FIBRA ÓPTICA As vantagens potenciais dos sensores a fibra óptica decorrem do fato de que o sinal modulado pode ser transmitido para e desde a região de detecção, sem recorrer a uma conexão elétrica, o que fornece as seguintes características principais: Imunidade contra interferências eletromagnéticas; Isolamento elétrico, eliminando problemas com conexões a terra e com normas de segurança elétrica; Passividade química; Tamanho reduzido e baixo peso, pois a fibra óptica é o meio de transmissão; Sensibilidade elevada e capacidade de interconexão com uma ampla gama de medições. Talvez a principal vantagem dos sensores a fibra óptica é sua capacidade para resolver problemas de medição em lugares que são inacessíveis ao ser humano utilizando tecnologias alternativas. Exemplos destes incluem a medição de corrente e tensão em ambientes de alta interferência eletromagnética, a medição de componentes químicos no sangue de pacientes 36

38 submetidos a tratamento cirúrgico e a capacidade de monitorar parâmetros como a temperatura em campos de radiofrequência com intensidade muito alta. 3.2 GRADES DE BRAGG EM FIBRA COMO ELEMENTOS SENSORES Sensores FBG têm sido relatados para medições de tração, temperatura, pressão, campo magnético dinâmico, etc. O comprimento de onda central da FBG irá variar com a mudança desses parâmetros experimentados pela fibra óptica (RAO, 1997). A sensibilidade de uma FBG deriva da sensibilidade de ambos, os índices de refração e período da grade, com relação à mecânica aplicada externamente ou a perturbações térmicas (YIN, 2008) SENSOR FBG DE TEMPERATURA Tração e temperatura mudam diretamente o índice de refração da fibra, provocando uma mudança no pico de reflexão e aumentando o valor do comprimento de onda de ressonância (UDD, 1998). As grades de Bragg são sensíveis a vários parâmetros físicos. Considerando-se a relação de Bragg em sua forma diferencial (YIN, 2008): B n B n eff eff EQ. 3.1 Pode-se notar a partir da EQ. 3.1 que a aplicação de qualquer alteração que modifica o índice de refração e/ou o período da FBG induz uma mudança no comprimento de onda ressonante. Este é o princípio básico de funcionamento de sensores FBGs (BHATIA, 1999). A sensibilidade à temperatura de uma FBG ocorre principalmente através da mudança induzida no índice de refração e, em menor medida, no coeficiente de expansão térmica da 37

39 fibra. Estes parâmetros não podem ser medidos separadamente. Assim, o pico reflete mudanças de comprimento de onda em um valor Δλ B em resposta a tração ε e a mudança de temperatura ΔT dado por (YIN, 2008): [ ( ) ] EQ. 3.2 onde Pe é o coeficiente óptico de tração; α s é o coeficiente de expansão térmica de qualquer material ligado à fibra; α f é o coeficiente de expansão térmica da própria fibra; ς é o coeficiente termo-óptico. Para uma mudança de temperatura de ΔT com uma tração constante, o deslocamento correspondente do comprimento de onda Δλ BT é dado por (MOREY, 1989): BT B T EQ. 3.3 onde α = (1/Λ)(dΛ/dT) é o coeficiente de expansão térmica para a fibra; ς = (1/n)(dn/dT) é o coeficiente termo-óptico. 2008): Substituindo os valores, a resposta térmica normalizada em uma tração constante é (YIN, EQ

40 Para uma grade produzida em fibra de sílica, os valores representativos das mudanças de comprimento de onda induzidas pela temperatura são aproximadamente 6,8 pm/ C, 10 pm/ C e 13 pm/ C operando em 830 nm, 1300 nm e 1500 nm, respectivamente (RAO, 1997) (MOREY, 1989). A FIG. 3.2 mostra a resposta típica da mudança de comprimento de onda de Bragg quando é aplicada temperatura, demonstrando boas características lineares sobre faixas dinâmicas práticas (YIN, 2008). Temperatura ( C) FIG. 3.2 Resposta típica da mudança do comprimento de onda de uma FBG para a temperatura (YIN, 2008). Um exemplo da resposta da FBG à mudança de temperatura foi demonstrado em (SMITA, 2007). A partir da FIG. 3.3 pode ser visto que o pico de 1550,5 nm se movimenta gradualmente até 1551 nm, conforme a temperatura é aumentada desde 30 C até 80 C, o que demonstra a sensibilidade de 10 pm/ C. 39

41 Refletividade (db) Comprimento de Onda (nm) FIG. 3.3 Mudança no comprimento de onda da grade de Bragg com a temperatura (SMITA, 2007) SENSOR FBG DE TRAÇÃO A tração afeta a resposta de uma FBG diretamente, por meio da expansão e compressão do período da grade e através dos efeitos ópticos da tração, isto é, as modificações induzidas pela tração no índice de refração. A mudança no comprimento de onda Δλ BS, para uma tração aplicada Δε é dada por (RAO, 1997): ( ) EQ. 3.5 onde ρ α é o coeficiente efetivo para o efeito foto-elástico da fibra; Δε = ΔL/L é a tração longitudinal; λ B é o comprimento de onda; 40

42 O coeficiente foto-elástico da fibra é dado por (RAO, 1997): [ ( )] EQ. 3.6 onde ρ 11 e ρ 12 são componentes de tração da fibra óptica; ν é a relação de Poisson. Para uma fibra óptica típica ρ 11 = 0,113; ρ 12 = 0,252; ν = 0,16; n =1,482 (OTHONOS, 1997), usando estes parâmetros, ρ α = 0,22. Então, a resposta de tração normalizada a uma temperatura constante é dada por (YIN, 2008): EQ. 3.7 Substituindo os valores, obtém-se para uma FBG operando em 1550 nm o valor do deslocamento do comprimento de onda: EQ. 3.8 Desta forma, na região espectral de 1550 nm, a sensibilidade para a aplicação da tração longitudinal é de aproximadamente 1,2 pm para uma deformação relativa de 1 με (1 με é igual a uma deformação de 1 μm por metro). 41

43 Para uma grade produzida em fibra de sílica, os valores representativos das mudanças de comprimento de onda induzidas pela tração são aproximadamente 0,64 pm/με, 1 pm/με e 1,2 pm/με operando em 830 nm, 1300 nm e 1550 nm, respectivamente (RAO, 1997) (MOREY, 1989). A FIG. 3.4 mostra a resposta típica da mudança no comprimento de onda de Bragg quando é aplicada tração em uma FBG, demonstrando boas características lineares sobre faixas dinâmicas práticas (YIN, 2008). Tração (με) FIG. 3.4 Resposta típica da mudança do comprimento de onda de uma FBG para a tração (YIN, 2008) SENSOR FBG DE ÍNDICE DE REFRAÇÃO Nos últimos anos, sensores FBG têm sido amplamente utilizados em muitas aplicações de detecção, incluindo medidas de temperatura e tração. As vantagens dos sensores baseado em grades são bem conhecidas. Alta sensibilidade, codificação intrínseca do parâmetro medido em um parâmetro absoluto, capacidade de multiplexação e custo muito baixo são apenas algumas delas. O princípio de funcionamento baseia-se na dependência da ressonância de Bragg no índice de refração efetivo e no período da grade. Uma vez que o índice de refração efetivo não é influenciado pelo meio externo nas fibras ópticas padrão (com casca de 125 μm), não é esperada uma sensibilidade das FBGs às mudanças no índice de refração do meio 42

44 externo. No entanto, se o diâmetro da casca da fibra é reduzido ao longo da região da grade, o índice de refração efetivo é significativamente afetado pelo índice de refração externo. Como consequência, mudanças no comprimento de onda Bragg combinadas com uma modulação da amplitude refletida são esperadas (IADICICCO, 2004). Como é sabido, a condição de ressonância de Bragg é expressa pela EQ Em FBGs inscritas em fibras ópticas padrão, o índice de refração efetivo do modo fundamental é praticamente independente do índice de refração do meio externo. No entanto, se o diâmetro da casca é reduzido, obtém-se uma dependência não linear com o índice de refração do meio externo, levando a uma mudança no comprimento de onda refletido. Diferentemente do uso comum de sensores para medições de temperatura e de tração, neste caso, somente o índice de refração efetivo da fibra óptica é afetado pelas mudanças no mensurando, enquanto o período da grade foi praticamente inalterado (IADICICCO, 2004). Assume-se como uniforme a mudança no índice de refração de uma FBG ao longo do comprimento da grade, no entanto, o valor da mudança é reduzido em conformidade com o aumento do comprimento da grade de tal forma que a máxima refletividade da grade permanece constante (OTHONOS, 1997). A FIG. 3.5 mostra a refletividade de uma FBG uniforme com 2 cm de comprimento. Nessas simulações, as mudanças no índice de refração são variadas. Para a primeira, com Δn = 0,5*10-4, a refletividade é de 90% e a largura da banda é de aproximadamente 0,074 nm. Reduzindo-se a mudança no índice de refração à metade do valor da primeira (Δn = 0,25*10-4 ), a refletividade diminui para 59% e a largura de banda para 0,049 nm. Uma nova redução no índice de refração (Δn = 0,1*10-4 ) resulta em uma refletividade de 15% e uma largura de banda de 0,039 nm. Pode-se observar que a largura de banda se aproxima de um valor mínimo e se mantém constante para uma maior redução na mudança no índice de refração (OTHONOS, 1997). 43

45 Refletividade (%) Δn = 0,50*10-4 Δn = 0,25*10-4 Δn = 0,10*10-4 Comprimento de Onda (nm) FIG. 3.5 Resposta espectral da refletividade de uma grade de Bragg uniforme de 2cm de comprimento para diferentes mudanças de índices de refração (OTHONOS, 1997). 3.3 GRADES DE PERÍODO LONGO COMO ELEMENTOS SENSORES A grade de período longo tem um período tipicamente no intervalo de 100 μm até 1 mm. A LPG permite o acoplamento entre o modo de propagação do núcleo e os modos de propagação da casca. A alta atenuação dos modos da casca resulta no espectro de transmissão da fibra contendo uma série de bandas de atenuação centradas em comprimentos de onda discretos, cada banda de atenuação correspondendo ao acoplamento de um modo diferente da casca. Exemplos de espectros de transmissão da LPG são mostrados na FIG. 3.6 (JAMES, 2003). A forma exata do espectro, e os comprimentos de onda centrais das bandas de atenuação, são sensíveis ao período da LPG, ao comprimento da LPG e ao meio ambiente: temperatura, tração e o índice de refração do meio externo à fibra (BHATIA, 1999). Mudanças nesses parâmetros podem modificar o período da LPG e/ou o índice de refração diferencial do núcleo e os modos da casca. Isso modifica a fase correspondente às condições de acoplamento dos modos da casca, e resulta em mudanças no comprimento de onda central das bandas de 44

