Simulação do comportamento espectral de redes de período longo em fibra óptica

Esta tese é dedicada às redes de período longo, LPG’s, em fibra óptica, escritas por exposição a radiação ultravioleta (UV) ou por exposição a descargas eléctricas, e às suas aplicações em comunicações ópticas e em sistemas sensores. Numa primeira fase estudaram-se os aspectos teóricos fundamentais para a compreensão das LPG, nomeadamente os dois modelos matemáticos propostos na literatura, para a transmissão espectral de uma LPG, o modelo de duas camadas e o modelo de três camadas. Em seguida, estudou-se o deslocamento do comprimento de onda ressonante perante mudanças de parâmetros externos. Aqui, verificou-se que para variações da temperatura no exterior da LPG, o deslocamento do comprimento de onda ressonante é linear. Por outro lado, para variações de índice de refracção exterior, verificou-se que à medida que o índice exterior se aproxima dos valores do índice de refracção da bainha, o comprimento de onda ressonante tende para valores mais baixos. Por último, realizou-se um estudo da transmissão espectral de duas aplicações que envolvem LPG’s, nomeadamente dois tipos de interferómetros e filtros ópticos. Numa segunda fase, foi desenvolvida uma ferramenta de simulação destes modelos, que permitia não só a obtenção dos espectros de transmissão das LPG’s mas também a obtenção das curvas de phase matching em função do período da rede e do comprimento de onda ressonante. A aplicação permitia também a obtenção das curvas do deslocamento do comprimento de onda ressonante, perante variações do índice de refracção exterior ou da temperatura. Para além disso, essa ferramenta realiza a simulação dos espectros de transmissão de filtros ópticos e de interferómetros de Michelson e de Mach-Zehnder construídos com base em LPG’s. A última fase do trabalho, a componente laboratorial, foi realizada na Unidade de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos do INESC Porto, onde foram construídos e testados os dispositivos estudados anteriormente, com o intuito de validar a aplicação desenvolvida. A ferramenta de simulação demonstrou ser capaz de simular de forma adequada os diversos aspectos do comportamento das LPG’s que foram estudados. A comparação dos resultados obtidos permitiu concluir que o modelo mais correcto para o estudo das LPG’s é o modelo de três camadas, o que está de acordo com o esperado.

Sensores em fibra óptica para monitorização ambiental

Fruto da crescente preocupação face à bioacumulação e bioconcentração de poluentes e conscientização dos efeitos do aquecimento global, nos últimos anos têm sido adoptadas inúmeras acções e medidas que visam o controlo de parâmetros indicadores da qualidade do meio, a detecção de substâncias potencialmente perigosas e a promoção/utilização de energias alternativas não poluentes. Neste âmbito, a monitorização em tempo real revela-se fundamental para a análise contínua do equilíbrio dos ecossistemas. Neste contexto, os sensores de fibra óptica, mais concretamente os sensores químicos em fibra óptica possuem um conjunto de características, como por exemplo a miniaturização, baixo custo, versatilidade, biocompatibilidade, capacidade de monitorização remota, que representam uma alternativa tecnológica e economicamente viável. Por outro lado, a utilização de redes de difracção em sensores de fibra óptica, é em adição uma mais-valia para este tipo de sistemas, as redes de período longo pela sua sensibilidade intrínseca ao índice de refracção, e as redes de Bragg pela sua facilidade de interrogação e facilidade de multiplexagem. A presente dissertação tem por objectivo o estudo, desenvolvimento e análise de sensores em fibra óptica para monitorização de espaços ambientais. O presente documento encontra-se organizado em cinco capítulos. O capítulo 1 faz um enquadramento dos sensores de fibra óptica para monitorização ambiental dando relevo aos sensores químicos em fibra óptica. No capítulo 2 expõe-se o conjunto de conceitos necessários para a compreensão do trabalho. A começar pelas redes de difracção em fibra óptica e a suas potencialidades como elementos sensores. Algumas configurações foram detalhadas assim como alguns princípios para interrogação das mesmas. A medição multi-parâmetro e o fabrico de membranas de sensibilidade selectiva são também abordados. O Capitulo 3 refere a primeira configuração desenvolvida, trata-se de um sensor interferométrico baseado numa cavidade Fabry-Pérot, constituído por uma rede de Bragg e a reflectividade da ponta da fibra. O objectivo do sensor é a monitorização do ácido acético e outras espécies carboxílicas em bioreactores. Para tornar a configuração sensível ao ácido foi aplicado um revestimento de Silane-PVP à extremidade da fibra. A configuração sensora demonstrada aufere de características favoráveis, como excelente resolução, resposta linear, não utilização de indicadores, leitura em reflexão e o facto de operar na janela espectral das telecomunicações. O Capítulo 4 apresenta a segunda configuração desenvolvida que tem por objectivo a medição simultânea de salinidade e temperatura. A medição de salinidade é baseada no índice de refracção. Trata-se de um sensor de intensidade auto-referenciado, baseado em três redes de difracção. Uma rede de período longo sensível ao índice de refracção e temperatura e duas redes de Bragg, para interrogação da da rede de período longo e compensação de temperatura. Para discriminação dos parâmetros de interesse foi utilizado o método matricial. A configuração exposta exibe características favoráveis, como excelente resolução, resposta linear, discriminação de índice de refracção e temperatura, leitura em reflexão e o facto de operar na janela espectral das telecomunicações. O Capitulo 5 contém as conclusões e comentários finais ao trabalho. No final da tese seguem-se os anexos, onde se encontram as publicações e comunicações resultantes do trabalho realizado.

