Post on 25-Jan-2019
Estruturas Sensoras em Fibra Óptica para Monitorização
Ambiental Baseadas em Redes de Período Longo
Catarina de Jesus Eira Silva Mendes
Departamento de Física
Faculdade de Ciências da Universidade do Porto
Junho de 2007
Estruturas Sensoras em Fibra Óptica para Monitorização
Ambiental Baseadas em Redes de Período Longo
Catarina de Jesus Eira Silva Mendes
Dissertação submetida para a obtenção do grau de Mestre em Optoelectrónica e Lasers
Departamento de Física
Faculdade de Ciências da Universidade do Porto
Junho de 2007
Trabalho realizado sob a supervisão de
Doutor José Luís Campos de Oliveira Santos Professor Associado do Departamento de Física
da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto
Co-orientação de
Doutor João Miguel Pinto Coelho Investigador Auxiliar
do Instituto Nacional de Engenharia Tecnologia e Inovação
Agradecimentos
Neste espaço gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos às instituições e a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para que este trabalho se tornasse possível. Ao Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação (INETI) pela continuada aposta na minha formação no âmbito da investigação Cientifica, tendo facilitado a realização deste trabalho. À Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP) pelo acolhimento como aluna de mestrado. Ao Doutor José Luis Santos, orientador responsável pela formação na FCUP, pela sua competência e apoio que transmitiu no decurso do trabalho, pelo incentivo, bem como pela disponibilidade e amizade então demonstradas. Ao Doutor João Miguel Pinto Coelho, co-orientador e responsável pela formação no INETI, expresso o meu reconhecimento pelo seu constante estímulo científico e os muitos ensinamentos que me transmitiu ao longo dos últimos anos, e acima de tudo pela sua amizade. Um agradecimento especial ao Engenheiro João Martins que com os seus conhecimentos e experiência, contribuiu para este trabalho no desenvolvimento do protótipo. Ao Engenheiro Orlando Frazão, pela sua disponibilidade e apoio na execução da parte prática deste trabalho.
Os meus agradecimentos são também dirigidos a todos os colegas e amigos da Unidade de Optoelectrónica do INESC pelos seus ensinamentos e interesse demonstrado pelo trabalho desenvolvido. Em especial à Susana pela excelente relação pessoal que criámos e que espero não se perca. São também dignos de uma nota de apreço os colegas e amigos do INETI que de alguma forma contribuíram para a conclusão deste trabalho. Em particular, ao Fernando Monteiro pelo seu profissionalismo exemplar, pelo apoio nos momentos bons e menos bons, e pela sua amizade. Ao meu marido Nuno, pelas inúmeras trocas de impressões e comentários ao trabalho. Acima de tudo, pelo inestimável apoio, paciência e compreensão reveladas ao longo destes meses. Por último, agradeço a toda a minha família, pela compreensão, pelo carinho, pela motivação e estarem sempre presentes A todos, os meus sinceros agradecimentos.
i
Resumo
A rede de período longo (LPG) é uma estrutura ressonante que permite o acoplamento de luz entre
o modo fundamental do núcleo e os modos específicos da bainha. Esta estrutura é extremamente
sensível ao ambiente que a envolve, permitindo assim ser usada como sensor de parâmetros
ambientais. Esta característica provém da forte dependência do índice de refracção efectivo dos
modos da bainha com o índice de refracção do meio envolvente. No campo de estudos ambientais
em meios aquosos, os LPGs são muito atractivos para monitorização de parâmetros físicos em
tempo real, tais como temperatura e salinidade. Contudo, na sua produção, a remoção do
revestimento faz deles uma estrutura frágil quando aplicados em meios aquáticos que normalmente
contêm algas e outros materiais orgânicos. Neste âmbito, o presente trabalho tem como objectivo o
desenvolvimento do protótipo de um sensor baseado em redes de período longo para medição de
salinidade in situ, capaz de sustentar ambientes difíceis.
Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de redes de período longo, incidindo nos
aspectos fundamentais, fabricação, caracterização e a sua aplicação como sensores. São estudados
os atributos sensores de redes de período longo induzidas em dois tipos de fibra, a convencional
Corning SMF-28 e Oxford Electronics, SMPS 1300-125 P. São reportados os efeitos da
temperatura e índice de refracção externo nas alterações dos respectivos espectros de transmissão.
É também analisada a influência do efeito do processo de ataque químico (redução do diâmetro da
bainha) na sensibilidade de uma rede de período longo, demonstrando-se um aumento acentuado
na sensibilidade da mesma.
Em paralelo, foram realizados estudos para encapsular o elemento sensor, de forma a torná-lo um
dispositivo mais robusto. O sistema proposto neste trabalho é de fácil implementação e permite a
substituição do filtro sem intervir com o restante processo. O sistema de filtração de materiais
orgânicos é conseguido através do processo de separação por membranas. Um outro aspecto
crucial a ter em conta foi a facilidade de limpeza do dispositivo. A sensibilidade da cabeça sensora,
baseada numa rede de período longo foi caracterizada quanto à variação de índice de refracção do
meio externo e à temperatura.
iii
Abstract
A long-period fiber grating (LPG) is a resonant structure that couples light between the
fundamental core mode and specific cladding modes. This structure is extremely sensitive to the
refractive index of the cladding surrounding environment, thus allowing it to be used as a salinity
sensor in water media. This feature arises from the strongly dependence of the effective index of
the cladding mode on the refractive index of the surrounding environment.
In the field of aqueous environment studies, LPGs are very attractive for real time monitoring of
physical parameters, such as temperature and salinity. However, in their production, the removal of
the buffer layer makes them a fragile structure when applied in real conditions, usually
contaminated with algaes and other organic materials. Thus, this work had the objective of
developing a prototype of a salinity sensor for in situ research capable of sustain these hard
conditions.
This thesis presents a theoretical and experimental study of long period fibre gratings, focusing on
their fundamental aspects, fabrication and characterization and also their application as sensors.
Sensing attributes of individual LPGs induced in two different types of fibre are investigated.
Effects of temperature and external refractive index variations on long-period gratings are studied
with respect to reported changes in their transmission spectra.
It is analysed the influence of the chemical attack procedure (reduction of cladding diameter) in the
sensitivity of a long period fibre grating, showing an increasing sensitivity.
It is also presented a prototype of the sensor for in situ application. Studies have been carried out
through to encapsulate the sensing element end making it a more robust sensor device. The
filtration of organic materials, which can deposit over the LPG, thus changing the resulting signal,
is obtained through the process of separation by membranes. One other crucial aspect taken into
consideration was the easiness of device cleaning. The system considered in this work has easy
implementation and it allows the replacement of the filter without interfering in the process. The
sensitivity of the LPG based sensing head to the refractive index change of the external medium
was characterized. For its calibration, the LPG was immersed in liquids with different refractive
index at room temperature. Experimental results show that this sensing system can be used as a
remote in situ salinity measurement device.
iv
Índice temático AGRADECIMENTOS ........................................................................................................................................................ I RESUMO ...................................................................................................................................................................... III ABSTRACT ................................................................................................................................................................... IV ÍNDICE TEMÁTICO ........................................................................................................................................................V LISTA DE FIGURAS .....................................................................................................................................................VII LISTA DE TABELAS ......................................................................................................................................................XI SIMBOLOGIA...............................................................................................................................................................XII ACRÓNIMOS...............................................................................................................................................................XIII
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................................... 1 1.1 MOTIVAÇÃO ........................................................................................................................................................... 1 1.2 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ........................................................................................................................... 2
2 TEORIA DAS REDES DE PERÍODO LONGO..................................................................................................... 3 2.1 REDES DE PERÍODO LONGO ..................................................................................................................................... 3
2.1.1 Comparação entre redes de período longo e redes de Bragg........................................................................ 4 2.2 ACOPLAMENTO DE MODOS E CONDIÇÃO DE PHASE-MATCHING............................................................................... 5 2.3 MÉTODOS DE FABRICO DE REDES DE PERÍODO LONGO .......................................................................................... 11
2.3.1 Radiação Ultravioleta.................................................................................................................................. 12 2.3.2 Arco eléctrico............................................................................................................................................... 14 2.3.3 Laser de CO2................................................................................................................................................ 15 2.3.4 Deformação Mecânica ................................................................................................................................. 16
3 REDES DE PERÍODO LONGO COMO ELEMENTOS SENSORES ............................................................... 19 3.1 MEDIÇÃO DA TEMPERATURA................................................................................................................................ 19 3.2 SENSIBILIDADE A DEFORMAÇÕES MECÂNICAS..................................................................................................... 22 3.3 EFEITOS DA CURVATURA NUMA REDE DE PERÍODO LONGO ................................................................................. 23 3.4 SENSOR DE ÍNDICE DE REFRACÇÃO DO MEIO ENVOLVENTE ................................................................................. 23 3.5 DISPOSITIVOS REFRACTÓMETROS BASEADOS EM REDES DE PERÍODO LONGO ..................................................... 25
4 FORMULAÇÃO MATEMÁTICA......................................................................................................................... 31 4.1 TEORIA DE ACOPLAMENTO DE MODOS ................................................................................................................. 31 4.2 ÍNDICES EFECTIVOS DOS MODOS .......................................................................................................................... 33
4.2.1 Índice Efectivo do Modo do Núcleo ............................................................................................................. 33 4.2.2 Índices Efectivos dos Modos da Bainha....................................................................................................... 35
4.3 COMPRIMENTOS DE ONDA RESSONANTES OBTIDOS EM FUNÇÃO DA PERIODICIDADE DA REDE ........................... 36 4.4 ESPECTRO DE TRANSMISSÃO DA REDE ................................................................................................................. 37
5 ENCAPSULAMENTO DO SENSOR..................................................................................................................... 39 5.1 REQUISITOS MECÂNICOS ...................................................................................................................................... 39 5.2 SISTEMA DE FILTRAÇÃO ....................................................................................................................................... 42
v
5.3. LIMPEZA E MANUTENÇÃO ................................................................................................................................... 44
6 METODOLOGIAS .................................................................................................................................................. 45 6.1 SISTEMA DE CARACTERIZAÇÃO DE REDES DE PERÍODO LONGO ........................................................................... 45
6.1.1 Sensibilidade ao Índice de Refracção do Meio Envolvente ......................................................................... 45 6.1.2 Sensibilidade à Temperatura do Meio Envolvente....................................................................................... 47
6.2 PROCESSO DE EROSÃO QUÍMICA........................................................................................................................... 49 6.3 ENCAPSULAMENTO DO SENSOR ............................................................................................................................ 50
6.3.1 Sensibilidade à Variação do Índice de Refracção do Meio ......................................................................... 50 6.3.2 Sensibilidade à Temperatura do Meio Envolvente....................................................................................... 50 6.3.3 Selecção das Membranas............................................................................................................................. 51
7 RESULTADOS E SUA ANÁLISE.......................................................................................................................... 55 7.1 CARACTERIZAÇÃO DE REDES DE PERÍODO LONGO ............................................................................................... 55
7.1.1 Índice de Refracção ..................................................................................................................................... 55 7.1.2 Efeito da Temperatura ................................................................................................................................. 66
7.2 ENCAPSULAMENTO DO SENSOR ............................................................................................................................ 71 7.2.1 Efeito da Temperatura ................................................................................................................................. 71 7.2.2 Medição do índice de refracção................................................................................................................... 78 7.2.3 Variação de concentração salina................................................................................................................. 80 7.2.4 Selecção das membranas ............................................................................................................................. 82
8 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS.................................................................................................. 85 8.1 CONCLUSÕES ........................................................................................................................................................ 85 8.2 PERSPECTIVAS FUTURAS ....................................................................................................................................... 86
ANEXOS ....................................................................................................................................................................... 89 A. PROTÓTIPO DE ENCAPSULAMENTO......................................................................................................................... 91 B. DIMENSIONAMENTO DA MOLA ............................................................................................................................... 99 C. ESCRITA DE LPGS POR RADIAÇÃO PROVENIENTE DE UM LASER DE CO2 ............................................................. 101
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................................ 107
vi
Lista de Figuras
Figura 1- (a) Representação esquemática de uma fibra óptica uniaxial de três camadas e (b) seu
perfil de índice transverso. ............................................................................................... 5
Figura 2 – Difracção da luz por uma rede de difracção [14]. ............................................................ 7
Figura 3 - Ilustração esquemática do acoplamento entre o modo fundamental do núcleo e os modos
da bainha na rede de período longo [14].......................................................................... 8
Figura 4 - Comprimento de onda ressonante em função do período da rede do LPG para o
acoplamento entre o modo guiado do núcleo e a ordem dos modos da bainha de: (a) 1 a
9; (b) 18 a 27 [18]. ........................................................................................................... 9
Figura 5 - Espectro de transmissão de um dispositivo LPG com um comprimento de 40 mm e um
período de 400 µm, escrito em fibra óptica fotossensível com comprimento de onda de
corte de 644 nm [16]. ..................................................................................................... 11
Figura 6 - Espectro de absorção da sílica fundida e da sílica fundida dopada com 3.5 mol% de
germânio [31]................................................................................................................. 12
Figura 7 - Esquema ilustrativo do método de escrita de LPGs, usando radiação UV através: (a) do
método de escrita “ponto-por-ponto”; (b) da máscara de amplitude [30] ..................... 14
Figura 8 – Esquema da montagem para fabricação de LPGs utilizando o método do arco eléctrico.
........................................................................................................................................ 15
Figura 9 – Esquema da montagem para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação
proveniente de um laser de CO2..................................................................................... 16
Figura 10 – Diagrama esquemático de uma rede de período longo induzida mecanicamente [29]. 17
Figura 11 - Desvio em comprimento de onda da banda de atenuação de um LPG com a
temperatura. O LPG foi fabricado com um período de 280 µm em fibra Corning SMF-
28. Seguindo a direcção da seta, os espectros correspondem às temperaturas de ≈ 23,
49,74,101, 127 e 150º C, respectivamente [19]. ............................................................ 21
Figura 12 - Desvio em comprimento de onda de quatro bandas de atenuação, A-D, em função da
tensão exercida sobre uma LPG. A rede foi fabricada com um período de 280 µm em
fibra Corning SMF-28 [19]. ........................................................................................... 22
Figura 13 - (a) Desvio em comprimento de onda induzido pela variação de índice de refracção, R.I.
do meio que envolve a fibra (a LPG foi fabricada com um período de 400 µm em fibra
dopada com boro-germânio); (b) transmissão no pico de atenuação da rede [18]. ....... 24
vii
Figura 14 - Espectro de transmissão de um par de redes LPG em série com espaçamento; (a) de 50
mm; (b) 190 mm [18]..................................................................................................... 27
Figura 15 – Configuração de refractómetros baseados em: (a) dois LPGs idênticos; (b) um LPG e
um espelho (interferómetro de Michelson); (c) um LPG com um splice desalinhado
[44]. ................................................................................................................................ 27
Figura 16- Diagrama esquemático de um FTS-LPGP (fiber-taper seeded LPG pair) [56] ............. 29
Figura 17 – Secção transversal de um guia de onda circular. .......................................................... 33
Figura 18 - Gráfico teórico do comprimento de onda ressonante em função do período da LPG
para o acoplamento entre o modo guiado do núcleo e a ordem dos modos da bainha de
1 a 10.............................................................................................................................. 37
Figura 19 – Simulação do espectro de transmissão de uma rede de período longo obtida para fibra
Corning SMF-28 com um período de 540 µm e 22 mm de comprimento..................... 38
Figura 20 - Esquema do dispositivo mecânico proposto neste trabalho.......................................... 40
Figura 21 - Dispositivo mecânico proposto neste trabalho.............................................................. 41
Figura 22 - Representação esquemática de: (a) membranas porosas e não porosas; (b) membranas
porosas simétricas e assimétricas [62]. .......................................................................... 43
Figura 23 - Montagem experimental utilizada para verificar a resposta da rede à alteração do índice
de refracção do meio que envolve a rede....................................................................... 46
Figura 24 - Refractómetro de Abbe. ................................................................................................ 46
Figura 25 - Forno tubular utilizado para caracterização das redes. ................................................. 48
Figura 26 - Esquema da montagem utilizada para a calibração térmica das redes de período longo.
