Design of optical fiber sensors and interrogation schemes

[ES] Las fibras ópticas son dispositivos muy utilizados en el campo de las telecomunicaciones desde su descubrimiento. En las últimas décadas, las fibras ópticas comenzaron a utilizarse como sensores fotónicos. Los primeros trabajos se centraron en la medición de unas dimensiones físicas en un punto específico. Posteriormente, surgió la posibilidad de medir las propiedades de la fibra óptica en diferentes puntos a lo largo de la fibra. Este tipo de sensores se definen como sensores distribuidos. Los componentes optoelectrónicos fueron desarrollados e investigados para telecomunicaciones. Los avances en las telecomunicaciones hicieron posible el desarrollo de sistemas de interrogación para sensores de fibra óptica, creciendo en paralelo con los avances de las telecomunicaciones. Se desarrollaron sistemas de interrogación de fibra óptica que permiten el uso de una única fibra óptica monomodo estándar como sensor que puede monitorear decenas de miles de puntos de detección al mismo tiempo. Los métodos que extraen la información de detección de la señal reflejada en la fibra óptica son los más empleados debido a la facilidad de acceso al sensor y la flexibilidad de estos sistemas. Los más estudiados son la reflectometría en dominios de tiempo y frecuencia. La reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) fue la primera técnica utilizada para detectar la posición de los fallos en las redes de comunica-ción de fibra óptica. El OTDR sensible a la fase hizo posible detectar la elongación y la temperatura en una posición específica. Paralelamente, los gratings de Bragg (FBG) se convirtieron en los dispositivos más utilizados para implementar sensores en fibra óptica discretos. Se desarrollaron técnicas de multiplexación para realizar la detección en múltiples puntos utilizando FGBs. La reflectometría realizada interrogando arrays de FBG débiles demuestra que mejora el rendimiento del sistema en comparación al uso de una fibra monomodo. Los sistemas de interrogatorio actuales tienen algunos inconvenientes. Algunos de ellos son velocidad de interrogatorio limitada, grandes dimensiones y alto costo. En esta tesis doctoral se desarrollaron nuevos sistemas de interrogación y sensores de fibra óptica para superar algunos de estos inconvenientes. Los sensores de fibra óptica de plástico demuestran ser una plataforma innovadora para desarrollar nuevos sensores y sistemas de interrogación de bajo costo y fáciles de implementar para fibras de plástico comerciales. Se investigó la reflectometría en el dominio del tiempo y las técnicas fotónicas de microondas para la interrogación de una matriz de rejillas débiles que permitieron simplificar el sistema de interrogación para la detección de temperatura y vibración.[CA] Les fibres òptiques són dispositius molt utilitzats en el camp de les telecomunica-cions des del seu descobriment. En les últimes dècades, les fibres òptiques van començar a utilitzar-se com a sensors fotònics. Els primers treballs es van centrar en el mesurament d'unes dimensions físiques en un punt específic. Posteriorment, va sorgir la possibilitat de mesurar les propietats de la fibra òptica en diferents punts al llarg de la fibra. Aquest tipus de sensors es defineixen com a sensors distribüits. Els components optoelectrònics van ser desenvolupats i investigats per a telecomunicacions. Els avanços en les telecomunicacions van fer possi-ble el desenvolupament de sistemes d'interrogació per a sensors de fibra òptica, creixent en paral·lel amb els avanços de les telecomunicacions. Es van desenvolupar sistemes d'interrogació de fibra òptica que permeten l'ús d'una única fibra òptica monomodo estàndard com a sensor que pot monitorar desenes de milers de punts de detecció al mateix temps. Els mètodes que extreuen la informació de detecció del senyal reflectit en la fibra òptica són els més utilitzats a causa de la facilitat d'accés al sensor i la flexibilitat d'aquests sistemes. Els més estudiats són la reflectometría en dominis de temps i freqüència. La reflectometría òptica en el domini del temps (OTDR) va ser la primera tècnica utilitzada per a detectar la posició de les fallades en les xarxes de comunicació de fibra òptica. El OTDR sensible a la fase va fer possible detectar l'elongació i la temperatura en una posició específica. Paral·lelament, els gratings de Bragg (FBG) es van convertir en els dispositius més utilitzats per a implementar sensors en fibra òptica