46 Transmissão (db) Transmissão (%) atenuação (JAMES, 2003). Exemplos dos espectros de transmissão de GPL são mostrados na FIG Comprimento de Onda (nm) Comprimento de Onda (nm) FIG. 3.6 Espectro de transmissão de (a) uma LPG de 40 mm de comprimento e período de 400μm fabricada em B-Ge com o corte em um comprimento de onda de 644nm. (b) LPG fabricada com a fibra Corning SMF-28 com período de 320μm (JAMES, 2003). As LPGs têm sido amplamente utilizadas em comunicações por fibra óptica e sensores. Exemplos de dispositivos baseados em LPGs incluem os filtros rejeita banda (VENGSARKAR, 1996), sensores de temperatura, de tração e de índice de refração do meio externo (BHATIA, 1999). Desde que a LPG acopla a luz entre dois modos diferentes, suas propriedades podem ser muito diferentes daquelas da FBG. A LPG pode ter sensibilidade à 45

47 Transmissividade (db) temperatura muito diferente dependendo do tipo de fibra e do período da grade. Ao escolher um tipo de fibra e os modos de acoplamento, a resposta à tração e à temperatura da ressonância da LPG pode ser positiva, negativa ou zero (ZHAO, 2008). Na FIG. 3.7, é observado o espectro de transmissão de uma LPG com 2,54 cm de comprimento e um período de 402 pm. A perda máxima é de 32 db com um comprimento de onda máximo de 1517 nm (VENGSARKAR, 1996). Comprimento de Onda (nm) FIG. 3.7 Espectro de transmissão de uma LPG. LPGs insensíveis à temperatura têm atraído especial atenção devido ao seu potencial de aplicações na obtenção de filtros ópticos estáveis e atenuadores sem exigir qualquer tipo de embalagens complexas, bem como na fabricação de sensores insensíveis à temperatura (JUDKINS, 1996). 46

48 3.3.1 SENSOR LPG DE TEMPERATURA A sensibilidade de uma LPG a parâmetros ambientais é influenciada pelo período da LPG, e pela composição da fibra óptica. Essa combinação permite a fabricação de LPGs que têm uma gama de respostas a um determinado mensurando (RAO, 1997). Esta propriedade tem sido amplamente explorada para controlar a sensibilidade à temperatura da LPG. Para muitas aplicações de estabilidade espectral isto é de primordial importância, e a capacidade de fabricar a LPG com uma banda de atenuação insensível à temperatura é uma característica atraente. Também é atrativo para a fabricação de sensores de tração insensíveis à temperatura. Por outro lado, para a fabricação de sensores de temperatura ou filtros sintonizados termicamente, uma alta sensibilidade à temperatura é necessária. A sensibilidade da LPG à temperatura é influenciada pelo período da LPG, pela ordem do modo da casca em que ocorre o acoplamento e pela composição da fibra óptica. A origem da sensibilidade à temperatura pode ser entendida pela diferenciação da EQ. 2.7 (BHATIA, 1997): d dt d dnco, d( neff ) dt eff dncl, dt eff d 1 d L dl dt EQ. 3.9 onde L é o comprimento da grade δn eff = n eff - n cl é o índice efetivo diferencial Os dois termos do lado direito da EQ. 3.9 representam as contribuições para a sensibilidade térmica da grade devido à mudança no índice de refração efetivo diferencial e no período da grade, que são os efeitos do material e do guia de onda, respectivamente (JUDKINS, 1996). A contribuição do material surge a partir da mudança nos índices de refração do núcleo e da casca devido à temperatura e é uma função da composição da fibra. A 47

49 Transmissividade (db) contribuição do guia de onda tem sua base na sensibilidade térmica do período da grade e pode ser positiva ou negativa, dependendo fortemente de dλ / dl correspondente ao modo de casca adequado (BHATIA, 1996). O deslocamento do comprimento de onda devido ao efeito do material pode igualmente ter polaridade e sua magnitude é uma função da mudança relativa entre os índices efetivos dos modos guiados e dos modos da casca. Para LPGs padrão com período de centenas de micrômetros, o efeito do material tipicamente domina em relação à contribuição do guia de onda quando induzido pela mudança da temperatura. BHATIA considerou uma grade de período longo com Λ = 280 μm fabricada em fibra Corning SMF-28 usando um laser UV de onda contínua (BHATIA, 1996) para estudar o efeito da temperatura. A FIG. 3.8 ilustra a mudança termicamente induzida no comprimento de onda desde 1607,8 nm em 22,7ºC até 1619,6 nm em 149,7ºC. Um ajuste linear nos dados da mudança no comprimento de onda produz uma aproximação de 93 pm/ºc que é uma ordem de magnitude maior do que a observada em uma grade de Bragg (BHATIA, 1996). Comprimento de Onda (nm) FIG. 3.8 Mudança no comprimento de onda de uma banda de atenuação de uma LPG com a temperatura. A LPG foi fabricada com o período de 280 μm em fibra Corning SMF-28. Os espectros correspondem às temperaturas de 22,7 C, 49,1 C, 74,0 C, 100,9 C, 127,3 C, e 149,7 C, (BHATIA, 1996). 48

50 Uma LPG fabricada em fibra óptica padrão de telecomunicações exibe sensibilidade a temperatura na faixa de 30 pm/ C a 100 pm/ C. Isto é uma ordem de magnitude maior do que a sensibilidade das FBGs. Compensações de temperatura em LPGs foram demonstradas utilizando períodos < 100 μm. Neste regime, o acoplamento é para os modos de ordem superior, que têm uma contribuição menor para a sensibilidade à temperatura. Por exemplo, uma LPG com período de 40 μm apresentou uma sensibilidade de 1,8 pm/ C, uma ordem de magnitude menor que a de uma FBG (HAN, 2005). Além da mudança no comprimento de onda, uma mudança na razão de extinção da atenuação pode ser observada para a LPG com κl > π. A resposta dos comprimentos de onda das bandas de atenuação com a variação da temperatura é linear, como ilustrado na FIG. 3.8 (BHATIA, 1999). No entanto, foi demonstrado que a resposta se torna não linear em temperaturas criogênicas, abaixo de 77 K (JAMES, 2003). Para a fabricação de sensores de temperatura de alta resolução, ou para criar filtros amplamente ajustáveis, uma série de técnicas para melhorar a sensibilidade tem sido relatada, incluindo o uso de fibras de diferentes composições e diferentes geometrias e a utilização de casca de polímero. Para uma cuidadosa escolha da ordem do modo da casca e do comprimento de onda, as LPGs fabricadas com fibras ópticas co-dopadas com B-Ge têm apresentado sensibilidades de até 2750 pm/ C. O recobrimento da fibra com um material com um coeficiente termo-óptico negativo foi mostrado para permitir que a sensibilidade à temperatura seja reduzida para 0,7 pm/ C. Outro exemplo da resposta da LPG à mudança de temperatura foi demonstrado em (SMITA, 2007). Para observar a sensibilidade à temperatura, é considerado o pico em 1469 nm, uma vez que apresentou maior sensibilidade do que os outros picos. A partir da FIG. 3.9 pode ser visto que o pico de nm se movimenta gradualmente até 1472 nm, conforme a temperatura é aumentada, o que demonstra a sensibilidade de 60 pm/ C para a variação de temperaturas de 30 C até 80 C. Na FBG, a sensibilidade para a mesma faixa de temperatura é de 11 pm/ C (SMITA, 2007). 49

51 Transmissividade (db) Comprimento de Onda (nm) FIG. 3.9 Mudança do comprimento de onda de uma grade de período longo com a temperatura (SMITA, 2007) SENSOR LPG DE TRAÇÃO A alteração no período da grade pode também ocorrer devido a deformações mecânicas, causando desvios no comprimento de onda ressonante, λ res. Este comportamento pode ser analisado pela diferenciação da EQ. 2.7 em relação à deformação da fibra, ε (BHATIA, 1999): d d d dneff d( neff ) d dn cl d d d EQ Onde, o primeiro termo do lado direito da igualdade representa a alteração induzida no índice de refração pela deformação da fibra (efeito foto-elástico), e o segundo termo corresponde à alteração no período da grade resultante da deformação elástica da fibra. 50

52 Deslocamento do comprimento de Onda (nm) A sensibilidade é composta pelos efeitos do material e do guia de onda, os efeitos do material são a mudança na dimensão da fibra e o efeito da deformação óptica, e os efeitos de guia de onda são decorrentes do termo de dispersão dλ/dλ. Para uma LPG com período > 100 μm, a contribuição do material é negativa, enquanto a contribuição do guia de onda é positiva. A escolha apropriada do período da grade e da composição da fibra permitirá a geração de bandas de atenuação com sensibilidade à tração positiva, negativa ou zero (BHATIA, 1997). A FIG mostra o deslocamento axial da tração induzida nas bandas de ressonância da grade de período longo inscrita em fibra SMF-28 (com Λ = 280 μm). A localização das bandas A, B, C e D é 1607,8 nm, 1332,4 nm, 1219,3 nm e 1159,3 nm respetivamente. A dependência da ordem do modo da casca é mostrada na FIG pelo fato de que as bandas de ressonância correspondentes às curvas A e D têm respostas diferentes de 19,42 nm /%ε e - 0,32 nm/%ε, respectivamente. (BHATIA, 1999). Tração (με) FIG Mudança nos picos do comprimento de onda em função da tração exercida sobre uma LPG para varias bandas de ressonância. A linha tracejada corresponde à mudança para uma FBG com coeficiente de nm/%ε. A LPG foi fabricada em fibra Corning SMF-28 com um período de 280 μm (BHATIA, 1999). 51

53 A modulação das propriedades guiadas do núcleo e da casca irá modificar a resposta espectral das LPGs. A FIG. 3.11(a) apresenta os resultados comparativos de um LPG com um período de 400 μm e uma FBG padrão, as duas fabricadas em fibra co-dopada com B/Ge. A sensibilidade térmica da LPG é aproximadamente 10 vezes maior que a da FBG (YIN, 2008). As LPGs investigadas por Bhatia e Vengsarkar como sensores de tração também exibiram uma sensibilidade maior do que as FBGs, mas a diferença relativa não é tão grande como no caso da temperatura. O deslocamento do comprimento de onda devido à tração aplicada na LPG produzida com fibra Corning foi apenas o dobro do valor obtido a partir da FBG produzida com a mesma fibra. No entanto, apesar de não haver uma diferença consistente, sempre se obtém nas LPGs uma maior sensibilidade média à tração que nas FBGs. Porém, em trabalhos subsequentes, sensibilidades à tração semelhantes ou até mesmo menores foram observadas para as LPGs (YIN, 2008). A FIG. 3.11(b) refere-se a um caso onde a sensibilidade à tração de uma LPG é semelhante à de uma FBG envolvendo as mesmas duas grades que foram utilizadas para avaliação da resposta térmica na FIG. 3.11(a) (YIN, 2008). Temperatura ( C) Tração (με) FIG Comparação das mudanças do comprimento de onda com (a) temperatura induzida (b) tração induzida da LPG e FBG (YIN, 2008). A FIG (a) mostra a mudança no espectro de uma LPG para várias trações e a FIG (b) apresenta a sensibilidade da LPG à tração em temperatura ambiente (22 C) para dois 52

