Phase sensitive low-coherence interferometry using microwave

We report on a low-coherence interferometer based on Microwave Photonics (MWP) which allows, for the first time to the best of our knowledge, stable determination of the interferogram’s phase. The interferometer is built on suppressed carrier, double-sideband modulation, dispersive propagation in a chirped fiber Bragg grating, demodulation by electrooptical frequency down-conversion, and suitable signal processing techniques to account for modulation impairments. Taking as a reference a direct normalization of the link’s microwave response, the system retrieves high-resolution interferograms, both in amplitude and phase and free from distortion induced by higher-order dispersion, in an optical path difference of 16.3 mm, surpassing previously reported values based on MWP implementations. We present representative applications targeted to the characterization of C-band sources and components, such as direct analysis of interferograms with 5.5 fs temporal resolution, Fourier-transform spectroscopy with 14 GHz spectral resolution, and optical low-coherence reflectrometry of the impulse response’s amplitude of fiber Bragg gratings with 0.55 m spatial resolution

Application of optical single-sideband laser in Raman atom interferometry

A frequency doubled I/Q modulator based optical single-sideband (OSSB) laser system is demonstrated for atomic physics research, specifically for atom interferometry where the presence of additional sidebands causes parasitic transitions. The performance of the OSSB technique and the spectrum after second harmonic generation are measured and analyzed. The additional sidebands are removed with better than 20 dB suppression, and the influence of parasitic transitions upon stimulated Raman transitions at varying spatial positions is shown to be removed beneath experimental noise. This technique will facilitate the development of compact atom interferometry based sensors with improved accuracy and reduced complexity

Coherent microscopy by laser optical feedback imaging (LOFI) technique

The application of the non conventional imaging technique LOFI (Laser Optical Feedback Imaging) to coherent microscopy is presented. This simple and efficient technique using frequency-shifted optical feedback needs the sample to be scanned in order to obtain an image. The effects on magnitude and phase signals such as vignetting and field curvature occasioned by the scanning with galvanometric mirrors are discussed. A simple monitoring method based on phase images is proposed to find the optimal position of the scanner. Finally, some experimental results illustrating this technique are presented

Multiheterodyne tunable sources for the interrogation of fiber optic sensors applied to acoustic emissions and ultrasound