........................................................................................................................................ 48
Figura 27 – Montagem experimental utilizada para monitorização do espectro da rede durante a
erosão da mesma (é também visível o suporte desenvolvido para a fibra).................... 49
Figura 28 – Montagem experimental utilizada para testar o comportamento da rede de período
longo quando colocada na estrutura desenvolvida......................................................... 51
Figura 29- Suportes para testar membranas em situação de utilização na Ria de Aveiro. .............. 52
Figura 30– Montagem da membrana no suporte para teste. ............................................................ 52
Figura 31 - Resposta espectral em transmissão da ressonância, situada aproximadamente em
1300nm, da rede de período longo escrita em fibra: (a) Corning SMF-28; (b) SMPS
1300 Oxford Electronics à variação do índice de refracção do meio envolvente.......... 56
Figura 32 - Variação: (a) do desvio em comprimento de onda e (b) da potência óptica normalizada
em função da variação do índice de refracção do meio ambiente. ................................ 57
viii
Figura 33 – Imagem obtida por microscopia óptica para medição do diâmetro da rede óptica após
ter sido sujeita ao ataque químico. ................................................................................. 58
Figura 34 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo induzida em fibra Corning
SMF-28 antes e após estar sujeita ao ataque químico por solução de HF. .................... 59
Figura 35 - Resposta espectral, da rede induzida em fibra Corning SMF-28, em transmissão às
variações de índice de refracção após ter sido sujeita ao ataque químico por HF......... 60
Figura 36 - Desvio em comprimento de onda em função do índice de refracção do meio ambiente
da rede escrita em fibra padrão após ter sido sujeita a um ataque químico. .................. 61
Figura 37- Variação da potência óptica na ressonância em função do índice de refracção do meio
que envolve a rede escrita em fibra padrão após ter sido sujeita a um ataque químico. 61
Figura 38 - Resposta das diferentes LPGs à variação de índice de refracção do meio envolvente. 62
Figura 39- Espectro da rede LPG π-shifted em transmissão escrita em fibra monomodo Corning
SMF-28 utilizando a técnica de arco-eléctrico. ............................................................. 63
Figura 40 - Resposta espectral em transmissão da rede LPG π-shifted escrita em fibra monomodo
Corning SMF-28 à variação do índice de refracção do meio envolvente...................... 63
Figura 41 – Desvio em comprimento de onda da LPG π-shifted quando o índice de refracção do
meio externo é alterado.................................................................................................. 64
Figura 42 – Variação da função 1 2( , )normT λ λ com o índice de refracção do meio externo para três
pares de comprimentos de onda. .................................................................................... 65
Figura 43 - Resposta espectral em transmissão das redes de período longo escritas em fibra: (a)
Corning SMF-28; (b) Oxford Electronics, quando submetidas a um aquecimento de 25
a 150ºC, ao ar. ................................................................................................................ 66
Figura 44- Desvio em comprimento de onda da rede de período longo escrita em fibra Corning
SMF-28, quando submetida a um aquecimento de 25 a 150ºC, ao ar. .......................... 67
Figura 45 - Variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), em função da variação da
temperatura para fibra Corning SMF-28 (P1,P2)→(1545,1556)nm e de Oxford
Electronics (P1,P2)→(1310,1330)nm............................................................................ 68
Figura 46 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning
SMF-28 após ser sujeita a um ataque químico. ............................................................. 69
Figura 47 – Desvio em comprimento de onda em função da variação da temperatura para a rede de
período logo escrita em fibra Corning SMF-28, após ser sujeita a um ataque químico.69
Figura 48 – Variação da potência óptica exibida pela rede de período logo escrita em fibra Corning
SMF-28 após ser sujeita a um ataque químico. ............................................................. 70
ix
Figura 49 – Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning
SMF-28 (a) fora e (b) fixa ao sistema desenvolvido, quando submetida a um
aquecimento de 25 a 100ºC, ao ar.................................................................................. 72
Figura 50 – Variação dos valores da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), na ressonância
da rede em função da variação da temperatura. ............................................................. 73
Figura 51 - Posição espectral da ressonância, em função da variação da temperatura, quando a rede
de período longo se encontra fora e dentro da estrutura. ............................................... 74
Figura 52 – Desvio em comprimento de onda em função da variação da temperatura quando a rede
de período longo se encontra na estrutura desenvolvida. .............................................. 74
Figura 53 – Imagem obtida por microscopia óptica para medição do diâmetro da rede de período
longo após ter sido sujeita ao ataque químico. .............................................................. 75
Figura 54 – Variação do pico de atenuação do espectro de transmissão da rede de período longo (Λ
= 649 µm) corroída, quando sujeita a um aquecimento de 25 a 100ºC, ao ar. Em (a) a
rede não está fixa à estrutura, o que acontece em (b). ................................................... 75
Figura 55 - Variação da posição espectral do pico de atenuação para a rede de período longo na
situação descrita na figura 56......................................................................................... 76
Figura 56 - Variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), para a rede de período
longo na situação descrita na figura 56.......................................................................... 77
Figura 57 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning
SMF28 (a) sem e (b) com a estrutura............................................................................. 78
Figura 58 – Desvio em comprimento de onda da LPG à variação do índice de refracção do meio
externo, quando colocada dentro e fora da estrutura. .................................................... 79
Figura 59 – Resposta observada para a quarta ressonância da rede com o aumento da concentração
de sal no meio que a envolve. ........................................................................................ 80
Figura 60 – Desvio no comprimento de onda ressonante da LPG para soluções com diferentes
concentrações de sal....................................................................................................... 81
Figura 61 – Estado da membrana (a) de Nylon (100µm) (b) de Nylon (53µm) (c) fibra de vidro,
após imersa nas águas da Ria, durante o período de um mês. ....................................... 82
Figura 62 – Imagem obtida por microscopia óptica da membrana de (a) Nylon (100µm) (b) Nylon
(53µm), após imersa nas águas da Ria, durante o período de um mês. ......................... 83
Figura 63- Mola helicoidal sujeita à compressão. ........................................................................... 99
Figura 64– Esquema da montagem para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação
proveniente de um laser de CO2................................................................................... 101
x
Figura 65– (a) Suporte para fixação da fibra e (b) Sistema experimental usado para escrita de LPGs
por exposição da fibra óptica à radiação de laser CO2................................................. 102
Figura 66 – Remoção total da bainha e afectação do núcleo da fibra óptica................................. 103
Figura 67– Remoção parcial da bainha.......................................................................................... 103
Figura 68– Alteração da fibra sem remoção de material. .............................................................. 104
xi
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Especificações das membranas utilizadas neste estudo. ................................................ 51
Tabela 2 – Identificação dos componentes que compõem o protótipo desenvolvido...................... 92
Tabela 3 – Identificação dos fenómenos observados por microscopia óptica para as diferentes
potências. ..................................................................................................................... 104
xii
Simbologia
λ - Comprimento de onda
Λ - Período da rede
N – Número de períodos da rede
L - Comprimento da rede
∆n - Diferença de índice normalizado
neff – Índice de refracção efectivo
ncl – Índice de refracção da bainha
nco – Índice de refracção do núcleo
m – Ordem de difracção
coβ - Constante de propagação do modo do núcleo
mclβ - Constante de propagação do modo m da bainha
Ω - Coeficiente de acoplamento
κ - Constante de propagação
T – Temperatura
∆n - Amplitude da perturbação induzida no índice de refracção
z - Direcção de propagação ao longo do eixo longitudinal da fibra.
R - reflectividade de uma rede
∆λ – Largura de banda a meia altura
∆λB - Deslocamento espectral
∆ε − Deformação longitudinal
pe - Constante fotoelástica
Ti – Transmissão mínima
Mp - Fracção de potência do modo contido no núcleo da fibra
V - Frequência normalizada da fibra
αTe - Coeficiente de expansão térmica
αTo- Coeficiente termo-óptico
km - Coeficiente de acoplamento
xiii
Acrónimos
CTD - Conductivity, Temperature and Depth
NaCl - Cloreto de sódio
XCTD - expendable Conductivity Temperature Depth
FBG - Fiber Bragg Gratings (redes de Bragg)
LPG - Long Period Gratings (redes de período longo)
LPG-PS - Phase-shifted Long Period Gratings (redes de período longo com desvio de fase)
LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
UV - Ultravioleta
CO2 – Dióxido de Carbono
OSA - Optical Spectrum Analyzer (analisador de espectros ópticos)
SMF – Single-mode fibre
LED - Light Emitting Diode
UIR - Unidade de índice de refracção
HF - Ácido fluorídrico
xiv
1 Introdução
1.1 Motivação
Os estuários e ambientes costeiros constituem zonas privilegiadas de biodiversidade, sendo
extremamente sensíveis à variação nas condições fronteira, em particular às propriedades da água.
A monitorização ambiental é um factor de importância primordial na preservação deste tipo de
ecossistemas. Gradientes de temperatura e salinidade são condicionantes do desenvolvimento de
diferentes espécies nestes habitat’s, pelo que o controlo destes parâmetros permite assegurar a
biodiversidade aí existente.
A salinidade é um parâmetro muito importante para a oceanografia, monitorização marinha do
ambiente, e previsão do clima [1]. Este parâmetro, tradicionalmente, é determinado através da
medição da condutividade eléctrica. Actualmente, esta é conseguida principalmente através de
sensores instalados em equipamentos CTD (Conductivity, Temperature and Depth) ou XCTD
(expendable Conductivity Temperature Depth) os quais, incorporam sensores de temperatura,
condutividade e pressão. Desta forma a determinação da salinidade é baseada na mobilidade de
iões na água, o que significa que os valores obtidos podem depender do tipo de sal que se encontra
dissolvido na água.
Contudo, o grau de salinidade pode também ser obtido por meio da medida do índice de refracção
uma vez que está estabelecida uma relação empírica entre a sanidade e o índice de refracção do
meio [1].
A determinação da salinidade por métodos ópticos apresenta vantagens, não unicamente devido às
propriedades dos sensores de fibra óptica, mas também devido à sua possibilidade de integração
[1]. Neste campo, os sensores baseados em redes em fibra têm atraído uma atenção considerável,
essencialmente devido ao facto de a medição ser obtida através de um parâmetro absoluto (o
comprimento de onda). Em particular têm relevância, as redes de período longo (LPGs) que são
1
dispositivos com características espectrais altamente sensíveis ao meio envolvente e, em especial,
à variação de índice de refracção.
Neste contexto, foi recentemente desenvolvida no INESC Porto uma cabeça sensora baseada numa
rede de período longo para a medição da salinidade da água através das alterações correspondentes
do índice de refracção da água. Essa estrutura incorpora a medição da temperatura, um aspecto
essencial para a calibração dos resultados. No entanto, este sistema não tem as características
necessárias para aplicação em ambiente real, dado ter componentes muito frágeis e ser necessária
uma filtragem adequada dos detritos em suspensão na água previamente à interacção com a fibra
óptica. O objectivo proposto neste trabalho é o do aperfeiçoamento do sistema desenvolvido
segundo dois eixos: optimizar o desempenho intrínseco do sensor refractométrico (sensibilidade,
gama de medição, etc.) e projectar, desenvolver, implementar e testar uma estrutura sensora
passível de utilização em ambiente real, em particular na Ria de Aveiro.
1.2 Organização da Dissertação
No capítulo 2 da presente tese, é exposta uma revisão da literatura sobre a teoria que envolve as
redes de período longo, sendo abordados aspectos como as técnicas de fabricação e caracterização.
No capítulo 3 é feita uma breve descrição do comportamento das redes de período longo como
elemento sensor, sendo ainda relatado o estado da arte de refractómetros baseados em redes de
período longo e discutido o seu desempenho.
No capítulo 4 é apresentada a formulação matemática que descreve o comportamento deste tipo de
dispositivos.
O capítulo 5 descreve o tipo de encapsulamento proposto neste trabalho, enquanto que o capítulo 6
descreve em detalhe o desenvolvimento da metodologia experimental (equipamentos,
procedimentos e montagens) utilizada no decorrer deste trabalho.
No capítulo 7 são apresentados e discutidos os resultados obtidos, sendo apresentados valores
característicos para a resposta espectral das redes de período longo em função das condições de
exposição. Inicialmente são descritos e analisados os resultados obtidos por diferentes cabeças
sensoras caracterizadas quanto à variação de parâmetros como temperatura e índice de refracção.
Em seguida são discutidos os efeitos da estrutura desenvolvida na medição desses parâmetros,
sendo ainda feita uma avaliação do sistema de filtração.
E, finalmente, no capítulo 8 são apresentadas as principais conclusões e as propostas de trabalho
futuro.
2
2 Teoria das Redes de Período Longo
No presente capítulo, é exposta a teoria base das redes de período longo (LPGs) provendo a
compreensão fundamental das suas propriedades espectrais.
Os conceitos aqui apresentados são importantes para a análise e projecção deste tipo de redes. É
realizada uma breve discussão da propagação de modos na fibra óptica, considerando a
aproximação das três camadas, seguida pela apresentação das equações fundamentais para o
acoplamento entre o modo fundamental do núcleo e os modos da bainha.
Este capítulo apresenta ainda uma descrição sumária dos principais métodos de fabrico de redes de
período longo.
2.1 Redes de período longo
O desenvolvimento de redes em fibra teve um impacto significativo na pesquisa e no
desenvolvimento das telecomunicações e sensores de fibra óptica. São dispositivos
comparativamente simples que, na sua forma mais básica, consistem na modulação periódica das
características da fibra óptica. A sua aplicação como elemento sensor é vantajosa devido às
características intrínsecas dos sensores em fibra, tais como: medição remota, imunidade
electromagnética, peso e compactação, capacidade de multiplexagem e a possibilidade de
monitorização em tempo real mantendo um elevado nível de precisão e baixo custo. A sua
utilização encontra-se disseminada no âmbito da monitorização, não só a nível da Engenharia Civil
como a nível ambiental, tendo igualmente aplicação na área da Medicina e Telecomunicações [2-
10].
Um tipo de redes em fibra toma a designação de rede de período longo (LPG – Long Period
Grating) ou rede de transmissão. Este tipo de estruturas baseia-se na modulação periódica das
características da fibra óptica, que pode ser induzida por deformação física do material da fibra ou
por modificação do índice de refracção do núcleo (e/ou bainha). A modulação induzida permite o
3
acoplamento do modo fundamental do núcleo para os modos co-propagantes da bainha da fibra
com períodos de modulação relativamente longos (em comparação com as redes de Bragg),
variando de 100µm a 1mm. Tal como a rede de Bragg, a LPG é sensível a parâmetros como a
temperatura ou tensão, que podem alterar o período da rede ou o índice de refracção do núcleo ou
bainha.
A utilização de redes de período longo foi pela primeira vez demonstrada em 1996 por Bathia [3] e
Vengsarkar [4]. As redes foram gravadas numa fibra monomodo hidrogenada, por radiação
ultravioleta, através de uma máscara de amplitude. Desde então, ocorreu um incremento na
procura deste tipo de dispositivos para diversas aplicações, como filtros espectrais [4],
equalizadores de ganho de um amplificador de fibra dopada com Érbio [5], difusores de luz para
aplicações médicas [6] e, mais importante, na monitorização de parâmetros físicos [7-11].
As redes de período longo partilham as características intrínsecas dos sensores de fibra óptica, e
algumas particularidades como baixo nível de reflexão e perdas de inserção reduzidas. Permitem
gamas de maior sensibilidade, acrescida de uma elevada versatilidade na sua aplicação em
ambientes delicados.
Neste tipo de estrutura, os comprimentos de onda de ressonância são extremamente dependentes
da diferença entre os índices de refracção efectivos do núcleo e da bainha. Deste modo, qualquer
perturbação externa que varie o índice de refracção efectivo ou a periodicidade da rede, causa
grandes deslocamentos do comprimento de onda de ressonância [7]. Como sensores, possuem
ainda a capacidade de conseguir diferentes valores de sensibilidade para um mesmo comprimento
de onda, por alteração do período da rede e/ou do tipo de fibra utilizada. Isso possibilita a
fabricação de sensores com respostas diferenciadas às variações do meio externo, mas que operam
com a mesma fonte espectral.
2.1.1 Comparação entre redes de período longo e redes de Bragg
As redes de Bragg em fibra óptica (FBG – Fiber Bragg Grating), também designadas de redes de
período curto, operam no modo de reflexão e são fabricadas com um período inferior a 1µm
proporcionando o acoplamento entre modos que se propagam em direcções opostas. Este
acoplamento ocorre para um comprimento de onda específico, denominado por comprimento de
onda de Bragg. Tipicamente, este tipo de redes de apresenta um comprimento na ordem dos 5-10
mm. Em comparação, as redes de período longo são fabricadas com períodos de modulação
relativamente longos, variando de 100µm a 1mm, possibilitando assim, o acoplamento entre
modos co-propagantes. O comprimento típico de uma LPG é de alguns milímetros a alguns
centímetros.
4
Os longos períodos de modulação das redes de período longo permitem que estas possam ser
escritas por exposição da fibra a radiação ultravioleta, através de uma máscara de amplitude,
tornando o seu fabrico mais fácil e menos dispendioso quando comparado com a técnica de escrita
com máscara de fase, habitualmente utilizada na gravação de FBGs.
Como sensores de índice de refracção, ou concentração de impurezas em fluidos [8-9], as LPGs
possuem como vantagem a constante rigidez e integridade da fibra, o que não acontece quando se
trabalha com dispositivos cuja bainha é reduzida por corrosão por forma a ter acesso ao campo
evanescente [9,10], como é o caso das redes de Bragg.
Uma vantagem adicional das redes de período longo é a sua elevada sensibilidade à variação de
índice de refracção do meio externo sem a necessidade de acesso ao campo evanescente, como no
caso das FBGs.
2.2 Acoplamento de modos e condição de Phase-matching
As redes de período longo são dispositivos intrínsecos à fibra óptica que têm a sua operação
fundamentada no acoplamento entre o modo fundamental do núcleo e os modos co-propagantes da
bainha, dependendo da periodicidade e amplitude da variação do índice de refracção do LPG [4].
A compreensão deste tipo de dispositivos requer o conhecimento da propagação de modos na fibra
óptica. Nesta secção, será feita uma análise das propriedades ópticas de uma rede de período longo
uniforme quando o acoplamento ocorre apenas entre dois modos da fibra.
Considere-se uma fibra óptica monomodo, como a esquematizada na figura 1, com um núcleo de
raio r1 e uma bainha de raio r2 e diferentes índices de refracção em cada camada: n1, n2 e n3.
n3
n2
n1
r2
(b)
r1
r2
r1 z
Bainha
x
y
ni (r)
0
(a)
Figura 1- (a) Representação esquemática de uma fibra óptica uniaxial de três camadas e (b) seu perfil de índice transverso.
5
Estes guias de onda cilíndricos suportam diversos modos de propagação, isto é, diversas formas de
conduzir a radiação electromagnética. Sendo que numa fibra óptica monomodo apenas se propaga
o modo denotado por fundamental, grande parte da energia transportada por este modo é confinada
ao núcleo. No entanto, uma pequena quantidade propaga-se de forma similar através da bainha.
Outros modos disponíveis na fibra óptica podem ser classificados como modos da bainha, modos
de radiação e leaky modes.
Os modos da bainha surgem quando o índice de refracção da terceira camada é inferior ao da
bainha (n3<n2), como exemplo, a bainha exposta ao meio. Nesta situação, os modos propagam-se
por meio do fenómeno de reflexão interna total que ocorre na interface bainha-meio envolvente. O
índice de refracção efectivo desses modos varia entre n2 e n3.
Quando o índice de refracção externo é idêntico ao valor de índice da bainha (n3~n2), os modos da
bainha deixam de ser conduzidos ao longo da fibra. A bainha torna-se infinita e a ausência do
mecanismo da reflexão interna total na sua fronteira, origina a conversão dos modos da bainha em
modos de radiação. Nesta região, as redes de período longo são extremamente sensíveis às
alterações do índice de refracção do meio envolvente.
Um novo mecanismo surge quando o índice de refracção do meio envolvente excede o valor de
índice de refracção da bainha, os modos são então designados de leaky modes ou modos de
radiação evanescente. Neste caso, não ocorre a reflexão interna total, no entanto a propagação da
radiação ocorre devido ao mecanismo da reflexão de Fresnel na interface interna da fibra. Tendo
como exemplo, o uso de revestimentos passivos/activos da fibra [11].
Neste trabalho apenas são considerados os modos da bainha, ou seja, a situação em que o índice de
refracção da bainha é superior ao do meio que a envolve.
As equações de campo dos modos do núcleo e bainha são as soluções da equação de onda. Em
geral os modos são transverso-eléctrico (TE), transverso-magnetico (TM) e modos híbridos
HE/EH. Um método simples para obter os modos da fibra é através da aplicação de uma
aproximação com vista a simplificar a análise – weakly guide approximation [12], introduzida por
Gloge [13]. Esta técnica de aproximação assume que a diferença entre o índice de refracção
efectivo dos modos do núcleo e do material da bainha, ∆n (∆n=(n1-n2)/n1) é reduzida
(aproximadamente 1% para fibras step-index).
11~ <∆=>− nnn
cl
co (2.1)
6
Deste modo pode ser assegurado que a relação da diferença de índices é inferior a 0.05. Esta
aproximação despreza as componentes longitudinais do campo eléctrico e magnético [12,13],
resultando em modos linearmente polarizados (LP).
Uma rede em fibra é simplesmente uma rede de difracção óptica. O efeito duma rede de difracção
óptica numa onda de luz incidente, que se propaga com um ângulo θ1, consiste na sua difracção
segundo um ângulo θ2, dependendo da ordem de difracção m [14]. Este comportamento é descrito
pela equação (2.2) e ilustrado na figura 2.
2 1nsen nsen m λθ θ ⎛ ⎞= + ⎜ ⎟Λ⎝ ⎠ (2.2)
Figura 2 – Difracção da luz por uma rede de difracção [14].
Considere-se uma onda plana num meio dieléctrico e uniforme de extensão infinita, de índice de
refracção n. A constante de propagação é definida como (sendo θ o ângulo do vector de onda com
o eixo dos zz, que definirá a seguir a orientação do eixo da fibra)
2effnπβ
λ= onde effn nsenθ= (2.3)
Seja agora o modo fundamental da fibra e o modo m da bainha. As suas constantes de propagação
podem ser expressas por,
,2
co eff co con kn senπ1β θ
λ= = (2.4)
,2m m
cl eff cl cln kn senπ2β θ
λ= = (2.5)
7
Onde βco e βcl são as constantes de propagação do modo do núcleo e do modo especifico da
bainha [15,16], respectivamente. Uma rede de difracção pode efectuar o acoplamento entre o modo
fundamental do núcleo e os modos da bainha neste tipo de estruturas, como ilustrado na Figura 3,
onde se considera θ1 e θ2 os ângulos de incidência e de refracção da radiação, respectivamente.
Figura 3 - Ilustração esquemática do acoplamento entre o modo fundamental do núcleo e os modos da bainha na rede de período longo [14].