54 Intensidade (db) Comprimento de Onda Central (nm) modos da casca LP 07 e LP 06. As sensibilidades à tração dos modos da casca LP 07 e LP 06 são 3,064*10-4 nm/με e - 2,547*10-4 nm/με, respectivamente (HUANG, 2010). Comprimento de Onda (nm) (a) Tração (με) (b) FIG (a) Mudança do espectro com o incremento da tração para o modo da casca LP 07, (b) Sensibilidade à tração para dois modos da casca (HUANG, 2010). Uma LPG com período de 340 μm, inscrita em fibra Corning Flexcore, exibiu uma banda de atenuação com uma sensibilidade à tração de 0.04 pm/με (BHATIA, 1997), que é uma ordem de magnitude menor do que a de uma FBG operando em 1300 nm. Uma LPG, com período de 40 μm apresentou uma sensibilidade à tração de -2,2 pm/με (BHATIA, 1997) SENSOR LPG DE ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO MEIO EXTERNO As LPG têm sua operação fundamentada no acoplamento entre o modo propagante do núcleo e os modos co-propagantes da casca. Os comprimentos de onda de ressonância das LPG são dados pela condição de casamento de fase dada pela EQ. 2.7 (DAKIN, 1988). A potência óptica que se propaga nos modos da casca decai rapidamente para modos de radiação, deixando no espectro de transmissão vales de atenuação centrados no comprimento de onda dados pela EQ O índice de refração efetivo do modo da casca depende do índice de refração do meio externo, do núcleo e da casca. Uma mudança no meio externo implica em 53

55 Mudança no comprimento de Onda (nm) alterar o termo na EQ. 2.7, alterando a condição de casamento de fase e ocasionando deslocamentos em comprimentos de onda dos vales existentes no espectro de transmissão. A identificação dos diversos deslocamentos do comprimento de onda para variações conhecidas de índices de refração do meio externo permitem então a construção e calibração de um dispositivo sensor (YIN, 2008). A mudança do índice de refração do meio externo provoca um deslocamento no comprimento de onda central das bandas de atenuação no espectro de transmissão da grade e a variação da amplitude do mesmo, sempre que o índice de refração do meio externo seja menor que o da casca da grade (JAMES, 2003). Este efeito é causado pela sucessiva diminuição do coeficiente de acoplamento, como consequência da diminuição na integral de sobreposição entre o núcleo e os modos da casca. A FIG mostra a resposta em comprimento de onda à variação de índice de refração de uma grade de período longo de 40 mm de comprimento, período de 400 μm, fabricada em fibra óptica co-dopada com boro e germânio (KHALIQ, 2002). (a) 54

56 Transmissão (%) (b) FIG (a) Desvio em comprimento de onda induzido pela variação do índice de refração do meio externo à fibra (a LPG foi fabricada com um período de 400 μm em fibra dopada com boro-germânio); (b) transmissão no pico de atenuação da LPG (KHALIQ, 2002). A FIG apresenta a evolução dos espectros de transmissão da LPG à variação do índice de refração do meio externo em uma fibra padrão com um período de 838μm. As medidas do espectro de transmissão das grades foram obtidas quando as mesmas se encontravam mergulhadas em soluções com diferentes índices de refração variando entre 1,33 e 1,423 (EIRA, 2007). 55

57 FIG Resposta espectral em transmissão da ressonância, situada aproximadamente em 1300nm, de uma LPG escrita em fibra Corning SMF-28 (EIRA, 2007); Com o aumento do índice de refração ocorre um deslocamento do espectro de transmissão para comprimentos de onda inferiores. Este fato compreende-se através do aumento do índice de refração efetivo dos modos da casca, o qual, de acordo com a condição de ressonância, origina valores menores de comprimentos de onda (EIRA, 2007). A fim de aumentar a sensibilidade às mudanças do índice de refração do meio externo, o período da grade deve ser relativamente baixo (<300 μm) (SHU, 2002). Os modos de acoplamento da casca tem que ser superiores para que a estrutura da LPG seja penetrada intensamente pelo meio circundante (PATRICK, 1998). A maior sensibilidade com o índice de refração da LPG não revestida pode ser observada quando o valor do índice de refração do meio está perto do índice de refração da casca, que tipicamente é feita de sílica. Neste caso particular, o núcleo da fibra é rodeado por um meio infinito, e os modos da casca não podem ser produzidos, de modo que o acoplamento não acontece (ERDOGAN, Turan, 1997). A sensibilidade de uma estrutura deste tipo pode chegar a dλ/dn = nm por unidade de índice de refração, analisadores de espectro típicos oferecem uma resolução de medição de 5 *10-5 RIU (FALATE, 2005). 56

58 Os parâmetros mais importantes da casca são o índice de refração e a espessura que pode ser alterada por influências externas específicas. Cascas finas (< 300 nm) podem ser usadas para produzir uma alta sensibilidade da LPG na faixa do índice de refração de interesse. A casca modifica significativamente as condições de propagação para os modos guiados da casca (SMIETANA, 2008). A dependência do índice de refração com a concentração de mistura de etileno glicol, que é um tipo de álcool, segue a lei empírica (SCHROEDER, 2001): EQ onde n é oíndice de refração da solução; n H2O é o índice de refração da água; V eth é o volume do etileno glicol; V tot é o volume total da amostra. A medição da variação espectral em comprimento de onda é um parâmetro necessário para a determinação do índice de refração do meio externo. Contudo, esta é sensível a outros parâmetros, como temperatura e tração, que podem alterar os índices de refração efetivos do núcleo ou da casca, ou ambos. Além disso, a temperatura também altera o índice de refração do meio externo, gerando um erro na medição. Perante estas considerações, é necessário recorrer a métodos que permitam evitar ou corrigir erros induzidos por parâmetros externos durante a medição do índice de refração do meio externo. Para isso, a grade tem de permanecer fixada pelas extremidades e as medições do índice de refração do meio externo têm de ser realizadas à temperatura ambiente e constante. Portanto, é necessário controlar a sensibilidade da LPG a mais de um parâmetro, a fim de isolar sua contribuição individual e minimizar a introdução de erros na resposta do elemento óptico (BHATIA, 1996) (PATRICK, 1998). Por não depender de flutuações de intensidade do 57

59 sinal de entrada e possuir um simples algoritmo de determinação, é frequente e suficiente, para a maioria das aplicações, monitorar os deslocamentos do comprimento de onda central de uma das bandas de atenuação do espectro de transmissão da LPG (CHIANG, 2000). A expressão analítica para esses deslocamentos em função do índice de refração externo quando este é menor que o índice de refração da casca da fibra óptica pode ser escrita da seguinte forma (CHIANG, 2000): m 2 m 3 m u ( 0 ) n clrcl n 2 cl 1 n 2 sur0 n 2 cl 1 n 2 sur EQ onde é a m-ésima raiz da função de Bessel de ordem zero ( ); é a posição inicial do comprimento de onda central da m-ésima banda de atenuação correspondente ao índice de refração n sur0 ; é a posição final para a qual foi deslocado após o contato com o meio cujo índice de refração é n sur ; r cl é o raio da casca; n cl é o índice de refração da casca; Λ é o período da LPG. É importante ressaltar que os termos de índice de refração presentes na EQ são definidos para um comprimento de onda específico e para uma temperatura particular. Possetti apresentou os espectros de transmissão de uma LPG quando imersa em diferentes meios, para o intervalo entre 1500 nm e 1600 nm, como mostrado na FIG e na FIG em escala relativa ao sinal de entrada. As substâncias avaliadas foram: ar, etanol (AEAC), gasolina do tipo C, tíner, aguarrás e querosene (POSSETTI, 2009). 58

60 FIG Espectros de transmissão de uma LPG, quando imersa em diferentes substâncias (POSSETTI, 2009). FIG Espectros de transmissão de uma LPG, normalizados, quando imersa em diferentes substâncias (POSSETTI, 2009). 59

61 Transmissão (db) Deslocamentos da referida banda de atenuação no sentido de menores comprimentos de onda ocorrem à medida que o índice de refração do meio externo à fibra óptica aumenta. Isso acontece porque o acréscimo do índice de refração circunvizinho à LPG induz a elevação do índice de refração efetivo dos modos de casca, fazendo com que a diferença entre os índices de refração efetivos dos modos de núcleo e de casca seja minimizada. De fato, o espectro referente ao contato com o querosene, substância com o maior índice de refração, é o mais deslocado para a esquerda, ao passo que o contato com o ar, substância com o menor índice de refração, posiciona o espectro mais à direita (POSSETTI, 2009). Chong em (CHONG, 2003) demostrou a sensibilidade de uma LPG as mudanças do índice de refração. As medidas experimentais da mudança no comprimento de onda da LPG para diferentes porcentagens de etileno glicol são mostradas na FIG n aumenta ar Comprimento de Onda (nm) FIG Espectros de transmissão de uma LPG em soluções de etileno glicol com diferentes concentrações (CHONG, 2003). 60

62 4 COMPARAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Numa primeira parte dos resultados foram feitas simulações utilizando a formulação do capítulo dois, sem a influência de nenhum parâmetro de medição, com a finalidade de mostrar a confiabilidade do software de simulação desenvolvido. Numa segunda parte foram feitas simulações dos espectros das grades de Bragg em fibra e grades de período longo como sensores de temperatura, tração e índice de refração do meio externo como parâmetros isolados, ou seja, testando um dos parâmetros e mantendo fixos os valores dos outros. As grades de Bragg utilizadas como sensores de temperatura e tração foram simuladas e caracterizadas em termos dos seus espectros de reflexão óptica. Os resultados das simulações foram comparados com os dados obtidos das caracterizações feitas no laboratório de Fotônica da Seção de Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia. No caso do sensor de índice de refração, foram realizadas apenas simulações, já que as grades de Bragg que existem no laboratório de Fotônica do IME não são apropriadas para medições experimentais do índice de refração do meio externo. Além disso, foram feitas simulações para as grades de período longo como elementos sensores de temperatura, tração e índice de refração do meio externo. Os resultados foram comparados com dados da literatura. Finalmente, foram feitas simulações de um sensor híbrido FBG-LPG para discriminação simultânea de temperatura e do índice de refração do meio externo. Para fazer as simulações no programa Matlab, se consideraram como dados de entrada os valores de comprimento, período e índice de refração do núcleo e da casca da grade testada, assim como o valor do comprimento de onda de operação da grade. Posteriormente, foram simulados e alterados os valores de comprimento de onda e amplitude dos espectros de reflexão e transmissão das grades de Bragg em fibra e grades de período longo, simultaneamente. 61

63 Refletividade 4.1 CARACTERIZAÇÃO DE GRADES DE BRAGG A partir da EQ foi feita a simulação para ilustrar o espectro de refletividade de uma FBG para diferentes valores de k ξ L. Na FIG. 4.1 são apresentadas as curvas de refletividade normalizada para uma grade de Bragg uniforme para diferentes valores de k ξ L. Nota-se que conforme aumenta o comprimento da grade a refletividade vai se tornando maior, até atingir o valor máximo de 100% k L= /2 k L= k L= 3 /2 k L= , L FIG. 4.1 Simulação do espectro de reflexão normalizado de FBGs em função de Δβ L para κ ξ L=π/2, κ ξ L=π, κ ξ L=3π 2 e κ ξ L=2π MEDIDAS EXPERIMENTAIS E SIMULAÇÃO DA SENSIBILIDADE DA FBG À TEMPERATURA A configuração experimental para medições de temperatura utilizando os sensores com FBG é composta por uma fonte óptica de bombeio, uma fibra dopada com érbio, um 62