Mención Internacional en el título de doctorLight is a very useful tool for measuring high frequency and low amplitude mechanical vibrations. Thanks to the interference process and under certain circumstances we can obtain a specific sort of optical sources called multimode multiheterodyne sources, that are very useful to read several optical wavelengths at the same time on a single photodetector and distinguishing them from each other. This characteristic makes them suitable for interrogating fiber optic sensors. In this thesis, I analyze several fiber optic sensor readout methods that mix multiheterodyne techniques, multimode techniques, and interferometry techniques to measure ultrasound and acoustic mechanical waves. These mechanical waves occur when periodic forces are applied to mechanical structures. This disturbs the layout of atoms and may lead to cracks or the complete collapse of the structure. Therefore, the characterization and measurement of such vibrations are of great importance when performing structure health monitoring (SHM) and non-destructive evaluation (NDE). This thesis aims to solve this problem by implementing several systems that employ light-based technology to measure and characterize mechanical vibrations up to 1 MHz of frequency and sub-nano-strain (lower than 10-3 ppm) level of resolution. The proposed systems involve new features and parameters more settable compared to more conventional approaches of optical sensor reading processes and therefore they offer wider possibilities. A total of three systems have been implemented and tested: First, an electro-optic dual optical frequency comb source to read fiber Bragg gratings for dynamic measurements. This set up reaches 120 kHz of mechanical frequency detection. The second system is based on a self-heterodyne acousto-optic comb that reads a random fiber grating sensor. In this case, the system can detect up to 1 MHz of mechanical vibrations. Finally, the third is based on a compact electro-optic dual optical frequency comb that is used to read low reflectivity fiber Bragg gratings with a dispersion interferometer. This system can detect a maximum of 135 kHz of mechanical frequencies. The results of this thesis improve previous systems achievements to satisfy the specifications required to date in this application, both in mechanical bandwidth and in strain amplitude. They also show the potential of these multimode sources for high-precision optical sensing.La luz es una herramienta muy útil para medir vibraciones mecánicas de alta frecuencia y baja amplitud. Gracias al proceso de interferencia y bajo determinadas circunstancias podemos obtener un tipo específico de fuentes ópticas, denominadas fuentes multimodo multiheterodinas, que son muy útiles para leer varias longitudes de onda ópticas al mismo tiempo en un solo fotodetector y distinguirlas entre sí. Esta característica hace que estas fuentes ópticas sean adecuadas para la lectura de sensores de fibra óptica. En esta tesis, analizo varios métodos de lectura de sensores de fibra óptica que mezclan técnicas multiheterodinas, técnicas multimodo y técnicas de interferometría para medir ultrasonidos y ondas mecánicas acústicas. Estas ondas mecánicas se producen cuando se aplican fuerzas periódicas a las estructuras mecánicas. Esto perturba la disposición de los átomos y puede provocar grietas o el colapso completo de la estructura. Por lo tanto, la caracterización y medida de dichas vibraciones son de gran importancia a la hora de monitorizar el estado de las estructuras y de realizar una evaluación no destructiva. Esta tesis tiene como objetivo resolver este problema mediante la implementación de varios sistemas que emplean tecnología basada en la luz para medir y caracterizar vibraciones mecánicas hasta frecuencias de 1 MHz y nivel de resolución sub-nano-deformación (menor que 10-3 ppm). Los sistemas propuestos implican nuevas características y parámetros más configurables en comparación con los enfoques más convencionales de procesos de lectura de sensores ópticos y, por lo tanto, ofrecen posibilidades más amplias. A lo largo de la tesis se presentan tres sistemas de medida: El primero está basado en un doble peine de frecuencias ópticas (dual comb) electroóptico que es capaz de leer sensores de fibra óptica basados en redes de Bragg (FBG) en régimen dinámico. Este sistema ha sido probado con una frecuencia máxima de detección de 120 kHz. En segundo lugar, se presenta un sistema basado en un selfheterodyne comb acustoóptico para leer sensores de fibra con distribución aleatoria de la rejilla en el núcleo (random grating). Este sistema es capaz de detectar señales de vibración de hasta 1 MHz. El tercer sistema presentado se basa en un doble peine de frecuencias ópticas (dual comb) electroóptico compacto que se utiliza para leer sensores FBG de baja reflectividad con un interferómetro de dispersión. Este sistema puede detectar hasta 135 kHz de vibraciones mecánicas. Los resultados de esta tesis mejoran los obtenidos en sistemas anteriores a fin de satisfacer las especificaciones requeridas hasta la fecha en esta aplicación, tanto en el ancho de banda mecánico como en la amplitud de la deformación. También muestran el potencial de estas fuentes multimodo para la detección óptica de alta precisión.Quiero agradecer la financiación de este trabajo dada por el Ministerio de Educación, Cultura y Deporte para la Formación de Profesorado Universitario FPU2016 (Beca FPU16/03695) y a través del proyecto PARAQUA (TEC2017-86271-R), así como por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades a través de las ayudas de movilidad EST18/00617.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Óscar Esteban Martínez.- Secretario: Marta Ruiz Llata.- Vocal: Pedro Alberto da Silva Jorg

Distributed liquid level sensors using self-heated optical fibers for cryogenic liquid management

We present a continuous liquid level sensing system for both room temperature and cryogenic fluids with millimeter spatial resolution. Change of in-fiber Rayleigh backscattering signal from the distinct thermal response of the heated sensing fiber in liquid and in air were interrogated and spatially resolved using the optical frequency domain reflectometry. Both electrical and optical heating techniques were investigated for cryogenic liquid applications at 4 K, 77 K, and the room temperature. The successful combination of self-heated fiber and wavelength-swept Rayleigh scattering interferometry provides, for the first time to our best knowledge, a truly distributed fuel gauge with high spatial resolution for cryogenic fuel storage, transportation, and management on ground and in space. © 2012 Optical Society of America

