Microwave Photonics for Distributed Sensing

In the past few years, microwave-photonics technologies have been investigated for optical fiber sensing. By introducing microwave modulation into the optical system, the optical detection is synchronized with the microwave modulation frequency. As a result, the system has a high SNR and thus an improved detection limit. In addition, the phase of the microwave-modulated light can be obtained and Fourier transformed to find the time-of-arrival information for distributed sensing. Recently, an incoherent optical-carrier-based microwave interferometry (OCMI) technique has been demonstrated for fully distributed sensing with high spatial resolution and large measurement range. Since the modal interference has little influence on the OCMI signal, the OCMI is insensitive to the types of optical waveguide. Motivated by the needs of distributed measurement in the harsh environment, in the first part of this paper, several OCMI-based sensing systems were built by using special multimode waveguides to perform sensing for heavy duty applications. Driven by an interest on the high-resolution sensing, in the second part of the paper, I propose a coherence-gated microwave photonics interferometry (CMPI) technique, which uses a coherent light source to obtain the optical interference signal from cascaded weak reflectors. The coherence length of the light source is carefully chosen or controlled to gate the signal so that distributed sensing can be achieved. The experimental results indicate that the strain resolution can be better than 0.6 µε using a Fabry-Perot interferometer (FPI) with a cavity length of 1.5 cm. Further improvement of the strain resolution to the 1 nε level is achievable by increasing the cavity length of the FPI to over 1m. The CMPI has also been utilized for distributed dynamic measurement of vibration by using a new signal processing method. The fast time-varying optical interference intensity change induced by the sub-scan rate vibration is recorded in the frequency domain. After Fourier transform, distinctive features are shown at the vibration location in the time domain signal, where the vibration frequency and intensity can be retrieved. The signal processing method supports vibration measurement of multiple points with the measurable frequency of up to 20 kHz

Diseño, fabricación y caracterización de sensores basados en fibras ópticas de múltiples núcleos

