The use of long-period gratings to detect Sulphur Hexafluoride.

The combination of the increase in cost of Sulphur Hexafluoride (“SF6”), the registration of SF6 as a greenhouse gas and the use of SF6 at pressures above atmospheric has caused the need for SF6 detection equipment to arise. This research report outlines and reviews past and present technologies utilised, together with presently available commercial systems. Along with the review of available technologies, a proposed system utilising opto-electronic sensors to provide real-time detection is discussed. The proposed method investigated is the utilisation of Long-period gratings to detect slight refractive index changes of the ambient environment outside gas insulated systems and attempt to resolve the change in refractive index into detection mechanism for SF6. The method is shown to be possible, however currently not practically feasible. It is recommended that a practical investigation be undertaken to determine the real practical constraints theorised within but the magnitudes not yet established

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

Optical fibre sensors with applications in gas and biological sensing

This thesis describes the study of various grating based optical fibre sensors for applications in refractive index sensing. The sensitivity of these sensors has been studied and in some cases enhanced using novel techniques. The major areas of development are as follows. The sensitivity of long period gratings (LPGs) to surrounding medium refractive index (SRI) for various periods was investigated. The most sensitive period of LPG was found to be around 160 µm and this was due to the core mode coupling to a single cladding mode but phase matching at two wavelength locations, creating two attenuation peaks, close to the waveguide dispersion turning point. Large angle tilted fibre gratings (TFGs) have similar behaviour to LPGs, in that they couple to the co-propagating cladding modes. The tilted structure of the index modulation within the core of the fibre gives rise to a polarisation dependency, differing the large angle TFG from a LPG. Since the large angle TFG couple to the cladding mode they are SRI sensitive, the sensitivity to SRI can be further increased through cladding etching using HF acid. The thinning of the cladding layer caused a reordering of the cladding modes and shifted to more SRI sensitive cladding modes as the investigation discovered. In a SRI range of 1.36 to 1.40 a sensitivity of 506.9 nm/URI was achieved for the etched large angle TFG, which is greater than the dual resonance LPG. UV inscribed LPGs were coated with sol-gel materials with high RIs. The high RI of the coating caused an increase in cladding mode effective index which in turn caused an increase in the LPG sensitivity to SRI. LPGs of various periods of LPG were coated with sol-gel TiO2 and the optimal thickness was found to vary for each period. By coating of the already highly SRI sensitive 160µm period LPG (which is a dual resonance) with a sol-gel TiO2, the SRI sensitivity was further increased with a peak value of 1458 nm/URI, which was an almost 3 fold increase compared to the uncoated LPG. LPGs were also inscribed using a femtosecond laser which produced a highly focused index change which was no uniform throughout the core of the optical fibre. The inscription technique gave rise to a large polarisation sensitivity and the ability to couple to multiple azimuthal cladding mode sets, not seen with uniform UV inscribed gratings. Through coupling of the core mode to multiple sets of cladding modes, attenuation peaks with opposite wavelength shifts for increasing SRI was observed. Through combining this opposite wavelength shifts, a SRI sensitivity was achieved greater than any single observed attenuations peak. The maximum SRI achieved was 1680 nm/URI for a femtosecond inscribed LPG of period 400 µm. Three different types of surface plasmon resonance (SPR) sensors with a multilayer metal top coating were investigated in D shape optical fibre. The sensors could be separated into two types, utilized a pre UV inscribed tilted Bragg grating and the other employed a post UV exposure to generate surface relief grating structure. This surface perturbation aided the out coupling of light from the core but also changed the sensing mechanism from SPR to localised surface plasmon resonance (LSPR). This greatly increased the SRI sensitivity, compared to the SPR sensors; with the gold coated top layer surface relief sensor producing the largest SRI sensitivity of 2111.5nm/URI was achieved. While, the platinum and silver coated top layer surface relief sensors also gave high SRI sensitivities but also the ability to produce resonances in air (not previously seen with the SPR sensors). These properties were employed in two applications. The silver and platinum surface relief devices were used as gas sensors and were shown to be capable of detecting the minute RI change of different gases. The calculated maximum sensitivities produced were 1882.1dB/URI and 1493.5nm/URI for silver and platinum, respectively. Using a DFB laser and power meter a cheap alternative approach was investigated which showed the ability of the sensors to distinguish between different gases and flow rates of those gases. The gold surface relief sensor was coated in a with a bio compound called an aptamer and it was able to detect various concentrations of a biological compound called Thrombin, ranging from 1mM to as low as 10fM. A solution of 2M NaCl was found to give the best stripping results for Thrombin from the aptamer and showed the reusability of the sensor. The association and disassociation constants were calculated to be 1.0638×106Ms-1 and 0.2482s-1, respectively, showing the high affinity of the Aptamer to thrombin. This supports existing working stating that aptamers could be alternative to enzymes for chemical detection and also helps to explain the low detection limit of the gold surface relief sensor