Refined second law of thermodynamics for fast random processes

We establish a refined version of the Second Law of Thermodynamics for Langevin stochastic processes describing mesoscopic systems driven by conservative or non-conservative forces and interacting with thermal noise. The refinement is based on the Monge-Kantorovich optimal mass transport and becomes relevant for processes far from quasi-stationary regime. General discussion is illustrated by numerical analysis of the optimal memory erasure protocol for a model for micron-size particle manipulated by optical tweezers.

Adaptive liquid-crystal phase-only passive devices

This PhD work is focused on liquid crystal based tunable phase devices with special emphasis on their design and manufacturing. In the course of the work a number of new manufacturing technologies have been implemented in the UPM clean room facilities, leading to an important improvement in the range of devices being manufactured in the laboratory. Furthermore, a number of novel phase devices have been developed, all of them including novel electrodes, and/or alignment layers. The most important manufacturing progress has been the introduction of reactive ion etching as a tool for achieving high resolution photolithography on indium-tin-oxide (ITO) coated glass and quartz substrates. Another important manufacturing result is the successful elaboration of a binding protocol of anisotropic conduction adhesives. These have been employed in high density interconnections between ITO-glass and flexible printed circuits. Regarding material characterization, the comparative study of nonstoichiometric silicon oxide (SiOx) and silica (SiO2) inorganic alignment layers, as well as the relationship between surface layer deposition, layer morphology and liquid crystal electrooptical response must be highlighted, together with the characterization of the degradation of liquid crystal devices in simulated space mission environment. A wide variety of phase devices have been developed, with special emphasis on beam steerers. One of these was developed within the framework of an ESA project, and consisted of a high density reconfigurable 1D blaze grating, with a spatial separation of the controlling microelectronics and the active, radiation exposed, area. The developed devices confirmed the assumption that liquid crystal devices with such a separation of components, are radiation hard, and can be designed to be both vibration and temperature sturdy. In parallel to the above, an evenly variable analog beam steering device was designed, manufactured and characterized, providing a narrow cone diffraction free beam steering. This steering device is characterized by a very limited number of electrodes necessary for the redirection of a light beam. As few as 4 different voltage levels were needed in order to redirect a light beam. Finally at the Wojskowa Akademia Techniczna (Military University of Technology) in Warsaw, Poland, a wedged analog tunable beam steering device was designed, manufactured and characterized. This beam steerer, like the former one, was designed to resist the harsh conditions both in space and in the context of the shuttle launch. Apart from the beam steering devices, reconfigurable vortices and modal lens devices have been manufactured and characterized. In summary, during this work a large number of liquid crystal devices and liquid crystal device manufacturing technologies have been developed. Besides their relevance in scientific publications and technical achievements, most of these new devices have demonstrated their usefulness in the actual work of the research group where this PhD has been completed. El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el diseño, fabricación y caracterización de nuevos dispositivos de fase basados en cristal líquido. Actualmente se están desarrollando dispositivos basados en cristal líquido para aplicaciones diferentes a su uso habitual como displays. Poseen la ventaja de que los dispositivos pueden ser controlados por bajas tensiones y no necesitan elementos mecánicos para su funcionamiento. La fabricación de todos los dispositivos del presente trabajo se ha realizado en la cámara limpia del grupo. La cámara limpia ha sido diseñada por el grupo de investigación, es de dimensiones reducidas pero muy versátil. Está dividida en distintas áreas de trabajo dependiendo del tipo de proceso que se lleva a cabo. La cámara limpia está completamente cubierta de un material libre de polvo. Todas las entradas de suministro de gas y agua están selladas. El aire filtrado es constantemente bombeado dentro de la zona limpia, a fin de crear una sobrepresión evitando así la entrada de aire sin filtrar. Las personas que trabajan en esta zona siempre deben de estar protegidas con un traje especial. Se utilizan trajes especiales que constan de: mono, máscara, guantes de látex, gorro, patucos y gafas de protección UV, cuando sea necesario. Para introducir material dentro de la cámara limpia se debe limpiar con alcohol y paños especiales y posteriormente secarlos con nitrógeno a presión. La fabricación debe seguir estrictamente unos pasos determinados, que pueden cambiar dependiendo de los requerimientos de cada dispositivo. Por ello, la fabricación de dispositivos requiere la formulación de varios protocolos de fabricación. Estos protocolos deben ser estrictamente respetados a fin de obtener repetitividad en los experimentos, lo que lleva siempre asociado un proceso de fabricación fiable. Una célula de cristal líquido está compuesta (de forma general) por dos vidrios ensamblados (sándwich) y colocados a una distancia determinada. Los vidrios se han sometido a una serie de procesos para acondicionar las superficies internas. La célula se llena con cristal líquido. De forma resumida, el proceso de fabricación general es el siguiente: inicialmente, se cortan los vidrios (cuya cara interna es conductora) y se limpian. Después se imprimen las pistas sobre el vidrio formando los píxeles. Estas pistas conductoras provienen del vidrio con la capa conductora de ITO (óxido de indio y estaño). Esto se hace a través de un proceso de fotolitografía con una resina fotosensible, y un desarrollo y ataque posterior del ITO sin protección. Más tarde, las caras internas de los vidrios se acondicionan depositando una capa, que puede ser orgánica o inorgánica (un polímero o un óxido). Esta etapa es crucial para el funcionamiento del dispositivo: induce la orientación de las moléculas de cristal líquido. Una vez que las superficies están acondicionadas, se depositan espaciadores en las mismas: son pequeñas esferas o cilindros de tamaño calibrado (pocos micrómetros) para garantizar un espesor homogéneo del dispositivo. Después en uno de los sustratos se deposita un adhesivo (gasket). A continuación, los sustratos se ensamblan teniendo en cuenta que el gasket debe dejar una boca libre para que el cristal líquido se introduzca posteriormente dentro de la célula. El llenado de la célula se realiza en una cámara de vacío y después la boca se sella. Por último, la conexión de los cables a la célula y el montaje de los polarizadores se realizan fuera de la sala limpia (Figura 1). Dependiendo de la aplicación, el cristal líquido empleado y los demás componentes de la célula tendrán unas características particulares. Para el diseño de los dispositivos de este trabajo se ha realizado un estudio de superficies inorgánicas de alineamiento del cristal líquido, que será de gran importancia para la preparación de los dispositivos de fase, dependiendo de las condiciones ambientales en las que vayan a trabajar. Los materiales inorgánicos que se han estudiado han sido en este caso SiOx y SiO2. El estudio ha comprendido tanto los factores de preparación influyentes en el alineamiento, el comportamiento del cristal líquido al variar estos factores y un estudio de la morfología de las superficies obtenidas.