Dispersion tailoring in both integrated photonics and fiber-optic based devices

Tesis por compendio[EN] This Thesis focuses on the study, implementation and characterization of chromatic dispersion tailoring employing both optical fiber and photonic integrated waveguides. Chromatic dispersion causes that the different spectral components of an optical pulse travel at different velocities. This effect can be separated into two different fundamental contributions, material dispersion and waveguide dispersion. Chromatic dispersion can be tailored through the design of the structural parameters of the device in order to obtain specific characteristics in the resulting dispersion profile such as low values of dispersion and/or zero dispersion at a desired wavelength, for example. This approach is very useful in dispersion-dependent applications. In this PhD, we investigate chromatic dispersion tailoring in two different transmission mediums, photonic integrated waveguides and optical fiber. In the first case, two different geometries of Silicon-on-Insulator (SOI) integrated waveguides, strip and slot, are considered. By varying structural parameters such as the cross-section, aspect ratio or fill factor, different chromatic dispersion profiles are obtained. In addition, the influence of the slot location is evaluated. This study is carried out using simulation software in order to obtain the effective refractive index profile as a function of wavelength, which is later differentiated to obtain the final dispersion values. Besides, chromatic dispersion in both waveguide geometries is experimentally measured using an interferometer technique. In the second case, the chromatic dispersion present in a tapered fiber is studied. A tapered fiber consists of a narrow waist located between two transition regions and it allows the modification of the conventional propagation conditions due to the interference between the modes propagating through the waist. This interference between modes creates a transmission pattern which depends on the waist length and the effective refractive indexes of the modes travelling through the waist. By applying stress to the tapered fiber its interference pattern can be modified. Chromatic dispersion profile of tapered fibers is obtained, tailored and compared with the dispersion profile of conventional single-mode fibers.[ES] Esta Tesis se centra en el estudio, implementación y caracterización del control de la dispersión cromática empleando tanto fibra óptica como guías integradas fotónicas. La dispersión cromática provoca que las distintas componentes espectrales asociadas con el pulso óptico viajen a diferentes velocidades. Este efecto puede ser dividido en sus dos contribuciones fundamentales, la dispersión del material y la dispersión de la guía. La dispersión cromática puede ser controlada a través del diseño de los parámetros estructurales del dispositivo para poder obtener así determinadas características en el perfil de dispersión resultante como por ejemplo bajos valores o localización de la longitud de onda de dispersión cero en una longitud de onda deseada. Este método es muy útil en aplicaciones dependientes de la dispersión. En esta Tesis, investigamos el control de la dispersión cromática en dos medios de transmisión diferentes, las guías fotónicas integradas y la fibra óptica. En el primer caso, se consideran dos geometrías diferentes de guías integradas en silicio, las guías convencionales y las guías ranuradas. Mediante la modificación de los parámetros estructurales como la sección transversal de la guía, su relación de aspecto o el factor de llenado, se obtienen diferentes perfiles de dispersión cromática. Además, se evalúa la influencia de la situación de la ranura. Mediante software de simulación, se obtiene el perfil de índice de refracción efectivo en función de la longitud de onda, que posteriormente se deriva y se obtiene el valor de la dispersión. Asimismo, se mide experimentalmente la dispersión en ambas geometrías utilizando una técnica interferométrica. En el segundo caso, se analiza la dispersión cromática que presenta una fibra de tipo taper. Esta geometría consiste en una cintura estrecha situada entre dos regiones de transición y permite la modificación de las condiciones de propagación convencionales debido a la interferencia entre los modos que se propagan por la cintura, que crea un patrón de transmisión dependiente de la longitud de la cintura y de los índices efectivos de los modos. Aplicando tensión sobre la fibra, su patrón de interferencia puede ser modificado. La dispersión cromática de las fibras taper se obtiene, se modifica y se compara con el perfil de dispersión de una fibra convencional.[CA] La tesi a exposar se centra en l'estudi, implementació i caracterització del control de la dispersió cromàtica empleant la fibra òptica i les guies integrades fotòniques. La dispersió cromàtica provoca que els distints components espectrals associats amb la pols òptica viatgen a diferents velocitats. Aquest pot dividir-se en les dos contribucions fonamentals corresponents: la dispersió del material i la dispersió de la guia. La dispersió cromàtica pot controlar-se a través del disseny dels paràmetres estructurals del dispositiu per poder obtindre aixi determinades característiques en el perfil de dispersió resultant, com per exemple, baixos valors o localizació de la longitud d'ona de dispersió zero a una longitud d'ona desitjada. No obstant això, aquest mètode és molt útil en aplicacions depenents de la dispersió. A més a més, investiguem el control de dispersió cromàtica en dos mitjans de transmissió diferents, les guies fotòniques integrades i la fibra òptica. D'una banda, es consideren dos geometries diferents de guies integrades en silici, les guies convencionals i les ranurades. Mitjançant la modificació dels paràmetres estructurals com la secció transversal de la guia, la relació d'apecte o el factor d'ompliment, obtenim diferents perfils de dispersió cromàtica. Fins i tot, s'avalua la influència de la situació de la ranura. Mitjançant el programari de simulació, obtenim el perfil d'índex de refracció efectiu en funció de la longitud d'ona, que posteriorment es derivarà i s'obrindrà el valor de la dispersió. Tanmateix, es mesura experimentalment la dispersió en les dos geometries utilitzant una tècnica interferomètrica. D'altra banda, analitzam la dispersió cromàtica que presenta una fibra de tipus taper. Aquesta consisteix en una cintura estreta situada entre dos regions de transició que, ens permet la modificació de les condicions de propagació convencional com a causa d'una interferència entre els modes que es propaguen per la cintura i els índex efectius dels modes. Si apliquem tensió sobre la fibra, el seu patró d'interferència podria ser modificat. La dispersió d'una fibra cromàtica de les fibres taper s'obté, es modific i es compara amb el perfil de dispersió d'una fibra convencional.Mas Gómez, SM. (2015). Dispersion tailoring in both integrated photonics and fiber-optic based devices [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/54113TESISCompendi