[ES] La fibra óptica ha supuesto una gran revolución en el mundo de las telecomunicaciones debido a su alta capacidad de transmisión y sus bajas pérdidas. Hoy en día no sería posible transportar la cantidad de tráfico que se genera en internet si no fuera por sis- temas de comunicaciones basados en fibras ópticas. Sin embargo, el número de dispo- sitivos conectados a internet es cada vez mayor, por lo que la capacidad de la fibra óptica estándar de un solo núcleo se puede ver limitada en un futuro no muy lejano. Una forma de aumentar dicha capacidad es utilizar fibras ópticas con varios núcleos. Actualmente existe un gran interés sobre la investigación en este tipo de fibras para aplicaciones de telecomunicaciones, por lo que no es difícil encontrar fibras multinú- cleo comerciales. Aunque el uso más común de la fibra óptica es para telecomunicaciones, también se puede utilizar como sensor. Uno de los métodos más comunes para la implementa- ción de sensores es la inscripción de redes de difracción en fibras ópticas de un solo núcleo. Sin embargo, la inscripción de redes de dirección en fibras de múltiples núcleos abre nuevas líneas de investigación para el desarrollo de sensores avanzados. En esta tesis se ha estudiado distintos tipos de redes de difracción inscritas en una fibra de siete núcleos para su aplicación en la implementación de sensores. En primer lugar, se describe el sistema de fabricación que permite inscribir distintos tipos de redes de difracción en la fibra multinúcleo de forma selectiva, es decir, permite seleccionar en que núcleos se va a inscribir la red. Mediante este sistema se han inscrito redes de periodo largo y posteriormente se han caracterizado como sensor de deformación, tor- sión y curvatura. Después, se han inscrito redes de Bragg inclinadas para aumentar de forma intencionada la diafonía entre los núcleos de la fibra mediante el acoplo de luz entre ellos. Además, se ha demostrado experimentalmente que esta diafonía es sensible a la deformación de la fibra, a la curvatura, a la temperatura y al índice de refracción que rodea la fibra. Por otro lado, se ha demostrado que las redes de Bragg inscritas en fibras multinúcleo se pueden utilizar para implementar sensores de curvatura capaces de operar en entornos radioactivos. Finalmente se han fabricado redes de Bragg rege- neradas capaces de operar a altas temperaturas, estas redes se han caracterizado como sensor de temperatura, deformación y curvatura.[CAT] La fibra òptica ha suposat una gran revolució en el món de les telecomunicacions a causa de la seua alta capacitat de transmissió i les seues baixes pèrdues. Hui en dia no seria possible transportar la quantitat d'informació que es genera en internet si no fos pels sistemes de comunicacions basats en fibres òptiques. No obstant això, el nombre de dispositius connectats a internet es cada vegada més gran, per la qual cosa la capacitat de la fibra òptica estàndard d'un sol nucli es pot veure limitada en un futur no gaire llunyà. Una manera d'augmentar aquesta capacitat es utilitzar fibres òptiques amb diversos nuclis. Actualment existeix un gran interès sobre la investigació en aquesta mena de fibres per a aplicacions de telecomunicacions, per la qual cosa no es difícil trobar fibres de múltiples nuclis comercials. Encara que l'ús mes comú de la fibra òptica es per a telecomunicacions, també es pot utilitzar com a sensor. Un dels mètodes més comuns per a la implementació de sensors es la inscripció de xarxes de difracció en fibres òptiques d'un sol nucli. No obstant això, la inscripció de xarxes de difracció en fibres de múltiples nuclis obri noves línies d'investigació per al desenvolupament de sensors més complexos. En aquesta tesi s'ha estudiat diferents tipus de xarxes de difracció inscrites en una fibra de set nuclis per a la seua aplicació en la implementació de sensors en fibra òptica. En primer lloc, es descriu el sistema de fabricació de xarxes de difracció que permet inscriure diferents tipus de xarxes de difracció en la fibra de múltiples nuclis de manera selectiva, es a dir, permet seleccionar en que nuclis s'inscriurà la xarxa. Mitjançant aquest sistema s'han inscrit xarxes de període llarg i posteriorment s'han caracteritzat com a sensor de deformació, torsió i curvatura. Després, s'han inscrit xarxes de Bragg inclinades per a augmentar de manera intencionada la diafonia entre els nuclis de la fibra mitjançant l'acoblament de llum entre ells. A més d'això, s'ha demostrat experimentalment que aquesta diafonia es sensible a la deformació de la fibra, a la curvatura, a la temperatura i a l'índex de refracció que envolta la fibra. D'altra banda, s'ha demostrat que les xarxes de Bragg inscrites en fibres múltiples nuclis es poden utilitzar per a implementar sensors de curvatura que poden operar en entorns radioactius. Finalment s'han fabricat xarxes de Bragg regenerades que suporten altes temperatures, aquestes xarxes s'han caracteritzat com a sensor de temperatura, deformació i curvatura.[EN] Optical fiber has been a great revolution in the world of telecommunications due to its high transmission capacity and low attenuation. Today it would not be possible to transport the amount of traffic that is generated on the Internet without communication systems based on optical fibers. However, the number of devices connected to the Internet is increasing, so the capacity of standard single-core fiber optics may be limited so far in the future. One way to increase this capacity is to use multi-core optical fibers. Nowadays is a great interest in research in this type of fibers for telecommunications applications, so it is not difficult to find commercial multicore fibers. Although the most common use of fiber optics is for telecommunications, it can also be used as a sensor. One of the most common methods for sensor implementation is the inscription of diffraction gratings on single-core optical fibers. However, the enrollment of steering networks in multi-core fibers opens new lines of research for the development of advanced sensors. In this thesis, different types of diffraction gratings inscribed in a seven-core fiber have been studied for their application in the implementation of sensors. In the first place, the diffraction grating manufacturing system is described that allows to inscribe different types of diffraction gratings in the multicore fiber selectively, that is, it allows to select in which cores the grating is going to be inscribed. By means of this system, long-period networks have been inscribed and subsequently they have been characterized as a deformation, torsion, and curvature sensor. Then, slanted Bragg gratings have been inscribed to intentionally increase the crosstalk between the fiber cores by coupling light between them. Furthermore, this crosstalk has been experimentally shown to be sensitive to fiber deformation, curvature, temperature, and the index of refraction surrounding the fiber. On the other hand, it has been shown that Bragg networks inscribed in multicore fibers can be used to implement curvature sensors capable of operating in radioactive environments. Finally, regenerated Bragg nets capable of operating at high temperatures have been manufactured. These nets have been characterized as a temperature, deformation, and curvature sensor.Agradezco a la Universitat Politècnica de València la beca FPI (PAID-01-18) que me fue concedida para realizar está tesis.Madrigal Madrigal, J. (2022). Diseño, fabricación y caracterización de sensores basados en fibras ópticas de múltiples núcleos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180806TESI