Development of advanced structures for optical fiber lasers and sensors

Desde la irrupción de la fibra óptica en las telecomunicaciones, han surgido multitud de desarrollos basados en sus propiedades. Así, en las últimas décadas, la rápida evolución de los sistemas basados en fibra óptica, así como la aparición en el mercado de dispositivos como los amplificadores ópticos, los láseres de semiconductor de alta potencia, y otros elementos, ha hecho avanzar considerablemente la investigación en este campo. Además de la utilización de la fibra óptica en telecomunicaciones, han surgido nuevas aplicaciones, generando nuevas familias de dispositivos. Dos de ellas particularmente interesantes, son los láseres de fibra óptica y los sensores de fibra óptica. Ambas familias pueden combinarse de manera que sensores y redes de sensores de fibra óptica pueden interrogarse por medio de láseres de fibra óptica. En este marco de investigación se centra esta tesis, donde se han desarrollado estructuras avanzadas de fibra óptica para láseres y sensores. El objetivo ha sido mejorar las propiedades de los láseres de fibra, sensores y sus sistemas de monitorización, así como abordar los diferentes problemas que éstos presentan actualmente. Los retos encontrados, así como los objetivos de cada sistema, varían en función del tipo de sistema desarrollado. De esta forma, la primera parte de este trabajo ha sido dedicada al desarrollo de láseres de fibra óptica, buscando mejorar sus propiedades en términos de estabilidad, relación señal ruido, modos longitudinales, múltiples líneas de emisión y anchura de las mismas. Se han abordado diferentes tipos de configuraciones clásicas de láseres en anillo y de cavidad lineal. También se han realizado estudios de láseres de cavidad distribuida mediante dispersión Rayleigh (random). Estos láseres han suscitado gran interés en los últimos años dado que no presentan modos longitudinales. Por otro lado en el ámbito de la monitorización de sensores, se han desarrollado transductores ópticos basados en fibras micro-estructuradas, aprovechando las ventajas que éstas presentan en comparación con las fibras ópticas estándar. Finalmente se han desarrollado diferentes configuraciones de sistemas sensores con el objetivo de contribuir a la mejora de alguno de sus parámetros, como su alcance, capacidad de multiplexación, sensibilidad, rango dinámico y estabilidad de los sistemas sensores.Optical fiber technology as well as its rapidly evolution, has attracted the scientific community attention to develop lasers, fiber optic transducers and sensor networks. In this regard, the appearance in the last decades of commercial devices such as optical amplifiers, semiconductor high power lasers and others, has contributed to the rise of this technology. In this framework, a contribution to the improvement of the performance of fiber lasers and fiber optic sensors is presented in this PhD. work, taking into account their main merits and addressing their principal challenges. The challenges as well as the objectives addressed in each design vary depending on the application. In this way, the first part of the thesis has been dedicated to the development of optical fiber lasers. And it is focused on improving their properties in terms of stability, signal noise ratio, longitudinal modes, multiwavelength emission and bandwidth of the emission lines. Different classical configurations based on ring and linear cavity lasers have been addressed. Also, random cavity lasers, which have attracted great interest in recent years due to their longitudinal modeless behavior, have been studied. On the other hand, in the field of sensor monitoring, optical transducers based on micro-structured fibers have been developed, exploiting their advantages in comparison with standard optical fibers. Finally different optical sensor networks have been developed, whose main goal have been the improvement of features such as monitoring distance, multiplexing skill, sensitivity, dynamic range and stability.Este trabajo se ha llevado a cabo gracias a las aportaciones económicas recibidas de los siguientes organismos y proyectos: - Universidad Pública de Navarra mediante la ayuda de investigación predoctoral, la ayuda para movilidad y las ayudas complementarias a tesis doctorales. - Secretaria de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del programa de Formación del Personal Investigador y asociado al proyecto de investigación TEC2010-20224-C02-01. - Proyecto de investigación TEC2013-47264-C2-2-R a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). - Acción Europea COST- TD1001: Novel and Reliable Optical Fibre Sensor Systems for Future Security and Safety Applications (OFSeSa) - Proyecto INTERREG SUDOE Project “ECOAL-MGT - Ecological Management of Coal Waste Piles, SOE3/P2/P714”. - Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del Proyecto campus de excelencia-Iberus (Innocampus). - Grupo de investigación Comunicaciones Ópticas y Aplicaciones Electrónicas de la Universidad Pública de Navarra mediante la financiación de material y participación en congresos.Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones (RD 1393/2007)Komunikazioen Teknologietako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007

Switchable fiber optic laser system for high and low-strain fiber optic sensors remote multiplexing

In this paper, a 50 Km remote and switchable fiber optic sensing system based on an erbium doped fiber ring laser is proposed. The system allows the integration of different interrogation methods based on the detection of wavelength or amplitude variations of the laser. This integration is carried out by sequentially activating different ring cavities by using an optical switch. With this scheme, the maximum gain zone of the erbium doped fiber amplifier can be used to increase the distance of the sensor system. A bending intensity sensor and a FBG based strain sensor were successfully tested for high and low-strain measurements respectively. This system includes all the active elements inside the monitoring station, enabling the remote monitoring of the sensors.The authors are grateful to the Spanish government project TEC2010-20224-C02, to the Spanish Ministry of Education and Culture, and to the grant AP2009-1403

Simultaneous measurement of humidity and vibration based on a nanowire sensor system using Fast Fourier Transform technique

This paper presents a new sensor system for vibration and relative humidity measurements based on its interaction with the evanescent field of a microwire. The interrogation of the sensing head is carried out by monitoring the fast Fourier transform (FFT) phase of one of the FFT peaks of the microwire transmission signal. This technique is not dependent of the signal amplitude and also eludes the requisite of tracking the wavelength evolution in the spectrum, which can be a handicap when there are multiple interference frequency ...This work was supported in part by the Spanish Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología within project TEC2013-47264-C2-2-R and SUDOE ECOAL-MGT and FEDER funds from the European Union

Remote (250 km) Fiber Bragg Grating Multiplexing System

We propose and demonstrate two ultra-long range fiber Bragg grating (FBG) sensor interrogation systems. In the first approach four FBGs are located 200 km from the monitoring station and a signal to noise ratio of 20 dB is obtained. The second improved version is able to detect the four multiplexed FBGs placed 250 km away, offering a signal to noise ratio of 6–8 dB. Consequently, this last system represents the longest range FBG sensor system reported so far that includes fiber sensor multiplexing capability. Both simple systems are based on a wavelength swept laser to scan the reflection spectra of the FBGs, and they are composed by two identical-lengths optical paths: the first one intended to launch the amplified laser signal by means of Raman amplification and the other one is employed to guide the reflection signal to the reception system