64 x 10-6 circulador óptico, a FBG e o analisador de espectro óptico (OSA) utilizado para a medida espectral, como é mostrado na FIG A fonte óptica utilizada é um laser de bombeio, operando no comprimento de onda de 980 nm, com uma corrente de polarização de 100 ma, mantida constante. Laser de Bombeio EDF Circulador Água I I I I I I I I I I I I I I FBG -10 R OSA λ FBG λ x 10-6 FIG. 4.2 Montagem experimental utilizada para medições de temperatura com sensores de grades de Bragg em fibra. Neste caso, o interesse específico é o sensoriamento somente da temperatura sem efeitos de tração. Para a medição da temperatura, a grade de Bragg em fibra foi colocada em um recipiente com água, que foi aquecida e resfriada, o que permitiu variar a temperatura da FBG de 5 C até 80 C. A temperatura do laboratório foi mantida constante para não alterar as medidas. Os espectros de reflexão da FBG medidos desde 10 C até 52 C são mostrados na FIG O comprimento de onda de Bragg é nm, à temperatura ambiente. Pode ser observado que quanto maior é a temperatura, maior é o valor do comprimento de onda de Bragg da grade. 63

65 FIG. 4.3 Espectros de reflexão da grade de Bragg medidos para um intervalo de temperatura de 10 C a 52 C. Pode-se calcular o deslocamento espectral do comprimento de onda de Bragg em função da temperatura. Como pode ser observado, quando a grade está em 10 C o valor do comprimento de onda é de 1544,94 nm, e quando atinge a temperatura de 52 C o comprimento de onda é 1545,38 nm, obtendo-se uma variação de 42 C com um deslocamento do comprimento de onda de Bragg da ordem de 440 pm. Assim, para uma variação de 1 C o deslocamento do comprimento de onda de Bragg é de 10,5 pm. A simulação com o programa Matlab utilizou como parâmetros de entrada os valores de comprimento de onda de Bragg e largura de banda característicos da grade, obtidos na fase experimental do trabalho. Partindo da formulação matemática para a grade de Bragg e o coeficiente de temperatura obtido na experiência, foram simulados os espectros de reflexão da FBG mostrados na FIG

66 Potência (dbm) T = 10 C T = 12 C T = 14 C T = 16 C T = 18 C T = 20 C T = 22 C T = 24 C T = 26 C T = 28 C T = 30 C T = 32 C T = 34 C T = 36 C T = 38 C T = 40 C T = 42 C T = 44 C T = 46 C T = 48 C T = 50 C T = 52 C 1544, , ,5 Comprimento de onda (nm) FIG. 4.4 Espectros de reflexão da grade de Bragg simulados para um intervalo de temperatura de 10 C a 52 C. A FIG. 4.5 mostra os espectros de reflexão medido (linha tracejada) e simulado (linha cheia) da grade de Bragg em 10 C e 52 C. Os resultados simulados e medidos estão em boa concordância e de acordo com os apresentados na literatura onde o valor do coeficiente de temperatura do sensor FBG é da ordem de 13 pm/ C para uma grade em 1550 nm. Neste trabalho o coeficiente utilizado foi de 10,5 pm/ C obtido experimentalmente. 65

67 Potência (dbm) T = 10 C T = 52 C , , Comprimento de onda (nm) FIG. 4.5 Espectros de reflexão medido (linha tracejada) e simulado (linha cheia) da grade de Bragg em 10 C e 52 C MEDIDAS EXPERIMENTAIS E SIMULAÇÃO DA SENSIBILIDADE DA FBG À TRAÇÃO A fim de avaliar o sensor FBG de tração, testes experimentais de deformação foram realizados. A configuração experimental para medições de tração utilizando os sensores FBG é formada por com uma fonte óptica de bombeio, a fibra dopada com érbio, um circulador óptico, a FBG e o analisador de espectro óptico (OSA). Esta montagem é semelhante à utilizada no sensor de temperatura, porém o sensor FBG foi colado a duas placas na bancada como é mostrado na FIG A FBG está diretamente colocada sobre um suporte, com uma extremidade fixa e a outra móvel que possui um micrômetro em passos de 10 μm. Isto permitiu variar a tração da FBG de 0 μm até 200 μm. Para estas medições, o laboratório de Fotônica da Seção de Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia foi mantido à temperatura ambiente. 66

68 x x EDF Circulador FBG Laser de Bombeio EDF Circulador Água I I I I I I I I I I I I I I FBG 0,2 m 10μm R OSA λ FBG λ x 10-6 FIG. 4.6 Diagrama esquemático para medição de tração do sensor FBG. Quatro espectros de reflexão da FBG medidos no laboratório com o analisador de espectro óptico são mostrados na FIG. 4.7 para valores obtidos no micrômetro de 50, 100, 150 e 200 μm. (a) (b) (c) FIG. 4.7 Espectros de refletividade da FBG medidos com valores de (a) 50 μm, (b) 100 μm, (c) 150 μm e (d) 200 μm. (d) 67

69 Potência (dbm) Os efeitos da tração sobre uma grade de Bragg pode ser visualizada na FIG. 4.8, que mostra os espectros de refletividade da FBG quando o micrômetro foi incrementado 20 vezes, isto é de 0 a 200 μm em passos de 10 μm. Nesta figura, pode-se observar que ocorre um deslocamento no comprimento de onda de Bragg quando a grade de Bragg está submetida a uma tração. No caso da tração, uma variação positiva do comprimento de onda de ressonância foi obtida como consequência dos efeitos combinados das variações de índice de refração efetivo e da elongação ocorrida na grade de Bragg aumento da tração 0 um 200 um Comprimento de onda (nm) FIG. 4.8 Espectros de refletividade da FBG medidos no laboratório para valores de 0 μm até 200 μm com passo de 10 μm. O microstrain é uma unidade de medida da tração e é igual à tração que produz uma deformação de uma parte por milhão, ou seja, se o comprimento da fibra que foi submetida à tração é de 0.20 m, se o micrometro foi movimentado a cada 10µm, os passos das medições foram de 50 µε e o total do deslocamento atingiu os 1000 µε. Ou seja, 1µm/m = 1µε 68

70 Potência (dbm) 10µm /0,2 m = 50µε 200µm /0,2 m = 1000µε Pode-se, então calcular o deslocamento espectral do comprimento de onda de Bragg em função da tração, pois quando a grade de Bragg está em repouso (0 μm) o valor do comprimento de onda é de 1540,56 nm, mas quando a grade é esticada até atingir os 200 μm, o comprimento de onda muda para 1541,71 nm. Assim, uma variação de 1000 με ocasiona um deslocamento do comprimento de onda de Bragg da ordem de 1,15nm. Consequentemente, para uma variação de 1 με, o deslocamento do comprimento de onda de Bragg é 1,15 pm. A simulação com o programa Matlab utilizou como parâmetros de entrada os valores de comprimento de onda de Bragg e largura de banda característicos da grade, obtidos na fase experimental do trabalho. Partindo-se da formulação matemática para a grade de Bragg e o coeficiente de tração obtido nas medidas, foram simulados os espectros de reflexão da FBG mostrados na FIG , , ,5 Comprimento de Onda (nm) FIG. 4.9 Espectros de refletividade da FBG simulados para valores de 0 με até 1000 με com passos de 50 με. 69

71 Potência (dbm) A FIG mostra a comparação dos espectros de potência refletida medido (linha tracejada) e simulado (linha cheia) da grade de Bragg em 50 μm e 200 μm. Os resultados simulados e medidos estão em boa concordância e de acordo com os apresentados na literatura onde o valor do coeficiente de tração do sensor FBG é 1,20 pm/με para uma grade em 1550nm (RAO, 1997) (MOREY, 1989). Neste trabalho o coeficiente utilizado foi obtido experimentalmente e vale 1,15 pm/με para uma grade de Bragg em 1541 nm =50 m 1000 =200 m , , ,5 Comprimento de Onda (nm) FIG Espectros de reflexão medido (linha tracejada) e simulado (linha cheia) da grade de Bragg em 250 με e 1000 με. 70

72 Refletividade (%) SIMULAÇÃO DA SENSIBILIDADE DA FBG AO ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO MEIO EXTERNO Na maioria dos sensores FBG usados para medição do índice de refração do meio externo, o comprimento de onda de Bragg não varia quando há mudança do índice de refração, pois o modo fundamental se propaga na região do núcleo, e por essa razão, ocorre mínima interação da propriedade do meio externo com o sinal difratado pela grade de Bragg, uma vez que a região de campo evanescente é limitada pela interface casca-meio externo. A FIG mostra um conjunto de simulações para uma grade de Bragg uniforme de 2 cm de comprimento. Nessas simulações, as mudanças no índice de refração são variadas. Para o primeiro resultado, Δn=5,5*10-5, obtendo-se uma refletividade de 95%. No segundo resultado, Δn=4*10-5 e a refletividade é de 84%. Reduzindo a mudança no índice de refração para Δn=2,5*10-5, a refletividade diminui para 56%. Uma nova redução no índice de refração para Δn=1*10-5 resulta em uma refletividade de 14% dn= 1e-5 dn = 2,5e-5 dn = 4e-5 dn = 5,5e ,2 1549,4 1549,6 1549, ,2 1550,4 Comprimento de onda (nm) FIG Espectro de refletividade para uma FBG uniforme para diferentes índices de refração. Pode-se observar que enquanto existe mudança no índice de refração, há uma variação na refletividade e na largura da banda do espectro refletido, mas não no comprimento de onda central. 71

73 Transmissividade 4.2 CARACTERIZAÇÃO DE GRADES DE PERÍODO LONGO Nesta seção, é feita a simulação de grades de período longo induzidas em fibra monomodo padrão de núcleo de sílica dopada com germânio (Corning SMF-28). A simulação da grade de período longo foi feita quanto à influência da variação da temperatura, tração e do índice de refração do meio externo à grade. A simulação foi realizada a partir da formulação matemática apresentada no capítulo 2 para sua posterior comparação com resultados de medições de outros autores, mas para isso é necessário se ter clara a montagem experimental utilizada para a caracterização das grades de período longo à variação da temperatura, tração e índice de refração do meio externo, as quais são apresentadas em cada uma das próximas seções deste capítulo. Numa primeira parte foi feita a simulação dos espectros de transmissão normalizados de uma LPG a partir da EQ para obter o espectro de transmissividade de uma LPG para diferentes valores de. Os resultados estão mostrados na FIG k L= /4 k L= /2 0.2 k L= 3 /4 k L= , L FIG Simulação dos espectros de transmissão normalizados de uma LPG em função de Δβ'L para κ ξ L=π/4, κ ξ L=π/2, κ ξ L=3π/4 e κ ξ L=π. 72