discrets. Es van desenvolupar tècniques de multiplexació per a realitzar la detecció en múltiples punts utilitzant FGBs. La reflectometría realitzada interrogant arrays de FBG febles demostra que millora el rendiment del sistema en comparació a l'ús d'una fibra monomodo. Els sistemes d'interrogatori actuals tenen alguns inconvenients. Alguns d'ells són velocitat d'interrogatori limitada, voluminositat i alt cost. En aquesta tesi doctoral es van desenvolupar nous sistemes d'interrogació i sensors de fibra òptica per a superar alguns d'aquests inconvenients. Els sensors de fibra òptica de plàstic demostren ser una plataforma innovadora per a desenvolupar nous sensors i siste-mes d'interrogació de baix cost i fàcils d'implementar per a fibres de plàstic comercials. Es va investigar la reflectometría en el domini del temps i les tècniques fotòniques de microones per a la interrogació d'una matriu de reixetes febles que van permetre simplificar el sistema d'interrogació per a la detecció de temperatura i vibració.[EN] Optical fibers are devices largely used in telecommunication field since their discovery. In the last decades, optical fibers started to be used as photonic sensors. The first works were focused on the measurement of physical dimensions to a specific point. Afterward, emerged the possibility to measure the optical fiber properties at different locations along the fiber. These kinds of sensors are defined as distributed sensors. The optoelectronic components were developed and investigated for telecommunications. The progress in telecommunication made possible the development of optical fiber sensors interrogation systems, growing in parallel with the advances of telecommunications. Optical fiber interrogation systems were developed to use a single standard monomode optical fiber as a sensor that can monitor tens of thousands of sensing points at the same time. The methods that extract the sensing information from the backscattered signal in the optical fiber are widely employed because of the easiness of access to the sensor element and the flexibility of these systems. The most studied are the reflectometry in time and frequency domains. The optical time domain reflectometry (OTDR) was the first technique used to detect the position of the failures in the optical fiber communication networks. Using phase sensitive OTDR it is possible to sense strain and temperature at a specific position. In parallel, fiber Bragg gratings (FBGs) became the most widely used devices to implement discrete optical fiber sensors. Multiplexing techniques were developed to perform multi points sensing using these gratings. The reflectometry performed interrogating weak FBGs arrays demonstrate to improve the performance of the system employing a single mode fiber. The interrogation systems nowadays have some drawbacks. Some of them are limited speed of interrogation, bulkiness, and high cost. New interrogation systems and optical fiber sensors were developed in this doctoral thesis to overcome some of these drawbacks. Plastic optical fiber sensors demonstrate to be an innovative platform to develop both new sensors and low cost, easy to implement interrogation systems for commercial plastic fibers. Reflectometry in time domain and microwave photonic techniques were investigated for the interrogation of weak gratings array allowed to simplify the interrogation system for the sensing of temperature and vibration.I would like to greatly thank the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Program that funded the research described in this thesis under the Marie Sklodowska-Curie Action Grant Agreement 722509.Sartiano, D. (2021). Design of optical fiber sensors and interrogation schemes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161357TESI

Polymer optical fiber gratings for microwave photonics and communications application