As equações (2.4) e (2.5) podem ser substituídas na equação (2.2), resultando
Λ=−
πββ 2mclco (2.6)
A condição (2.6) é denotada de condição de ressonância (phase matching condition) entre o modo
fundamental do núcleo e os modos co-propagantes da bainha, para uma rede de período longo.
Para o acoplamento co-propagante do modo guiado com um ângulo θ1 para o modo θ2 (como
definido na figura 3), o comprimento de onda ressonante (λres) correspondente ao modo m da
bainha pode ser expresso como:
, ,( ) ( )m mres eff co eff cln nλ λ λ⎡ ⎤= − Λ⎣ ⎦ (2.7)
Onde Λ representa o período da rede [16]. Para parâmetros específicos da fibra, é então a
periodicidade da rede de período longo que determina qual o modo da bainha que está acoplado ao
modo fundamental.
A dependência de λ nos índices de refracção efectivos é devido à dispersão de material e do guia
de onda. Neste caso, o principal factor de dispersão é devido ao guia de onda, sendo a diferença
entre a dispersão do índice efectivo do modo do núcleo e da bainha, o parâmetro chave. A figura 4
mostra a dependência do comprimento de onda ressonante para os modos de ordem 1 a 9 e 18 a 27 8
da bainha [17,18]. O gráfico indica que o acoplamento para modos de baixa ordem é obtido usando
períodos longos, enquanto que períodos curtos facilitam o acoplamento de modos de ordem
elevada.
Figura 4 - Comprimento de onda ressonante em função do período da rede do LPG para o acoplamento entre o modo guiado do núcleo e a ordem dos modos da bainha de: (a) 1 a 9; (b) 18 a 27 [18].
A elevada atenuação dos modos que se propagam na bainha origina no espectro de transmissão da
fibra várias bandas de atenuação centradas em comprimentos de onda discretos. Cada banda de
atenuação ocorre para comprimentos de onda ressonantes correspondentes ao acoplamento do
modo fundamental do núcleo (com constante de propagação βco e índice de refracção efectivo
9
neff,co) para o modo especifico da bainha (com constante de propagação βco(m)
e índice de refracção
efectivo neff,cl (m)).
As bandas de atenuação variam em profundidade de acordo com a intensidade de acoplamento do
modo núcleo-bainha (isto é, a quantidade de potência transferida para o modo m da bainha a um
comprimento de onda ressonante, λ0). O coeficiente de transmissão (de potência) para o modo m
da baínha é dado por:
T(L) = sen2 (κmL) 2
0
2 con Isen L
πλ
⎛ ∆= ⎜
⎝ ⎠
⎞⎟ (2.8)
onde L é o comprimento da rede, km é o coeficiente de acoplamento para o modo m da bainha, ∆nco
é a alteração induzida por UV no índice de refracção do núcleo e I é o integral de sobreposição
[18,19]. Para κmL=π/2, toda a potência guiada no modo é transmitida para a bainha. A transmissão
espectral mínima do modo do núcleo no pico da banda de atenuação da LPG pode ser expressa
por,
P(L) = 1-T(L)=1-sen2 (κmL) (2.9)
A figura 5 exibe o espectro de transmissão de uma LPG com 40 mm de comprimento, período de
400 µm, fabricada em fibra óptica co-dopada de boro–germânio com comprimento de onda de
corte de 650 nm (Fibercore PS750), quando exposto ao ar [18]. Este espectro exibe as
características típicas dum dispositivo deste tipo.
A forma exacta do espectro e o centro do comprimento de onda das bandas de atenuação são
sensíveis a parâmetros físicos como: temperatura, tensão, raio de curvatura e índice de refracção
do meio [20, 21]. A sensibilidade a uma medida em particular é dependente da ordem do modo da
bainha para o qual a potência óptica é acoplada.
10
Figura 5 - Espectro de transmissão de um dispositivo LPG com um comprimento de 40 mm e um período de 400 µm, escrito em fibra óptica fotossensível com comprimento de onda de corte de 644 nm [16].
2.3 Métodos de fabrico de redes de período longo
O fabrico de LPGs baseia-se na indução de uma modulação periódica das propriedades ópticas da
fibra. Esta pode ser conseguida pela modificação permanente do índice de refracção do núcleo da
fibra óptica ou pela deformação física da mesma. Sendo a estrutura de índice de refracção
periódica fácil de obter através do efeito fotoquímico de fibras ópticas dopadas com germânio, a
maioria das redes de período longo são fabricadas em fibras de sílica dopadas com baixa
concentração de germânio, hidrogenadas e expostas à radiação ultravioleta (UV).
Sendo o período espacial das redes de período longo relativamente grande (algumas centenas de
mícron) foi possível o desenvolvimento de diversos métodos alternativos que permitem a produção
deste tipo de estruturas. Neste âmbito, foram desenvolvidas metodologias nas quais a modulação
do índice de refracção é induzida por aquecimento (exposição da fibra à radiação por laser de CO2
[22,23,24] ou por aplicação de um arco eléctrico [25,26]), por implantação iónica [27] e por
deformação mecânica da fibra [28,29].
Nesta secção, são discutidos os principais métodos de fabrico de redes de período longo.
11
2.3.1 Radiação Ultravioleta
Embora tenham sido relatadas diversas técnicas para fabrico de redes de período longo, o método
da foto-indução quer com o método de escrita “ponto-por-ponto”ou utilizando uma máscara de
amplitude é amplamente utilizado.
Os mecanismos de variação foto-induzida do índice de refracção em fibras de sílica ainda não são
claros. Contudo, sabe-se que o mecanismo da fotossensibilidade em fibras ópticas está associado à
deficiência de oxigénio na estrutura química da sílica dopada com germânio [30]. O defeito do tipo
GeO ocorre quando átomo de Ge está ligado a apenas três átomos de oxigénio e a quarta ligação é
com um átomo de Si ou Ge. Este defeito induz o aparecimento de uma banda de absorção óptica em
240 nm com largura espectral de aproximadamente 30 nm (ver figura 6). Por este motivo, são
usadas nesta técnica fontes laser que emitem radiação UV próximo do pico de absorção dos centros
deficitários em oxigénio. A primeira rede de período longo foi induzida fotoquimicamente através
de radiação laser UV em comprimentos de onda que coincidem com o máximo da banda de
absorção de defeitos em vidro germano-silicato próximo de 5 eV [31].
Figura 6 - Espectro de absorção da sílica fundida e da sílica fundida dopada com 3.5 mol% de germânio [31].
Um tipo de laser bastante utilizado no fabrico destes dispositivos é o laser pulsado, de excímeros
de krípton – flúor (KrF), que emite impulsos de elevada energia com um comprimento de onda de
248 nm com frequências até 100Hz [8]. A potência média fornecida por estes lasers atinge as
dezenas de Watt, mas devido à reduzida coerência temporal e espacial do feixe, a sua aplicação
restringe-se a técnicas de fabricação de redes não interferométricas.
12
A hidrogenação é uma técnica muito simples cujo processo consiste em difundir moléculas de
hidrogénio no núcleo de uma fibra dopada com germânio, numa atmosfera de hidrogénio a elevada
pressão e temperatura ambiente. A reacção entre as moléculas de hidrogénio e de germânio gera
centros deficitários de oxigénio que são responsáveis pelo aumento da fotossensibilidade. A
hidrogenação da fibra, antes desta ser sujeita à radiação UV, possibilita a redução do tempo de
exposição permitindo assim a obtenção de amplitudes de modulação do índice de refracção mais
elevadas. Outros dopantes, como o boro e o fósforo, podem ser usados para aumentar a
fotossensibilidade e, consequentemente, o índice de refracção. Contudo a presença destes dopantes
aumenta as perdas da fibra.
A escrita por exposição da fibra à radiação ultravioleta é conseguida utilizando o processo da
máscara de amplitude ou através do método de “ponto-por-ponto” (Figura 7). Neste último, a
estrutura necessária é produzida de forma sucessiva. Este processo consiste em fazer passar um
feixe de radiação UV, de dimensões reduzidas, através de uma lente, garantindo assim elevada
resolução espacial. Após atravessar a lente, o feixe é focado para o núcleo da fibra onde se dá a
modulação individual do índice de refracção. A exposição periódica é realizada pelo obturador
controlado por computador, accionado com frequência adequada para o período e perfil espectral
desejados. A estrutura da rede é formada com a repetição do processo, à medida que se vai
deslocando a fibra na direcção paralela ao seu eixo, por meio de uma mesa de translação
micrométrica. O esquema ilustrativo do método de escrita de LPGs utilizando o método “ponto-
por-ponto” pode ser visualizado na Figura 7 (a).
Quando a gravação de uma LPG é conseguida através de uma máscara de amplitude, toda a
estrutura da rede é realizada em simultâneo. Este processo consiste em fazer passar um feixe de
radiação UV com dimensões reduzidas através da máscara, induzindo uma modulação espacial de
variação de índice de refracção no núcleo da fibra óptica dopada. Apesar do período da LPG ser
limitado pelo período da máscara, esta técnica oferece maior precisão na resposta espectral quando
comparado com o método “ponto-por-ponto”. Contudo, este processo necessita que a fibra seja
hidrogenada de forma a aumentar a sua alteração ao índice de refracção e requer, ainda, um
tratamento térmico pós fabrico para estabilizar a rede. Neste método de escrita é preferível o uso
de fontes emissoras de impulsos devido ao relativamente baixo limiar de destruição da superfície
de vidro sílica (~1J/cm2 para radiação laser de excímeros). A configuração típica deste tipo de
fabrico pode ser visualizada na figura 7 (b).
13
Fibra
Lente
Radiação UV
(b)
Radiação UV
Fibra
Máscara de Amplitude
(a)
Figura 7 - Esquema ilustrativo do método de escrita de LPGs, usando radiação UV através: (a) do método de escrita “ponto-por-ponto”; (b) da máscara de amplitude [30].
2.3.2 Arco eléctrico
As redes produzidas por arco eléctrico resultam de um efeito térmico produzido pela passagem de
corrente eléctrica. O material de que é constituído o núcleo da fibra é sujeito a um processo de
aquecimento e arrefecimento periódico ao longo do seu comprimento, produzindo alterações
periódicas nas características da sílica que são responsáveis pelo acoplamento entre os modos.
A formação de redes produzidas por arco eléctrico tem sido indagada por alguns autores [25,26].
Neste contexto, foram propostos diversos mecanismos responsáveis pela formação deste tipo de
redes, como por exemplo, a difusão de dopantes no núcleo, tensões de relaxação elásticas e
viscoelásticas, e a deformação da fibra. Este método de escrita é bastante flexível, fácil de
implementar e não requer a utilização de fibras especiais nem equipamentos de elevado custo,
como por exemplo, lasers UV ou de CO2. Porém, esta técnica não é totalmente satisfatória,
principalmente por não ser possível um controlo exacto do processo.
O fabrico de LPGs por arco eléctrico consiste em posicionar uma fibra sem revestimento entre os
eléctrodos de uma máquina de fusão. Uma das extremidades da fibra é fixa na plataforma de
translação, cuja precisão é controlada por computador. Na outra extremidade é colocada uma
massa de forma a manter a fibra sob tensão longitudinal constante. É então, produzida sobre a fibra
uma descarga eléctrica de corrente e duração temporal adequadas, e de seguida, deslocada
lateralmente com grande precisão. Pontualmente são disparados arcos eléctricos que a atravessam
14
induzindo assim variações locais de índice de refracção. Este procedimento é repetido várias vezes,
originando perturbações periódicas ao longo da fibra resultantes do seu aquecimento local. Para a
aquisição dos espectros da rede, na extremidade da fibra é injectada luz proveniente de uma fonte
de espectro largo, tendo a outra extremidade sido conectada a um analisador de espectros. A
montagem experimental do método de escrita por arco eléctrico encontra-se esquematizada na
figura 8.
Analisador de espectros
Plataforma de Translação
Fonte de espectro largo
Gerador de alta tensão
Máquina de ão de fibras fus
Controlador da plataforma
Figura 8 – Esquema da montagem para fabricação de LPGs utilizando o método do arco eléctrico.
2.3.3 Laser de CO2
Em 1998, Davis et al [22] demonstraram a possibilidade de escrita de redes de período longo por
exposição de uma fibra óptica à radiação proveniente de um laser de CO2. O efeito da radiação na
alteração do índice de refracção da fibra óptica foi estudado por Bok Hyeon Kim, et al [23]. Esta
técnica de escrita, tal como a do arco eléctrico, baseia-se em efeitos térmicos e possui vantagens
sobre a técnica mais comum, por radiação UV. As redes induzidas por exposição da fibra à
radiação proveniente de um laser de CO2 revelam estabilidade térmica e mecânica nas
propriedades da transmissão, a sua fabricação é menos dispendiosa relativamente às redes
produzidas por radiação ultravioleta, e podem ser desenvolvidas em fibras ópticas com diferentes
perfis de índice ou composição do núcleo. A utilização de lasers de CO2 para a produção de redes
de período longo utiliza o método de exposição “ponto-a-ponto” permitindo um total controlo do
processo e ainda obter redes de dimensão reduzida, devido às mudanças de índice efectivo
elevadas (∆n≈0,1), facilitando o seu encapsulamento, para além de não ser necessário o uso de
fibras especiais [24].
15
O sistema experimental usado para a escrita de redes de período longo usando um laser de CO2 é
semelhante ao utilizado na técnica ponto-a-ponto com um laser UV e encontra-se esquematizado
na figura 9. Neste método o feixe de laser de CO2 é focado através de uma lente convergente sobre
um ponto na fibra. A fibra óptica é fixa a uma plataforma motorizada, e após exposição da fibra à
radiação um controlador provoca na plataforma um deslocamento de valor igual ao do período Λ
da rede e o processo é repetido. Durante o processo de fabricação, a transmissão espectral da fibra
é monitorizada através de um analisador de espectros e de uma fonte de banda larga que cobre a
escala de 1450 a 1600 manómetros.
Controlador
Fonte de espectro largo
Analisador de espectros
Plataforma de Translação
Laser CO2
Figura 9 – Esquema da montagem para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação
proveniente de um laser de CO2.
2.3.4 Deformação Mecânica
Como o período espacial das redes de período longo é relativamente grande (algumas centenas de
mícron) é possível induzir a modulação do índice mecanicamente através da distribuição periódica
de tensões induzidas quando uma força de tensão ou torção é exercida sobre a fibra. A indução
mecânica de variações de índice de refracção ao longo da fibra tem sido proposta por diversos
autores [28,29]. A figura 10 apresenta o diagrama esquemático de um LPG induzido
mecanicamente no qual são apresentadas duas secções, uma representando a região da bainha onde
ocorre erosão de raio re, e a outra a região não corroída, de raio ru. Quando uma força de tensão é
aplicada ao longo da fibra em condições de equilíbrio, cada uma destas regiões é sujeita a
16
diferentes tensões. Pelo efeito fotoelástico, as tensões diferenciais resultam na modulação
periódica do índice de refracção [29].
Figura 10 – Diagrama esquemático de uma rede de período longo induzida mecanicamente [29].
Resumindo, no presente capítulo foi feita uma introdução ao dispositivo em fibra óptica designado
de rede de período longo, abrangendo uma definição básica dessa estrutura e descritos os seus
princípios operacionais. Foram descritos os métodos de escrita de LPGs mais frequentes que
utilizam a fotossensibilidade das fibras à radiação UV: iluminação através de uma mascara de
amplitude e escrita ponto a ponto. Para além da escrita baseada em radiação UV, foram ainda
apresentados outros métodos, tais como, por radiação proveniente de um laser de CO2 utilizando
descargas de um arco eléctrico e por indução mecânica. No próximo capítulo será feita uma análise
da aplicação deste tipo de dispositivos como elemento sensor.
17
3 Redes de Período Longo como Elementos Sensores
Como referido anteriormente, uma rede de período longo consiste numa modulação periódica
induzida na fibra óptica, com períodos de 100 a 1000µm. Esta modulação permite que o modo
fundamental que se propaga no núcleo seja difractado através da rede, excitando modos da bainha,
resultando no seu espectro de transmissão um número de bandas de atenuação centradas em
comprimentos de onda discretos. Estas bandas são afectadas por perturbações externas, tais como,
temperatura, índice de refracção externo, tensão e curvatura. A sensibilidade da rede à variação de
um parâmetro físico em particular é influenciada pela composição da fibra óptica [32], o período
da rede [33] e a ordem do modo da bainha da fibra para o qual a potência óptica do modo
fundamental é acoplada [20], sendo então diferente para cada banda de atenuação. Este intervalo
de respostas faz com que as redes de período longo sejam particularmente atractivas para
aplicações como sensores.
Neste capítulo é feita uma análise da sensibilidade das redes de período longo a variações de
parâmetros externos à rede. Na secção 3.5, são ainda citadas diferentes configurações de
refractómetros baseados em LPGs.
3.1 Medição da Temperatura
A alteração do espectro de uma rede de período longo como resultado da variação de parâmetros
externos pode ser compreendida considerando a condição de acoplamento (phase-matching) entre
o modo do núcleo e os modos co-propagantes da bainha, (2.7), sendo a sensibilidade função da
variação diferencial entre dois modos.
Sendo assim, a análise da sensibilidade da rede á variação de temperatura é feita diferenciando-se a
equação (2.7) em relação à temperatura, T. O desvio pode ser aproximado por [11,34],
19
( )dTdLnn
dTnnd
dTd m
cleffcoeff
mcleffcoeffres
,,,, )(
−+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −Λ=
λ (3.1)
onde λres é o comprimento de onda central da banda de atenuação, T é a temperatura, neff,co e neff,cl
são os índices de refracção efectivos do modo do núcleo e da bainha, respectivamente, L é o
comprimento da rede e Λ o seu período.
Os dois termos do lado direito da equação (3.1) representam as contribuições para a sensibilidade
térmica da rede devido ao material e ao guia de onda, sendo o primeiro termo referente à
contribuição do material, resultante da alteração do índice de refracção no núcleo e da bainha
proveniente do efeito termo-óptico, αTo. Esta contribuição é dependente da composição da fibra e
da ordem do modo da bainha. O segundo termo, ou seja, a contribuição do guia de onda, representa
a alteração da periodicidade da rede resultante do coeficiente de expansão térmica da fibra, αTerm,
podendo ser positivo ou negativo dependendo do declive dλ/dΛ da correspondente curva
característica, para modos de bainha apropriados. Para o acoplamento dos modos da bainha de
baixa ordem, dλ/dΛ é positivo, enquanto que para os de ordem elevada este termo é negativo [18].
Os coeficientes de expansão térmica e termo-óptico são dados por [35]:
dTd
TermΛ
Λ=
1α (3.2)
( )dT
nndnn
mcleffcoeff
mcleffcoeff
TO,,
,,
1 −
−=α (3.3)
Para redes escritas em fibras monomodo padrão (Corning SMF-28) o coeficiente termo-óptico
varia entre 2,0 e 4,0x10-5 ºC-1 [35]. Como o coeficiente de expansão térmica da sílica fundida tem
um valor reduzido (aproximadamente 0,5x10-6 oC-1) relativamente ao termo-óptico, pode ser
desprezado [36]. Como resultado, a sensibilidade da rede à variação da temperatura é
principalmente determinada pela mudança do índice de refracção do núcleo e da bainha. Para o
acoplamento de modos da bainha de baixa ordem (Λ>100 µm), domina o efeito do material e para
20
o acoplamento dos modos da bainha de ordem elevada (períodos curtos, Λ<100 nm) o efeito do
material em fibras padrão de sílicio-germânio pode ser desprezado [19].
O desvio da banda de atenuação de uma rede de período longo com a variação de temperatura tem
um comportamento linear como pode ser observado na figura 11 [19].