74 Transmissao Espectro de transmissao LPFG Comprimento de onda (nm) SIMULAÇÃO DA SENSIBILIDADE DA LPG À TEMPERATURA A montagem experimental utilizada por Bhatia et al (BHATIA, 1999) para a caracterização das grades de período longo à variação da temperatura consiste numa fonte óptica, a fibra óptica, uma câmara com controlador de temperatura para caracterização do sensor, a LPG inscrita na fibra SMF-28 e um analisador de espectros ópticos que permitiu monitorar a evolução da resposta espectral em transmissão da grade de período longo, tal como é mostrado na FIG T λ LPG x 10-6 LED LPG I I I I I I I I I I I I I x 10-6 OSA λ CÂMARA DE TEMPERATURA FIG Montagem experimental utilizada por Bathia et al (BHATIA, 1999) para determinar a mudança espectral termo induzida nas bandas de ressonância de uma LPG. A LPG foi interrogada usando-se como fonte de banda larga um led centrado em 1520 nm e foi fabricada em fibra Corning SMF-28 com um período de 280 μm e comprimento de 1 cm. O comprimento de onda de ressonância no espectro da fonte óptica foi localizado em 1607,8 nm a 22,7 C. O desvio da banda de atenuação de uma grade de período longo com a variação da temperatura tem um comportamento linear como pode ser observado na FIG A mudança observada no comprimento de onda com o incremento da temperatura foi no sentido positivo. Pode-se calcular o deslocamento espectral do comprimento de onda da LPG em função da temperatura, assim quando a grade está em 22,7 C o valor do comprimento de onda é de 73

75 Transmissividade (db) 1607,8 nm, mas quando atinge a temperatura de 149,7 C o comprimento muda para um valor de 1619,6 nm. Desta forma uma variação de 127 C apresenta um deslocamento do comprimento de onda de Bragg da ordem de 11,8 nm. Assim, o coeficiente de temperatura desta LPG é de 93 pm/ C. A simulação foi feita com o programa Matlab, partindo da formulação matemática para a LPG apresentada no capítulo 2 e utilizando como parâmetros de entrada os valores de comprimento de onda de ressonância, largura de banda característica da grade, coeficiente de temperatura, período e comprimento da LPG utilizados por Bathia et al (BHATIA, 1999). A FIG mostra a simulação dos espectros de transmissão para a mudança na banda da LPG com a temperatura. Os espectros correspondem às temperaturas de 22,7 C, 49,1 C, 74 C, 100,9 C, 127,3 C e 149,7 C T=22,7 C T=49,1 C T=74 C T=100,9 C T=127,3 C T=149,7 C aumento da temperatura Comprimento de onda (nm) FIG Simulação da mudança no comprimento de onda de uma banda de atenuação de uma LPG com a temperatura. A LPG foi fabricada com o período de 280 μm em fibra Corning SMF-28. Os espectros correspondem às temperaturas de 22,7 C, 49,1 C, 74 C, 100,9 C, 127,3 C e 149,7 C. 74

76 Transmission (db) A FIG mostra a comparação dos espectros de transmissão medidos Bathia et al (BHATIA, 1999) (linha tracejada) e simulados (linha cheia) da LPG em 22,7 C e 149,7 C. Os resultados simulados estão em boa concordância com os apresentados em (BHATIA, 1999) T=22.7 C T=149.7 C Wavelength (nm) FIG Espectro de transmissão simulado (linha cheia) para uma LPG atuando como sensor de temperatura para uma temperatura de 22.7 C e C. As curvas tracejadas foram obtidas de (BHATIA, 1999) para comparação. Com o aumento da temperatura, a diferença entre os índices efetivos aumenta devido aos diferentes coeficientes termo-ópticos do núcleo e da casca. Quando se tem um aumento na diferença dos índices efetivos há um deslocamento do comprimento de onda ressonante para valores mais elevados. Pode-se concluir que a resposta de uma LPG às mudanças de temperatura tem aproximadamente uma ordem de grandeza superior à sensibilidade dos sensores FBG. 75

77 x 10-6 Transmissao Espectro de transmissao LPFG Comprimento de onda (nm) SIMULAÇÃO DA SENSIBILIDADE DA LPG À TRAÇÃO A montagem experimental utilizada por Huang et al (HUANG, 2010) para a caracterização das grades de período longo à variação da tração consiste numa fonte óptica, fibra óptica, duas placas com micrômetros, a LPG inscrita na fibra SMF-28 e um analisador de espectros ópticos que permitiu monitorar a evolução da resposta espectral em transmissão da grade de período longo tal como é mostrado na FIG Adesivo T λ LPG LED Fibra LPG I I I I I I I I I I I I Fibra x 10-6 OSA λ Placas com micrômetros FIG Montagem experimental utilizada por Huang et al (HUANG, 2010) para determinar a mudança espectral nas bandas de ressonância de uma LPG quando é submetida à tração. A FIG mostra a simulação dos espectros de transmissão de uma LPG quando é submetida a vários valores de tração à temperatura ambiente (22 C). A sensibilidade da LPG à tração é de 3,064*10-4 nm/με e foi obtida de (HUANG, 2010). O desvio da banda de atenuação de uma grade de período longo com a variação da tração tem um comportamento linear. 76

78 Intensidade (db) Comprimento de Onda (nm) FIG Simulação da mudança no comprimento de onda da banda de atenuação de uma LPG com a tração. Os espectros correspondem às trações de 1000 με, 1500 με, 2000 με e 2500 με. A FIG mostra a simulação (linha cheia) da mudança de comprimento de onda do sensor LPG em (a) 1000 με e (b) 2000 με. Os resultados simulados estão em concordância com os de (HUANG, 2010) (curvas pontilhadas). 77

79 Intensidade (db) Intensidade (db) Simulado 1000 (HUANG, 2010) Comprimento de Onda (nm) (a) Simulado 2000 (HUANG, 2010) Comprimento De Onda (nm) FIG Espectro de transmissão simulado (linha cheia) para uma LPG atuando como sensor de tração para uma tração de (a) 1000 με e (b) 2000 με. As curvas tracejadas (b) foram obtidas de (HUANG, 2010) para comparação. 78

80 x 10-6 Transmissao Espectro de transmissao LPFG Comprimento de onda (nm) SIMULAÇÃO DA SENSIBILIDADE DA LPG AO ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO MEIO EXTERNO Nesta seção, é feita uma simulação e análise da sensibilidade de duas grades de período longo, escritas em fibra monomodo padrão de núcleo de sílica dopada com germânio (Corning SMF-28) a variações de índice de refração do meio externo. A FIG mostra a montagem experimental utilizada por Eira (EIRA, 2007) para a caracterização das grades de período longo à variação de índice de refração do meio externo. Consiste num recipiente para a inserção da LPG na solução que se deseja analisar, onde a LPG é fixada de forma a garantir que permaneça imersa durante a aquisição dos diferentes espectros. Uma fonte óptica de espectro largo, com emissão centrada em 1550 nm, injeta luz na LPG. O analisador de espectros ópticos permitiu monitorar a evolução da resposta espectral em transmissão da grade de período longo. T λ LPG LED Fibra LPG I I I I I I I I I I I I Fibra x 10-6 OSA λ Recipiente contendo a Solução FIG Montagem experimental utilizada por Eira (EIRA, 2007) e (POSSETTI, 2009) para determinar a mudança espectral nas bandas de ressonância de uma LPG quando é submetida a variações do índices de refração do meio externo. No primeiro caso, se apresenta a simulação dos resultados da evolução dos espectros de transmissão das grades de período longo à variação do índice de refração do meio externo à fibra, quando a LPG se encontrava mergulhada em soluções com diferentes índices de refração obtidos pela mistura de distintas porcentagens de glicol em água. O intervalo de 79

81 índices das soluções varia entre 1.33 e Os resultados foram comparados com as medidas que foram realizadas por (EIRA, 2007). A medição da mudança do comprimento de onda de uma LPG é um parâmetro necessário para a determinação do índice de refração do meio externo, porém, essa mudança no espectro também é sensível a parâmetros como a temperatura e a deformação longitudinal, que podem alterar os índices de refração efetivos do núcleo ou da casca, ou ambos. Por outro lado, a temperatura também altera o índice de refração do meio que está sendo analisado, o que gera um erro na medição. Isto pode ser evitado fixando-se a LPG pelos extremos e mantendo-se a temperatura ambiente controlada no momento de se realizar as medições do índice de refração do meio externo à fibra. O valor do índice de refração das distintas soluções foi calculado com a EQ e é mostrado na TAB A sensibilidade da LPG às mudanças no meio externo foi obtida com a EQ TAB. 4.1 Índices de refração das soluções com diferentes porcentagens de etileno glicol. % etileno glicol em água destilada Índice de refração Água pura 1, , , , , (Glicol puro) 1,44 A FIG mostra a simulação dos espectros de transmissão de uma LPG quando é submetida a diferentes valores de índice de refração do meio externo à fibra em uma temperatura ambiente. 80

82 Transmissividade (%) Agua pura 20 % glicol 40 % glicol 60 % glicol 80 % glicol 100 % glicol Comprimento de Onda (nm) FIG Simulação da mudança no comprimento de onda da banda de atenuação de uma LPG com o índice de refração do meio externo quando a LPG foi mergulhada em soluções com porcentagens de 0% a 100% de etileno glicol em água com passos de 20%. Pode-se observar que com o aumento do índice de refração ocorre um deslocamento do espectro de transmissão para comprimentos de onda inferiores. Este fato ocorre pelo aumento do índice de refração efetivo dos modos da casca, o qual, de acordo com a condição de ressonância, origina valores menores de comprimentos de onda. O desvio da banda de atenuação de uma grade de período longo com a variação do meio externo tem um comportamento não linear e a mudança do comprimento de onda com o incremento do índice de refração é no sentido negativo. A FIG mostra a simulação (linha cheia) da mudança de comprimento de onda do sensor LPG em diferentes porcentagens de etileno glicol em água (a) 0%, (b) 40%, (c) 60%, e (d) 100%. Os resultados simulados estão em concordância com os de (EIRA, 2007) (curvas pontilhadas). 81

83 Transmissividade(%) Transmissividade(%) Transmissividade (%) Transmissividade(%) Água simulação Água (EIRA, 2007) % simulação 40% (EIRA, 2007) Comprimento de Onda (nm) 0.9 (a) Comprimento de Onda (nm) 0.9 (b) % simulação 60% (EIRA, 2007) Etileno glicol simulação Etileno glicol (EIRA, 2007) Comprimento de Onda (nm) Comprimento de Onda (nm) (c) (d) FIG Comparação do espectro de transmissão simulado (linha cheia) e medido pelo autor (EIRA, 2007) (linha pontilhada) para uma LPG atuando como sensor de índice de refração do meio externo quando a LPG foi mergulhada em soluções com diferentes porcentagens de etileno glicol em água (a) 0%, (b) 40%, (c) 60% e (d) 100%. Num segundo caso, se apresenta a simulação da evolução dos espectros de transmissão da LPG quando mergulhada em meios com diferentes índices de refração como são ar, etanol, gasolina do tipo C, tíner, aguarrás e querosene. Os resultados foram comparados com as medidas que foram apresentadas em (POSSETTI, 2009). A TAB. 4.1 apresenta os valores do índice de refração das diferentes substâncias utilizadas nas medições feitas por Possetti (POSSETTI, 2009) e que foram tomadas em conta para a simulação deste trabalho. 82

