Simultaneous light emitting diode-induced fluorescence and contactless conductivity detection for capillary electrophoresis

A combined detection system of simultaneous contactless conductometric and fluorescent detection for capillary electrophoresis (CE) has been designed and evaluated. The two processes share a common detection cell. A blue light-emitting diode (LED) was used as the excitation source and an optical fiber was used to collect the emitting fluorescence for fluorescent detection (FD). Inorganic ions, fluorescein isothiocyanate (FITC)-labeled amino acids and small molecule peptides were separated and detected by the combined detector, and the detection limits (LODs) of sub-μ M level were achieved.

Application of gold complexes in the development of sensors for volatile organic compounds

Two different kinds of sensors have been developed by using the same kind of vapochromic complexes. The vapochromic materials [Au2Ag2(C6F5)(4)L-2](n) have different colours depending on the ligand L. These materials change, reversibly, their optical properties, colour and fluorescence, in the presence of the vapours of volatile organic compounds (VOCs). For practical applications, two different ways of fixing the vapochromic material to the optical fibre have been used: the sol-gel technique and the electrostatic self-assembly method (ESA). With the first technique the sensors can even be used to detect VOCs in aqueous solutions, and using the second method it has been possible to develop nanosensors.

Hollow core photonic crystal fibre as a viscosity and Raman sensor

This PhD thesis investigates the application of hollow core photonic crystal fibre for use as an optical fibre nano litre liquid sensor. The use of hollow core photonic crystal fibre for optical fibre sensing is influenced by the vast wealth of knowledge, and years of research that has been conducted for optical waveguides. Hollow core photonic crystal fibres have the potential for use as a simple, rapid and continuous sensor for a wide range of applications. In this thesis, the velocity of a liquid flowing through the core of the fibre (driven by capillary forces) is used for the determination of the viscosity of a liquid. The structure of the hollow core photonic crystal fibre is harnessed to collect Raman scatter from the sample liquid. These two methods are integrated to investigate the range of applications the hollow core photonic crystal fibre can be utilised for as an optical liquid sensor. Understanding the guidance properties of hollow core photonic crystal fibre is forefront in dynamically monitoring the liquid filling. When liquid is inserted fully or selectively to the capillaries, the propagation properties change from photonic bandgap guidance when empty, to index guidance when the core only is filled and finally to a shifted photonic bandgap effect, when the capillaries are fully filled. The alterations to the guidance are exploited for all viscosity and Raman scattering measurements. The concept of the optical fibre viscosity sensor was tested for a wide range of samples, from aqueous solutions of propan-1-ol to solutions of mono-saccharides in phosphate buffer saline. The samples chosen to test the concept were selected after careful consideration of the importance of the liquid in medical and industrial applications. The Raman scattering of a wide range of biological important fluids, such as creatinine, glucose and lactate were investigated, some for the first time with hollow core photonic crystal fibre.

Slow light with a swept-frequency source.

ct: We introduce a new concept for stimulated-Brillouin-scattering-based slow light in optical fibers that is applicable for broadly-tunable frequency-swept sources. It allows slow light to be achieved, in principle, over the entire transparency window of the optical fiber. We demonstrate a slow light delay of 10 ns at 1.55 μm using a 10-m-long photonic crystal fiber with a source sweep rate of 400 MHz/μs and a pump power of 200 mW. We also show that there exists a maximal delay obtainable by this method, which is set by the SBS threshold, independent of sweep rate. For our fiber with optimum length, this maximum delay is ~38 ns, obtained for a pump power of 760 mW.

High-fidelity, broadband stimulated-Brillouin-scattering-based slow light using fast noise modulation.

We demonstrate a 5-GHz-broadband tunable slow-light device based on stimulated Brillouin scattering in a standard highly-nonlinear optical fiber pumped by a noise-current-modulated laser beam. The noisemodulation waveform uses an optimized pseudo-random distribution of the laser drive voltage to obtain an optimal flat-topped gain profile, which minimizes the pulse distortion and maximizes pulse delay for a given pump power. In comparison with a previous slow-modulation method, eye-diagram and signal-to-noise ratio (SNR) analysis show that this broadband slow-light technique significantly increases the fidelity of a delayed data sequence, while maintaining the delay performance. A fractional delay of 0.81 with a SNR of 5.2 is achieved at the pump power of 350 mW using a 2-km-long highly nonlinear fiber with the fast noise-modulation method, demonstrating a 50% increase in eye-opening and a 36% increase in SNR in the comparison.