Sensores de pressão em fibra óptica para o estudo dos fenómenos da percolação da água em solos

Dada a necessidade de obtermos sistemas monitorizados com elevada precisão, de grande durabilidade e resistentes às condições atmosféricas, surgiu a possibilidade de aplicação das fibras ópticas como sensores para monitorização de pressão. Nesse contexto, as fibras “hetero-core” (fibra óptica composta por uma fibra multimodo entre duas fibras ópticas monomodo) e a utilização de lentes GRIN (“GRaded INdex”) em conjunto com superfícies reflectoras permitem a determinação da pressão e são objecto de estudo desta dissertação. Em termos de aplicação, o objectivo principal desta tese de mestrado foi de proporcionar o projecto e desenvolvimentos da medida de pressão em 48 pontos para um tanque de estudo dos fenómenos de percolação da água nos solos e que é pertencente à Secção de Geotecnia do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Inicialmente, foi caracterizado um sistema contendo uma fibra “hetero-core” à qual foi aplicada uma curvatura, com auxílio de uma carruagem micrométrica. Este sistema permitiu a simulação do mesmo efeito de aplicação de pressão à fibra “hetero-core”. Na configuração seguinte, usou-se um OTDR (“Optical Time Domain Reflectometer”) para visualização e registo das perdas encontradas durante o processo de dobrar e esticar da fibra “hetero-core”. Ao longo deste registo, várias configurações foram testadas até ser encontrada a cabeça sensora com melhor comportamento para monitorizar a pressão. A multiplexagem foi conseguida ao colocar dois sensores em série, sendo cada um deles constituído por uma fibra “hetero-core” colocada no fundo de um tubo de água disposto verticalmente. Com a adição da água no tubo de água, a curvatura na fibra “hetero-core” aumentava, notando-se claramente que as perdas também subiam. Os resultados obtidos nesta configuração foram bastante satisfatórios permitindo a independência entre os dois sensores dispostos em série. Posteriormente, foi testada uma nova configuração sensora, o sensor de fibra óptica para monitorização de pressão foi construído com recurso a uma lente GRIN e uma superfície reflectora. Esta lente, disposta diante de um espelho, permitiu emitir e captar luz de um determinado comprimento de onda devido à reflexão do sinal luminoso no espelho. Com sucessivos incrementos, afastou-se e aproximou-se a lente ao espelho, registando-se e observando-se as perdas de potência obtidas com auxílio do OTDR. Também para esta configuração foi testada a multiplexagem de vários sensores, tendo sido utilizadas as seguintes opções: um acoplador de 2:1; um acoplador 4:1 e um comutador óptico. Verificou-se que a utilização de um comutador óptico é o melhor caso para a monitorização de pressão de múltiplos sensores. A multiplexagem com recurso ao comutador foi possível, uma vez que permitia a medição independente de cada sensor de pressão num determinado tempo. Com este resultado, é possível monitorizar 48 sensores com recurso ao OTDR, multiplexados temporalmente. Toda esta implementação prática da dissertação foi realizada nas instalações da Unidade de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos no INESC Porto, onde foram caracterizados e estudados sensores com diferentes características que poderão ser lidas neste documento. A componente teórica foi efectuada na Universidade da Madeira.