84 Intensidade (db) TAB. 4.2 Valores dos índices de refração para as soluções. Substância Índice de refração Ar 1 Etanol 1,362 Gasolina tipo C 1,404 Tíner 1,427 Aguarrás 1,436 Querosene 1,45 A FIG mostra a simulação de uma LPG que foi mergulhada em soluções com diferentes índices de refração n = 1 n = n = n = n = n = Comprimento de Onda (nm) FIG Simulação dos espectros de transmissão da LPG, quando imersa em diferentes substâncias. 83

85 Intensidade ( W) Na simulação se considerou uma redução em amplitude de aproximadamente 5 db, em todos os comprimentos de onda que correspondem as perdas em emendas e em conexões executadas para inserção do segmento de fibra que contém a LPG no enlace óptico de interrogação e os defeitos produzidos ao longo do comprimento da LPG, os quais modificaram os índices de refração do núcleo e da casca da fibra óptica utilizada nas medições feitas por Posseti (POSSETTI, 2009). A FIG mostra a simulação, do espectro de transmissão da LPG quando submetida à variação do índice de refração do meio externo à fibra n = 1 n = n = n = n = n = Comprimento de Onda (nm) FIG Simulação dos espectros de transmissão da LPG, quando imersa em diferentes substâncias. A FIG mostra a comparação dos resultados simulados (linha cheia) e medidos por Posseti (POSSETTI, 2009) (linha pontilhada), da mudança de comprimento de onda do sensor 84

86 Intensidade ( W) Intensidade ( W) Intensidade ( W) LPG em diferentes soluções (a) querosene, (b) tíner e (c) etanol. Os resultados simulados estão em concordância com os de (POSSETTI, 2009) Querosene simulação Querosene (POSSETTI, 2009) Tíner simulação Tíner (POSSETTI,2009) Comprimento de Onda (nm) (a) Comprimento de Onda (nm) (b) Etanol simulação Etanol (POSSETTI, 2009) Comprimento de Onda (nm) (c) FIG Comparação entre os resultados simulados (linha cheia) e medidos por Posseti (POSSETTI, 2009) (linha pontilhada), quando a LPG está imersa em diferentes soluções (a) querosene, (b) tíner e (c) etanol. 85

87 Transmissão (db) Pode-se observar que à medida que o índice de refração do meio externo à fibra óptica aumenta a banda de atenuação se desloca no sentido de menores comprimentos de onda. Isso acontece porque o aumento do índice de refração do meio externo induz à elevação do índice de refração efetivo dos modos da casca, fazendo com que a diferença entre os índices de refração efetivos dos modos do núcleo e da casca diminua e como consequência disso o espectro referente ao contato com o ar, substância com menor índice de refração, posicione o espectro mais a direita e o referente ao contato com o querosene, substância com maior índice de refração, é o mais deslocado para a esquerda. Um terceiro caso é apresentado na FIG 4.25 onde se mostra a simulação da mudança de comprimento de onda de ressonância da grade de período longo com o aumento da concentração de etileno glicol na água. Esses resultados foram comparados com as medidas mostradas na FIG feitas por Chong (CHONG, 2003) Ar 0% 40% 80% 100% Comprimento de Onda (nm) FIG Espectro de transmissão simulado (linha cheia) de uma LPG em soluções de etileno glicol com diferentes concentrações. Os símbolos foram obtidos da FIG para a sua comparação. 86

88 É evidente que o comprimento de onda de ressonância se move em direção à região de menor comprimento de onda. A LPG exibiu um total desvio à esquerda de aproximadamente 5 nm quando o meio circundante mudou da água (~ 1,330) para etileno glicol puro (~ 1,426). Quando a LPG foi imersa em água, o pico do espectro de transmissão foi atenuado quando comparado com o espectro no ar. Em seguida, aumentou à medida que a concentração de etileno glicol (ou o índice de refração) aumentou. 4.3 SENSORES HÍBRIDOS FBG-LPG PARA DISCRIMINAÇÃO SIMULTÂNEA DE TEMPERATURA E ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO MEIO EXTERNO Em sensores de grade de Bragg em fibras convencionais, utilizados para o sensoriamento do índice de refração é necessário o contato do meio externo com a casca para se ter acesso ao campo evanescente do modo guiado (MELTZ,1995). Isto reduz a resistência e a durabilidade do sensor e o torna suscetível a danos sob condições ambientais adversas. As grades de período longo atuando como sensores de índice de refração mantém a sua resistência desde que a integridade da fibra não seja violada. Embora as grades de período longo tenham maiores coeficientes de temperatura, tração e índice de refração que as grades de Bragg em fibras, as LPGs têm uma série de limitações. Grades de período longo são altamente sensíveis a dobramentos e trações. Além disso, os sensores de índice de refração tendem a sofrer de sensibilidades cruzadas por causa da temperatura (BHATIA, VENGSARKAR, 1996). Nesta seção, é proposta uma configuração com uma FBG, juntamente com uma LPG para ser utilizada como sensor de índice de refração do meio externo e sensor de temperatura simultaneamente. São analisadas as mudanças de potência óptica e do comprimento de onda do espectro refletido pela grade de Bragg em fibra para a discriminação do índice de refração e da temperatura da solução, respectivamente. Neste caso, a configuração híbrida proposta é muito simples e usada para medir simultaneamente a temperatura e o índice de refração de soluções aquosas, a fim de detectar a poluição. A configuração proposta foi demonstrada por simulação. Para esta simulação foram usadas em conjunto as respostas de uma LPG com uma FBG para medir simultaneamente o índice de refração e a temperatura de soluções aquosas. A configuração para a simulação consistiu de uma fonte de banda larga ASE, um circulador 87

89 óptico, uma LPG, uma FBG e o OSA, como mostrado na FIG A LPG apresenta uma forte ressonância centrada em 1563 nm no ar e em temperatura ambiente, é colocada em um recipiente com a solução aquosa juntamente com a FBG e iluminada por meio da fonte de ASE. A FBG, projetada para ser espectralmente localizada em uma extremidade da LPG (λ FBG = 1556 nm) é colocada após a LPG. O espectro de transmissão da LPG é introduzido na FBG. O espectro refletido da FBG é medido no OSA. A solução a ser utilizada é o etileno glicol em diferentes concentrações em água x 10-6 Laser de Bombeio EDF Circulador I I I I I I I I I I I I I I LPG Solução IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII FBG R λ LPG -25 OSA λ FBG x 10-6 λ FIG Montagem experimental proposta para medir simultaneamente o índice de refração e a temperatura de soluções aquosas. Quando uma LPG é utilizada em conjunto com uma FBG no mesmo ambiente, podem ser usadas para discriminar vários parâmetros diferentes. Neste trabalho, a ideia é discriminar, simultaneamente, a temperatura e o índice de refração de uma solução aquosa, analisando o comprimento de onda e a amplitude do espectro de reflexão da FBG, respectivamente. O espectro refletido da FBG é influenciado pelo espectro de transmissão da LPG. Quando a solução aquosa muda, o seu índice de refração é modificado e o espectro de transmissão da LPG é alterado. No entanto, o espectro de reflexão da FBG não é variado em termos de 88

90 comprimento de onda pela mudança do índice de refração do meio externo já que a sensibilidade da FBG é muito baixa e pode ser desprezada. Quando a temperatura é modificada, as respostas dos espectros da LPG e da FBG são alteradas. Quando a temperatura e o índice de refração do meio externo são variados simultaneamente, o efeito da temperatura é compensado pelo índice de refração na LPG, mas não completamente. Portanto, o espectro de transmissão da LPG é alterado e sua amplitude e comprimento de onda são variados. Por outro lado, a resposta do comprimento de onda da FBG é afetada apenas pela mudança de temperatura, o que leva a uma mudança de comprimento de onda. A variação da amplitude do espectro de transmissão da LPG leva a uma variação da amplitude do espectro de reflexão da FBG. Quando o espectro refletido da FBG é analisado, sua variação de amplitude será associada à mudança do índice de refração do meio externo e sua mudança no comprimento de onda será ligada à modificação da temperatura. A amplitude da potência refletida de uma FBG seria constante se a resposta da LPG fosse linear, o que não é o caso. Portanto, a amplitude da potência refletida da FBG é uma função da posição espectral da LPG, que sofre alterações devido à variação do índice de refração. Este efeito pode ser observado na FIG para a LPG em água (linha cheia) e 80% de concentração de etileno glicol (linha tracejada), onde pode ser visto que a mudança de comprimento de onda no espectro da LPG é transformada em uma variação de amplitude no espectro da FBG. Neste caso, as soluções foram simuladas para uma temperatura ambiente. A amplitude do espectro de reflexão da FBG foi afetada pela mudança nas soluções uma vez que a ressonância da LPG foi deslocada para comprimentos de onda mais curtos quando a concentração de etileno glicol (ou o índice de refração) aumentou como pode ser visto na FIG

91 Reflexão / Transmissão (db) % 80% Comprimento de Onda (nm) FIG Simulação do espectro transmitido por uma LPG e refletido por uma FBG para duas diferentes soluções: água (linha cheia) e concentração 80% de etileno glicol (linha tracejada). A variação da refletividade da FBG em função da resposta da LPG pode ser observada na FIG para ar, água (0%) e diferentes concentrações de etileno glicol em água (40%, 80% e 100%). Desde que somente a amplitude do espectro de reflexão da FBG é alterada, daí a variação de temperatura pode ser medida unicamente da mudança de comprimento de onda da resposta da FBG. 90

92 Refletividade (db) ar 0% 40% 80% 100% , , Comprimento de Onda (nm) FIG Espectro de reflexão simulado de uma FBG em soluções com diferentes concentrações de etileno glicol. A FIG mostra a resposta térmica de uma FBG em função da resposta da LPG quando a temperatura muda desde 0 C até 60 C a cada 10 C e em uma solução com concentração de 80% de etileno glicol. Devido à variação de temperatura, a amplitude do espectro de reflexão e o comprimento de onda da FBG mudaram, como esperado. Há cerca de 3 db na variação da amplitude e 0,85 nm de desvio no comprimento de onda. 91

93 Refletividade (db) T = 0 C T = 10 C T = 20 C T = 30 C T = 40 C T = 50 C T = 60 C ,2 1555, ,4 1556,8 Comprimento de Onda (nm) FIG Espectro de reflexão simulado para um sensor FBG de temperatura. A simulação considera que a solução tem uma concentração de 80% de etileno glicol. Na FIG é apresentada a simulação do espectro de reflexão para duas soluções com diferentes temperaturas. Nesse caso, a curva tracejada apresenta uma refletividade de -45 db e um comprimento de onda de 1556,33 nm, e representa o espectro para uma solução com uma concentração de 80% de etileno glicol a uma temperatura de 50 C. 92

94 Refletividade (db) água à 25 C 80% à 50 C , , Comprimento de Onda (nm) FIG Espectro de reflexão de um sensor FBG de índice de refração do meio externo e de temperatura. A linha cheia representa água à 25 C e a linha tracejada representa uma solução com concentração de 80% de etileno glicol à 50 C. A TAB. 4.3 mostra a relação entre a mudança de comprimento de onda e amplitude da FBG para a variação de temperatura e índice de refração do meio externo, respectivamente. TAB. 4.3 Valores de amplitude do espectro de reflexão da FBG para cada temperatura e variação do índice de refração do meio externo. Temp. ( C) Comprimento de Onda (nm) ar (db) 0% (db) Etileno glicol em água 40% (db) 80% (db) 100% (db) ,68-36,7-39,4-41,5-47,9-50, ,81-36,8-39,1-41,2-47,3-51, ,94-37,0-38,8-40,8-46,6-51, ,07-37,1-38,6-40,5-46,1-52, ,20-37,3-38,4-40,2-45,5-52, ,33-37,4-38,1-39,9-45,0-52, ,46-37,5-37,9-39,6-44,4-52,4 93