Supercontinuum Generation by Stimulated Raman Scattering and Parametric Four-Wave Mixing in Photonic Crystal Fibers

Supercontinuum generation is investigated experimentally and numerically in a highly nonlinear indexguiding photonic crystal optical fiber in a regime in which self-phase modulation of the pump wave makes a negligible contribution to spectral broadening. An ultrabroadband octave-spanning white-light continuum is generated with 60-ps pump pulses of subkilowatt peak power. The primary mechanism of spectral broadening is identified as the combined action of stimulated Raman scattering and parametric four-wave mixing. The observation of a strong anti-Stokes Raman component reveals the importance of the coupling between stimulated Raman scattering and parametric four-wave mixing in highly nonlinear photonic crystal fibers and also indicates that non-phase-matched processes contribute to the continuum. Additionally, the pump input polarization affects the generated continuum through the influence of polarization modulational instability. The experimental results are in good agreement with detailed numerical simulations. These findings demonstrate the importance of index-guiding photonic crystal fibers for the design of picosecond and nanosecond supercontinuum light sources. © 2002 Optical Society of America.

In situ cross-calibration of in-fibre Bragg Grating and Electrical Resistance Strain Gauges for structural monitoring using an extensometer

Special issue on Sensor Systems for Structural Health Monitoring Abstract—This study addresses the direct calibration of optical fiber strain sensors used for structural monitoring and is carried out in situ. The behavior of fiber-Bragg-grating-based sensor systems when attached to metal bars, in a manner representative of their use as reinforcement bars in structures, was examined and their response calibrated. To ensure the validity of the measurements,this was done using an extensometer with a further calibrationagainst the response of electrical resistance strain gauges, often conventionally used, for comparison. The results show a repeatable calibration generating a suitable geometric factor of extension to strain for these sensors, to enable accurate strain data to be obtained when the fiber-optic sensor system is in use in structural monitoring applications.

Monitoring of Corrosion in Structural Reinforcing Bars: performance comparison using in-situ fibre optic and electric wire strain gauge systems

Abstract This work addresses the problems of effective in situ measurement of the initiation or the rate of steel corrosion in reinforced concrete structures through the use of optical fiber sensor systems. By undertaking a series of tests over prolonged periods, coupled with acceleration of corrosion, the performance of fiber Bragg grating-based sensor systems attached to high-tensile steel reinforcement bars (ldquorebarsrdquo), and cast into concrete blocks was determined, and the results compared with those from conventional strain gauges where appropriate. The results show the benefits in the use of optical fiber networks under these circumstances and their ability to deliver data when conventional sensors failed.

Performance analysis of a metro WDM ring networks with variable-length packets under symmetric and asymmetric traffic

In this paper, we discuss and evaluate two proposed metro wavelength division multiplexing (WDM) ring network architectures for variable-length packet traffic in storage area networks (SANs) settings. The paper begins with a brief review of the relevant architectures and protocols in the literature. Subsequently, the network architectures along with their medium access control (MAC) protocols are described. Performance of the two network architectures is studied by means of computer simulation in terms of their queuing delay, node throughput and proportion of packets dropped. The network performance is evaluated under symmetric and asymmetric traffic scenarios with Poisson and self-similar traffic. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Development of a Bridge Weigh-in-Motion Sensor: Performance comparison using fibre optic and electric resistance strain sensor systems

This paper addresses the problems of effective in situ measurement of the real-time strain for bridge weigh in motion in reinforced concrete bridge structures through the use of optical fiber sensor systems. By undertaking a series of tests, coupled with dynamic loading, the performance of fiber Bragg grating-based sensor systems with various amplification techniques were investigated. In recent years, structural health monitoring (SHM) systems have been developed to monitor bridge deterioration, to assess load levels and hence extend bridge life and safety. Conventional SHM systems, based on measuring strain, can be used to improve knowledge of the bridge's capacity to resist loads but generally give no information on the causes of any increase in stresses. Therefore, it is necessary to find accurate sensors capable of capturing peak strains under dynamic load and suitable methods for attaching these strain sensors to existing and new bridge structures. Additionally, it is important to ensure accurate strain transfer between concrete and steel, adhesives layer, and strain sensor. The results show the benefits in the use of optical fiber networks under these circumstances and their ability to deliver data when conventional sensors cannot capture accurate strains and/or peak strains.