Tesis por compendio[ES] Con el continuo desarrollo de materiales y tecnologías de fabricación durante las últimas tres décadas, la atenuación de la transmisión de las fibras ópticas de polímero (POF) se ha reducido considerablemente. Las POF son ventajosas para las redes domésticas, así como para las interconexiones de almacenamiento, y tienen ventajas significativas para muchas aplicaciones de detección, que incluye el límite alto de tensión elástica, alta resistencia a la fractura, alta flexibilidad en la flexión, alta sensibilidad a la tensión y coeficientes termoópticos negativos. Esta tesis consigue mejorar la tecnología de irradiación con láser para POF e investiga dispositivos especiales basados en redes de difracción en POF para comunicaciones ópticas, microondas, fotónica y detección. En particular, desarrollamos la tecnología de fabricación rápida de FBGs en POF con un estudio detallado y la optimización de los parámetros de fabricación de redes de difracción de Bragg en fibra (FBG). Los resultados más destacados incluyen un FBG uniforme de 8 dB con un solo pulso láser Nd: YAG (26 nsm) (8 ns) basado en fibra dopada con BDK, que es el tiempo más corto presentado hasta ahora para la fabricación de FBGs en POF. La irradiación de fibras ópticas de polímero utilizando diferentes materiales basado en el láser KrF a 248 nm permitió demostrar un mejor rendimiento en comparación con el sistema que emplea el láser He-Cd a 325 nm. Además, se fabricaron FBGs uniformes en POFs de índice escalón dopadas con TS en menos de 1 segundo mediante la repetición de pulsos con baja energía. Finalmente, el estudio de la irradiación UV con pulsos de baja energía para la fabricación de redes de difracción estables permitió ahorrar energía en el proceso de fabricación de FBGs en POF, como uno de los principales requisitos para la producción en masa. Basándonos en la tecnología de fabricación mejorada, nos centramos en la fabricación de redes de difracción con diferentes estructuras: se fabricó un FBG con desplazamiento de fase utilizando dos pulsos de 15 ns a 248 nm KrF superpuestos por el método de Moiré; el primer FBG con chirp sintonizable se logró utilizando un solo pulso corto del láser, que abrió nuevas perspectivas a las aplicaciones basadas en redes de difracción con chirp en POF; también se propuso un nuevo método basado en gradientes térmicos para obtener FBG con chirp en POF basadas en FBG uniformes, y se demostró como la forma más conveniente publicada hasta la fecha para lograr este tipo de FBGs no uniformes en POF; y, finalmente, también se han fabricado redes de difracción de largo período utilizando un proceso de fabricación de corto tiempo, especialmente en comparación con investigaciones anteriores. En la última parte de la tesis, y en base a los dispositivos basados en redes de difracción obtenidos a lo largo de este trabajo, se han propuesto varias aplicaciones . De manera similar a los FBG en fibra de sílice, los FBGs con chirp en POF tienen muchas aplicaciones futuras en las áreas de comunicaciones ópticas y de los sensores. Este documento describe la aplicación de detección de tensión basada en una FBG con chirp sintonizable en POF, su aplicación para detección térmica en sistemas biomédicos; e ilustra el potencial de los dispositivos de dispersión sintonizables en el campo de las comunicaciones ópticas, bien como compensación de dispersión o en fotónica de microondas.[CA] Amb el continu desenvolupament de materials i tecnologies de fabricació durant les últimes tres dècades, l'atenuació de la transmissió de les fibres òptiques de polímer (POF) s'ha reduït considerablement. Els POF són avantatjosos per a les xarxes domèstiques, així com per a les interconnexions d'emmagatzematge, i tenen avantatges significatius per a moltes aplicacions de detecció, inclosos els límits de tensió elàstica alta, alta resistència a la fractura, alta flexibilitat en la flexió, alta sensibilitat a la tensió i potencials coeficients termoópticos negatius. Aquesta tesi va millorar la tecnologia d'irradiació amb làser per a POF i va investigar dispositius basats en xarxes difracció de Bragg (FBG) especials en POF per a comunicació òptica, microones, fotònica i detecció. En particular, desenvolupem la tecnologia de fabricació ràpida de FBG en POF amb un estudi detallat i l'optimització dels paràmetres per a la seua fabricació. Els punts destacats dels resultats inclouen un FBG uniforme de 8 dB amb un sol pols del làser Nd: YAG (266 nm) (8 ns) basat en fibra dopada amb BDK, que és el temps més curt reportat per a la fabricació de POF FBG. La irradiació de fibres òptiques de polímer utilitzant diferents materials sota el sistema de làser KrF a 248 nm va permetre demostrar un millor rendiment en comparació amb el sistema de làser Kimmon de 325 nm. A més, els FBG uniformes en el POF dopat amb TS d'índex escalonat es van aconseguir amb menys d'1 segon mitjançant la repetició de polsos de control i l'energia baixa de pols. Finalment, l'estudi de la irradiació d'energia de pols per a la fabricació de FBGs estables va permetre estalviar energia en el procés