Figura 11 - Desvio em comprimento de onda da banda de atenuação de um LPG com a temperatura. O LPG foi fabricado com um período de 280 µm em fibra Corning SMF-28. Seguindo a direcção da seta, os espectros correspondem às temperaturas de ≈ 23, 49,74,101, 127 e 150º C, respectivamente [19].
A resposta das redes de período longo a variações de temperatura pode variar de 0.0007nm/ºC [37]
a 2.25nm/ºC [38]. Dos diversos trabalhos divulgados, foi obtida uma sensibilidade de-0.0018nm/ºC
utilizando redes de período mais curto (Λ=40 µm) numa fibra padrão; de 0.6 nm/ºC em fibra com
núcleo dopado com germânio e revestida com polímero de acrilato [39], de 1.6 nm/ºC [40], 1.44 e
2.25 nm/ºC [38] usando um modo de ressonância apropriado em fibras co-dopadas com boro e
germânio.
21
3.2 Sensibilidade a Deformações Mecânicas
A alteração da periodicidade espacial da rede pode também ocorrer devido a deformações
mecânicas, causando desvios no comprimento de onda ressonante, λres. Este comportamento pode
ser analisado pela diferenciação da equação (2.7) em relação à deformação da fibra, ε [19]:
( )εεε
λddnn
dnnd
dd m
cleffcoeff
mcleffcoeffres Λ
−+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −Λ= ,,
,, )( (3.4)
onde o primeiro termo do lado direito da igualdade representa a alteração induzida no índice de
refracção pela deformação da fibra (efeito foto-elástico), e o segundo termo corresponde à
alteração da periodicidade da rede resultante da deformação elástica da fibra.
A resposta típica do desvio em comprimento de onda central da banda de atenuação de uma rede
de período longo em função da tensão exercida sobre ela é apresentada na figura 12. Cada banda
de atenuação exibe uma resposta diferente e linear à tensão aplicada. A dependência da ordem dos
modos da bainha é evidente a partir do facto de a banda de ressonância correspondente à curva A e
D terem declives bem diferentes (19.42 nm/%ε e 0.32/%ε, respectivamente).
Figura 12 - Desvio em comprimento de onda de quatro bandas de atenuação, A-D, em função da tensão exercida sobre uma LPG. A rede foi fabricada com um período de 280 µm em fibra Corning
SMF-28 [19].
22
3.3 Efeitos da Curvatura numa Rede de Período Longo
Diversos estudos têm demonstrado que redes de período longo são extremamente sensíveis a
pequenas curvaturas. Como o modo guiado fundamental é confinado ao núcleo da fibra, a
sensibilidade à curvatura é devida à modificação dos modos da bainha. Quando a região da fibra
que contém a rede é sujeita a uma curvatura, os modos da bainha são forçados a sair da fibra e o
acoplamento entre o modo fundamental e os modos da bainha da fibra é perturbado. A perturbação
induzida pela curvatura nos modos da bainha depende do raio de curvatura, comprimento de onda,
ordem do modo, perfil de índice de refracção e diâmetro, e índice de refracção do meio que
envolve a fibra.
3.4 Sensor de Índice de Refracção do Meio Envolvente
Um atributo interessante das redes de período longo é a sua sensibilidade à variação do índice de
refracção do meio que envolve a bainha da rede. Esta característica provém da dependência da
condição de ressonância do índice de refracção efectivo dos modos da bainha. Estes são fortemente
dependentes da diferença entre o índice de refracção da bainha e do meio envolvente [4,14]. A
interacção dos modos da bainha com o meio que a envolve ocorre porque o campo evanescente
desses modos penetra na interface bainha-meio envolvente. Assim, uma alteração no índice de
refracção do meio que envolve a fibra origina uma alteração no índice efectivo da bainha e,
consequentemente, um desvio no comprimento de onda de acoplamento [21]. A sensibilidade a
alterações de índice de refracção aumenta com a diminuição dessa diferença, ou seja, para valores
próximos do índice de refracção da bainha [18,19].
Se o índice de refracção do meio envolvente não exceder o da bainha, a sensibilidade da rede de
período longo ao aumento do índice de refracção externo provoca um deslocamento no
comprimento de onda central das bandas de atenuação no espectro de transmissão da rede, e a
diminuição em profundidade do seu pico [18,19]. Este último efeito é causado pela sucessiva
diminuição do coeficiente de acoplamento, como consequência da diminuição no integral da
sobreposição entre o núcleo e os modos da bainha.
Na figura 13, é exposta a resposta em comprimento de onda, de uma rede de período longo, à
variação de índice de refracção, ocorrida aproximadamente para um intervalo de 1.44 – 1.456
23
[18,19]. A rede possui 40 mm de comprimento, período de 400 µm, fabricada em fibra óptica co-
dopada de boro–germânio de comprimento de onda de corte de 650nm, tendo sido submersa em
vários óleos com diferentes índices de refracção.
Figura 13 - (a) Desvio em comprimento de onda induzido pela variação de índice de refracção, R.I. do meio que envolve a fibra (a LPG foi fabricada com um período de 400 µm em fibra dopada com
boro-germânio); (b) transmissão no pico de atenuação da rede [18].
Por observação dos gráficos apresentados na figura 13, verifica-se que para um valor de índice de
refracção acima destes limites não há resposta em termos de comprimentos de onda. Para um valor
de índice de refracção de 1.456 (índice de refracção da bainha) a banda de atenuação desaparece.
Para valores superiores ao índice de refracção da bainha, as bandas de atenuação no espectro de
transmissão reaparecem para comprimentos de onda ligeiramente superiores. A razão para esta
alteração espectral tem sido atribuída às diferenças na natureza do mecanismo de reflexão de
24
Fresnel e da reflexão interna total (modos guiados na bainha). Para um maior aumento do índice
de refracção do meio, não ocorrem variações significativas no comprimento de onda central da
banda de atenuação [18,19].
As fibras com núcleo de sílica pura, cuja bainha é dopada com flúor de forma a reduzir o seu
índice de refracção, apresentam vantagens relativamente a fibras tradicionais. Foi demonstrado que
a sensibilidade à temperatura de redes induzidas por arco eléctrico é inferior à apresentada por
redes escritas noutros tipos de fibras. Este facto ajuda a reduzir o efeito da sensibilidade cruzada
durante a medição [41].
3.5 Dispositivos Refractómetros Baseados em Redes de Período Longo
Nos últimos anos, o desenvolvimento de dispositivos para medição do índice de refracção tem sido
alvo de grande interesse para aplicações em processos industriais e controlo de qualidade, análises
biomédicas, e monitorização ambiental. Neste contexto, as redes de período longo apresentam
vantagens, sendo extremamente sensíveis a alterações de índice de refracção do meio onde estão
imersas. Contudo, embora o uso deste tipo de dispositivos seja vantajoso, a sua aplicação como
elemento sensor é limitada, uma vez que a largura dos picos de atenuação (~ 10nm) não permite
obter uma boa resolução. Neste contexto, diversos autores têm proposto diferentes configurações
de refractómetros baseados em LPGs [4,8,17-19,42].
A configuração simples, que consiste numa fonte de luz, um LPG imerso num líquido e um
analisador de espectros ópticos, tem sido estudada por diversos autores [4,8]. Lee et al demonstrou
um novo método de análise para determinar o desvio espectral de uma LPG em função do índice
de refracção do meio [43]. A alteração deste parâmetro com a variação do comprimento de onda da
banda de atenuação do LPG foi apresentada por Patrick [17].
O efeito da espessura de uma camada de material depositado sobre a rede na resposta da mesma foi
também indagado [34]. Um filme fino de material orgânico foi depositado sobre uma LPG através
da técnica Langmuir–Blodgett, a qual permite elevada resolução de controlo da espessura do filme
através da deposição de camadas moleculares. O comprimento de onda central e o valor mínimo de
transmissão da banda de atenuação da LPG, podem depender da espessura e do índice de refracção
da camada de material depositado, mesmo quando o índice de refracção desta é superior ao da
bainha [18,34]. Foi observado que, para filmes de índice de refracção superior à bainha, o
25
comprimento de onda e a amplitude da banda de atenuação exibem uma sensibilidade muito
elevada quando a espessura do filme é da ordem de poucas centenas de nanometros. Para materiais
de índice de refracção abaixo do valor exibido pela bainha, a sensibilidade à espessura do filme é
consideravelmente reduzida.
A sensibilidade ao índice de refracção foi também utilizada para aumentar e reduzir a sensibilidade
de LPGs a variações de temperatura. Envolvendo a rede de período longo com um líquido de
elevado coeficiente termo-óptico a resposta da rede resulta da variação da temperatura e da
variação do índice de refracção do meio envolvente. Se o material tem um coeficiente de expansão
térmica negativo, então a variação de índice de refracção do revestimento induz um desvio do
comprimento de onda ressonante da banda de atenuação para a zona do vermelho. Se a bandas de
atenuação têm sensibilidade à temperatura positiva, então os dois efeitos adicionam-se para
aumentar a sensibilidade à temperatura. Se, no entanto, o material tem um coeficiente termo-óptico
positivo, então um aumento na temperatura origina um deslocamento para o azul da banda de
atenuação, reduzindo a resposta global à temperatura nessa banda.
Quando duas LPGs idênticas são gravadas próximo uma da outra, podem ocorrer duas situações
diferentes: a formação de um padrão de franjas de interferência ou uma rede de período longo com
desvio de fase (LPG-PS) [18].
A formação de um padrão de interferências surge quando a separação entre as duas redes, L, é
superior ao período da rede. Como o padrão de interferência tem informação sobre o núcleo e a
bainha, inspeccionando este padrão é possível obter informação sobre o índice de refracção do
materiais constituintes. Na figura 14, pode ser visualizado um padrão de franjas nas bandas de
atenuação.
26
(b)
(a)
Figura 14 - Espectro de transmissão de um par de redes LPG em série com espaçamento; (a) de 50 mm; (b) 190 mm [18].
A formação de um padrão de franjas de interferência pode ser compreendida recorrendo à figura
15(a). Uma parte de luz incidente que se propaga no modo fundamental do núcleo da fibra é
acoplada para os modos da bainha quando atravessa a primeira LPG. A radiação propaga-se então
para a segunda LPG através de duas vias: do núcleo e da bainha. A radiação proveniente destes
dois caminhos ópticos interfere, actuando como um interferómetro Mach-Zehnder em fibra [46].
Dos dispositivos interferométricos baseados em fibra, esta é a configuração mais usual em que um
dos braços actua como sensor e o outro como referência.
(a)
(b)
(c)
Figura 15 – Configuração de refractómetros baseados em: (a) dois LPGs idênticos; (b) um LPG e um espelho (interferómetro de Michelson); (c) um LPG com um splice desalinhado [44].
27
Gwandu et al propôs um esquema compacto para medição simultânea da temperatura e índice de
refracção do meio usando duas redes de período longo gravadas em fibra de dupla bainha
hidrogenada [45]. Foi também demonstrado que a utilização de duas LPGs em configuração de
Mach-Zehnder numa fibra monomodo aumenta a sensibilidade à variação de índice de refracção
do meio que envolve a fibra entre as duas LPGs [46].
Quando a distância entre as redes é suficientemente pequena, isto é, L<Λ, o atraso de fase origina
as designadas phase-shifted LPGs (LPG-PS). Em particular, quando é introduzido no centro da
rede um desvio de fase de π, o mínimo convencional da LPG torna-se o máximo e surgem duas
novas bandas de atenuação. Este é o resultado da conversão da interferência destrutiva em
interferência construtiva no comprimento de onda de phase-matching devido à introdução de um
desvio de fase de π no centro da rede. Bakhi et al [47] demonstrou a primeira rede de período
longo com desvio de fase e Ke et al [48] apresentou uma análise teórica da resposta espectral da
LPG com um ou vários desvios de fase. Vandana Mishra et al propôs a utilização de duas LPGs
em configuração de Mach-Zehnder para a medição do nível de salinidade de líquidos [49]. Este
sistema apresenta uma melhor resposta espectral quando comparada com um único LPG.
A configuração de redes de período longo em série tem sido usada como sensores de curvatura
[50], índice de refracção externo [46,51] e temperatura [52]. Quando se utiliza LPGs em série para
medição de índice de refracção, o efeito deste parâmetro consiste na diminuição da visibilidade das
franjas e alteração do comprimento de onda central, de forma similar ao observado para um único
LPG.
Com vista à medição de salinidade, Swart apresentou um interferómetro compacto (interferómetro
de Michelson) [53]. Este obtém-se revestindo com um dieléctrico ou filme fino de metal a
extremidade da fibra que contém a LPG, formando assim um espelho (figura 15.(b)). A dupla
passagem da radiação através da rede permite a geração de franjas de interferência características
das LPGs em série [53-54]. Esta estrutura simples tem as mesmas propriedades espectrais que um
par de LPGs em configuração Mach-Zehnder, contudo oferece vantagens, tais como, sensibilidade
acrescida, operação em reflexão e menor complexidade.
A configuração em que o acoplamento de luz do núcleo para os modos da bainha é feito através de
uma junção de fibra (splice) desalinhada foi relatada por Dong et al, como ilustrado na figura
15.(c) [55].
28
Jin-Fei et al [56] relatou a fabricação e caracterização de um sensor, com elevada sensibilidade à
variação de índice de refracção, baseado num par de redes de período longo em que foi reduzida a
secção da fibra entre eles (FTS-LPGP-fiber-taper seeded LPG pair). O seu princípio de
funcionamento está esquematizado na figura 16. Esta configuração permitiu o aumento por um
factor de cinco da sensibilidade à variação do índice de refracção do meio externo
comparativamente à configuração convencional [56].
Figura 16- Diagrama esquemático de um FTS-LPGP (fiber-taper seeded LPG pair) [56]
Allsop et al [57], demonstrou que uma configuração Tapered-LPG tem uma elevada sensibilidade
espectral a variações de índice de refracção em fluidos. Esta configuração baseia-se na escrita de
uma rede de período longo centrada no taper.
Uma cabeça sensora refractométrica baseada em redes de período longo com desvio de fase
escritas por descargas de arco eléctrico foi apresentada por Rosane et al [58]. Foram estudadas as
configurações em reflexão e transmissão. Para a reflexão o diapositivo obteve um melhor
desempenho relativamente à transmissão.
Em síntese, neste capítulo, foi feita uma análise da aplicação de redes de período longo como
elemento sensor de diversos parâmetros físicos, tais como, índice de refracção, temperatura e
deformações mecânicas como tensão e curvatura. Quando as LPGs são sujeitas a alterações nos
referidos parâmetros o seu espectro de transmissão é alterado. Esta propriedade é útil no domínio
do sensoriamento, pois através da monitorização do desvio dos comprimentos de onda ressonantes
do espectro da rede é possível medir a alteração de um ou mais parâmetros físicos. O tipo de fibra
e os parâmetros de escrita da rede afectam a sensibilidade.
Foi ainda discutida a resposta de uma rede de período longo a variações de índice de refracção do
meio externo, tendo em conta a influência do valor de índice de refracção da bainha. Foram
apresentadas diversas configurações baseadas em LPGs destinadas à medição de índice de
refracção.
29
4 Formulação Matemática
Neste capítulo serão apresentados modelos teóricos que visam projectar redes de período longo e
interpretar a resposta destas à variação do índice de refracção do meio que a envolve. O capítulo
inicia-se com uma breve descrição da teoria de acoplamento de modos, seguindo-se a
determinação das constantes de propagação dos modos do núcleo e bainha e respectivos índices de
refracção efectivos. Por fim é feita a simulação do espectro de transmissão de uma rede de período
longo.
4.1 Teoria de Acoplamento de Modos
O espectro de transmissão da rede pode ser obtido através da teoria de acoplamento de modos.
Para tal é necessário resolver as respectivas equações, tendo em conta o tipo de interacção que
ocorre no núcleo da fibra. Tal como já foi referido anteriormente, as redes de período longo são
dispositivos que operam no modo de transmissão e permitem o acoplamento do modo fundamental
do núcleo para os modos da bainha a um comprimento de onda de acoplamento dado pela
condição de ressonância (2.7).
Uma perturbação dieléctrica (como, por exemplo, redes em fibra) determina as condições de
propagação de modos específicos. Em redes uniformes o acoplamento ocorre entre dois modos: o
modo fundamental (LP01) do núcleo da fibra e o modo de reflexão contra-propagante (para o caso
das redes de Bragg) ou entre o modo fundamental do núcleo e o modo co-propagante da bainha da
fibra (redes de período longo). A teoria de acoplamento de modos descreve a interacção que ocorre
entre esses modos.
31
A alteração na amplitude do modo µ que resulta do acoplamento ao modo ν na presença da
perturbação dieléctrica pode ser descrita por [59],
( ) ( ) ( ) ( )exp expt z t zdAi A K K i z i B K K i z
dzµ
ν νµ νµ ν µ ν νµ νµ ν µν ν
β β β β⎡ ⎤ ⎡= + − + − − + ⎤⎣ ⎦ ⎣∑ ∑ ⎦ (4.1)
( ) ( ) ( ) ( )exp expt z t zdBi A K K i z i B K K i z
dzµ
ν νµ νµ ν µ ν νµ νµ ν µν ν
β β β β⎡ ⎤ ⎡= − − − − − − + ⎤⎣ ⎦ ⎣∑ ∑ ⎦ (4.2)
onde é a amplitude do modo de campo transverso que se propaga para a direita (direcção
positiva de z), é a amplitude do modo de campo transverso que se propaga para a esquerda
de z (direcção negativa de z) e e são os coeficientes de acoplamento transverso e
longitudinal, respectivamente, entre os modos ν e µ.
)(zAµ
)(zBµ
tKνµzKνµ
A primeira aproximação feita às equações (4.1) e (4.2) despreza os coeficientes de acoplamento
longitudinal, , porque são substancialmente menores que os transversos na situação habitual de
propagação aproximadamente paraxial. A segunda aproximação consiste em não considerar o
acoplamento entre modos da bainha, incluindo o self-scattering que resulta na perturbação da
constante de propagação (ou evolução de fase) do modo. Assim, a perturbação de índice existe
apenas no núcleo da fibra.
zKνµ
Com estas aproximações, as equações de acoplamento de modos (4.1) e (4.2) que descrevem as
interacções co-propagantes numa rede de período longo são simplificadas para,
(01 01 1 01 1 01exp 22
coco co co cl co cl cl codA mi A i A i
dz ν ν νν
κ κ− −− −
⎛ ⎞= + −⎜ ⎟⎝ ⎠
∑ )δ −− (4.3)
(∑⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
+= −−
−−
ννν
ν δκ ziAmidz
dA coclcococlcl
011011 2exp2
) (4.4)
onde coA e são as amplitudes para o modo do núcleo e para o modo ν da bainha, clAν 01 01co coκ −
− e 1 01cl coνκ −
−
definem o coeficiente de acoplamento entre modos núcleo–núcleo e núcleo-bainha. Sendo o
detuning parameter para as interacções co-propagantes dado por
32
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
Λ−−=−
−πββδ νν
221
101011clcococl (4.5)
4.2 Índices Efectivos dos Modos
Nesta secção é feita a determinação do índice de refracção efectivo do modo do núcleo e dos
modos específicos da bainha. A determinação dos modos da bainha é feita com base no modelo de
duas camadas, proposto por Vangsarkar [4].
4.2.1 Índice Efectivo do Modo do Núcleo
Para a determinação do índice de refracção efectivo do modo fundamental do núcleo, considere-se
uma LPG, escrita em fibra monomodo, cuja geometria assumida consiste em dois cilindros
concêntricos com um perfil de índice de refracção em degrau (figura 17).
aco – Raio do núcleo
acl – Raio da bainha
nco – Índice de refracção do núcleo
next
ncl
acl
aco
nco
ncl – Índice de refracção da bainha
next – Índice de refracção do meio
Figura 17 – Secção transversal de um guia de onda circular.