Simulation of the transmission performance for equalized holographic ROADM designs

A complete simulation of the transmission performance for Equalized Holographic ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) designs is presented in this paper. These devices can address several wavelengths from the input to different output fibres, according to the holograms stored in a SLM (Spatial Light Modulator), where all the outputs are equalized in power. All combinations of the input wavelengths are possible at the different output fibres. To simulate the transmission performance of the EH-ROADM, a software program, from Optiwave, has been used. The correspondence between physical blocks of the device (grating, SLM, lens...) and those simulated in the program (filters, losses, splitters...) has been defined in order to obtain a close agreement between the theoretical transmission performance and the simulated one. To complete the review about Equalized Holographic ROADMs some guidelines about its design have been done.

Nano-imprinted rear-side diffraction gratings for absorption enhancement in solar cells

As wafer-based solar cells become thinner, light-trapping textures for absorption enhancement will gain in importance. In this work, crystalline silicon wafers were textured with wavelength-scale diffraction grating surface textures by nanoimprint lithography using interference lithography as a mastering technology. This technique allows fine-tailored nanostructures to be realized on large areas with high throughput. Solar cell precursors were fabricated, with the surface textures on the rear side, for optical absorption measurements. Large absorption enhancements are observed in the wavelength range in which the silicon wafer absorbs weakly. It is shown experimentally that bi-periodic crossed gratings perform better than uni-periodic linear gratings. Optical simulations have been made of the fabricated structures, allowing the total absorption to be decomposed into useful absorption in the silicon and parasitic absorption in the rear reflector. Using the calculated silicon absorption, promising absorbed photocurrent density enhancements have been calculated for solar cells employing the nano-textures. Finally, first results are presented of a passivation layer deposition technique that planarizes the rear reflector for the purpose of reducing the parasitic absorption.

