Desmultiplexagem óptica controlada por tensão (DOV)

Este trabalho apresenta a caracterização optoelectrónica de uma estrutura p-i-n baseada em a-Si:H e/ou a-SiC:H que funciona como sensor de cor no espectro visível. O estudo do sensor tem como objectivo a multiplexagem e desmultiplexagem de um sinal óptico (WDM Wavelengthdivision multiplexing). A caracterização do processo de WDM tem em vista a utilização de vários canais para a transmissão de sinais a curta distancia. Este modelo deverá integrar como meio de transmissão a fibra óptica, que constituirá uma importante mais valia na optimização do sistema WDM. Aliada as características do sensor cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado. O facto destes dispositivos funcionarem como filtros de cor controlados por tensão, permite controlar a selectividade espectral no canal de transmissão, o que regula a regeneração do sinal óptico transmitido. O sistema do processamento de sinal para a desmultiplexagem foi feito para três sinais ópticos com os respectivos comprimentos de onda (Vermelho-626 nm, Verde-525 nm e Azul- 470 nm).

Implementação de WDM com dispositivos semicondutores

Este trabalho utiliza uma estrutura pin empilhada, baseada numa liga de siliceto de carbono amorfo hidrogenado (a-Si:H e/ou a-SiC:H), que funciona como filtro óptico na zona visível do espectro electromagnético. Pretende-se utilizar este dispositivo para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reconhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal. O objectivo desta tese visa implementar um algoritmo que permita o reconhecimento autónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura da fotocorrente fornecida pelo dispositivo. O tema deste trabalho resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM. Neste trabalho foram utilizados três canais de transmissão (Azul – 470 nm, Verde – 525 nm e Vermelho – 626 nm) e vários tipos de radiação de fundo. Foram realizadas medidas da resposta espectral e da resposta temporal da fotocorrente do dispositivo, em diferentes condições experimentais. Variou-se o comprimento de onda do canal e o comprimento de onda do fundo aplicado, mantendo-se constante a intensidade do canal e a frequência de transmissão. Os resultados obtidos permitiram aferir sobre a influência da presença da radiação de fundo e da tensão aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Verificou-se, que sob polarização inversa, a radiação de fundo vermelho amplifica os valores de fotocorrente do canal azul e a radiação de fundo azul amplifica o canal vermelho e verde. Para polarização directa, apenas a radiação de fundo azul amplifica os valores de fotocorrente do canal vermelho. Enquanto para ambas as polarizações, a radiação de fundo verde, não tem uma grande influência nos restantes canais. Foram implementados dois algoritmos para proceder ao reconhecimento da informação de cada canal. Na primeira abordagem usou-se a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa e directa. Pela comparação das duas medidas desenvolveu-se e testou-se um algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais. Numa segunda abordagem procedeu-se ao reconhecimento da informação de cada canal mas com aplicação de radiação de fundo, tendo-se usado a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa sem aplicação de radiação de fundo com a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa com aplicação de radiação de fundo. Pela comparação destas duas medidas desenvolveu-se e testou-se o segundo algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais com base na aplicação de radiação de fundo.

Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Ao longo deste trabalho é apresentada a caracterização optoelectrónica de uma estrutura semicondutora empilhada de fotodíodos PIN (Positive-Intrinsic-Negative), baseados em silício amorfo hidrogenado (a-Si:H - Hydrogenated Amorphous Silicon) e siliceto de carbono amorfo hi-drogenado (a-SiC:H - Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide), em que ambos funcionam como filtros ópticos na zona visível do espectro electromagnético e cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado e pela presença de polarização óptica adicional (radiação de fundo). Pretende-se utilizar a característica de sensor de cor destes dispositivos semicondutores para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reco-nhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal, tendo em vista a utilização de vários ca-nais para a transmissão de sinais a curta distância. A transmissão destes sinais deverá ser suportada no meio de transmissão fibra óptica, que constituirá uma importante mais-valia na optimização do sistema WDM (Wavelength Division Mul-tiplexing), permitindo optimizar a transmissão de sinais. Pelas suas capacidades intrínsecas, as fi-bras ópticas de plástico (POF - Plastic Optical Fibers) são uma solução adequada para a transmis-são de sinais no domínio visível do espectro electromagnético a curtas distâncias. Foi realizada uma sucinta caracterização optoelectrónica da estrutura semicondutora sob diferentes condições de iluminação, variando o comprimento de onda e a iluminação de fundo que influencia a resposta espectral do dispositivo semicondutor, variando as cores dos fundos inciden-tes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora, variando a intensidade des-ses mesmos fundos incidentes e também variando a frequência do sinal de dados. Para a transmissão dos sinais de dados foram utilizados três dispositivos LED (Light-Emitting Diode) com as cores vermelho (626nm), verde (525nm) e azul (470nm) a emitir os respec-tivos sinais de dados sobre a estrutura semicondutora e onde foram aplicadas diversas configurações de radiação de fundo incidente, variando as cores dos fundos incidentes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora e variando também a intensidade desses mesmos fundos incidentes. Com base nos resultados obtidos ao longo deste trabalho, foi possível aferir sobre a influên-cia da presença da radiação de fundo aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Sob polarização inversa, e com a aplicação de um fundo incidente no lado frontal da estrutura semicondutora os valores de fotocorrente gerada são amplificados face aos valores no escuro, sendo que os valores mais altos foram encontrados com a aplicação do fundo de cor violeta, contribuindo para tal, o facto do sinal do canal vermelho e canal verde serem bastan-te amplificados com a aplicação deste fundo. Por outro lado, com a aplicação dos fundos incidentes no lado posterior da estrutura semi-condutora, o sinal gerado não é amplificado com nenhuma cor, no entanto, a aplicação do fundo de cor azul proporciona a distinção do sinal proveniente do canal azul e do canal vermelho, sendo que quando está presente um sinal do canal vermelho, o sinal é fortemente atenuado e com a presença do sinal do canal azul o sinal gerado aproxima-se mais do valor de fotocorrente gerada com a estru-tura no escuro. O algoritmo implementado ao longo deste trabalho, permite efectuar o reconhecimento au-tónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura do sinal da fotocorrente forne-cida pelo dispositivo quando sujeito a uma radiação de fundo incidente violeta no lado frontal e uma radiação de fundo incidente azul no lado posterior. Este algoritmo para a descodificação dos sinais WDM utiliza uma aplicação gráfica desenvolvida em Matlab que com base em cálculos e compara-ções de sinal permite determinar a sequência de sinal dos três canais ópticos incidentes. O trabalho proposto nesta tese é um módulo que se enquadra no desenvolvimento de um sistema integrado de comunicação óptica a curta distância, que tem sido alvo de estudo e que resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM den-tro do domínio do espectro visível e utilizando as POF como meio de transmissão.

Sistema WDM de 4 canais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Controlo automático de um interferómetro para monitorização e caracterização de sensores interferométricos