Aplicações das redes de Bragg na biomecânica

O presente trabalho tem como objectivo o estudo, desenvolvimento e aplicações na área da biomecânica de sensores intrínsecos baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). As aplicações são feitas em modelos biomecânicos in vitro tais como: implantes de anca, prótese de joelho, placas de osteossíntese e implantes dentários. A optimização do desenvolvimento de próteses e respectivos elementos de fixação é actualmente dependente da geração e validação experimental de seus modelos computacionais. A validação destes modelos é normalmente feita utilizando-se dados de ensaios não invasivos e invasivos em modelos sintéticos. Em ensaios in vitro os sensores convencionais têm um princípio de funcionamento eléctrico e apresentam por vezes dimensões inadequadas. Existem situações exploradas no presente trabalho, tais como sensoriamento de superfícies irregulares e junções ou ainda análises de deformações internas, onde é recomendável a utilização de sensores FBG, pois apresentam dimensões reduzidas e flexibilidade o que permite efectuar medidas localizadas. O desenvolvimento de um protocolo de utilização de FBG e a sua aplicação no contexto apresentado demonstrou-se mais adequado, pela precisão e segurança futura oferecidas. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para medidas de deformações utilizando FBG ao longo de uma placa de osteossíntese metálica aparafusada a um fémur sintético fracturado. Foi efectuada a monitorização da cura do cimento ósseo utilizado como fixador do prato tibial na artroplastia total do joelho através da medida da sua contracção e temperatura. Foi também desenvolvido um sistema refrigerador com resposta às leituras de temperatura com vista a evitar a necrose do osso. Foram efectuados estudos de deformação nesse cimento após a sua cura, como resultado da aplicação de cargas mecânicas estáticas. Foram efectuados estudos da cura de cimento ósseo aplicado a próteses de anca e também de deformações nestas próteses. Foi ainda efectuado o estudo comparativo de vários implantes dentários através da medida da distribuição de deformações como resposta a excitações mecânicas impulsivas. Para a desmodulação das FBG foram inicialmente utilizados sistemas comerciais. Entretanto algumas aplicações não puderam ser implementadas com estes sistemas comerciais devido à baixa reflectividade das FBG utilizadas, mas fundamentalmente devido à necessidade de executar testes com uma taxa de aquisição maior do que os 5 Hz disponíveis (cerca de 15 kHz). Por estes motivos foi desenvolvido um sistema optoelectrónico completo de desmodulação de FBG baseado num filtro sintonizável e que tem como característica principal a alta taxa de aquisição (até 1,2 MHz) mas também se destaca pela facilidade na reconfiguração dos parâmetros de leitura, pela apresentação duma interface de utilizador amigável e pela capacidade de operar com até 5 FBG na mesma fibra óptica.

Sensores de Bragg para bioaplicações

Nas últimas décadas, os sensores de Bragg têm sido frequentemente utilizados em inúmeras aplicações, em resultado das características únicas desta tecnologia. Contudo, a comunidade científica tem feito um esforço contínuo em desenvolver sensores que respondam tanto quanto possível aos requisitos e interesses de cada aplicação em particular. As bioaplicações são um campo de crescente interesse pelos sensores de Bragg, atendendo à heterogeneidade e complexidade dos meios de análise em questão. No âmbito desta dissertação foi realizada uma análise teórica dos princípios de funcionamento das redes de Bragg, focada em redes uniformes e inclinadas. Foi também descrito o processo de produção de redes de Bragg regeneradas. Redes de Bragg uniformes foram aplicadas na caracterização da reacção de polimerização e cura de materiais dentários, nomeadamente resina para base de dentadura, cimentos e gessos. Foi feita uma análise comparativa do desempenho de diferentes tipos de cimentos e gessos. Em relação ao gesso foi ainda avaliada a influência do rácio água/pó nas propriedades do material. Devido à importância que o índice de refracção tem na detecção de substâncias, doenças e controlo de qualidade de produtos, foi desenvolvido um sensor de índice de refracção baseado numa rede de Bragg inclinada. Implementaram-se também sensores para medição simultânea de índice de refracção e deformação, índice de refracção e temperatura e índice de refracção, deformação e temperatura, todos baseados numa única rede inclinada. O último dispositivo foi validado em ambiente laboratorial. Com o propósito de desenvolver um sensor baseado em redes de Bragg para monitorização da deformação óssea, foi avaliada a biocompatibilidade da fibra óptica em cultura de células osteoblásticas, e analisada a integridade física e funcionalidade da rede de Bragg nesse meio. O interesse em aumentar a sensibilidade e alargar a gama de trabalho dos sensores conduziu ao revestimento das fibras ópticas. Atendendo ao potencial índole biológica e biomédica do trabalho, usou-se como material de recobrimento o diamante, dada a excelente resposta em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão, não toxicidade e afinidade para espécies químicas e biológicas. Os filmes foram obtidos por deposição química a partir da fase vapor assistida por filamento quente. Para além de amostras de fibra óptica, foram revestidas redes de Bragg uniformes e regeneradas. Os sensores revestidos com diamante foram caracterizados à deformação e à temperatura.