Nanoimprinted diffraction gratings for crystalline silicon solar cells: implementation, characterization and simulation

Light trapping is becoming of increasing importance in crystalline silicon solar cells as thinner wafers are used to reduce costs. In this work, we report on light trapping by rear-side diffraction gratings produced by nano-imprint lithography using interference lithography as the mastering technology. Gratings fabricated on crystalline silicon wafers are shown to provide significant absorption enhancements. Through a combination of optical measurement and simulation, it is shown that the crossed grating provides better absorption enhancement than the linear grating, and that the parasitic reflector absorption is reduced by planarizing the rear reflector, leading to an increase in the useful absorption in the silicon. Finally, electro-optical simulations are performed of solar cells employing the fabricated grating structures to estimate efficiency enhancement potential.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

Estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para detección de vibraciones en ductos ascendentes submarinos

En esta tesis doctoral se describe el trabajo de investigación enfocado al estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para la detección de presión, flujo y vibraciones en ductos ascendentes submarinos utilizados en la extracción y transporte de hidrocarburos, con el objetivo de aplicarlos en los campos de explotación de aguas profundas en el Golfo de México pertenecientes a la Industria Petrolera Mexicana. El trabajo se ha enfocado al estudio y desarrollo de sensores ópticos cuasi distribuidos y distribuidos. En especial se ha profundizado en el uso y aplicación de las redes de Bragg (FBG) y de reflectómetros ópticos en el dominio del tiempo sensible a la fase (φ-OTDR). Los sensores de fibra óptica son especialmente interesantes para estas aplicaciones por sus ventajosas características como su inmunidad a interferencias electromagnéticas, capacidad de multiplexado, fiabilidad para trabajar en ambientes hostiles, altas temperaturas, altas presiones, ambientes salino-corrosivos, etc. Además, la fibra óptica no solo es un medio sensor sino que puede usarse como medio de transmisión. Se ha realizado un estudio del estado del arte y las ventajas que presentan los sensores ópticos puntuales, cuasi-distribuidos y distribuidos con respecto a los sensores convencionales. Se han estudiado y descrito los interrogadores de redes de Bragg y se ha desarrollado un método de calibración útil para los interrogadores existentes en el mercado, consiguiendo incertidumbres en la medida de la longitud de onda menores de ± 88 nm e incertidumbres relativas (la mas interesante en el campo de los sensores) menores de ±3 pm. Centrándose en la aplicación de las redes de Bragg en la industria del petróleo, se ha realizado un estudio en detalle del comportamiento que presentan las FBGs en un amplio rango de temperaturas de -40 ºC a 500 oC. Como resultado de este estudio se han evaluado las diferencias en los coeficientes de temperatura en diversos tramos de mas mismas, así como para diferentes recubrimientos protectores. En especial se ha encontrado y evaluado las diferencias de los diferentes recubrimientos en el intervalo de temperaturas entre -40 ºC y 60 ºC. En el caso del intervalo de altas temperaturas, entre 100 ºC y 500 ºC, se ha medido y comprobado el cambio uniforme del coeficiente de temperatura en 1pm/ºC por cada 100 ºC de aumento de temperatura, en redes independientemente del fabricante de las mismas. Se ha aplicado las FBG a la medición de manera no intrusiva de la presión interna en una tubería y a la medición del caudal de un fluido en una tubería, por la medida de diferencia de presión entre dos puntos de la misma. Además se ha realizado un estudio de detección de vibraciones en tuberías con fluidos. Finalmente, se ha implementado un sistema de detección distribuida de vibraciones aplicable a la detección de intrusos en las proximidades de los ductos, mediante un φ-OTDR. En este sistema se ha estudiado el efecto negativo de la inestabilidad de modulación que limita la detección de vibraciones distribuidas, su sensibilidad y su alcance. ABSTRACT This thesis describes the research work focused for the study and development of on optical fiber sensors for detecting pressure, flow and vibration in subsea pipes used in the extraction and transportation of hydrocarbons, in order to apply them in deepwater fields in the Gulf of Mexico belonging to the Mexican oil industry. The work has focused on the study and development of optical sensors distributed and quasi distributed. Especially was done on the use and application of fiber Bragg grating (FBG) and optical reflectometers time domain phase sensitive (φ-OTDR). The optical fiber sensors especially are interesting for these applications for their advantageous characteristics such as immunity to electromagnetic interference, multiplexing capability, reliability to work in harsh environments, high temperatures, high pressures, corrosive saline environments, etc. Furthermore, the optical fiber is not only a sensor means it can be used as transmission medium. We have performed a study of the state of the art and the advantages offered by optical sensors point, quasi-distributed and distributed over conventional sensors. Have studied and described interrogators Bragg grating and has developed a calibration method for interrogators useful for the existing interrogators in the market, resulting uncertainty in the measurement of the wavelength of less than ± 0.17 nm and uncertainties (the more interesting in the field of sensors) less than ± 3 pm. Focusing on the application of the Bragg gratings in the oil industry, has been studied in detail the behavior of the FBGs in a wide range of temperatures from -40 °C to 500 oC. As a result of this study we have evaluated the difference in temperature coefficients over various sections of the same, as well as different protective coatings. In particular evaluated and found the differences coatings in the range of temperatures between -40 º C and 60 º C. For the high temperature range between 20 ° C and 500 ° C, has been measured and verified the uniform change of the temperature coefficient at 1pm / ° C for each 100 ° C increase in temperature, in networks regardless of manufacturer thereof. FBG is applied to the non-intrusive measurement of internal pressure in a pipeline and measuring flow of a fluid in a pipe, by measuring the pressure difference between two points thereof. Therefore, has also made a study of detecting vibrations in pipes with fluids. Finally, we have implemented a distributed sensing system vibration applied to intrusion detection in the vicinity of the pipelines, by φ-OTDR. In this system we have studied the negative effect of modulation instability limits the distributed vibration detection, sensitivity and scope.