Investigação numérica do desempenho de um sensor de fibra ótica de índice de refração, baseado em SPR e utilizando COMSOL multiphysics

Esta tese é dedicada aos sensores de fibra ótica especificamente aos sensores baseados no fenómeno de ressonância de plasmão de superfície, SPR (Surface Plasmon Resonance), gerados em fibras óticas com configuração do tipo “D”, para aplicação em sensores refratométricos. Numa primeira parte desta dissertação são descritos os aspetos teóricos fundamentais para a compreensão dos fenómenos de ressonância de plasmões de superfície e a sua utilização em sistemas sensores. Estes fenómenos ocorrem na superfície de interface entre metais e outros meios materiais, sendo capazes de afetar as propriedades em reflexão e transmissão de uma onda eletromagnética incidente (feixe luminoso), de uma forma que é fortemente dependente dos meios na proximidade do metal. Assim, a medição das propriedades do feixe luminoso, como por exemplo o comprimento de onda de ressonância com SPR, permite monitorizar esses meios. Numa segunda fase foi implementada a simulação destes modelos, em COMSOL Multiphysics, que permitia não só a obtenção dos espetros de transmissão dos fenómenos de ressonância de plasmões de superfície, mas também a obtenção das distribuições do campo elétrico e magnético em função das dimensões do sensor. O COMSOL permitiu também a obtenção das curvas do deslocamento do comprimento de onda ressonante, perante variações do índice de refração exterior, da espessura do metal, da espessura da bainha e da espessura de outro elemento de elevado índice de refração. A fase seguinte foi verificar que os resultados dos métodos teóricos para os diferentes parâmetros de estudo eram semelhantes aos resultados obtidos no COMSOL. Conclui-se que com este programa é possível criar novos sensores em fibra ótica, baseados em SPR, para melhorar e otimizar os parâmetros de ressonância e sensibilidade do sensor. A última fase do trabalho baseou-se na modelização de uma fibra cuja configuração seja tal que possa criar um pequeno efeito de antena e fazer com que parte da luz seja guiada para o exterior da fibra e possa interatuar com o meio externo para melhor sensibilidade.

Sistema sensor em fibra ótica para deteção de gás

O presente trabalho descreve duas técnicas de deteção de gás baseadas em fibra ótica e apresenta dois sistemas sensores testados em ambiente laboratorial, usando técnicas de processamento de sinal usualmente associadas à espetroscopia de absorção. O estudo inicial do estado da arte dos sensores baseados em fibra ótica para a deteção de gases apresenta soluções com elevada seletividade, sensibilidade e resolução que permitem tempos de resposta curtos e esquemas de multiplexagem versáteis. A técnica de espetroscopia de absorção direta (DAS) permite a deteção de gases de forma simples e com alguma eficácia, mas com uma baixa relação-sinal-ruido. A espetroscopia por modulação de comprimento de onda (WMS) é uma técnica muito eficaz e de elevada sensibilidade para a deteção de gases, dado que a deteção é deslocada para frequências afastadas do ruído base, melhorando significativamente a relação-sinal-ruído. Estas técnicas foram escolhidas para a implementação de dois sistemas optoeletrónicos, totalmente controlados pelas respetivas aplicações em LabVIEW para a deteção e monitorização de amónia (NH3), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). O trabalho é finalizado com a caraterização laboratorial dos sistemas e avaliação do desempenho, permitindo a otimização dos sistemas e técnicas implementados. De referir que o trabalho realizado nas instalações da Unidade de Optoeletrónica e Sistemas Eletrónicos (UOSE) do Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores (INESC), Tecnologia e Ciência (TEC), laboratório associado coordenado pelo INESC Porto, permitiu, excelentes condições de trabalho, essenciais para implementar de forma prática os diversos conceitos estudados, bem como testar e caraterizar todos os sistemas desenvolvidos em ambiente laboratorial. O trabalho desenvolvido enquadra-se no âmbito do projeto europeu ECOAL-MGT (Gestão ecológica de pilhas de resíduos de carvão), que será implementado para monitorização remota de parâmetros fundamentais de uma escombreira de carvão em auto-combustão em S.ºPedro da Cova, Portugal.