Optical fiber post-processing techniques for sensor applications

Abstract

In this work optical fiber post-processing techniques are proposed in order to produce optical fiber sensors (OFS) with lower costs, simplicity and with competitive characteristics compared with their counterparts. The first device was based on multimode interferometers. Those were fabricated by fusing multimode (MM) glass silica fibers (GOF) and MM polymer optical fibers (POF) between two single mode GOFs. For the GOF-based sensor, it was obtained a sensitivity of 4.6 pm/bar. Regarding the POF-based multimodal interferometer, a sensitivity of 58 pm/bar was reached, which corresponds to an enhancement of the sensitivity of twelve times when compared to the one obtained for GOF. Additionally, this sensitivity is five times higher than the one obtained for the POF Bragg grating technology. This improvement in sensitivity makes this sensor very promising since it can reach higher resolutions. The second fiber optic sensor discussed in this work consisted of mechanically induced long period gratings. These were obtained through very simple fabrication methodologies, which consisted of a periodical distribution of photopolymerizable resin onto a single mode GOF, followed by chemical corrosion, which allowed to periodically modulate the fiber diameter. This production method is more advantageous than its direct rivals since it applies cheap and easy to reproduce production techniques and does not require the use of photolithography or chemical vapor deposition technologies. The characterization of this structure to external parameters, such as: longitudinal strain, displacement and temperature revealed promising capabilities, since they allowed, not only the wavelength tuning of the spectral band, but also the optical power coupling strength. The results were very promising, as far as the displacement characterizations are concerned, since a measurement range of 0 - 60 mm was obtained, which is larger than those reported in the literature (i.e. up to 2 mm).

Neste trabalho são propostas técnicas de pós-processamento de fibras óticas com o intuito de produzir sensores de fibra ótica de fácil fabrico, com baixo custo e com características competitivas comparadas com os demais sensores. O primeiro dispositivo baseou-se em interferómetros multimodais. Estes foram feitos através da fusão de fibras óticas multimodo tanto de vidro (GOF) como de polímero (POF) entre duas fibras óticas monomodo de vidro. Para o sensor à base de GOF foi obtida uma sensibilidade de 4.6 pm/bar. Já para o interferómetro multimodal baseado em POF, foi obtida uma sensibilidade de 58 pm/bar, que corresponde a uma melhoria da sensibilidade de doze vezes quando comparada com o sensor baseado em GOF. Além disso, esta é cinco vezes superior à obtida para tecnologia de redes de Bragg em POF. Esta melhoria na sensibilidade torna este sensor muito promissor, uma vez que permite obter resoluções muito maiores. O segundo sensor de fibra ótica abordado neste trabalho consistiu em redes de período longo mecanicamente induzidas. Estas foram obtidas através de metodologias de simples fabricação, que consistiam em distribuir periodicamente resina fotopolimerizável numa GOF-monomodo, seguido de um processo de corrosão química que permitiu modular periodicamente o diâmetro da fibra. Este método de produção é muito mais vantajoso comparado com os seus rivais diretos, uma vez que aplica técnicas de produção baratas e de simples reprodução, não exigindo a utilização de tecnologias de fotolitografia ou de deposição química de vapor. A caraterização desta estrutura a parâmetros externos, tais como: tensão longitudinal, deslocamento e temperatura revelaram capacidades promissoras, uma vez que permitiram não só a sintonização da banda espetral tanto em comprimento de onda como também em potência ótica de acoplamento. Os resultados foram bastante promissores no que concerne às caraterizações do deslocamento, uma vez que se obteve uma gama de medição de 0 - 60 mm, o que é maior que aquelas reportadas na literatura (i.e. até 2 mm).