Packaging and testing of fiber Bragg gratings for use as strain sensor for rock specimens

This paper reports a packaging and calibration procedure for surface mounting of fiber Bragg grating (FBG) sensors to measure strain in rocks. The packaging of FBG sensors is performed with glass fiber and polyester resin, and then subjected to tensile loads in order to obtain strength and deformability parameters, necessaries to assess the mechanical performance of the sensor packaging. For a specific package, an optimal curing condition has been found, showing good repeatability and adaptability for non-planar surfaces, such as occurs in rock engineering. The successfully packaged sensors and electrical strain gages were attached to standard rock specimens of gabbro. Longitudinal and transversal strains under compression loads were measured with both techniques, showing that response of FBG sensors is linear and reliable. An analytical model is used to characterize the influences of rock substrate and FBG packaging in strain transmission. As a result, we obtained a sensor packaging for non-planar and complex natural material under acceptable sensitivity suitable for very small strains as occurs in hard rocks.

Detección de daño en materiales compuestos mediante fibra óptica

En este artículo se explora la aplicación del PCA (Principal Component Analysis), y mediciones estadísticas T 2 y Q para detectar daños en estructuras fabricadas en materiales compuestos mediante la utilización de FBGs (Fiber Bragg Grating). Un modelo PCA es construido usando datos de la estructura sin daños como un estado de referencia. Los defectos en la estructura son simulados causando pequeñas delaminaciones entre el panel y el rigidizador. Los datos de diferentes escenarios experimentales para la estructura sin daño y con daño son proyectados en el modelo PCA. Las proyecciones y los índices T 2 y Q son analizadas. Resultados de cada caso son presentados y discutidos demostrando la viabilidad y el potencial de usar esta formulación en SHM (Structural Health Monitoring)