Optofluidic Micromachined Platform for Refractive Index Measurement

We present a combination of micromachined optofluidic platforms equipped with a fiber-optic sensing configuration based on a three-path Mach–Zehnder interferometer (MZI) for simultaneous measurement of the refractive index of liquids and the autocalibration in dynamic regime. The sensing principle is based on the low-coherence interferometry, characterized by a generation of Gaussian enveloped interferograms, for which the position of its maximum depends on the optical path difference (OPD) between the sensing and reference arm of the MZI. When liquid flows through the central microchannel of the optofluidic platform it crosses the light beam between the two optical fibers in the sensing arm causing the OPD change. An algorithm has been applied for the calculation of the refractive index of liquids out of the raw interference signals. We obtained a very good agreement between the experimental results and literature data of refractive indices of subjected fluids. The accuracy of refractive index measurement is approximately 1%, predominantly determined by the accuracy of reading the position of the mechanical scanner. The proposed sensor is attractive for the label-free biological, biochemical, and chemical sensing owing autocalibration and high sensitivity yet consuming a very small sample volume of 1 µL. It is capable to measure the refractive index of various liquids and/or gases simultaneously in the process

Real time measuring system of multiple chemical parameters using microstructured optical fibers based sensors

In this paper, a multiplexing system for simultaneous interrogation of optical fiber sensors which measure different parameters is presented and validated. The whole system has been tested with 6 different sensing heads with different purposes: one temperature sensing head, two relative humidity sensors and three VOCs leak sensors; all of them based on microstructured optical fibers. The interrogation system uses the FFT technique to isolate each sensor's interference, enabling their simultaneous interrogation. The system interrogates all the sensors at frequencies up to 1 KHz, showing a good performance of each measurement without crosstalk between sensors. The developed system is independent of the sensors' purpose or of the multiplexing topology.This work was supported in part by the Spanish Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología within projects under Grant TEC2016-76021-C2-1-R, Grant TEC2016-78047-R, and Grant TEC2016-79367-C2-2-R, in part by the Cost Action MP1401, and in part by the FEDER funds from the European Union