Recent Progress in Optical Fiber Research

This book presents a comprehensive account of the recent progress in optical fiber research. It consists of four sections with 20 chapters covering the topics of nonlinear and polarisation effects in optical fibers, photonic crystal fibers and new applications for optical fibers. Section 1 reviews nonlinear effects in optical fibers in terms of theoretical analysis, experiments and applications. Section 2 presents polarization mode dispersion, chromatic dispersion and polarization dependent losses in optical fibers, fiber birefringence effects and spun fibers. Section 3 and 4 cover the topics of photonic crystal fibers and a new trend of optical fiber applications. Edited by three scientists with wide knowledge and experience in the field of fiber optics and photonics, the book brings together leading academics and practitioners in a comprehensive and incisive treatment of the subject. This is an essential point of reference for researchers working and teaching in optical fiber technologies, and for industrial users who need to be aware of current developments in optical fiber research areas

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

Chirped-pulse phase-sensitive optical time domain reflectometry

El mundo actual funciona gracias a las grandes infraestructuras que dotan de energía y transporte seguros a sus ciudadanos. Dichas infraestructuras (presas, diques, gaseoductos, oleoductos, puentes, líneas de ferrocarril, carreteras…) típicamente presentan grandes dimensiones y es especialmente difícil monitorizar su buen funcionamiento y su salud estructural además de protegerlas de posibles amenazas. Los sensores distribuidos de fibra óptica son una solución fiable y rentable para esta problemática, ya que permiten medir vibraciones, deformaciones y temperatura a lo largo de todos los puntos de una fibra óptica estándar de comunicaciones. Los sensores de fibra óptica basados en scattering Rayleigh son particularmente útiles cuando las medidas deben ser realizadas en tiempo real, como por ejemplo en la detección y caracterización de vibraciones. En esta tesis, se ha realizado un estudio acerca de distintas soluciones y alternativas a las limitaciones de la tecnología OTDR. Se ha propuesto una nueva técnica, derivada de ésta, que ofrece unas prestaciones que superan notablemente a las de los sistemas OTDR tradicionales. Para ello, en primer lugar, se ha procedido a realizar un estudio en profundidad de los fundamentos y el estado del arte de las técnicas de monitorización basadas en Reflectometría Óptica en el Dominio del Tiempo (OTDR, por sus siglas en inglés) y, en particular, sobre la implementación sensible a la fase, también conocida como OTDR. Se ha estudiado la limitación en rango y resolución de los sistemas OTDR principalmente asociada a la aparición de efectos no lineales como la inestabilidad de modulación. Actualmente, un OTDR tradicional presenta una resolución máxima del orden de los 10 metros para un rango de medida del orden de pocas decenas de km (si no se aplica ningún tipo de técnica de amplificación distribuida). Además de estudiar esta limitación y a qué es debida, se han propuesto dos técnicas para mitigar los efectos perjudiciales de la MI. En primer lugar, se ha realizado un estudio del efecto de la forma de los pulsos ópticos empleados en el sensor en la traza retrodispersada en un OTDR. Se ha podido comprobar cómo los pulsos triangulares o gaussianos presentan mayor robustez que los pulsos rectangulares, tradicionalmente empleados, frente a la MI. En segundo lugar, se ha propuesto una técnica basada en el concepto de Amplificación de Pulsos Chirpeados (CPA, por sus siglas en inglés), que ha permitido desarrollar un OTDR con resoluciones milimétricas. Hasta el momento ningún OTDR había podido llegar a tales resoluciones, lo que abre un nuevo abanico de aplicaciones a la tecnología OTDR donde se requiera alta resolución espacial en la medida. También se ha estudiado la otra gran limitación de este tipo de sensores: su comportamiento no lineal ante una perturbación. Actualmente, salvo que se implementen técnicas de recuperación de fase o barridos en longitud de onda que implican más complejidad, coste y tiempo de medida, no es posible realizar medidas cuantificables de temperatura o deformaciones. Del mismo modo, tampoco se pueden realizar medidas acústicas reales. En este trabajo, en primer lugar, se propone emplear la técnica de Reconstrucción de Fase empleando Diferenciación Óptica Ultrarápida (PROUD, por sus siglas en inglés) para recuperar el campo complejo de una señal OTDR. Con esta medida, el sensor pasaría a comportarse de forma lineal sin la complejidad intrínseca de los métodos tradicionales de detección de fase. En segundo lugar, y de aquí viene el nombre de esta tesis doctoral, se propone el uso de pulsos chirpeados en los sensores OTDR. La nueva técnica llamada Chirped-Pulse OTDR, ha permitido la medida de forma lineal de cambios de temperatura y deformaciones, en un único disparo y sin la necesidad de realizar barridos en frecuencia o implementar detección coherente. A lo largo de este trabajo, se han alcanzado resoluciones de 0.5mK/4n y se ha demostrado la posibilidad de hacer medidas acústicas reales. También se han estudiado las limitaciones de esta técnica y propuesto varias soluciones. Se ha demostrado que el ruido de fase del láser empleado en el sistema, puede ser mitigado con esta nueva técnica. Además, se ha propuesto el uso de amplificación distribuida basada en scattering Raman estimulado para alcanzar rangos de medida mayores, hasta 75 km con una resolución espacial de 10 m