Estudio de la adherencia de armaduras corroídas y su influencia en la capacidad resistente de elementos de hormigón armado

La verificación de la seguridad estructural, tanto de estructuras que permitan un cierto grado de deterioro en su dimensionado como de estructuras existentes deterioradas, necesita disponer de modelos de resistencia que tengan en cuenta los efectos del deterioro. En el caso de la corrosión de las armaduras en las estructuras de hormigón armado, la resistencia depende de múltiples factores tales como la sección del acero corroído, el diagrama tensión-deformación del acero corroído, la adherencia hormigón-acero corroído, la fisuración o desprendimiento del hormigón debido a la expansión de los productos de corrosión. En este sentido, la transferencia de las fuerzas a través de la superficie de contacto entre el hormigón y el acero, la adherencia, es uno de los aspectos más importantes a considerar y es la base del comportamiento del hormigón armado como elemento estructural. La adherencia debe asegurar el anclaje de las armaduras y transmitir la tensión tangencial que aparece en las mismas como consecuencia de la variación de las solicitaciones a lo largo de un elemento estructural. Como consecuencia de la corrosión de las armaduras, el desarrollo de la adherencia se altera y, por tanto, la transferencia de la tensión longitudinal. Esta Tesis Doctoral aborda el comportamiento en estado límite último de la adherencia en el hormigón estructural con armaduras corroídas. El objetivo principal es la obtención de un modelo suficientemente realista y fiable para la evaluación de la adherencia con armaduras corroídas en el marco de la verificación de la seguridad estructural de elementos de hormigón armado con armaduras corroídas. Para ello se ha llevado a cabo un programa experimental de ensayos tipo pull-out excéntricos, con diferentes probetas, unas sin corrosión y otras sometidas tanto a procesos de corrosión natural como a procesos de corrosión acelerada, con diferentes grados de deterioro. Este tipo de ensayo de adherencia representa de forma realista y fiable realista los esfuerzos de adherencia en la zona de anclaje. Por otra parte, para la realización de estos ensayos se ha puesto a punto, además del procedimiento de ensayo, un sistema de adquisición de datos entre los que se incluye el empleo de sensores de tipo fibra óptica con redes de Bragg embebidos en la armadura para determinar los parámetros representativos de la adherencia en el hormigón estructural con armaduras corroídas. Por otra parte, la recopilación de los datos de los estudios de adherencia con armaduras corroídas procedentes de la literatura científica, además de los resultados de la presente investigación, junto con la identificación de las variables relevantes en el comportamiento de la adherencia con armaduras sanas y corroídas ha servido para la obtención de una formulación realista y fiable para la evaluación conjunta de la adherencia con armaduras sanas y corroídas a partir de modelos de regresión múltiple. La formulación propuesta ha sido validada mediante criterios estadísticos y comparada con otras formulaciones propuestas en la literatura científica. Además se ha realizado un análisis de las variables influyentes de la formulación propuesta. También se ha obtenido un modelo numérico simple y eficiente, validado con alguno de los ensayos realizados en esta tesis, para simular la adherencia con armaduras sanas y corroídas. Finalmente, se presenta un procedimiento para realizar la evaluación de vigas deterioradas por corrosión mediante el método de los campos de tensiones que incluye la evaluación de la adherencia mediante la formulación sugerida en esta Tesis Doctoral. Las conclusiones alcanzadas en este trabajo han permitido evaluar la adherencia con armaduras corroídas de forma realista y fiable. Asimismo, se ha podido incluir la evaluación de la adherencia en el marco de la verificación de la seguridad estructural en elementos de hormigón armado deteriorados por corrosión. ABSTRACT Structural safety verification of both structures allowing a certain degree of deterioration in design and deteriorated existing structures needs strength models that factor in the effects of deterioration. In case of corrosion of steel bars in reinforced concrete structures, the resistance depends on many things such as the remaining cross-section of the corroded reinforcement bars, the stress-strain diagrams of steel, the concrete-reinforcement bond and corrosion-induced concrete cracking or spalling. Accordingly, the force transfer through the contact surface between concrete and reinforcement, bond, is one of the most important aspects to consider and it is the basis of the structural performance of reinforced concrete. Bond must assure anchorage of reinforcement and transmit shear stresses as a consequence of the different stresses along a structural element As a consequence of corrosion, the bond development may be affected and hence the transfer of longitudinal stresses. This PhD Thesis deals with ultimate limit state bond behaviour in structural concrete with corrode steel bars. The main objective is to obtain a realistic and reliable model for the assessment of bond within the context of structural safety verifications of reinforced concrete members with corroded steel bars. In that context, an experimental programme of eccentric pull-out tests were conducted, with different specimens, ones without corrosion and others subjected to accelerated or natural corrosion with different corrosion degrees. This type of bond test reproduces in a realistic and reliable way bond stresses in the anchorage zone. Moreover, for conducting these tests it was necessary to develop both a test procedure and also a data acquisition system including the use of an embedded fibre-optic sensing system with fibre Bragg grating sensors to obtain the representative parameters of bond strength in structural concrete with corroded steel bars. Furthermore, the compilation of data from bond studies with corroded steel bars from scientific literature, including tests conducted in the present study, along with the identification of the relevant variables influencing bond behaviour for both corroded and non-corroded steel bars was used to obtain a realistic and reliable formulation for bond assessment in corroded and non-corroded steel bars by multiple linear regression analysis. The proposed formulation was validated with a number of statistical criteria and compared to other models from scientific literature. Moreover, an analysis of the influencing variables of the proposed formulation has been performed. Also, a simplified and efficient numerical model has been obtained and validated with several tests performed in this PhD Thesis for simulating the bond in corroded and non-corroded steel bars. Finally, a proposal for the assessment of corrosion-damaged beams with stress field models including bond assessment with the proposed formulation is presented. The conclusions raised in this work have allowed a realistic and reliable bond assessment in corroded steel bars. Furthermore, bond assessment has been included within the context of structural safety verifications in corrosion-damaged reinforced concrete elements.