de fabricació de FBGs en POF, com un dels principals objectius de la producció en massa. Basant-nos en la tecnologia de fabricació millorada, ens centrem en la fabricació de diferents estructures de xarxes de difracció: es va fabricar un FBG amb desplaçament de fase utilitzant dos polsos de 15 ns a 248 nm KrF superposats pel mètode de Moiré; el primer FBG amb chirp sintonitzable es va aconseguir utilitzant un sol pols curt de làser, que va obrir les aplicacions basades en FBG amb chirp en POF; també es va proposar un nou mètode amb gradients tèrmics per a obtindre FBG en POF basat en FBG uniformes, i es va demostrar com la forma més convenient publicada fins hui per a aconseguir FBG POF estimulada; i, finalment, també s'han aconseguit xarxes de llarg període utilitzant un procés de fabricació de curt temps, especialment en comparació amb investigacions anteriors. Finalment, sobre la base dels dispositius de xarxes de difracció obtinguts al llarg d'aquest treball, s'han proposat diverses aplicacions potencials en aquesta tesi. De manera similar que per als FBG amb silici, el FBG amb chirp en POF té moltes aplicacions potencials en comunicacions òptiques i a l¿àrea de sensors. Aquest document descriu l'aplicació de detecció de tensió basada en FBG amb chirp sintonitzable en POF; a més, l'aplicació de detecció tèrmica en sistemes biomèdics; i el potencial dels dispositius de dispersió sintonitzables en les comunicacions òptiques, com per eixample a la compensació de dispersió o a la fotònica de microones.[EN] With the continuing development of material and fabrication technologies over the last three decades, the transmission attenuation of polymer optical fibers (POF) has been greatly decreased. POFs are advantageous for home networks as well as storage interconnections and have significant advantages for many sensing applications, including high elastic strain limits, high fracture toughness, high flexibility in bending, high sensitivity to strain and potential negative thermo-optic coefficients. This thesis improved the laser irradiation technology for POF and investigated special grating devices in POF for optical communication, microware photonics and sensing. In particular, we developed fast POF grating fabrication technology with a detailed study and optimization of the polymer optical fiber Bragg grating (POFBG) fabrication parameters. Highlights of the results include an 8 dB uniform POFBG with one single Nd:YAG (266nm) laser pulse (8 ns) based on BDK doped fiber, which is the shortest time ever reported for POFBG fabrication. The irradiation of polymer optical fibers using different materials under 248 nm KrF laser system allowed to demonstrate a better performance compared with 325 nm Kimmon laser system. Furthermore, uniform FBGs in step-index TS doped POF were achieved with less than 1 second by means of controlling pulse repetition and low pulse energy. Finally, the study of low UV pulse power irradiation for fabricating stable gratings allowed to save energy in the POF grating fabrication process, as one of the main goals for mass production. Based on the improved fabrication technology, we focused on the fabrication of different grating structures: a phase-shifted FBG was fabricated by using two 15 ns 248 nm KrF pulses overlapped by Moiré method; the first tunable chirped FBG was achieved by using a single laser short pulse, which opened the applications based on chirped POF BGs; also a novel thermal annealing method was proposed to obtain chirped POFBGs based on uniform FBGs, and proved as the ever published most convenient way to achieve chirped POFBG; and finally, long period gratings have been also achieved by using a short time fabrication process, specially when compared with previous research. Finally, based on the grating devices obtained throughout this work, several potential applications have been proposed in this thesis. Similarly, to silica chirped FBG, chirped FBG in POF have many potential applications in optical communications and sensing area. This document described the potential strain sensing application based on tunable chirped POFBG; also, the thermal detection application in bio-medical systems; and the potential of tunable dispersion devices in optical communications, i.e., dispersion compensation or microwave photonics.Min, R. (2019). Polymer optical fiber gratings for microwave photonics and communications application [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125473TESISCompendi