Como as expressões do campo electromagnético para modos guiados são difíceis de derivar, o
índice de refracção do modo fundamental é geralmente determinado através da weakly guided field
aproximation. Esta aproximação foi introduzida em 1971 por Gloge [60] e assume que a diferença
entre o índice de refracção do material do núcleo, nco, e o da bainha, ncl, é muito pequena, o que
permite obter soluções simples para a equação característica do guia de onda.
Nesta análise, a variação do índice de refracção do meio externo à fibra não afecta o modo que se
propaga no núcleo, ou seja, o modo fundamental. Para um comprimento de onda λi, o modo
fundamental (HE) é obtido através da equação (4.6) 33
)()(.
)()(.
11 com
comco
com
comco wK
wKwuJ
uJu−−
= (4.6)
onde Jm , Jm-1 são as funções de Bessel de primeira ordem, de ordem m e m-1 respectivamente, K
representa a função de Bessel modificada de segunda ordem e uco e wco são os números de onda
transversos normalizados. Para o modo do núcleo HE, em que m=1 a constante de fase transversa
normalizada é dada por:
2/1222 )..( cocococo nkau β−= (4.7)
e a constante de atenuação transversa do núcleo é dada por
2/1222 ).( cocococo nkaw −= β (4.8)
onde aco representa o raio do núcleo, βco a constante de propagação do modo do núcleo e λπ2
=k .
Por seu lado, uco e wco podem ser escritas em termos do número V
( )2 22 coco cl
aV n
πλ
⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
n− (4.9)
e do índice efectivo normalizado,
22
22,
2
2
1clco
clcoeffco
nnnn
Vu
b−
−≈⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= (4.10)
sendo
bVuco −= 1 (4.11)
e,
bVwco = (4.12)
34
Estas expressões mostram que uco e wco são funções que apenas dependem de parâmetros físicos da
fibra que, em conjunto com a equação (4.6), podem ser usadas para determinar o índice efectivo do
modo do núcleo, tal que ncl < neff,co< nco.
A constante de propagação do modo fundamental pode ser escrita em termos de uco e da constante
de propagação de espaço livre, k, como
( )2
2 coco co
co
ukn
aβ
⎛ ⎞= − ⎜ ⎟
⎝ ⎠ (4.13)
Pelo que o índice efectivo do modo do núcleo é dado por
kn ico
icoeff)()(,
λβλ = (4.14)
4.2.2 Índices Efectivos dos Modos da Bainha
Segundo a literatura, a determinação do índice efectivo dos modos da bainha é conseguida através
da aplicação de modelos que consideram diferentes geometrias de fibra: o modelo de dupla
camada, proposto por Vangsarkar, et al [4] e o modelo de tripla camada [16]. O modelo de dupla
camada considera basicamente a bainha e o núcleo como uma fibra multimodo e o meio
envolvente como uma nova bainha apenas na região do LPG. Aplicação deste modelo é apenas
correcta para os casos em que next< ncl. Para o caso em que next>ncl, a determinação dos modos da
bainha é conseguida através do modelo de tripla camada. Nesta secção é feita a determinação dos
índices de refracção efectivo dos modos da bainha, utilizando a aproximação do modelo de dupla
camada [4].
Os índices efectivos dos modos da bainha são dependentes do índice da própria baínha e da
variação do meio externo que a envolve, next. Isto significa que para o modo m da bainha, o
comprimento de onda para o qual ocorre o acoplamento é alterado com a variação do índice de
refracção do meio que envolve a fibra.
35
Usando o modelo de dupla camada [4], em que next<neff,cl<ncl, a constante de propagação, clβ , dos
modos da bainha é dada por,
( )2
2m
m clcl cl
cl
ukn
aβ
⎛ ⎞= − ⎜ ⎟
⎝ ⎠ (4.15)
Os números de onda correspondentes ao modelo de dupla camada bainha-meio são definidos por,
( ) 2/1222 .. ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ −= m
clclclmcl nkau β (4.16)
( ) 2/1222
. ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ −= ext
mclcl
mcl nkaw β (4.17)
Portanto, o índice efectivo do modo m da bainha é dado por
kn i
mcl
im
clneff)()(,
λβλ = (4.18)
4.3 Comprimentos de Onda Ressonantes Obtidos em Função da Periodicidade da Rede
Conhecendo o índice efectivo dos modos do núcleo e bainha é possível determinar o comprimento
de onda ressonante para um período de rede específico. Isto pode ser determinado a partir da
equação de ressonância (2.7).
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡ −Λ−
−=
Λ
λ
λλ
λλλ
d
mcldncodn
mclncon
dresd
)()(1
)()( (4.19)
36
A figura 18 apresenta o gráfico obtido para o comprimento de onda de ressonância em função do
período da LPG, para os modos LP da bainha de 1 a 10.
LP10 LP08 LP07 LP06 LP05 LP04 LP03 LP02
LP01
Figura 18 - Gráfico teórico do comprimento de onda ressonante em função do período da LPG para o acoplamento entre o modo guiado do núcleo e a ordem dos modos da bainha de 1 a 10.
4.4 Espectro de Transmissão da Rede
Após a determinação das constantes de propagação dos modos, o espectro de transmissão de uma
única rede de período longo pode então ser simulado. A exactidão da modelação dos espectros da
transmissão pode ser verificada através da análise de um número de características espectrais
únicas das redes de período longo. Em particular, o período da rede determina o comprimento de
onda ressonante e o comprimento da rede afecta a largura e profundidade das bandas de atenuação.
A solução para a equação 4.3 pode ser expressa em termos da matrix F (2x2) [61]
37
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡=
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
)0(
)0(
)(
)(mclAcoA
FLm
clA
LcoA (4.20)
Onde L é o comprimento da rede. F é dada por
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+−
−
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
Λ−−
Λ+−=
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
zsenizzsenkie
zsenkiezseniz
ze
zieF
γγδγγ
γφ
γγ
φγγδγ
πβ
πβ
cos
cos.
)/(0
0)/(
. (4.21)
onde φ é a fase da rede, 22 k+= δγ e ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ += m
clco βββ21
Na figura 19, é apresentado o espectro de transmissão simulado para uma rede de período longo
induzida em fibra Corning SMF 28, para um período de 540 µm e 22 mm de comprimento.
1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750-4
-3
-2
-1
0
1
Tran
smis
são
(dB
)
Índice de refracção
Figura 19 – Simulação do espectro de transmissão de uma rede de período longo obtida para fibra
Corning SMF-28 com um período de 540 µm e 22 mm de comprimento.
38
5 Encapsulamento do Sensor
O encapsulamento do elemento sensor foi desenvolvido com a finalidade de tornar o sistema mais
robusto e livre de deformações mecânicas da fibra, as quais podem interferir no valor medido.
Uma vez que o sensor irá ser inserido na Ria de Aveiro, ecossistema onde são introduzidas
constantemente porções de matéria orgânica e onde existe uma elevada concentração de partículas,
é indispensável a existência de um sistema de filtração. Este evita a acumulação de partículas em
redor do sensor e, consequentemente, interferência no valor mensurado.
5.1 Requisitos Mecânicos
Neste trabalho pretendeu-se projectar um dispositivo mecânico com as funções de suportar e alojar
um sensor para medição de salinidade e temperatura, inserido e formando continuidade com uma
fibra óptica de 128µm de diâmetro. O sistema desenvolvido destina-se a operar mergulhado a meia
profundidade na Ria de Aveiro, intercalado no cabo óptico de protecção à fibra óptica. O seu
formato cilíndrico permite a inserção exterior de uma membrana para filtragem de lamas e uma
grelha mecânica de protecção. O elemento sensor será rodeado por espaço livre suficiente para
promover o fluxo de água corrente permitindo que a medição da salinidade seja actualizada. O
cabo óptico é fixo em ambas as extremidades através do bloqueio de fibras de suporte mecânico,
deixando um vão de cerca de 11 cm com a bainha da fibra óptica exposta. O dispositivo permite a
regulação da tensão na fibra óptica através de uma mola.
Na figura 20 está ilustrado o esquema do dispositivo sugerido neste trabalho.
39
6 5
4
2
8
3
7
1
1. Semi-bloqueador do cabo óptico 2. Tampa do Cilindro 3. Mola (regulador de tensão na fibra) 4. Semi-bloqueador da fibra óptica
5. Anel roscado pequeno 6. Êmbolo 7. Cilindro (suporte da membrana) 8. Anel roscado de fixação
Figura 20 - Esquema do dispositivo mecânico proposto neste trabalho.
A fibra com cabo óptico é fixa ao dispositivo através do bloqueador de cabo (1) e da tampa do
cilindro (2) onde segue exposta. Segue-se então, a colocação da mola (3). O outro extremo da fibra
exposta (zona da rede) é fixa através do semi-bloqueador da fibra óptica (4) o qual, por sua vez, é
fixo no êmbolo (5) através do anel roscado pequeno (6). Após a fixação da fibra óptica exposta nas
duas extremidades é possível regular a tensão exercida pela mola. O conjunto é inserido no
cilindro (7) e este é fechado através de tampas, mantidas por anéis roscados de fixação (8) e de
porcas. O cilindro contém bainhas cuja função é impedir a torção da fibra.
A extremidade do cilindro é utilizada como suporte das membranas (ver secção 5.2) que impedem
a entrada de lamas para o interior da estrutura.
Na figura 21 é apresentado o protótipo desenvolvido neste trabalho. Uma descrição mais
pormenorizada deste protótipo e a sequência de montagem e desmontagem são fornecidas no
anexo A.
40
Figura 21 - Dispositivo mecânico proposto neste trabalho.
A selecção dos materiais foi feita tendo em consideração os factores custo, peso do dispositivo e
sua resistência à corrosão.
Dimensionamento da Mola
No dimensionamento de uma mola de compressão há, em geral, que atender aos seguintes factores:
• Espaço disponível para alojar a mola.
• Satisfação dos requisitos de rigidez.
• Enquadramento dos valores de deslocamento e força máxima relativamente aos valores
impostos pelo projecto.
A mola helicoidal utilizada no dispositivo foi dimensionada impondo uma força (à compressão) de
20 g com um diâmetro de 40 mm (Anexo B).
41
5.2 Sistema de Filtração
O processo de filtração a utilizar baseia-se essencialmente na passagem do fluido através de um
material permeável ou poroso. O encapsulamento proposto para o sensor envolve dois níveis de
filtração: um capaz de reter partículas de maior dimensão e outro para lama existente na Ria. Para
a filtração das partículas de maior dimensão é usada uma rede de malha estreita de forma a impedir
a deposição de lixos ou algas.
A filtração das lamas é conseguida através do processo de separação por membranas. Este consiste
em fazer escoar um líquido através de uma membrana, que age como barreira selectiva e quando
submetida a uma pressão, forçada ou natural, conduz à passagem de líquido e dos compostos de
menor dimensão através dos seus poros.
As membranas podem ser fabricadas com material orgânico ou inorgânico. As membranas de
material inorgânico exibem maior resistência mecânica, térmica e química e possuem um tempo de
vida útil mais longo. As membranas inorgânicas podem ser cerâmicas (de óxidos de zircônio,
alumínio ou titânio), de metal e grafite. A eficiência da membrana depende de vários factores, tais
como, das propriedades da membrana e do fluido e das condições operacionais (pressão,
temperatura, turbulência) [62].
A estrutura morfológica, por sua vez, refere-se essencialmente à densidade e porosidade (tamanho,
número e dimensão dos poros) das camadas constituintes da membrana. A porosidade, a espessura,
o diâmetro dos poros e a permeabilidade são factores importantes na escolha da membrana. Estas
características dependem do material de que é feita e da técnica de fabrico. Quanto maior a
porosidade menor será a resistência ao fluxo de fluido através da membrana. De modo geral, a
classificação das membranas baseia-se na estrutura e no mecanismo de separação.
Quanto à estrutura, as membranas podem ser porosas ou não porosas, e simétricas ou assimétricas,
como pode ser ilustrado na figura 22. As membranas anisotrópicas são caracterizadas por
apresentarem uma camada muito fina, mais fechada, suportada por uma camada porosa. No caso
de membranas porosas, a dimensão dos poros e a sua distribuição irá determinar que partículas ou
moléculas serão retidas pela membrana [62].
42
(a) (b)
Assimétrica Simétrica Não porosa Porosa
Figura 22 - Representação esquemática de: (a) membranas porosas e não porosas; (b) membranas porosas simétricas e assimétricas [62].
De entre os diversos processos de separação por membranas existentes, apenas abordamos os
processos de microfiltração e ultrafiltração. Estes processos diferenciam-se entre si principalmente
na dimensão do poro e pressão necessária para operação.
A microfiltração pode ser definida como um processo da separação do sólido-líquido através da
utilização de membranas com poros de diâmetros entre 0.1 a 2.0µm, e opera com pressões entre
0.2 e 2.0 bar dependendo do produto a ser filtrado. O filtro é uma membrana microporosa. Esta
técnica permite reter partículas suspendidas, bactérias e alguns iões [62].
O processo de ultrafiltração opera com pressões entre 2.0 e 7.0 bar e utiliza membranas com
microporos de 1 a 100nm, que permitem a passagem de moléculas pequenas (água, sais) retendo
todos os sólidos suspensos incluindo turvação e microrganismos. O fluxo através da membrana é
controlado mediante a pressão exercida sobre o líquido. A principal limitação deste processo é a
colmatação da membrana, que ocorre quando as partículas a filtrar se depositam no seu interior
conduzindo a um decréscimo na capacidade de filtração. A escolha de uma membrana com poros
de dimensão inferior à granulometria das partículas a filtrar e sujeita a um gradiente de pressão,
evita este fenómeno. As condições de operação, tais como, o fluxo, a velocidade do concentrado
nos poros e pressão são também factores que influenciam o grau de colmatação das membranas. A
aplicação de um gradiente de pressão na membrana em contacto com a solução promove um fluxo
do fluido através dessa membrana [62].
As principais vantagens dos processos de separação com membranas são:
• Elevada selectividade a partir do uso de um só processo ou do acoplamento de processos;
• Em geral, estes processos operam à temperatura ambiente, não sendo necessário alterar a
temperatura do fluido para promover a separação das fases;
• Baixo consumo de energia: promovem a separação sem que ocorra mudança de fase;
• Facilidade em combinar com outros processos.
43
A principal desvantagem é o seu custo elevado. Contudo, os custos associados à aplicação desta
tecnologia têm-se reduzido consideravelmente, uma vez que as membranas são produzidas em
maior escala, existe um maior número de empresas no mercado e, quando bem aplicadas, as
membranas apresentam maior tempo de vida útil e fluxo permeado mais estável e elevado.
5.3. Limpeza e Manutenção
A grande quantidade de lama existente na Ria de Aveiro facilita a aglomeração de lamas no
interior do dispositivo e consequentemente a obstrução do filtro, reduzindo a sua eficiência. Um
aspecto crucial tido em conta no projecto da estrutura da cabeça sensora é a facilidade de limpeza
do dispositivo. Esta deverá ocorrer após o maior período de tempo possível de operação.
A utilização de membranas de detrimentos em sistemas com filtros convencionais permite operar
em instalações independentemente do meio em que são inseridas. Contudo, para que a membrana
desempenhe as suas funções de forma satisfatória, os cuidados a ter com as membranas são
fundamentais. Quando o escoamento diminui abaixo de um certo nível deve-se efectuar a operação
de limpeza da membrana, a qual permitirá a sua desobstrução, retirando o material acumulado na
sua superfície. Para tal, o responsável pela manutenção do sensor deve realizar os procedimentos
relatados no anexo A, pela ordem indicada. No referido anexo é descrita a sequência das operações
de montagem/desmontagem, substituição dos filtros e limpeza do protótipo desenvolvido.
44
6 Metodologias
Neste capítulo são apresentadas as condições criadas para a realização dos diagnósticos tendo
como objectivo o estudo de redes de período longo na monitorização ambiental.
São definidas as condições, procedimentos, montagens e é apresentada uma descrição genérica dos
equipamentos.
Os valores e observações resultantes são apresentados no capítulo 7.
6.1 Sistema de Caracterização de Redes de Período Longo
Nesta secção, é feita a caracterização de redes de período longo induzidas em dois tipos de fibras
ópticas, em fibra com núcleo de sílica pura e bainha dopada com flúor (Oxford Electronics, SMPS
1300-125 P) e em fibra monomodo padrão de núcleo de sílica dopada com germânio (Corning
SMF-28). A caracterização das referidas redes foi feita quanto à influência da variação da
temperatura e do índice de refracção do meio que envolve a rede.
6.1.1 Sensibilidade ao Índice de Refracção do Meio Envolvente
A montagem experimental utilizada para a caracterização das redes de período longo à variação de
índice de refracção é apresentada na figura 23, e consiste num recipiente com quatro saídas, duas
das quais para a inserção da fibra e as restantes para introduzir e retirar a solução que se deseja
analisar. A rede é fixa nas extremidades do recipiente de forma a garantir que permaneça imersa
durante a aquisição dos diferentes espectros. Uma fonte óptica de espectro largo (Photonetics –
Fiber White), com emissão centrada em 1550 nm, em simultâneo com um analisador de espectros
ópticos (OSA, ANDO AQ 6330) permitiram monitorizar a evolução da resposta espectral em
transmissão da rede de período longo. Através da ligação directa da fonte ao analisador de
45
espectros foi igualmente obtido o espectro de transmissão da fonte laser. Para a aquisição dos
espectros das redes o analisador de espectros foi ajustado com uma resolução de 0.1nm.
igura 23 - Montagem experimental utilizada para verificar a resposta da rede à alteração do índice
As soluções utilizadas, na calibração das rede à variação do índice de refracção do meio,
Fde refracção do meio que envolve a rede.
s
consistem numa mistura de água e etileno glicol puro, em que a variação de volume deste permitiu
obter diferentes índices de refracção. Através de um refractómetro de Abbe (figura 24) foram
obtidos os valores de índice de refracção das diferentes soluções utilizadas na calibração do sensor.
Figura 24 - Refractómetro de Abbe.
46
De seguida, procedeu-se à det de etileno glicol utilizada na erminação da quantidade volúmica
preparação das soluções. A dependência do índice de refracção com a concentração de mistura de
etileno glicol segue a lei empírica [9]
2( ) ( ) 0.111 eth
H Otot
Vn T n T
V= +
(6.1)
nde n é o índice de refracção da mistura, é o índice de refracção da água, e são o
volume do etileno glicol e total da mistura, respectivamente.
medição da variação espectral em comprimento de onda é um parâmetro necessário para a
6.1.2 Sensibilidade à Temperatura do Meio Envolvente
Para o processo de calibração térmica das redes foi utilizado um forno eléctrico fabricado pela
o OHn2
ethV OHV2
A
determinação do índice de refracção do meio que envolve a rede. Contudo, esta é sensível a outros
parâmetros, como temperatura e deformação longitudinal, que podem alterar os índices de
refracção efectivos do núcleo ou da bainha, ou ambos. Além disso, a temperatura também altera o
índice de refracção do meio em análise, gerando um erro na medição. Perante estas considerações,
é necessário recorrer a métodos que permitam evitar ou corrigir erros induzidos por parâmetros
externos durante a medição do índice de refracção do meio. Para tal, a rede permaneceu fixa pelas
extremidades e as medições de índice de refracção do meio externo foram realizadas à temperatura
ambiente.
