Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Abstract

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

In the last years, the Optoelectronics has been established as a top field of research able to drive towards new technological solutions. The abundant achievements in the field of optics as well in optical communications have been of great importance and triggered a number of innovations. Among the large group of existing optical components, optical fiber components are mainly relevant due to three factors: their simplicity, their nature as an optical fiber based component and the capability of optical fiber to carry information. In this thesis the focus was on one of these optical components: optical fiber gratings, which have unique optical processing properties and are quite interesting for the development of devices for optical communications and sensing applications. The work started with a theoretical analysis applied to fiber gratings and continues with the most used fiber gratings production methods. The inscription of fiber gratings was also addressed in this work, where an automated inscription setup has been implemented for silica fiber, and experimental results showed a good approximation to the simulation study. Also, the inscription setup for gratings in polymer optical fiber was developed. A detailed analysis of the acousto-optic modulation in fiber gratings in silica and polymer optical fiber was presented. By means of a detailed analysis of the mechanical excitation modes applied to the modulator set, it was noticed that two predominant modes of acoustic excitation can be found in the optical fiber depending on the applied acoustic frequency. Through this characterization, it was possible to develop new applications. Studies and implementation of different devices based on fiber gratings were performed, using acousto-optic effect and regeneration process in optical fiber for photonic applications such as fast add-drop multiplexer, tunability of the fiber Bragg grating group delay, tunable phase-shift fiber Bragg grating, tunable mode coupler, method for inscription of complex fiber Bragg grating profiles, gain equalization filter and adjustable notch filters.