95 Refletivdade (db) A FIG ilustra a relação entre a variação do índice de refração do meio externo, temperatura, mudança de comprimento de onda, concentração da solução e refletividade da FBG. 1 1,33 SRI 1,37 1,41 1, C ar air 10 C 20 C 0% 30 C 50 C 40 C Etileno glicol 40% 60 C 80% 100% 1555, , , , , , ,46 Comprimento de Onda (nm) air 0% 40% 80% 100% FIG Relação entre a variação do índice de refração do meio externo, temperatura, mudança de comprimento de onda, concentração da solução e refletividade da FBG. Na FIG. 4.31, as superfícies não são planas, pois a mudança do espectro da resposta da LPG com o índice de refração não é linear, como pode ser visto na FIG O fato de que o espectro da FBG está situado no extremo do espectro da LPG e que a resposta da LPG com o índice de refração não é linear faz com que as respostas globais sejam diferentes e, portanto, não planas. Por exemplo, quando as grades estão no ar, o espectro da FBG está na parte mais plana do espectro da LPG. No entanto, quando a água ou a alta concentração (40% a 80%) de 94

96 etileno glicol é utilizada, o espectro da FBG atinge a parte mais inclinada do espectro da LPG e, portanto, a resposta não é plana. Neste caso, um aumento na temperatura não influencia muito na resposta a um aumento no índice de refração. Quando o etileno glicol puro (100%) é usado, o espectro da LPG é completamente deslocado para a esquerda e, portanto, o espectro de FBG é posicionado na parte do espectro da LPG com maior perda. Portanto, quando a temperatura varia, o espectro da FBG está localizado no vale do espectro da LPG. Com estes resultados, é possível determinar simultaneamente o índice de refração e a temperatura em torno de uma solução aquosa. 95

97 5 CONCLUSÕES Neste trabalho, demonstrou-se a sensibilidade das grades de Bragg em fibra e das grades de período longo utilizadas como sensores de temperatura, tração e índice de refração do meio externo, tanto para medições de parâmetros isolados isto é, mantendo-se os demais parâmetros estáveis e fixos, assim como fazendo medições simultâneas de temperatura e índice de refração do meio externo. Foram medidos e simulados os coeficientes de temperatura e de tração para os espectros de reflexão das FBGs e simulados sensores FBG ao índice de refração uma vez que as FBGs disponíveis no laboratório de Fotônica da Seção de Engenharia Elétrica do Instituto Militar de Engenharia não são adequadas para medidas do índice de refração do meio externo. A comparação entre os resultados medidos e simulados mostrou que o erro obtido é menor que 0,01 db. Além disto, o comprimento de onda usado foi 1550 nm uma vez que as FBGs disponíveis operavam em torno deste valor. Também foram simulados os coeficientes de temperatura, tração e índice de refração do meio externo para o espectro de transmissão das LPGs e os resultados foram comparados com medições feitas por outros autores. Através das mudanças no comprimento de onda de uma LPG, foi comprovado por meio de simulações que a região de maior sensibilidade de uma LPG ocorre quando o índice de refração do meio externo se aproxima ao índice de refração da casca e, ainda, que a LPG tem pouca sensibilidade acima do índice de refração do núcleo. Foi proposta e demonstrada por simulação uma configuração muito simples de um sensor híbrido, que usa apenas uma FBG, juntamente com uma LPG para discriminar simultaneamente o índice de refração do meio externo e a temperatura, analisando as mudanças do comprimento de onda e da amplitude do espectro de reflexão de uma FBG. A refletividade da FBG é influenciada pelos espectros de transmissão da LPG. A capacidade de sensoriamento de dois parâmetros deste sensor se origina da sua configuração única que combina as estruturas de uma FBG e uma LPG. As vantagens da fácil interrogação e simples configuração deste sensor oferecem a possibilidade de montagem prática de sensores de temperatura e de índice de refração do meio externo para diversas aplicações. As mudanças de temperatura e do índice de refração de uma solução aquosa podem ser relacionadas com a alteração do ambiente e também podem ser associadas à poluição. Foi analisada a variação da amplitude e da mudança do comprimento de onda do espectro de 96

98 reflexão da grade de Bragg em fibra para a discriminação do índice de refração do meio externo e a temperatura da solução, respectivamente. Os resultados mostram que a variação da amplitude do espectro refletido da grade de Bragg depende da mudança do espectro de transmissão da grade de período longo com a variação do índice de refração do meio externo e a mudança do comprimento de onda refletido depende da temperatura da solução aquosa. Uma vez que a configuração proposta é usada em uma configuração de reflexão, o sensor híbrido também pode ser usado em um arranjo de sensoriamento remoto que é um aspecto relevante a ser considerado quando a poluição é levada em conta. Além disso, a configuração proposta permite às grades estarem longe da unidade de análise em uma configuração de sensoriamento remoto. No entanto, a configuração proposta foi concebida para que os valores dos índices de refração das soluções não estejam próximos, esta situação limita o tipo de solução a ser analisada de modo que é preferível que as soluções apresentem índices de refração maiores do que 1,37 e não estejam muito próximos uns dos outros. A identificação dos diversos deslocamentos do comprimento de onda para variações conhecidas de índices de refração do meio externo permitem então a construção e calibração de um dispositivo sensor. Os resultados mostraram que a FBG é mais adequada como sensor de temperatura e tração e que a LPG pode ser usada como sensor de temperatura, tração e índice de refração do meio externo. Além disto, o uso conjunto de uma FBG e LPG serve para a medição simultânea de temperatura e do índice de refração do meio externo em uma faixa dinâmica prática com uma grande capacidade de detecção. 5.1 TRABALHOS FUTUROS Os estudos apresentados nesta dissertação permitiram analisar as características de sensibilidade das LPGs e das FBGs à parâmetros tais como temperatura, tração e índice de refração, assim como o uso de sensores híbridos para discriminação de vários parâmetros. Em função disto, podem-se apresentar alguns itens, como proposta de trabalhos futuros: Simulação de uma FBG com casca fina para medição de índice de refração do meio externo. 97

99 Realizar medidas experimentais com o sensor híbrido FBG-LPG proposto para interrogar simultaneamente a temperatura e o índice de refração de soluções aquosas, a fim de detectar a poluição, ou seja, a presença de O 2, N 2, etc. Simulações com várias LPGs com distintas características para análise de substâncias diferentes das apresentadas neste trabalho. Simulações e medidas experimentais com o sensor híbrido FBG-LPG para análise de outros parâmetros conjuntos tais como tração, pressão, altas temperaturas, etc. 98

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104 7 APÊNDICES 103

105 7.1 APÊNDICE 1: PUBLICAÇÃO RESULTANTE DESTA DISSERTAÇÃO ARTIGO ACEITO PARA PUBLICAÇÃO NA REVISTA OPTICS AND LASER TECHNOLOGY - ELSEVIER Hybrid FBG-LPG sensor for surrounding refractive index and temperature simultaneous discrimination Daniel Alfredo Chamorro Enríquez, Gabriela Cerqueira, Alberto R. da Cruz and Maria Thereza M. Rocco Giraldi Photonics Laboratory Electrical Engineering Department Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro, Brazil danielchemil@yahoo.com, gabrielacerq@hotmail.com, mtmrocco@ime.eb.br, albertorc@ime.eb.br ABSTRACT In this work, we propose a configuration of a hybrid fiber Bragg grating together with a long period grating sensor used for simultaneously detect surrounding refractive index and temperature to be applied in aqueous environment and to reveal pollution. We present the simulation of such sensor and analyze the reflected wavelength and amplitude variations of the fiber Bragg grating spectrum to obtain the temperature and the external refractive index variations, respectively. The results show that the fiber Bragg grating reflected amplitude change depends on the variation of the long period grating transmission spectrum with the surrounding refractive index modification and the reflected wavelength shift depends on the temperature of the aqueous solution. Keywords: fiber Bragg grating (FBG); long period grating (LPG); surrounding refractive index (SRI); chemical sensor; temperature sensor; resonance wavelength. 1. Introduction Optical fiber sensors are found in a series of applications in civil, industrial, and military fields [1]. There are several advantages to use optical fiber sensors [2]. Due to its low attenuation, the optical fiber is capable of transmitting information over long distances. That property provides the use of optical fiber sensors in remote sensing, where the sensor head can be located several kilometers away from the analysis unit and still offering reliability [3]. In addition, it is also possible to make a distributed measurement along the fiber, if the necessity 104

106 relies on an extensive data acquisition. The information amount that can be transmitted in an optical fiber is much higher than the one from the electrical technologies, thus, several parameters of light, such as wavelength, intensity, polarization and phase can be used for a single measurement by increasing the sensitivity of the sensor [3]. On the other hand, multiplexing allows the use of a large number of sensors in the same fiber. In some cases, the number of fiber sensors used to support a structural monitoring system could be quite large, perhaps involving thousands of fiber Bragg grating sensors [4]. Compared to conventional sensors, optical fiber sensors have potentially greater sensitivity, dynamic range and resolution when detecting small parameter variations [5]. In conventional fiber Bragg gratings (FBGs), for refractive-index sensing, etching of the cladding is required for the evanescent field of the guided mode to be accessed [6]. This reduces the strength and durability of the sensor and makes it susceptible to damage under harsh environmental conditions. Long period grating (LPG) refractive index sensors retain their endurance, as the integrity of the fiber is not violated. Although long period gratings have larger temperature, strain, and refractive index coefficients than fiber Bragg gratings, the former have a number of limitations. Long period gratings are highly bend sensitive, and strain and refractive index sensors can be expected to suffer from temperature cross sensitivities. Moreover, for a demodulation system that detects a wavelength shift that is a fixed fraction of the grating bandwidth, fiber Bragg gratings can present a higher sensitivity [7]. When pollution is concerned, simultaneous measurement of the temperature and the refractive index of the environment is a good way to predict any degradation. There are some works in the literature which show the possibility of measuring two different parameters simultaneously. In [8], Patrick et al presented a hybrid configuration to discriminate simultaneously strain and temperature using a LPG along with two FBGs. The sensor [8] uses the difference in strain and temperature response of fiber Bragg gratings and a long period grating to discriminate between strain and temperature induced wavelength shifts. It is a simple and elegant configuration although it needs two FBGs to interrogate the LPG. Eggleton et at [9] proposed, in the 90 s, a procedure to fabricate gratings with a periodically varying envelope to be used as sensors. The reflection spectrum of such superstructure gratings shows a series of regularly spaced peaks. The authors [9] demonstrated how a periodic superstructure can be fabricated in an optical fiber by translating an ultraviolet beam along a fiber and phase mask assembly while the intensity of the beam is modulated. Guan et al [10] then used the superstructure fiber Bragg grating (SFBG) proposed by Eggleton et at [9], to simultaneously 105