Thermolab (ver figura 25), com um comprimento de 18 cm e 2 cm de diâmetro. O forno contém
dois aquecedores, um no centro e outro na extremidade, controlados separadamente através de
controladores Eurotherm 2216, de forma a controlar as variações de temperatura no seu interior. A
temperatura máxima de funcionamento é de 1300ºC.
47
Figura 25 - Forno tubular utilizado para caracterização das redes.
Com o objectivo de averiguar a sensibilidade da LPG à variação de temperatura, a rede foi
colocada no interior do forno fixa pelas extremidades, evitando assim a sua curvatura. Uma das
extremidades da fibra foi ligada a uma fonte de espectro largo (Photonetics – Fiber White), e a
leitura feita através de um analisador de espectros (ANDO AQ 6330). A aquisição dos espectros
das redes foi obtida com uma resolução de 0.1nm. As redes foram, então, sujeitas a um
aquecimento dos 25 aos 150º C, com incremento de 5ºC.
Na figura 26 encontra-se esquematizada a configuração utilizada.
LPG
Analisador de espectros Fonte de espectro largo
Forno
Figura 26 - Esquema da montagem utilizada para a calibração térmica das redes de período longo.
48
6.2 Processo de Erosão Química
No presente trabalho foi também estudada a sensibilidade de uma rede de período longo à variação
de índice de refracção do meio envolvente após ter sido sujeita a um ataque químico. Este foi
realizado com ácido fluorídrico (HF) de concentração de 40%, cuja taxa de erosão era de
aproximadamente 0,64 µm/min. Com a montagem apresentada na figura 27, foi efectuado o ataque
químico da bainha de uma LPG escrita em fibra Corning SMF-28 com o intuito de se obter maior
sensibilidade da rede.
Embora, antes de ser sujeita ao ataque químico, a fibra fosse resistente a ponto de não se quebrar,
após o ataque químico torna-se muito frágil e quebradiça, dificultando o seu manuseamento. Para
tal, foi criado um suporte em acrílico de forma a evitar a sua rotura.
A rede foi lentamente corroída, e durante este processo, foi feita a monitorização do espectro da
rede de forma a analisar o seu comportamento. Posteriormente, a rede foi lavada com água
destilada e, após essa lavagem, secada ao ar.
Figura 27 – Montagem experimental utilizada para monitorização do espectro da rede durante a
erosão da mesma (é também visível o suporte desenvolvido para a fibra).
Para medir o diâmetro da fibra após o ataque químico com o HF, optou-se por utilizar o
microscópio óptico do Departamento de Materiais do INETI. O microscópio óptico utilizado foi
um Axioplan 2 imaging, integrado a um computador com uma câmara de alta resolução Axiocam
HRc. A incerteza nas medições realizadas com este instrumento foi estimada como sendo ±1 µm.
49
6.3 Encapsulamento do Sensor
Com vista a analisar a influência da estrutura durante a medição dos diferentes parâmetros, foram
realizados testes em laboratório, visando o comportamento da rede quando colocada dentro e fora
da estrutura. Foi realizada a caracterização de uma rede de período longo induzida por arco
eléctrico em fibra monomodo padrão (Corning SMF-28).
6.3.1 Sensibilidade à Variação do Índice de Refracção do Meio
O estudo da sensibilidade da rede de período longo á variação do índice de refracção do meio foi
realizado de forma idêntica ao apresentado na secção 6.1.1. No entanto, devido à dimensão da
estrutura o recipiente onde foram colocadas as soluções de calibração era de tamanho superior. As
soluções de calibração consistiram na mistura de etileno glicol, análogas às apresentadas na secção
6.1.1
6.3.2 Sensibilidade à Temperatura do Meio Envolvente
A influência da estrutura na medição da temperatura foi realizada de forma idêntica à apresentada
na secção 6.1.2. No entanto, as dimensões da estrutura obrigaram à utilização de um forno
(Heracus). O controlo da temperatura do forno foi conseguido através de um sistema de controlo
de temperatura. Foi estudada a resposta das redes no intervalo de temperaturas de 25 a 100ºC, com
incrementos de 5ºC. Uma das extremidades da fibra foi ligada a uma fonte de espectro largo e a
leitura feita através do OSA.
Na figura 28, é possível observar a montagem experimental utilizada.
50
Figura 28 – Montagem experimental utilizada para testar o comportamento da rede de período longo quando colocada na estrutura desenvolvida.
6.3.3 Selecção das Membranas
A selecção das membranas utilizadas neste trabalho foi feita tendo em conta o ambiente onde serão
inseridas e mediante parâmetros bem definidos no catálogo Cole-Parmer, tais como, o material, a
espessura da malha e dimensão do poro.
Assim, foram seleccionados três tipos de membranas com aplicação em ambientes aquosos, duas
com malha de Nylon e outra com malha de fibra de vidro. As suas especificações são expostas na
tabela 1.
Tabela 1 – Especificações das membranas utilizadas neste estudo.
Espessura da malha
(µm)
Dimensão do poro
(µm)
Temp. max. (Amb. seco)
(ºC)
Temp. max. (Amb. aquoso)
(ºC) Filtro de Nylon* 78 100 115 100
Filtro de Nylon* 60 53 115 100 Filtro de fibra de
Vidro* 0.52 2.7 - -
* Especificações fornecidas pelo catálogo Cole-Parmer
As membranas mencionadas foram sujeitas a testes in situ com o objectivo de apurar qual a mais
adequada para aplicação no protótipo de encapsulamento. Para realizar o estudo em questão, foram
51
projectados suportes, os quais têm por base uma rede, aplicada em redor de duas tampas, sobre os
quais a membrana a testar é fixa (ver figura 29).
Figura 29- Suportes para testar membranas em situação de utilização na Ria de Aveiro.
O seu formato cilíndrico, com 11cm de comprimento e 4cm de diâmetro, possibilita que a
exposição da membrana às condições da Ria seja idêntica à sua aplicação no protótipo de
encapsulamento. Um dos topos de cada suporte contém uma rosca para que seja possível a sua
abertura para verificação da quantidade de lama contida no interior do suporte. As membranas são
colocadas em forma de manga permitindo o seu ajuste à rede. Na figura 30, é apresentada a
montagem da membrana no suporte para teste.
Figura 30– Montagem da membrana no suporte para teste.
52
Após a colocação das membranas nos suportes, estes foram mergulhados na Ria de Aveiro, onde
permaneceram imersos no período de um mês.
O estado de colmatação das membranas, foi realizado através de microscopia óptica. Para tal foi
utilizado o microscópio óptico citado na secção 6.2.
No interior dos suportes foi ainda colocada uma outra membrana com vista a analisar também a
quantidade de impurezas que trespassa o filtro.
53
7 Resultados e sua Análise
De acordo com a metodologia anteriormente citada, neste capítulo são apresentados e discutidos os
resultados experimentais obtidos.
O capítulo inicia-se com a caracterização de redes de período longo na variação de parâmetros
como a temperatura e o índice de refracção do meio que envolve a rede. São apresentados
resultados do estudo da configuração simples utilizando redes de período longo escritas através da
técnica de arco eléctrico em dois tipos de fibra (Corning SMF-28 e Oxford Electronics, SMPS
1300-125 P). É ainda analisada a influência da implementação do processo de ataque químico com
solução de ácido fluorídrico na sensibilidade de redes de período longo. É igualmente apresentado
o resultado da aplicação de uma rede de período longo com desvio de fase π, na medição da
variação do índice de refracção do meio externo.
Na parte final deste capítulo são apresentados os resultados obtidos do teste do protótipo de
encapsulamento desenvolvido neste trabalho. É feito um estudo comparativo visando a análise da
influência da estrutura na medição de parâmetros ambientais com e sem estrutura. Por último, são
expostos os resultados obtidos nos testes realizados a membranas com vista à sua aplicação como
sistema de filtração no protótipo desenvolvido.
7.1 Caracterização de Redes de Período Longo
7.1.1 Índice de Refracção
Nesta secção, é feita uma análise da sensibilidade de uma rede de período longo, escrita em fibra
com núcleo de sílica pura e bainha dopada com flúor (Oxford Electronics, SMPS 1300-125 P) a
variações de índice de refracção no meio envolvente. Os resultados são comparados aos obtidos
por redes escritas em fibra monomodo padrão de núcleo de sílica dopada com germânio (Corning
SMF-28). Para ambas as redes é estudada a resposta do modo situado na zona dos 1300, sendo
55
para a fibra de Corning o modo de ordem 2 e para a fibra de Oxford o modo de ordem 3. A rede
induzida por arco eléctrico na fibra Oxford possui um período de 750µm e foi sujeita a 40 disparos,
enquanto que a fibra padrão foi obtida com um período de 838µm e 43 disparos.
Os gráficos da figura 31 apresentam a evolução dos espectros em transmissão das redes à variação
do índice de refracção do meio que envolve a fibra. O intervalo de índices varia entre 1.33 e 1.423.
A montagem utilizada é descrita na secção 6.1.1 e, tal como foi referido, as medidas do espectro de
transmissão das redes foram obtidas quando as mesmas se encontravam mergulhadas em soluções
com diferentes índices de refracção. Para o caso da fibra Oxford foi utilizada como fonte óptica um
SLD (1320nm), que em simultâneo com um analisador de espectros ópticos permitiu monitorizar a
evolução da resposta e
spectral em transmissão da rede.
1280 1290 1300 1310 1320 1330 1340 13500.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
ar água pura 20% 40% 60% 80% glicol puro
Tran
smis
são
Nor
mal
izad
a
Comprimento de onda (nm)(a)
1290 1295 1300 1305 1310 1315 1320 1325 13300.00
0.04
0.08
0.12
0.16
Ar Água pura 20% 40% 60% 80% Glicol puro
Tran
siss
ão N
orm
aliz
ada
Comprimento de onda (nm)
(b)
Figura 31 - Resposta espectral em transmissão da ressonância, situada aproximadamente em 1300nm, da rede de período longo escrita em fibra: (a) Corning SMF-28; (b) SMPS 1300 Oxford
Electronics à variação do índice de refracção do meio envolvente.
56
Numa primeira análise dos gráficos, constata-se que com o aumento do índice de refracção ocorre
um deslocamento do espectro de transmissão para comprimentos de onda inferiores. Este facto
compreende-se através do aumento do índice de refracção efectivo dos modos da bainha, o qual, de
acordo com a condição de ressonância, origina valores menores de comprimentos de onda. Por
observação dos gráficos anteriores, verificam-se maiores deslocamentos para a rede de período
longo induzida em fibra Oxford relativamente à fibra padrão.
Na figura 32 é exposta a variação do desvio em comprimento de onda e da potência óptica
normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), em função da variação do índice de refracção externo.
1,32 1,34 1,36 1,38 1,40 1,42
-4
-3
-2
-1
0
Corning SMF 28Oxford SMPS-1300 (SiO2)
∆λ
(nm
)
Índice de Refracção1.32 1.34 1.36 1.38 1.40 1.42
-0.20
-0.16
-0.12
-0.08
-0.04
0.00
Potê
ncia
Nor
mal
izad
a
Índice de refracção
Oxford SMPS-1300 (SiO2)Corning SMF28
(a) (b)
Figura 32 - Variação: (a) do desvio em comprimento de onda e (b) da potência óptica normalizada em função da variação do índice de refracção do meio ambiente.
P1 e P2 são as potências ópticas nos comprimentos de onda a meia altura de cada lado da
ressonância central. Através da análise do gráfico apresentado na figura 32.(a), verifica-se que o
desvio é mais acentuado no caso da rede induzida em fibra com núcleo de sílica pura. Este facto
resulta da dopagem da bainha com flúor, que reduz a diferença entre o índice de refracção entre a
bainha e o meio que a envolve, aumentando assim a sensibilidade da rede. Em termos de
comprimento de onda, para a variação do índice de refracção no intervalo de 1.33 e 1.423, as fibras
Corning SMF-28 e Oxford Electronics apresentam declives de -14.4 e -42.3nm/UIR (UIR -
Unidade de Indice de Refracção), respectivamente.
O índice de refracção efectivo dos modos da bainha é fortemente dependente do diâmetro da
bainha. A redução do diâmetro da bainha causa o desvio correspondente no comprimento de onda
57
ressonante para todas as bandas de atenuação que aparecem no espectro de transmissão da rede de
período longo. A magnitude do desvio é função dos parâmetros da fibra, da profundidade do
ataque e da ordem das bandas de ressonância. Este conceito é claramente ilustrado na condição de
phase-matching (2.7), onde para um período fixo a alteração no índice de refracção efectivo do
modo m da bainha (i.e. ) resulta num novo comprimento de onda ressoante – o índice de
refracção efectivo do núcleo permanece inalterado. A redução do diâmetro da bainha desloca os
comprimentos de onda ressonantes dos modos de baixa ordem para valores de comprimento de
onda superiores.
mclneff
Com o objectivo de aumentar a sensibilidade de redes fabricadas em fibra Corning SMF-28, foi
realizado o processo de ataque químico, de forma a reduzir o índice efectivo dos modos da bainha.
A imagem obtida por microscopia óptica para a medição do diâmetro da fibra após ter sido sujeita
a um ataque químico com solução de ácido fluorídrico (HF) é apresentada na figura 33. O diâmetro
resultante do ataque químico foi de 118.8 ±1µm, sendo de referir que o seu diâmetro inicial era de
128 µm.
Figura 33 – Imagem obtida por microscopia óptica para medição do diâmetro da rede óptica após ter sido sujeita ao ataque químico.
O aumento na ordem dos modos também contribui para o aumento da sensibilidade da rede [63].
Este facto pode ser justificado pelo facto de os modos de ordem superior estarem distribuídos em
regiões mais próximas da interface com o meio exterior. Por esta razão, neste estudo vai ser
utilizado o modo de ordem 3, sendo este um modo adjacente e de ordem superior. Na figura 35 são
apresentados os perfis inicial e final da resposta espectral do modo de ordem 3 da rede induzida em
fibra Corning SMF-28 antes e após o processo de ataque químico.
58
1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 15900.0
0.2
0.4
0.6
0.8
antes da erosão após erosão
Potê
ncia
Nor
mal
izad
a
Comprimento de onda (nm)
Figura 34 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo induzida em fibra Corning SMF-28 antes e após estar sujeita ao ataque químico por solução de HF.
Por observação do gráfico, apresentado na figura 34, verifica-se um aumento acentuado no pico de
atenuação, assim como um desvio espectral de aproximadamente 23 nm para comprimentos de
onda superiores. Este desvio deve-se ao facto de a dimensão da bainha afectar directamente as
constantes de propagação dos modos da bainha, os quais influenciam os picos ressonantes em que
o acoplamento ocorre.
De forma similar ao realizado anteriormente, para averiguar a sensibilidade da LPG à variação de
índice de refracção no meio envolvente após ter sido sujeita ao ataque químico, foram efectuadas
medidas do espectro de transmissão da rede quando esta se encontrava mergulhada em soluções
com diferentes índices de refracção.
O gráfico da figura 35 mostra a alteração que ocorre no comprimento de onda central da banda de
atenuação do espectro de transmissão da rede para as diferentes soluções.
59
1557 1560 1563 1566 1569 1572 1575
-50
-45
-40
-35
ar água pura 20% 40% 60% 80% Etanol puro
Tras
nsm
issã
o (d
B)
Comprimento de onda (nm)
Figura 35 - Resposta espectral, da rede induzida em fibra Corning SMF-28, em transmissão às
variações de índice de refracção após ter sido sujeita ao ataque químico por HF.
Para a variação de índice de refracção do meio no intervalo entre 1.33 e 1.423 ocorreu um
deslocamento de 4.6nm para valores de comprimento de onda inferiores. Este resultado deve ser
comparado com o indicado na Figura 32-a, relativo à situação sem ataque químico, onde ocorreu
um deslocamento de 1.4 nm para a mesma variação de índice. Esta análise comparativa ilustra bem
o ganho de sensibilidade que pode ser conseguido com a diminuição do diâmetro da fibra.
Os gráficos apresentados nas figuras 36 e 37 derivam directamente da análise do pico central de
cada uma das curvas de atenuação apresentadas na figura 36. A evolução espectral da rede depois
de sujeita ao ataque químico, exposta na figura 36, revela o deslocamento característico das
ressonâncias da rede para menores cumprimentos de onda, quando o índice de refracção do meio
que envolve a fibra se aproxima do índice de refracção da mesma. A sensibilidade das redes é mais
elevada na região de índice de refracção do meio ambiente próximo do valor de índice de refracção
da bainha (ncl= 1.445, para fibras de sílica com núcleo dopado com germânio).
No intervalo de índice de refracção entre 1.33 e 1.42 a rede induzida em fibra Corning SMF-28,
após sujeita a um ataque químico, apresenta uma sensibilidade de -46.9nm/UIR.
60
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4-8
-6
-4
-2
0
∆λ (d
B)
Índice de refracção
Figura 36 - Desvio em comprimento de onda em função do índice de refracção do meio ambiente
da rede escrita em fibra padrão após ter sido sujeita a um ataque químico.
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4-52
-51
-50
-49
-48
-47
Potê
ncia
ópt
ica
(dB
)
Índice de refracção
Figura 37- Variação da potência óptica na ressonância em função do índice de refracção do meio
que envolve a rede escrita em fibra padrão após ter sido sujeita a um ataque químico.
A resposta à variação de índice de refracção do meio envolvente, das diferentes redes estudadas
anteriormente, é comparada na figura 38.
61
1.34 1.36 1.38 1.40 1.42-5
-4
-3
-2
-1
0
Corning SMF 28Corning SMF 28 corroidaOxford SMPS-1300
∆λ
(nm
)
Indice de refracção
Figura 38 - Resposta das diferentes LPGs à variação de índice de refracção do meio envolvente.
Com base nos resultados obtidos, é possível concluir que a implementação do processo de ataque
químico promoveu um aumento da sensibilidade da rede escrita em fibra Corning SMF-28, para
valores idênticos aos apresentados pela fibra especial Oxford.
De forma similar ao realizado anteriormente, foi analisada a sensibilidade de uma rede de período
longo com desvio de fase de π (LPG π-shifted) à variação do índice de refracção do meio que
envolve a rede.
A figura 39 apresenta o espectro de transmissão da LPG π-shifted escrita em fibra monomodo
Corning SMF-28 utilizando a técnica de arco-eléctrico.
O espectro de transmissão da rede com deslocamento de fase apresenta duas bandas de atenuação,
uma situada a 1543.2nm e outra em 1565.6nm e, entre as duas bandas de atenuação, um pico
localizado em 1554.2nm.
62
1530 1540 1550 1560 1570 1580
-20
-15
-10
-5
0
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
Figura 39- Espectro da rede LPG π-shifted em transmissão escrita em fibra monomodo Corning
SMF-28 utilizando a técnica de arco-eléctrico.
A figura 40 apresenta a resposta da LPG π-shifted à variação do índice de refracção externo, no
intervalo de comprimentos de onda em que a rede é evidenciada. Através da análise da figura,
verifica-se para o primeiro pico de atenuação, não apenas o deslocamento deste em comprimento
de onda, como também uma variação na potência transmitida. Com o aumento do índice de
refracção, ocorre o deslocamento das ressonâncias da rede para valores menores de comprimentos
de onda.
1530 1540 1550 1560 1570 15800.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Potê
ncia
ópt
ica
norm
aliz
ada
Comprimento de onda (nm)
Eth puro 40.1 ml28.4 ml22.5 ml18 ml 4.95 ml
Figura 40 - Resposta espectral em transmissão da rede LPG π-shifted escrita em fibra monomodo Corning SMF-28 à variação do índice de refracção do meio envolvente.
63
O desvio em comprimento de onda, ∆λ, da LPG π-shifted, em função da variação do índice de
refracção do meio externo para as três bandas de ressonância definidas anteriormente, é
apresentado na figura 41.