Identification of intermediate debonding damage in FRP-plated RC beams based on multi-objective particle swarm optimization without updated baseline model

Fiber reinforced polymer composites (FRP) have found widespread usage in the repair and strengthening of concrete structures. FRP composites exhibit high strength-to-weight ratio, corrosion resistance, and are convenient to use in repair applications. Externally bonded FRP flexural strengthening of concrete beams is the most extended application of this technique. A common cause of failure in such members is associated with intermediate crack-induced debonding (IC debonding) of the FRP substrate from the concrete in an abrupt manner. Continuous monitoring of the concrete?FRP interface is essential to pre- vent IC debonding. Objective condition assessment and performance evaluation are challenging activities since they require some type of monitoring to track the response over a period of time. In this paper, a multi-objective model updating method integrated in the context of structural health monitoring is demonstrated as promising technology for the safety and reliability of this kind of strengthening technique. The proposed method, solved by a multi-objective extension of the particle swarm optimization method, is based on strain measurements under controlled loading. The use of permanently installed fiber Bragg grating (FBG) sensors embedded into the FRP-concrete interface or bonded onto the FRP strip together with the proposed methodology results in an automated method able to operate in an unsupervised mode.

Compact duplexing for a 680-GHz radar using a waveguide orthomode transducer

A compact 680-GHz waveguide orthomode transducer (OMT) and circular horn combination has been designed, tested, and characterized in a radar transceiver's duplexer. The duplexing capability is implemented by a hybrid waveguide quasi optical solution, combining a linear polarization OMT and an external grating polarizer. Isolation between the OMT's orthogonal ports' flanges was measured with a vector network analyzer to exceed 33 dB over a >10% bandwidth between 630 and 710 GHz. Calibrated Y-factor measurements using a mixer attached to the OMT ports reveal losses through the transmit and receive paths that sum to an average of 4.7 dB of two-way loss over 660-690 GHz. This is consistent with radar sensitivity measurements comparing the new OMT/horn with a quasi-optical wire grid beam splitter. Moreover, the radar performance assessment validates the OMT as a suitable compact substitute of the wire grid for the JPL's short-range 680-GHz imaging radar.