3D Micromachining of Optical Devices on Transparent Material by Ultrafast Laser

Ultrafast lasers, also referred to as ultrashort pulse lasers, have played an important role in the development of next generation manufacturing technologies in recent years. Their broad range of applications has been investigated in the field of microstructure processing for the biomedical, optical, and many other laboratory and industrial fields. Ultrafast laser machining has numerous unique advantages, including high precision, a small heat affected area, high peak intensity, 3D direct-writing, and other flexible capabilities When integrated with optical delivery, motion devices and control systems, one-step fabrication of assemble-free micro-devices can be realized. In particular, ultrafast lasers enable the creation of various three-dimensional, laser-induced modifications using an extremely high peak intensity over a short time frame, producing precise ablation of material and a small heat affected area in transparent materials. In contrast, lasers with longer pulse durations are based on a thermal effect, which results in significant melting in the heat affected area. In general, ultrafast laser micromachining can be used either to subtract material from or to change the material properties of both absorptive and transparent substances. Recently, integrated micro-devices including optical fiber sensors, microfluidic devices, and lab-on-chips (LOC) have gained worldwide recognition because of their unique characteristics. These micro-devices have been widely used for a broad range of applications, from fundamental research to industry. The development of integrated glass micro-devices introduced new possibilities for biomedical, environmental, civil and other industries and research areas. Of these devices, optical fiber sensors are recognized for their small size, accuracy, resistance to corrosion, fast response and high integration. They have demonstrated their excellent performance in sensing temperature, strain, refractive index and many other physical quantities. In addition to the all-in-fiber device, the LOC is another attractive candidate for use in micro-electro-mechanical systems (MEMS) because it includes several laboratory functions on a single integrated circuit. LOCs provide such advantages as low fluid volume consumption, improved analysis and response times due to short diffusion distances, and better process control, all of which are specific to their application. Combining ultrafast laser micromachining techniques with integrated micro-devices has resulted in research on a variety of fabrication methods targeted for particular purposes. In this dissertation, the direct creation of three-dimensional (3D) structures using an ultra-fast laser was investigated for use in optical devices. This research was motivated by the desire to understand more fully the relationship among laser parameters, material properties and 3D optical structures. Various all-in-fiber sensors in conjunction with femtosecond laser ablation and irradiation were investigated based on magnetic field, temperature and strain application. An incoherent optical carrier based microwave interferometry technique was used for in-situ weak reflector fabrication and a picosecond laser micromachining technique was introduced for developing LOCs with unlimited utilization potential

Overview of Advanced LIGO Adaptive Optics

This is an overview of the adaptive optics used in Advanced LIGO (aLIGO), known as the thermal compensation system (TCS). The thermal compensation system was designed to minimize thermally-induced spatial distortions in the interferometer optical modes and to provide some correction for static curvature errors in the core optics of aLIGO. The TCS is comprised of ring heater actuators, spatially tunable CO$_{2}$ laser projectors and Hartmann wavefront sensors. The system meets the requirements of correcting for nominal distortion in Advanced LIGO to a maximum residual error of 5.4nm, weighted across the laser beam, for up to 125W of laser input power into the interferometer

Distributed, Advanced Fiber Optic Sensors

India is poised to use nuclear energy in a big way. The safety of these systems depends upon monitoring various parameters in hazardous environment like high radiation, high temperature exceeding 1000°C, and gas/coolant leakages. In this chapter, we shall dwell on basics of distributed sensing, related instrumentation, device fabrication, and actual advanced field applications. Techniques like Raman scattering, resonance response of fiber gratings, and selective absorption are employed for design, development, and fabrication of distributed sensors and devices. Raman distributed sensors with advanced data processing techniques are finding increasing applications for fire detection, coolant leak detection, and safety of large structures. The systematic investigations related to portable systems developed at the author’s lab have been described. Wavelength-encoded fiber gratings are the attractive candidate for high gamma radiation dose measurements in environment such as particle accelerators, fission reactors, food processing facilities, and ITER-like installations. The basics of fiber gratings, their operational designs, and devices based on fiber gratings have been described with advanced applications like high temperature sensing, strain measurements at cryogenic temperatures, and strain in nuclear environment. Finally, novel approaches are described for distributed hazardous gas monitoring for large areas such as airports, train stations, and reactor containment buildings

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

Review: optical fiber sensors for civil engineering applications

Optical fiber sensor (OFS) technologies have developed rapidly over the last few decades, and various types of OFS have found practical applications in the field of civil engineering. In this paper, which is resulting from the work of the RILEM technical committee “Optical fiber sensors for civil engineering applications”, different kinds of sensing techniques, including change of light intensity, interferometry, fiber Bragg grating, adsorption measurement and distributed sensing, are briefly reviewed to introduce the basic sensing principles. Then, the applications of OFS in highway structures, building structures, geotechnical structures, pipelines as well as cables monitoring are described, with focus on sensor design, installation technique and sensor performance. It is believed that the State-of-the-Art review is helpful to engineers considering the use of OFS in their projects, and can facilitate the wider application of OFS technologies in construction industry