Estudo e aplicação de amplificadores ópticos para suporte a redes banda larga

Esta tese tem como foco principal a análise dos principais tipos de amplificação óptica e algumas de suas aplicações em sistemas de comunicação óptica. Para cada uma das tecnologias abordadas, procurou-se definir o estado da arte bem como identificar as oportunidades de desenvolvimento científico relacionadas. Os amplificadores para os quais foi dirigido alguma atenção neste documento foram os amplificadores em fibra dopada com Érbio (EDFA), os amplificadores a semicondutor (SOA) e os amplificadores de Raman (RA). Este trabalho iniciou-se com o estudo e análise dos EDFA’s. Dado o interesse científico e económico que estes amplificadores têm merecido, apenas poucos nichos de investigação estão ainda em aberto. Dentro destes, focá-mo-nos na análise de diferentes perfis de fibra óptica dopada de forma a conseguir uma optimização do desempenho dessas fibras como sistemas de amplificação. Considerando a fase anterior do trabalho como uma base de modelização para sistemas de amplificação com base em fibra e dopantes, evoluiu-se para amplificadores dopados mas em guias de onda (EDWA). Este tipo de amplificador tenta reduzir o volume físico destes dispositivos, mantendo as suas características principais. Para se ter uma forma de comparação de desempenho deste tipo de amplificador com os amplificadores em fibra, foram desenvolvidos modelos de caixa preta (BBM) e os seus parâmetros afinados por forma a termos uma boa modelização e posterior uso deste tipo de amplificiadores em setups de simulação mais complexos. Depois de modelizados e compreendidos os processo em amplificadores dopados, e com vista a adquirir uma visão global comparativa, foi imperativo passar pelo estudo dos processos de amplificação paramétrica de Raman. Esse tipo de amplificação, sendo inerente, ocorre em todas as bandas de propagação em fibra e é bastante flexível. Estes amplificadores foram inicialmente modelizados, e algumas de suas aplicações em redes passivas de acesso foram estudadas. Em especial uma série de requisitos, como por exemplo, a gama de comprimentos de onda sobre os quais existem amplificação e os altos débitos de perdas de inserção, nos levaram à investigação de um processo de amplificação que se ajustasse a eles, especialmente para buscar maiores capacidades de amplificação (nomeadamente longos alcances – superiores a 100 km – e altas razões de divisão – 1:512). Outro processo investigado foi a possibilidade de flexibilização dos parâmetros de comprimento de onda de ganho sem ter que mudar as caractísticas da bomba e se possível, mantendo toda a referenciação no transmissor. Este processo baseou-se na técnica de clamping de ganho já bastante estudada, mas com algumas modificações importantes, nomeadamente a nível do esquema (reflexão apenas num dos extremos) e da modelização do processo. O processo resultante foi inovador pelo recurso a espalhamentos de Rayleigh e Raman e o uso de um reflector de apenas um dos lados para obtenção de laser. Este processo foi modelizado através das equações de propagação e optimizado, tendo sido demonstrado experimentalmente e validado para diferentes tipos de fibras. Nesta linha, e dada a versatilidade do modelo desenvolvido, foi apresentada uma aplicação mais avançada para este tipo de amplificadores. Fazendo uso da sua resposta ultra rápida, foi proposto e analisado um regenerador 2R e analisada por simulação a sua gama de aplicação tendo em vista a sua aplicação sistémica. A parte final deste trabalho concentrou-se nos amplificadores a semiconductor (SOA). Para este tipo de amplificador, os esforços foram postos mais a nível de aplicação do que a nível de sua modelização. As aplicações principais para estes amplificadores foram baseadas em clamping óptico do ganho, visando a combinação de funções lógicas essenciais para a concepção de um latch óptico com base em componentes discretos. Assim, com base num chip de ganho, foi obtido uma porta lógica NOT, a qual foi caracterizada e demonstrada experimentalmente. Esta foi ainda introduzida num esquema de latching de forma a produzir um bi-estável totalmente óptico, o qual também foi demonstrado e caracterizado. Este trabalho é finalizado com uma conclusão geral relatando os subsistemas de amplificação e suas aplicacações.