1.34 1.36 1.38 1.40 1.42 1.44-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
∆λ
(nm
)
Índice de refracção
1º Pico atenuação Pico central 2º Pico atenuação
Figura 41 – Desvio em comprimento de onda da LPG π-shifted quando o índice de refracção do
meio externo é alterado.
Os resultados obtidos no gráfico da figura 41, estão de acordo com os apresentados na literatura,
ocorrendo uma diminuição do comprimento de onda de ressonância com o aumento do índice de
refracção, sendo este inferior ao da bainha. Pode ser observado que para o intervalo de índice de
refracção entre 1.344 e 1.43 os picos de ressonância apresentam uma sensibilidade de -51.14
nm/UIR (1ºpico) -59.8nm/UIR (2ºpico) e de -56.15nm/RIU (pico central).
O segundo pico de atenuação exibe uma sensibilidade ligeiramente superior relativamente às
restantes ressonâncias. Este facto, deve-se à sua localização no espectro, ou seja, situa-se em
maiores comprimentos de onda relativamente às outras duas ressonâncias da LPG-PS.
A partir dos resultados da figura 42 pode-se obter os valores da função de transmissão
normalizada, 1 2( , )normT λ λ , para os pares ( ) ( ) ( ) ( )1558,1566,1544,1558,1544,1534, 21 =λλ nm, definindo a
seguinte função:
64
( ) ( ) ( )( ) ( )21
2121,
λλλλλλ
linearlinear
linearlinearnorm TT
TTT−−
≡ (7.1)
1.34 1.36 1.38 1.40 1.42 1.44-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
T norm
(λ1, λ
2)
Índice de refracção
(λ1,λ2) = (1534,1544) (λ1λ2) = (1558,1544) (λ1λ3) = (1566,1568)
Figura 42 – Variação da função 1 2( , )normT λ λ com o índice de refracção do meio externo para três
pares de comprimentos de onda.
65
7.1.2 Efeito da Temperatura
A dependência da temperatura no espectro das redes de período longo foi igualmente estudada.
Uma vez que a sensibilidade das redes de período longo a variações de temperatura é influenciada
pelo tipo de fibra, foi feita a calibração em temperatura de redes induzidas por arco eléctrico em
fibras Corning SMF-28 (Dcore=8.6µm, Dcl=128µm) e Oxford Electronics (Dcore=9µm, Dcl=125µm).
Para a realização deste processo foram seguidos os procedimentos e montagem apresentados na
secção 6.1.2.
Foi analisada a resposta espectral das redes citadas na gama de variação compreendida entre 25ºC
e 150ºC, com i
ncrementos de 5ºC. Os resultados encontram-se na figura 43.
Figura 43 - Resposta espectral em transm redes de período longo escritas em fibra: (a) orning SMF-28; (b) Oxford Electronics, quando submetidas a um aquecimento de 25 a 150ºC, ao
ar.
(a)
1530 1540 1550 1560 1570 1580-30
-20
-10
0
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
1300 1310 1320 1330 1340
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm) (b)
issão das C
66
Os gráficos da figura 43 revelam que a resposta da rede induzida em fibra Corning à variação da
te e mperatura possui maior desvio relativamente à de fibra Oxford. Devido à elevada irregularidad
apresentada no espectro referente a esta última, não foi possível determinar esse desvio em
comprimento de onda.
A figura 44 mostra o desvio em comprimento de onda relativo à rede induzida em fibra Corning
SMF-28 devido ao aquecimento no intervalo de temperaturas referido.
10
12
0 20 40 60 80 100 120
0
2
4
6
8
Corning SMF28
∆λ (n
m)
∆Τ (ºC)
Figura 44- Desvio em comprimento de onda da rede de período longo escrita em fibra Corning
SMF-28, quando submetida a um aquecimento de 25 a 150ºC, ao ar.
O .
ma vez que de refracção
fectivos dos modos envolvidos devido ao coeficiente termo-óptico do núcleo ser maior que o da
comportamento da rede ao aumento da temperatura apresentado na figura 44 era o esperado
o aquecimento provoca um aumento na diferença entre os índicesU
e
bainha, originando um desvio em comprimento de onda para valores superiores. O desvio térmico
do comprimento de onda ressonante da rede escrita em fibra Corning foi de aproximadamente
9,5nm, resultante da variação de temperatura de 25 a 150ºC. O declive do desvio em comprimento
de onda foi de 0,085nm/ºC.
67
A alteração da resposta da rede em termos de potência óptica foi também estudada. Na figura 45 é
presentada a variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), para ambas as redes. a
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
Corning SMF-28Oxford Electronics
Potê
ncia
Nor
mal
izad
a
∆T (ºC)
Figura 45 - Variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), em função da variação da
temperatura para fibra Corning SMF-28 (P1,P2)→(1545, 1556)nm e de Oxford Electronics (P1,P2)→(1310, 1330)nm.
m termos de potência óptica, a rede induzida em fibra óptica Oxford apresenta um declive de
.0009dB/ºC e, para a fibra padrão, de 0.038dB/ºC.
ção do meio, uma vez que não induz erros na
ue em redes de período longo, a dependência funcional da temperatura não se manifesta
nicamente nos coeficientes de expansão térmica e termo-óptico (os quais são intrínsecos do
emperatura.
E
0
A pouca sensibilidade a variações de temperatura exibida pela fibra Oxford torna-a vantajosa para
obtenção de uma medição precisa do índice de refrac
medição.
Uma vez q
u
material e independentes da geometria) a redução da bainha também afecta a sensibilidade da rede.
Pelo que foi também estudada a sensibilidade da rede de período longo escrita em fibra Corning
SMF-28 quando sujeita ao ataque químico.
Na figura 46 é exposta a resposta da rede de período longo escrita em fibra convencional após ser
sujeita a um ataque químico ao aumento de t
68
Corning
O
função da variação da temperatura parado ao
btido para a rede não corroída.
Figura 46 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra SMF-28 após ser sujeita a um ataque químico.
desvio em comprimento de onda do pico ressonante do espectro de transmissão da rede em
é visível na figura 47. O resultado pode ainda ser com
o
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
2
4
6
8
∆λ (
nm)
∆T (ºC)
Corning SMF-28Corning SMF-28-corroida
Figura 47 – Desvio em comprimento de onda em função da variação da temperatura para a rede de
período logo escrita em fibra Corning SMF-28, após ser sujeita a um ataque químico.
1555 1560 1565 1570 1575 1580 1585 1590 1595-32
-28
-24
-20
-16
-12
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
25ºC 30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC 65ºC 70ºC 75ºC 80ºC 85ºC 90ºC 95ºC 100ºC 105ºC 110ºC 115ºC
69
Uma vez que o coeficiente termo-óptico da fibra Corning SMF-28 é positivo e o período da rede
superior a 100µm, com o aumento da temperatura o comprimento de onda ressonante é deslocado
para valores superiores.
Na figura 48 é apresentada a variação da potência óptica normalizada da rede de período longo
escrita em fibra Corning SMF-28 quando sujeita ao ataque químico a um aquecimento de 25 a
115ºC, ao ar.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
LPG Corroido
Potê
ncia
Nor
mal
izad
a
∆Τ (ºC)
Figura 48 – Variação da potência óptica exibida pela rede de período logo escrita em fibra Corning
SMF-28 após ser sujeita a um ataque químico.
No gráfico apresentado na figura 48, é visível um aumento da sensibilidade com a subida da
temperatura. Para temperaturas abaixo dos 50ºC, a resposta da rede exibe um declive de
0.0007dB/ºC e e para temperaturas superiores 0.0029dB/ºC.
Com a apresentação destes resultados, está concluída a primeira parte deste trabalho que, tal como
referido, consiste na caracterização de redes de período longo para monitorização de parâmetros
ambientais como a temperatura e o índice de refracção. Foi também estudada a influência do
processo de ataque químico na sensibilidade da rede.
Na seguinte secção são apresentados os resultados que permitem viabilizar a aplicação do
protótipo de encapsulamento desenvolvido neste trabalho para a monitorização de ambientes
estuarinos e costeiros.
70
7.2 Encapsulamento do Sensor
Por forma a determinar o efeito da estrutura desenvolvida para suportar e alojar a rede de período
longo na medição de parâmetros físicos, como temperatura e índice de refracção do meio, foi feita
a caracterização da rede quando esta se encontrava livre ou fixa à estrutura desenvolvida. Neste
estudo foi usada a quarta ressonância de uma rede escrita em fibra Corning SMF-28 (período de
540 µm; fabricação com 40 disparos).
7.2.1 Efeito da Temperatura
Nesta secção é apresentado o estudo da influência da temperatura na estrutura, e consequentemente
na resposta da rede à variação da mesma. Este estudo foi efectuado com uma rede de período
longo escrita por arco eléctrico em fibra convencional, Corning SMF-28, quando colocada dentro e
fora da estrutura. Para tal, foram seguidos os procedimentos descritos na secção 6.3.2. A
temperatura foi alterada em incrementos de 5 graus no intervalo de temperaturas entre 25 e 100ºC,
ao ar.
Na figura 49, é visível a resposta da quarta ordem do modo ressonante da bainha da rede, quando
esta foi submetida a um aquecimento de 25 a 100º, ao ar, dentro e fora do sistema. Por observação
dos espectros apresentados, verifica-se que, para ambos, ocorre um desvio do comprimento de
onda ressonante para valores superiores. Verifica-se ainda a redução da profundidade do pico de
atenuação.
A figura 50 mostra a variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), na ressonância da
rede. Designando, para a fibra fixa com e sem a estrutura, (P1,P2)→(1565,1575)nm e
(P1,P2)→(1560,1578)nm, respectivamente.
71
1540 1550 1560 1570 1580 1590
-25
-20
-15
-10
-5
0 25 ºC 30 ºC 35 ºC 40 ºC 45 ºC 50 ºC 55 ºC 60 ºC 65 ºC 75 ºC 80 ºC 85 ºC 90 ºC 95 ºC 100 ºC
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
1560 1564 1568 1572 1576 1580
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2 25ºC 30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC 65ºC 70ºC 75ºC 80ºC 85ºC 90ºC 95ºC 100ºC
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
(a)
(b)
Figura 49 – Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning SMF-28 (a) fora e (b) fixa ao sistema desenvolvido, quando submetida a um aquecimento de 25 a
100ºC, ao ar.
72
0 10 20 30 40 50 60 70 80
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
Na estrutura Sem estrutura
Potê
ncia
Nor
mal
izad
a
∆T (ºC)
Figura 50 – Variação dos valores da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), na ressonância
da rede em função da variação da temperatura.
Por observação do gráfico apresentado na figura 50 verifica-se, em termos de potência óptica, uma
menor sensibilidade da rede de período longo quando colocada na estrutura desenvolvida. A
resposta espectral da rede, quando aí colocada, apresenta um declive de 0.007dB/ºC enquanto que
sem a estrutura é de 0.0042dB/ºC.
O gráfico apresentado na figura 51, mostra o desvio em comprimento de onda do modo de quarta
ordem da rede de período longo à variação da temperatura, quando colocada dentro e fora da
estrutura. Os pontos experimentais relativos à situação em que a rede não se encontra fixa à
estrutura têm uma dispersão considerável, provavelmente devido a alguma deficiência
experimental. De qualquer forma, resulta que a diferença de sensibilidade da rede nas duas
situações não será muito significativa, o que é indicativo da predominância do efeito termo-óptico
da rede no valor obtido para a sua sensibilidade à temperatura.
Para melhor ilustração deste comportamento, na figura 52 é apresentado o desvio em comprimento
de onda da ressonância da rede, em função da variação da temperatura, quando a rede se encontra
na estrutura desenvolvida. No intervalo de temperaturas entre 25 e 70ºC a rede apresenta uma
declive de aproximadamente 0.034nm/ºC e para temperaturas superiores a 70ºC o declive é de
0.08nm/ºC.
73
20 30 40 50 60 70 80 90 1001567
1568
1569
1570
1571
1572
Na estrutura Sem estrutura
Com
prim
ento
de
onda
(dB
)
Temperatura (ºC)
Figura 51 - Posição espectral da ressonância, em função da variação da temperatura, quando a rede
de período longo se encontra fora e dentro da estrutura.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
1
2
3
4
Na estrutura
∆λ
(nm
)
∆T (ºC)
Figura 52 – Desvio em comprimento de onda em função da variação da temperatura quando a rede
de período longo se encontra na estrutura desenvolvida.
De forma similar ao realizado na secção 7.1, rede de período longo utilizada no estudo anterior foi
submetida a um ataque químico com solução de HF. Como referido anteriormente, a redução no
diâmetro da bainha reduz o seu número de modos, alterando assim o índice efectivo. O resultado é
o deslocamento do comprimento de onda central das bandas de atenuação para valores superiores.
A imagem obtida com o microscópio óptico para a medição do diâmetro da fibra após ter sido
atacada com o HF é apresentada na figura 53. O resultante final é aproximadamente 124±0.1 µm.
74
Figura 53 – Imagem obtida por microscopia óptica para medição do diâmetro da rede de período
longo após ter sido sujeita ao ataque químico.
No gráfico da figura 54 é exposta a resposta da rede (modo de quarta ordem) sujeita ao ataque
químico, quando colocada dentro e fora da estrutura.
1560 1565 1570 1575 1580 1585 1590 1595 1600-30
-27
-24
-21
-18
-15
-12
-9
-6 25ºC 30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC 65ºC 70ºC 75ºC 80ºC 85ºC 90ºC 95ºC 100ºC
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
(a)
(b)
1555 1560 1565 1570 1575 1580 1585 1590 1595 1600
-18
-15
-12
-9
-6
-3
0 25ºC 30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC 65ºC 70ºC 75ºC 80ºC 85ºC 90ºC 95ºC 100ºC
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
Figura 54 – Variação do pico de atenuação do espectro de transmissão da rede de períod
o longo (Λ= 649 µm) corroída, quando sujeita a um aquecimento de 25 a 100ºC, ao ar. Em (a) a rede não está
fixa à estrutura, o que acontece em (b).
75
Na figura 55 é feita a comparação dos resultados relativos à variação da posição do pico de
atenuação, centrado em 1576 nm, do espectro de transmissão para a rede de período longo sujeita
ao ataque químico.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
1
2
3
4
5
Fora da estruturaNa estrutura
∆
λ (n
m)
∆Τ (ºC)
Figura 55 - Variação da posição espectral do pico de atenuação para a rede de período longo na
situação descrita na figura 56.
Para o aquecimento de 25 a 100ºC, o declive obtido para a rede quando colocada na estrutura foi
de 0.06nm/ºC.
A variação da potência óptica exibida pelo pico de atenuação, centrado em 1576 nm, quando a
rede é submetida a um aquecimento, é apresentada na figura 56. Por observação do gráfico
constata-se que a rede possui um comportamento idêntico quando colocada dentro e fora da
estrutura. Isto deve-se ao facto de ser a sensibilidade intrínseca da rede que domina a resposta à
temperatura.
A rede quando colocada na estrutura apresenta um declive de 0.0055dB/ºC e sem a estrutura
0.0065dB/ºC. Nesta última situação (sem estrutura), o declive que se obtém para a rede não
corroída sem a estrutura é de 0.0042dB/ºC.
76
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
Fora da estrutura NA estrutura
Potê
ncia
Nor
mal
izad
a
∆Τ (ºC)
Figura 56 - Variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), para a rede de período
longo na situação descrita na figura 56.
77
7.2.2 Medição do índice de refracção
Nesta secção é feita a caracterização de uma rede de período longo relativamente à variação do
índice de refracção do meio externo, utilizando a estrutura desenvolvida. De forma análoga ao
realizado na secção 7.1.1, a medição do índice de refracção do meio externo utilizando uma rede
de período longo foi conseguida através da sua calibração com diferentes soluções de índices de
refracção conhecidos. As soluções usadas consistem numa mistura de água com diferentes
concentrações de etileno glicol. Este estudo foi realizado para o intervalo de índice de refracção
entre 1.344 e 1.430.
A resposta do modo ressonante da bainha de quarta ordem à variação do índice de refracção
externo no intervalo citado é exposta na figura 57.
1550 1560 1570 1580 1590 1600-35
-30
-25
-20
-15
-10
Ar água 20% 40% 60% 80% Puro
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
(a)
1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600-16
-12
-8
-4
0
4
Ar Água 20% 40% 60% 80% Puro
Tran
smis
são
(dB
)
Comprimento de onda (nm)
(b)
Figura 57 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning SMF28 (a) sem e (b) com a estrutura.
78
Por observação dos gráficos, verifica-se que com o aumento do índice de refracção do meio
externo o espectro desloca-se para comprimentos de onda mais curtos. Como referido
anteriormente, este facto pode ser compreendido devido ao aumento do índice de refracção
efectivo do modo da bainha que, de acordo com a condição de ressonância, origina comprimentos
de onda ressonantes inferiores.
A figura 58 indica as variações do comprimento de onda central da banda de ressonância de quarta
ordem da rede escrita em fibra convencional para as diferentes soluções, quando a rede é colocada
dentro e fora da estrutura.
1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45-10
-8
-6
-4
-2
0
Na estrutura Fora da estrutura
∆λ (n
m)
Indice de refracção
Figura 58 – Desvio em comprimento de onda da LPG à variação do índice de refracção do meio
externo, quando colocada dentro e fora da estrutura.
Através da figura 58, observa-se que a resposta da rede à variação de índice de refracção nas
diferentes situações é consistente. À medida que o índice de refracção se aproxima do valor de
índice da bainha ocorre um desvio do comprimento de onda ressonante para valores inferiores. A
sensibilidade da rede aumenta com o aumento do índice de refracção. No intervalo de índice de
refracção entre 1.344 e 1.43 a rede, quando fixa, com e sem estrutura apresenta uma sensibilidade
de aproximadamente -67nm/UIR e de -57nm/UIR, respectivamente. A rede de período longo
escrita em fibra Corning SMF-28 sem o ataque químico e sem estar incorporada na estrutura
apresentou um declive de -14.4 nm/UIR.
Verifica-se, para a rede em estudo, uma sensibilidade muito superior à obtida para a rede corroída
referida na secção 7.1.1 (declive de -46.9nm/UIR). Isto pode dever-se ao facto de, para além de a
79
rede em estudo também ter sido sujeita a um ataque químico, foi também utilizado o quarto modo
da rede (situado em comprimentos de onda superiores).
7.2.3 Variação de concentração salina
Nesta secção é feita uma análise da sensibilidade da LPG escrita em fibra Corning SMF-28 (Λ
=540 µm e 40 disparos) após sujeita ao processo de ataque químico e quando exposta a variações
na concentração de sal no meio que a envolve. Este teste foi também realizado com o protótipo
desenvolvido, obtendo-se resultados similares.
Os espectros de transmissão foram obtidos à temperatura ambiente quando a rede se encontrava
imersa em soluções com diferentes concentrações de sal dissolvido em água. A figura 59 mostra a
resposta observada para a quarta ressonância da rede quando esta é sujeita a um aumento de
concentração salina. O espectro inicial da rede exposta ao ar é utilizado como referência.
1560 1570 1580 1590
-32
-30
-28
-26
-24
-22
-20
ar 0 % Nacl 10% Nacl 19% Nacl
Tran
smis
são(
dB)
Comprimento de onda (nm)
Figura 59 – Resposta observada para a quarta ressonância da rede com o aumento da concentração
de sal no meio que a envolve.
Por observação do gráfico apresentado, verifica-se o deslocamento do pico ressonante para
comprimentos de onda mais curtos. Este comportamento deve-se ao facto de, com o aumento da
concentração de sal, ocorrer um aumento do índice de refracção. A rede exibe um desvio total de
2nm quando a concentração de sal no meio envolvente variou de 0 a 19%.