A indústria de sensores de fibra óptica está a tornar-se cada vez mais importante e emprega diferentes técnicas que permitem monitorizar uma grande variedade de parâmetros. Uma das técnicas que apresenta grandes potencialidades, devido ao seu elevado desempenho, é a técnica interferométrica, que fornece, simultaneamente, uma grande sensibilidade e uma larga gama dinâmica. Além destas vantagens, juntam-se as vantagens comuns associadas a todos os sensores de fibra óptica, tais como passividade eléctrica, fiabilidade e possibilidade de multiplexagem, que também se aplicam aos sensores interferométricos. Outra técnica muito utilizada no ramo dos sensores de fibra óptica, em configurações interferométricas com intuito de interrogação, é a técnica de interferometria de luz branca. Esta técnica permite precisão de medição, insensibilidade a flutuações da potência óptica ao longo do sistema de interrogação, assim como uma resolução elevada. Com o intuito de tornar os sistemas de instrumentação / interrogação mais compactos e flexíveis foi desenvolvida uma plataforma de instrumentação virtual, que consiste em aplicações de software que implementam as funções dos instrumentos físicos em ambiente computacional. Esta área permite obter sistemas de instrumentação / interrogação menos complexos, de maior portabilidade e com um custo mais reduzido. Esta dissertação tem como objectivo o desenvolvimento de um sistema de interrogação de sensores de fibra óptica interferométricos controlado automaticamente através de instrumentação virtual, sendo necessário numa fase inicial um estudo aprofundado dos sensores de fibra óptica, das diferentes técnicas de interrogação e da área de instrumentação virtual. O capítulo 1 é o capítulo de introdução, onde são apresentados de forma genérica os diferentes conceitos inerentes ao trabalho, nomeadamente sensores de fibra óptica e os conceitos de interrogação de sensores interferométricos e conceitos de instrumentação virtual. Os sensores interferométricos são abordados com mais detalhe no capítulo 2. Neste capítulo são abordados os conceitos teóricos de interferometria, assim como os diferentes esquemas interferométricos geralmente utilizados em sensores de fibra óptica.No capítulo 3 são apresentados os diferentes esquemas de detecção de sinal utilizados para interrogar sensores interferométricos de fibra óptica. É apresentada a técnica de interferometria de luz branca e os esquemas de detecção de sinal homódina e heteródina. O conceito de instrumentação, com ênfase nos sistemas de instrumentação virtual é apresentado no capítulo 4. É abordado o tema de sistemas de instrumentação tradicionais e de instrumentação virtual, dando ênfase às vantagens destes últimos. É também apresentado o ambiente de programação LabVIEW e o amplificador lock-in virtual, utilizado no desenvolvimento do projecto. No capítulo 5 é apresentado o desenvolvimento do sistema de interrogação de sensores interferométricos proposto inicialmente. Todo o desenvolvimento, desde implementação do interferómetro receptor, passando pelo sistema de controlo baseado em instrumentação virtual, até à caracterização do sistema está documentado neste capítulo. A monitorização e caracterização de sensores interferométricos com o sistema apresentado no capítulo 5 estão documentadas no capítulo 6. No capítulo 7 são apresentadas as conclusões relativas ao trabalho desenvolvido, assim como as perspectivas futuras de evolução do sistema implementado.

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.

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.

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.

Photonic integrated circuits development: a universal transceiver for NG-PON2

In the last years there has been a clear evolution in the world of telecommunications, which goes from new services that need higher speeds and higher bandwidth, until a role of interactions between people and machines, named by Internet of Things (IoT). So, the only technology able to follow this growth is the optical communications. Currently the solution that enables to overcome the day-by-day needs, like collaborative job, audio and video communications and share of les is based on Gigabit-capable Passive Optical Network (G-PON) with the recently successor named Next Generation Passive Optical Network Phase 2 (NG-PON2). This technology is based on the multiplexing domain wavelength and due to its characteristics and performance becomes the more advantageous technology. A major focus of optical communications are Photonic Integrated Circuits (PICs). These can include various components into a single device, which simpli es the design of the optical system, reducing space and power consumption, and improves reliability. These characteristics make this type of devices useful for several applications, that justi es the investments in the development of the technology into a very high level of performance and reliability in terms of the building blocks. With the goal to develop the optical networks of future generations, this work presents the design and implementation of a PIC, which is intended to be a universal transceiver for applications for NG-PON2. The same PIC will be able to be used as an Optical Line Terminal (OLT) or an Optical Network Unit (ONU) and in both cases as transmitter and receiver. Initially a study is made of Passive Optical Network (PON) and its standards. Therefore it is done a theoretical overview that explores the materials used in the development and production of this PIC, which foundries are available, and focusing in SMART Photonics, the components used in the development of this chip. For the conceptualization of the project di erent architectures are designed and part of the laser cavity is simulated using Aspic™. Through the analysis of advantages and disadvantages of each one, it is chosen the best to be used in the implementation. Moreover, the architecture of the transceiver is simulated block by block through the VPItransmissionMaker™ and it is demonstrated its operating principle. Finally it is presented the PIC implementation.

Análise de conversores de frequência óptica baseados em amplificadores ópticos semicondutores

Dissertação de mest. em Engenharia de Sistemas e Computação, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2002