Modelo teórico de sensores ópticos baseados em fibras com grade de Bragg

Ao se aplicar uma tração exterior a uma fibra óptica, seu índice de refração pode modificar devido ao efeito foto-elástico. Quando a fibra contém uma grade de Bragg inscrita em seu núcleo, além do índice de refração seu período espacial também modifica, permitindo sua aplicação como sensores ópticos de temperatura e/ou deformação de alta sensitvidade. Do ponto de vista teórico, até o presente a operação de sensores baseados em fibras ópticas com grade de Brag (FGB) é explicada pelo efeito foto-elástico, através de componentes adequadas do tensor foto-elástico de fibras de sílica dopadas com germânio (germano-silicatadas). Em praticamente toda a literatura previamente estudada, apenas este tipo de fibra óptica tem suas propriedades optomecânicas bem definidas, o que pode representar uma restrição. Nesta dissertação apresentamos uma formulação teórica alternativa para o estudo das propriedades de um sensor de deformação longitudinal baseado em fibra óptica com grade de Bragg (FGB) que não depende do conhecimento prévio das componentes do tensor foto-elástico, e que leva a resultados que dependem apenas da razão de Poisson da fibra, uma característica mecânica facilmente mensurável, e de seu índice de refração efetivo. Os resultados obtidos com este modelo apresentam ótima concordância com aqueles obtidos pelo modelo conhecido da literatura, além de permitir estimar o comportamento de outros parâmetros relacionados ao espectro de refletividade da FGB.

ABSTRACT: By applying an external stress to an optical fiber its refractive index can change due to the photoelastic effect. When the optical fiber contains a Bragg grating inscribed in its core besides of the refractive index their spacial period changes too, allowing its application as high sensitive optical sensors for measurements of temperature and stress. From the theoretical point of view, up to date the operation of sensors using optical fiber with Bragg gratings (FBG) is explained by the photoelastic effect through appropriate components of the photoelastic tensor but for germanosilicated optical fibers only, which may to represent limitations to understand the responses of other classes of FGB used as optical sensors. In this work we show an alternative theoretical formulation for the studies of the operation properties of an optical sensor of longitudinal stress based on optical fiber with FBG, which do not depends from previous knowledge of the components of the photoelastic tensor, but just depends on the refractive index of the core, Poisson’s ratio, and relative deformation. The results shown good agreement with the literature and experimental data, allowing to estimate other features related with the reflectivity of the FGB.