Optical signal impairment study of cascaded optical filters in 40 Gbps DQPSK and 100 Gbps PM-DQPSK systems

Optical filters are crucial elements in optical communications. The influence of cascaded filters in the optical signal will affect the communications quality seriously. In this paper we will study and simulate the optical signal impairment caused by different kinds of filters which include Butterworth, Bessel, Fiber Bragg Grating (FBG) and Fabry-Perot (FP). Optical signal impairment is analyzed from an Eye Opening Penalty (EOP) and optical spectrum point of view. The simulation results show that when the center frequency of all filters aligns with the laser’s frequency, the Butterworth has the smallest influence to the signal while the F-P has the biggest. With a -1dB EOP, the amount of cascaded Butterworth optical filters with a bandwidth of 50 GHz is 18 in 40 Gbps NRZ-DQPSK systems and 12 in 100 Gbps PMNRZ- DQPSK systems. The value is reduced to 9 and 6 respectively for Febry-Perot optical filters. In the situation of frequency misalignment, the impairment caused by filters is more serious. Our research shows that with a frequency deviation of 5 GHz, only 12 and 9 Butterworth optical filters can be cascaded in 40 Gbps NRZ-DQPSK and 100 Gbps PM-NRZ-DQPSK systems respectively. We also study the signal impairment caused by different orders of the Butterworth filter model. Our study shows that although the higher-order has a smaller clipping effect in the transmission spectrum, it will introduce a more serious phase ripple which seriously affects the signal. Simulation result shows that the 2nd order Butterworth filter has the best performance.

Analysis of signal impairment and crosstalk penalty induced by different types of optical filters in 100 Gbps PM-DQPSK based systems

Optical filters are crucial elements in optical communication networks. Their influence toward the optical signal will affect the communication quality seriously. In this paper we will study and simulate the optical signal impairment and crosstalk penalty caused by different kinds of filters, which include Butterworth, Bessel, Fiber Bragg Grating (FBG) and Fabry-Perot (F-P). Signal impairment from filter concatenation effect and crosstalk penalty from out-band and in-band are analyzed from Q-penalty, eye opening penalty (EOP) and optical spectrum. The simulation results show that signal impairment and crosstalk penalty induced by the Butterworth filter is the minimum among these four types of filters. Signal impairment caused by filter concatenation effect shows that when center frequency of all filters is aligned perfectly with the laser's frequency, 12 50-GHz Butterworth filters can be cascaded, with 1-dB EOP. This value is reduced to 9 when the center frequency is misaligned with 5 GHz. In the 50-GHz channel spacing DWDM networks, total Q-penalty induced by a pair of Butterworth filters based demultiplexer and multiplexer is lower than 0.5 dB when the filter bandwidth is in the range of 42-46 GHz.

Methodology based on FBG sensors for monitoring of FRP-strengthened beams

Advanced composite materials are increasingly used in the strengthening of reinforced concrete (RC) structures. The use of externally bonded strips made of fibre-reinforced plastics (FRP) as strengthening method has gained widespread acceptance in recent years since it has many advantages over the traditional techniques. However, unfortunately, this strengthening method is often associated with a brittle and sudden failure caused by some form of FRP bond failure, originated at the termination of the FRP material or at intermediate areas in the vicinity of flexural cracks in the RC beam. Up to date, little effort in the early prediction of the debonding in its initial instants even though this effect is not noticeable by simple visual observation. An early detection of this phenomenon might help in taking actions to prevent future catastrophes. Fibre-optic Bragg grating (FBG) sensors are able to measure strains locally with high resolution and accuracy. Furthermore, as their physical size is extremely small compared with other strain measuring components, it enables to be embedded at the concrete-FRP interface for determining the strain distribution without influencing the mechanical properties of the host materials. This paper shows the development of a debonding identification methodology based on strains experimentally measured. For, it a simplified model is implemented to simulate the behaviour of FRP-strengthened reinforced concrete beams. This model is taken as a basis to. develop an model updating procedure able to detect minor debonding at the concrete-FRP interface from experimental strains obtained by using FBG sensors embedded at the interface