107 discriminate strain and temperature. Since the SFBG is a special type of fiber Bragg grating fabricated using periodically modulated exposure over the length of a phase mask [10],[9], it functions like a periodically modulated FBG and also like a long period grating. Guan [10] used this SFBG feature to measure strain and temperature, simultaneously. It is a straightforward way to simultaneously measure strain and temperature but it needs such a special device like the SFBG. In [11], Shu et al reported a scheme for simultaneous measurement of temperature and refractive index using the same SFBG device. Since the SFBG possesses both fiber Bragg grating and long-period grating spectral responses the authors showed that the temperature effect was measured solely from the fiber Bragg grating response, whereas the refractive index information was extracted from the long period grating response. The authors [11] demonstrated the dependence on temperature of the refractive index of sucrose solution. The idea is a well-designed way to simultaneously measure temperature and refractive index. However, it uses a transmission configuration which complicates remote sensing. In this work, it will be proposed and demonstrated by simulation a very simple configuration of a hybrid sensor which uses only one FBG together with a LPG to discriminate simultaneously surrounding refractive index (SRI) and temperature. The device is suggested to be applied to aqueous environment and to reveal pollution. It will be analyzed the amplitude change and the wavelength shift in the fiber Bragg grating reflected spectrum for the discrimination of the surrounding refractive index and the temperature of the solution, respectively. The results show that the fiber Bragg grating reflected amplitude variation depends on the long period grating transmission spectrum change with the surrounding refractive index variation and the reflected wavelength shift depends on the temperature of the aqueous solution. Since the proposed configuration is used in a reflection configuration, the hybrid sensor can also be used in a remote sensing arrangement which is a relevant aspect to be considered when pollution is taken into account. In Section II, the hybrid sensor principle of operation and description will be presented. The results will be analyzed and discussed in Section III. This paper ends with the conclusion of the work in Section IV. 106

108 2. Hybrid FBG-LPG Sensor Principle of Operation Fiber Bragg gratings are based on counter-propagating mode coupling. In the case of a single-mode fiber, the core propagating mode is reflected into an identical core mode propagating in the opposite direction [3]. The FBG sensitivity is related to the changes in refractive index and/or in the period of the grating. Strain and temperature directly changes the fiber refractive index, causing a shift in the reflection peak and increasing the value of the resonance wavelength [4]. FBGs are sensitive to several physical parameters just as the silica matrix. It was conceived that the spectral properties of fiber Bragg gratings rest on some factors like temperature and mechanical stress. The temperature sensitivity of a FBG sensor occurs mainly through the effect of the induced refractive index change and, to a lesser extent, on the thermal expansion coefficient of the fiber [3]. The LPG promotes coupling between the core mode and the co-propagating cladding modes. The sensitivity of LPGs to environmental parameters is influenced by the period of the LPG, by the order of the cladding mode to which coupling takes place and by the composition of the optical fiber [12, 13]. Any modulation of the core and cladding guiding properties modifies the spectral response of long period gratings, and this phenomenon can be utilized for sensing purposes. Since the cladding modes interact with the fiber jacket or any other material surrounding the cladding, changes in the properties of these materials can also be detected. The sensitivity of long period gratings to external perturbations is a function of the differential propagation constant between the guided and cladding modes [7]. In this work, a very simple hybrid configuration used to simultaneously measure the temperature and the refractive index of aqueous solutions in order to detect pollution is proposed and demonstrated by simulation. The suggested setup should consist of an ASE broadband source, an optical circulator, a LPG, a FBG and the OSA, as shown in Fig. 1. The LPG would be centered at 1563 nm in air and at room temperature. It should be placed into a recipient with the aqueous solution together with the FBG. The fiber Bragg grating, designed to be spectrally located on one edge of the LPG (λfbg = 1556 nm) should be positioned after it. The ASE source should illuminate the LPG. The transmission spectrum of the LPG should be introduced in the FBG. The reflected spectrum of the FBG could be measured at the OSA. 107

109 Although the LPG and FBG should not be located on the same area of the fiber, it is not a problem since they could be quite together, i.e, they should be some millimeters apart and in the same aqueous environment. The refractive index values of the aqueous solution used in the simulations were referred to ethylene glycol in different concentrations. Figure 1. Proposed and simulated experimental setup. When a LPG is used together with a FBG in the same environment, they can be used to discriminate several different parameters. In this work, the idea is to discriminate simultaneously the temperature and the refractive index of an aqueous solution by analyzing the wavelength and the amplitude of the FBG reflected spectrum, respectively. The FBG reflected spectrum is influenced by the LPG transmission spectrum. When the aqueous solution changes, its refractive index modify and the LPG transmission spectrum is altered. However, the FBG reflection spectrum is not varied in terms of wavelength by the surrounding refractive index change since the FBG wavelength sensitivity to it is very low and can be neglected. When the temperature is modified, both the LPG and FBG spectrum responses are altered. When both the temperature and surrounding refractive index are varied simultaneously, the effect of temperature is compensated by the refractive index in the LPG, but not completely. Therefore, the LPG transmission spectrum is altered and its amplitude and wavelength are varied. On the other hand, the FBG wavelength response is only affected by 108

110 Transmission (db) the temperature change, which leads to a wavelength shift. The amplitude variation of the LPG transmission spectrum leads to an amplitude variation of the FBG reflected spectrum. When the FBG reflected spectrum is analyzed, its amplitude variation will be associated to the surrounding refractive index change and its wavelength shift will be linked to the temperature modification. 3. Results and discussion The wavelength shift of the LPG was simulated for different percentages of ethylene glycol concentrations in water. The results were compared to the ones presented in reference [14] in order to show the reliability of our simulation software, as shown in Fig. 2. Since there is good agreement between the data, the consistency is confirmed. It is observed that the resonance wavelength moves towards the shorter wavelength region (blue shift) as the refractive index increases. The LPG exhibited a total blue-shift of approximately 5 nm when the surrounding medium was gradually changed from water (~ %) to pure ethylene glycol (~ %). When the LPG was immersed in water, its transmission spectrum peak was attenuated when compared to the spectrum in the air, as expected. It then increased as the ethylene glycol concentration (or the refractive index) increased air 0% 40% 80% 100% Wavelength (um) x 10-6 Figure 2. Simulated (line) transmission spectra of a LPG in ethylene glycol with different concentrations. The simbols were obtained from [14] for comparison. 109

111 Reflected Power (dbm) Fig. 3 shows measured and simulated reflected spectra of a FBG at 10 C and 52 C. The Bragg wavelength of this FBG is nm, at room temperature. This result is used to confirm the reliability of our simulation software since good agreement is achieved between the measured and simulated data. The measured result presented in Fig. 3 is the only result obtained experimentally in this work. -30 T = 10 C T = 52 C Wavelength (nm) Figure 3. Measured (dot) and simulated (line) reflectivity spectra for a FBG temperature sensor at 10 C and 52 C. The Bragg wavelength peak is nm at room temperature. In our proposed configuration, the amplitude of the FBG reflected spectrum would be constant if the LPG response was linear, which is not the case. Therefore, the amplitude of the FBG reflected spectrum is a function of the LPG spectral position, which changes due to the measurand solution (refractive index) variation. This effect was simulated and can be observed in Fig. 4 for the LPG in water (line) and 80% of ethylene glycol concentration (dash). It is noted that the wavelength shift in the LPG spectra is transformed into an amplitude variation of the FBG reflected spectra. In this case, the solutions were at room temperature. The amplitude of the FBG reflectivity was affected by the change in the solutions since the LPG response shifted as the ethylene glycol concentration (or the refractive index) increased, as can be seen in Fig

112 Reflectivity (db) Reflectivity / Transmissivity (db) % 80% Wavelength(um) x 10-6 Figure 4. Simulated transmitted LPG and reflected FBG power spectra for two different solutions: water (line) and 80% of ethylene glycol concentration (dash). The FBG reflectivity variation was simulated and can be observed in Fig. 5 for air, water (0 %) and different concentrations of ethylene glycol in water (40% to 100%). Since only the amplitude of the FBG reflected spectrum is changed, if there is a temperature variation, it can be measured solely from the wavelength shift of the FBG response air 0% 40% 80% 100% Wavelength(um) x 10-6 Figure 5. Simulated reflectivity spectra of an FBG at 1556 nm resonance in ethylene glycol solution with different concentrations. 111

113 Reflectivity (db) Fig. 6 shows the simulation of the thermal response of the FBG by heating the grating from 0 to 60 C in incremental steps of 10 C in 80% of ethylene glycol concentration. Due to temperature variation, the FBG reflectivity amplitude and wavelength change, as expected. There is around 2 db in the variation of the amplitude and 0.85 nm red-shift in the wavelength T T = 0 C T = 10 C T = 20 C T = 30 C T = 40 C T = 50 C T = 60 C Wavelength(um) x 10-6 Figure 6. Simulated reflected spectra for a FBG temperature sensor in 80% of ethylene glycol concentration. In Fig. 7 the simulated FBG reflectivity for two solutions at different temperatures is presented. In this case, for the dashed curve, the amplitude (-45 db) and the wavelength ( nm) of the FBG reflected spectrum evidenced that the solution was 80% concentration of ethylene glycol at 50 C. For the line curve, the results showed that the solution was water at room temperature. 112

114 Reflectivity (db) -35 0% at 25 C 80% at 50 C Wavelength(um) x 10-6 Figure 7. Simulated reflected spectra for the FBG temperature and surrounding refractive index sensor. The line show water at 25 C and the dashed line show 80% concentration of ethylene glycol at 50 C. The wavelength and the amplitude of the FBG reflected spectrum were used to discriminate temperature and refractive index of the solutions respectively, since there is a relation between the FBG wavelength shift and the temperature variation as show in Fig. 3 and there is also a correspondence between the surrounding refractive index change and the LPG transmission amplitude which leads to a FBG reflectivity amplitude modification, as presented in Fig. 4. Table 1 shows the relation between the FBG wavelength shift to the temperature variation and the SRI change to the FBG amplitude variation. Table 1 FBG amplitude and wavelength reflectivity values for each temperature and surrounding refractive index variation. 113

115 Reflectivity (db) Temp. ( C) Wavelength (nm) air (db) Ethylene glycol in water 0% (db) 40% (db) 80% (db) 100% (db) ,68-36,7-39,4-41,5-47,9-50, ,81-36,8-39,1-41,2-47,3-51, ,94-37,0-38,8-40,8-46,6-51, ,07-37,1-38,6-40,5-46,1-52, ,20-37,3-38,4-40,2-45,5-52, ,33-37,4-38,1-39,9-45,0-52, ,46-37,5-37,9-39,6-44,4-52,4 Fig. 8 illustrates the relation between the variation of the SRI, temperature, wavelength shift, solution concentration and FBG reflectivity. 1 SRI 1,33 1,37 1,41 1, air % % Ethylene glycol 60 80% 100% 1556,07 Wavelength 1555,94 (nm) 1555, , , , ,46 air 0% 40% 80% 100% Figure 8. Relation between the variation of SRI, temperature, wavelength shift, solution concentration and FBG reflectivity. 114