Estudo da degradação de fibras óticas sob o efeito de potências elevadas

Os sistemas de comunicações óticas têm evoluído rapidamente e, como consequência, a potência dos sinais óticos propagados na fibra tem vindo a aumentar. A propagação de sinais de elevada potência pode resultar na degradação e/ou destruição da fibra ótica. O presente trabalho tem como objetivo o estudo do impacto da propagação de sinais óticos com elevadas potências na degradação e redução do tempo de vida útil das fibras óticas. Estudou-se este tipo de degradação das fibras óticas a dois níveis: degradação do revestimento de fibras sujeitas a curvaturas apertadas e ignição e propagação do efeito rastilho que leva a destruição da fibra ótica. Para a concretização deste estudo, caracterizou-se experimentalmente o aumento de temperatura no revestimento de fibras óticas sujeitas a curvaturas de diâmetro reduzido e na presença de sinais com elevada potência. Tendo-se desenvolvido um modelo analítico para descrever o aquecimento do revestimento da fibra. No âmbito do efeito rastilho em fibra ótica, estudou-se experimentalmente, em diversos tipos de fibra, as principais propriedades deste fenómeno, nomeadamente, a potência ótica de limiar necessária para a sua ignição e propagação, a velocidade de propagação e as características da cadeia de bolhas formada no núcleo da fibra ótica durante a propagação deste efeito. Desenvolveu-se, ainda, um modelo teórico para simular a propagação do efeito rastilho, tendo sido validado e complementado através de resultados experimentais. Por fim, desenvolveram-se e implementaram-se técnicas para detetar e interromper a propagação do efeito rastilho, como forma de limitar a extensão de fibra destruída e proteger os equipamentos óticos da rede.

Estudo da degradação do tempo de vida das fibras óticas e o seu impacte no desempenho das redes de comunicações

Este trabalho focou-se no estudo do impacte das condições ambientais, de instalação e de utilização na degradação da fibra ótica, que frequentemente resultam na redução do desempenho das fibras óticas. Entre este fatores, foram estudados os efeitos de ambientes agressivos para o revestimento da fibra, nomeadamente no tempo de vida e resistência. Foi também estudado o efeito da propagação de sinais óticos de elevadas potências em curvaturas apertadas e a sua influência na degradação do desempenho da fibra ótica. Ainda neste âmbito, foi também estudado o desempenho de fibras óticas insensíveis a curvtura e fibras dopadas com Érbio, sendo analisada a dinâmica do efeito rastilho nestas fibras. Como parte integrante das redes óticas, os conetores óticos são de extrema importância na sua estrutura. O seu desempenho será refletido na qualidade do serviço da rede, e por isso é determinante estudar os fatores que contribuem para a sua degradação e mau funcionamento. Assim, este trabalho apresenta um estudo do comportamento de conetores óticos perante situações de mau manuseamento (como são limpeza insuficiente e degradação física da face final). Em adição foi também dado ênfase à reutilização de fibra danificada pelo efeito rastilho no desenvolvimento de sensores, passíveis de serem utilizados na monitorização de índice de refração, pressão hidrostática, tensão ou alta temperatura. Este procedimento surge como uma solução de baixo custo para o desenvolvimento de sensores em fibra ótica a partir de fibra danificada e inutilizável para as suas habituais aplicações em transmissão e/ou reflexão de sinais óticos.