80
A figura 60 mostra o desvio, em comprimento de onda, correspondente à variação de concentração
de sal no meio que envolve a rede. O declive apresentado é de -0.0995nm/%Sal.
Variações inferiores a 0.07dB foram observadas no pico de atenuação quando a LPG foi imersa
nas soluções com diferentes concentrações de sal.
0 5 10 15 20-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
∆λ (n
m)
Concentração de sal (%)
Figura 60 – Desvio no comprimento de onda ressonante da LPG para soluções com diferentes
concentrações de sal.
81
7.2.4 Selecção das membranas
A selecção das membranas apresentadas na secção 6.3.3, foi feita através da análise das mesmas
após permanecerem imersas nas águas da Ria de Aveiro durante o período de um mês. Na figura
61, pode observar-se o estado apresentado pelas membranas em estudo após o período referido em
condições reais.
(a)
(b) (c)
Figura 61 – Estado da membrana (a) de Nylon (100µm) (b) de Nylon (53µm) (c) fibra de vidro, após imersa nas águas da Ria, durante o período de um mês.
82
Constatou-se que a fibra de vidro não suportou as condições do meio em questão, podendo assim
concluir que não é adequada para a aplicação em causa. É ainda possível verificar que para o
mesmo período de tempo, a membrana de nylon de poros com dimensão de 53µm apresenta maior
acumulação de impurezas em comparação com a membrana de nylon de poros com a dimensão de
100µm, como seria de esperar.
Para averiguar o estado de colmatação das membranas, estas foram analisadas por microscopia
óptica, conforme se mostra na figura 62.
(a)
(b) Figura 62 – Imagem obtida por microscopia óptica da membrana de (a) Nylon (100µm) (b) Nylon
(53µm), após imersa nas águas da Ria, durante o período de um mês.
83
Com base nesta análise, concluiu-se que a membrana de nylon com poros de dimensão 100 µm se
encontrava totalmente saturada, enquanto que a membrana de 53 µm ainda possuía alguns poros
abertos. No entanto, devido ao estado apresentado por esta, verifica-se que a substituição terá que
ser feita num período inferior a um mês.
A membrana nylon de poros com dimensão de 53 µm colocada no interior do suporte também se
encontrava relativamente limpa.
De acordo com os resultados apresentados podemos concluir que para a aplicação em questão a
fibra de nylon de poros com dimensão de 53 µm é a que melhor preenche os requisitos necessários.
No entanto, a sua substituição terá que ser feita em períodos relativamente curtos.
De forma sumária, este trabalho incidiu no estudo do comportamento das redes de período longo
quando exposta a variações de parâmetros externos, como temperatura e índice de refracção.
Verificou-se que o aumento da resposta da rede de período longo à variação do índice de refracção
do meio externo pode ser obtido utilizando modos de ordem superior, por redução do diâmetro da
rede pelo processo de ataque químico ou utilizando redes especiais (LPG π-Shifted).
Pela análise dos resultados apresentados, verifica-se que a utilização de redes de período longo
incorporadas na estrutura desenvolvida tem um elevado potencial para ser aplicado como sistema
sensor na monitorização in situ de parâmetros ambientais.
No capítulo seguinte, são expostas as principais conclusões bem como as perspectivas futuras.
84
8 Conclusões e Perspectivas futuras
8.1 Conclusões
A preservação de espécies existentes em estuários e ambientes costeiros é conseguida através da
monitorização constante da qualidade da água, em particular de parâmetros como, a temperatura e
o índice de refracção. O grau de salinidade pode ser obtido através da determinação precisa deste
último parâmetro por meio de uma relação empírica. A utilização da tecnologia da fibra óptica na
monitorização de parâmetros ambientais apresenta vantagens, como elevada sensibilidade,
medição remota e capacidade de multiplexagem. Em particular, as redes de período longo são
dispositivos cuja resposta espectral é extremamente sensível ao meio envolvente, em particular ao
seu índice de refracção.
Com este trabalho pretendeu-se validar a aplicação de redes de período longo na monitorização,
em situações reais, de parâmetros ambientais, tais como temperatura, índice de refracção e
salinidade.
Foi estudada a sensibilidade de redes de período longo a variações de temperatura e de índice de
refracção no meio envolvente. Neste âmbito, foram usadas redes escritas em fibra com núcleo de
sílica pura (Oxford Electrónics, SMPS 1300-125 P) e em fibra padrão (Corning SMF-28). Para
ambos os casos, é exposta a variação em potência óptica e o desvio em comprimento de onda na
ressonância, ocorrido devido à alteração das grandezas físicas envolvidas durante o ensaio.
A extrema sensibilidade das LPGs a alterações no índice de refracção do meio externo deve-se ao
facto do índice de refracção efectivo dos modos da bainha ser dependente do meio envolvente. A
fibra com núcleo de sílica pura tem a bainha com índice de refracção inferior (utilizando-se, por
exemplo, dopagem da silica com flúor), o que a torna mais sensível do que as fibras convencionais
(Corning SMF-28) à variação de índice de refracção do meio externo. Em contrapartida, a sua
85
sensibilidade térmica é inferior à da fibra padrão, o que é novamente um factor positivo pois
diminui o efeito da sensibilidade cruzada da temperatura.
O aumento da sensibilidade na resposta da rede a variações de índice de refracção pode também
ser obtido por redução do diâmetro da bainha da fibra. Para tal, foi realizado o processo de ataque
químico na zona da rede fabricada em fibra padrão. Como resultado, a rede obteve uma
sensibilidade ao índice de refracção muito idêntica à exibida pela rede impressa na fibra de sílica
pura.
Em paralelo, foi ainda desenvolvido um protótipo para suportar e alojar o elemento sensor, para
que este possa ser aplicado em ambiente real (Ria de Aveiro). O sistema proposto neste trabalho
possui um sistema de filtração de materiais orgânicos. Este é conseguido através do processo de
separação por membranas. O sistema desenvolvido é de fácil implementação e permite a
substituição do filtro sem intervir com o restante processo.
A estrutura desenvolvida foi testada em laboratório, de forma a analisar a sua influência na
aquisição de parâmetros como o índice de refracção e a temperatura. Os resultados obtidos indicam
que esta estrutura tem um desempenho satisfatório.
8.2 Perspectivas futuras
No futuro próximo pretende-se testar a estrutura desenvolvida para utilização na Ria de Aveiro, em
particular efectuar testes com vista a analisar o comportamento da estrutura ao longo do tempo e a
sua resposta quando colocada em condições reais.
Pretende-se ainda a realização de testes na situação operacional em que é colocada na estrutura
uma rede de período longo para a determinação da variação do índice de refracção do meio
envolvente, e uma rede de Bragg para medição da temperatura, sendo que a estrutura foi
projectada de forma a permitir a incorporação de ambas as redes.
Num outro nível, é também objectivo investigar a utilização de redes de período longo na
monitorização de lagos solares. Nestes meios, as redes de período longo possuem vantagens
comparativas interessantes, nomeadamente elevada sensibilidade a variações de índice, não 86
deterioração quando colocadas em meios salinos e não interacção com a dinâmica criada num lago
solar.
As técnicas comuns de fabrico de redes de período longo baseiam-se na exposição da fibra a
padrões de radiação UV e a descargas por arco-eléctrico. São técnicas efectivas, com desempenho
estabelecido, e que possibilitam o fabrico flexível destas redes. No entanto, a existência de outras
técnicas de fabrico permite explorar a possibilidade de fabricação de novas redes com
características particulares. Uma dessas técnicas baseia-se na utilização de um laser de CO2,
existindo infraestrutura laboratorial para a sua implementação. Assim, pretende-se no futuro
próximo explorar esta técnica de fabrico de redes de período longo, na continuidade de trabalho
preliminar já realizado e que se encontra descrito no Anexo C.
87
Anexo A
A. Protótipo de encapsulamento
Apesar da simplicidade de manutenção ser um dos pressupostos inerentes ao projecto do protótipo
de encapsulamento, existe um conjunto de cuidados básicos que devem ser seguidos para o óptimo
desempenho do protótipo desenvolvido. O conhecimento das suas particularidades é um
pressuposto primordial para o adequado manuseamento em campo. Nesta secção, pretende-se
assim, fornecer informações específicas do dispositivo e os procedimentos apropriados para o bom
desempenho do mesmo. Para facilitar as operações consideradas, na tabela 2 são identificados os
componentes que compõem o protótipo desenvolvido neste trabalho.
91
Tabela 2 – Identificação dos componentes que compõem o protótipo desenvolvido.
Peça Designação Figura Quantidade Material
1 Cilindro
(suporte da fibra)
1
Alumínio
2 Embolo
1
Nylon
3 Tampa
2
Nylon
4
Semi-bloqueador do
cabo óptico
2
Nylon
5 Anel roscado
2
Alumínio
6
Mola (regulador de tensão
na fibra) 1
Inox
7 Semi-bloqueador
da Fibra óptica
1
Nylon
De seguida, são descritos os cuidados específicos que devem ser tomados tanto nas de operações
de montagem/desmontagem do equipamento como na substituição do filtro e limpeza do
instrumento.
92
Procedimentos de montagem
Proceder à montagem da estrutura segundo as instruções (esquema de montagem);
1– Para a utilização do protótipo em campo, é necessário que a fibra esteja envolvida num cabo, deixando-a exposta cerca de 17,6 cm a 18,0 cm na zona da rede (LPG).
2– Introduzir a tampa do cilindro (2) até à zona da rede. Bloquear o cabo óptico, na tampa (topo 1), através de dois calços cónicos a comprimirem as fibras mecânicas.
3 – Inserir um calço cónico na sede cónica, ajustar o cabo óptico e bloquear com o 2º calço cónico.
4 – Fixar os calços cónicos (4) com a porca da extremidade do tubo flexível. É importante verificar se a fibra está bem fixa entre os calços.
93
5 – Colocar a mola e bloquear o êmbolo, com os calços cónicos que tem a borracha na superfície de aperto, usando a porca de ¾”para bloquear, garantindo que a mola fica em compressão com um comprimento
6 – Verificar se a rede LPG se encontra bem fixa em ambos os topos e se a mola está a exercer tensão sob a rede LPG.
7 – Inserir o conjunto no cilindro. Fixar os calços cónicos do topo 2 com a porca de ¾” da extremidade do tubo flexível.
8 – Introduzir a tampa e os calços cónicos na segunda extremidade do cilindro.
94
9 – Para evitar a torção da rede sensora colocar o anel roscado (porca com batente). De seguida fixar os calços cónicos com a porca de ¾” da extremidade do tubo flexível.
10 – Por último introduzir o tubo flexível.
Procedimentos de desmontagem
Proceder à desmontagem da estrutura seguindo as instruções apresentadas.
1 – Para iniciar a desmontagem do dispositivo é necessário retirar o tubo flexível.
95
2 – De seguida, de forma a evitar a torção da rede sensora deve ser retirada a porca de ¾” ante de remover o anel roscado.
3 – Retirar os calços cónicos. Repetir os procedimentos anteriores no outro extremo da estrutura.
4 – Cuidadosamente, retirar a composição interior da estrutura.
5 – Retirar a mola que bloqueia o êmbolo com os calços cónicos Retirar os calços cónicos e a tampa. Para finalizar, retirar a rede sensora do interior da mola.
96
O posicionamento relativo dos diversos acessórios do equipamento (elemento sensor, mola e
elementos de fixação) pode ter efeito significativo na qualidade dos dados adquiridos. Assim, os
procedimentos, devem ser seguidos com rigor, igualmente deve ser efectuada, periodicamente, a
substituição da membrana, de forma a repor a sua capacidade de filtração. Estes procedimentos são
discutidos de seguida.
Procedimentos de limpeza e substituição do filtro
A operação de limpeza e substituição do filtro, para um normal funcionamento do dispositivo,
deve ser alvo de alguns cuidados, nomeadamente:
1. Em relação à manipulação do instrumento antes do início das operações citadas, é importante
observar-se os seguintes aspectos:
Verificação do posicionamento do sensor em relação ao nível da água.
Verificação da inexistência de danos causados no instrumento e sensor.
Verificar do estado dos conectores.
2. Durante a operação de limpeza e substituição dos filtros, o elemento sensor (LPG) deverá ser
manuseado delicadamente, uma vez que com a remoção do revestimento a fibra fica frágil.
3. Lavar cuidadosamente o instrumento com água doce, especialmente os sensores (se estes
estiverem contaminados por óleo).
4. Após as operações de limpeza e substituição de filtros o processo de colocação do instrumento
na água deve ser realizado com atenção, para evitar que este fique imerso em lama.
97
Anexo B
B. Dimensionamento da mola
A figura 63 mostra uma mola helicoidal submetida a uma deformação compressiva y. Onde d
representa o diâmetro do arame e p o passo da hélice.
Figura 63- Mola helicoidal sujeita à compressão.
O alongamento (ou contracção) de uma mola é determinado pela deformação, por torção, de todas
as espiras activas da mola, Na. A deformação da mola com Na espiras sob a acção de uma força P é
dada por
GdNPD
y am
..8
4
3
= (1)
Sendo, G – Módulo de elasticidade do material
Dm – Diâmetro médio do enrolamento
99
A constante da mola helicoidal ou rigidez (κ), que traduz a quantidade de deformação de uma mola
(y) quando sujeita a uma carga P, pode ser determinada por,
am NDGd
yPk
.8.
3
4
== (2)
Sendo L0 o comprimento da mola livre, o passo da hélice (p) é dado por
10
+=
aNL
p (3)
Considerando as terminações da mola com espira fechada, o número total das espiras (Nt) é dado por,
2+= at NN (4)
100
Anexo C
C. Escrita de LPGs por radiação proveniente de um Laser de CO2
No seguimento do trabalho realizado nesta tese, decidiu-se desenvolver esta técnica. Neste anexo é
apresentado o trabalho preliminar entretanto desenvolvido.
Para proceder à escrita das redes foi feita uma análise da interacção da radiação do laser de CO2
com fibra monomodo padrão (Corning SMF-28). Para tal, foi efectuada a montagem que se
encontra esquematizada na figura 64. Como fonte de radiação utilizou-se um laser de CO2
SYNRAD (10.6 µm de comprimento de onda) com uma potência máxima de saída de 28 W,
auxiliado por um controlador SYNRAD UC-2000. Para focar o feixe foi utilizada uma lente
cilíndrica de seleneto de zinco com uma distância focal de 25 cm. A sua geometria permite obter
um feixe em forma de linha, garantindo assim que a radiação abranja toda a secção da fibra. Os
impulsos foram modelados através de um gerador de impulsos Phillips PM 5705, com visualização
num oscilóscopio Tektronix TDS 220.
Controlador
Plataforma de Translação
Laser CO2 Gerador de
impulsos
Osciloscópio
Controlador da plataforma
Figura 64– Esquema da montagem para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação proveniente de um laser de CO2.
101
O processo inicia-se com a remoção mecânica do revestimento que envolve a fibra óptica
fotossensível. A fibra óptica é então fixa nas suas extremidades a um suporte colocado sobre uma
plataforma motorizada. Na figura 65, é visível o suporte no qual a fibra é fixa e o seu
posicionamento na montagem.
b) a)
Figura 65– (a) Suporte para fixação da fibra e (b) Sistema experimental usado para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação de laser CO2.
Após a exposição da fibra à radiação, um controlador (SMC 310 M) provoca na plataforma um
deslocamento de valor igual ao do período Λ da rede e o processo é repetido. A densidade de
energia incidente na fibra óptica foi alterada através de variações sistemáticas da potência de
emissão do laser, alterando a energia por impulso. A análise foi feita por microscopia óptica,
através da qual foram identificados e tabelados os fenómenos ocorridos (ver tabela 3).
Através das imagens apresentadas nas figuras 66 a 68 é possível verificar exemplos de fenómenos
identificados. A figura 64 mostra o efeito de remoção da bainha, com afectação do núcleo da fibra
óptica. Este resultado indicia que a potência aplicada (ou o tempo de interacção) foi relativamente
elevada face ao pretendido. Na figura 65 observa-se o efeito resultante da diminuição da potência
(ou tempo de interacção): ocorre apenas a remoção parcial da bainha.
102
Figura 66 – Remoção total da bainha e afectação do núcleo da fibra óptica.
Figura 67– Remoção parcial da bainha.
A selecção apropriada dos valores da potência aplicada e do tempo de interacção permite obter o
efeito observado na figura 68. Neste caso, não ocorre a remoção de material, apenas uma alteração
estrutural da fibra.
Após a identificação dos fenómenos ocorridos durante a exposição à radiação proveniente do laser,
foram seleccionados parâmetros que possivelmente permitirão a optimização do processo (período
de 500 µm e 50 disparos). Nestas condições irá iniciar-se brevemente a fase de fabricação das
redes, com a devida aferição do processo. Numa fase posterior pretende-se caracterizar as redes
fabricadas e comparar as suas propriedades com as obtidas para o caso de redes de período longo
fabricadas por exposição UV e por arco eléctrico.
103
Figura 68– Alteração da fibra sem remoção de material.
Tabela 3 – Identificação dos fenómenos observados por microscopia óptica para as diferentes potências.
τ [ms] P# (%) P [W]
50 40 30 20 10 2 0.61 F2 F1 F1 F1 F1 4 1.12 F2 F2 F1 F1 F1 6 1.91 F2 F2 F1 F1 F1 8 2.72 F2 F2 F2 F1 F1
10 3.85 F2 F2 F2 F1 F1 12 4.79 F2 F2 F2 F1 F2 14 5.83 F2 F2 F2 F2 F2 16 6.72 F2 F2 F2 F2 F2 18 7.27 F2 F2 F2 F2 F2 20 8.02 F3 F2 F2 F2 F2 22 8.9 F3 F3 F2 F2 F2 24 9.32 F3 F3 F2 F2 F2 26 10.1 F3 F3 F2 F2 F2 28 10.8 F4 F3 F2 F2 F2 30 11.2 F4 F3 F2 F2 F2 32 12.3 F4 F3 F2 F2 F2 34 12.6 F4 F3 F2 F2 F2 36 13.2 F4 F3 F2 F2 F2 38 13.8 F4 F3 F2 F2 F2 40 14.2 F4 F3 F2 F2 F2
104
F1- Efeito não visível
F2- Alteração da fibra sem remoção de material
F3- Remoção parcial da bainha
F4- Remoção total da bainha e afectação do núcleo da fibra óptica
105
Bibliografia [1] Y. Zhao, Y. Liao, B. Zhang, “Monitoring Technology of Salinity in Water With Optical Fiber
Sensor” J. Lightwave Technol.21, nº5, pg. 1334-1338, 2003.
[2] A. Asseh, S. Sandgren, H. Ahlfeldt, B. Sahlgren, R. Stubbe, G. Edwall, “Fiber optical Bragg
grating refractometer”, Fiber and Integrated Optics, 17, pg. 51-62, 1998.
[3] Bhatia V., Campbell D.K., Sherr D, D’Alberto T.G., Zabaronick N.A., Ten Eyck G.A., Murphy
K.A., Claus R.O., “Temperature insensitive and strain insensitive long-period grating sensors for
smart structures”, Opt. Eng. 36, pg. 1872-1876, 1997.
[4] A. M. Vengsarkar, J. R. Pedrazzani, J. B. Judkins, P. J. Lemaire, V. Bhatia, J. E. Sipe, T.
Erdogan, "Long-period fiber gratings as band-rejection filters", J. Lightwave Technol.14, n.1, pg.
58-65, 1996.
[5] A. M. Vengsarkar, P. J. Lemaire, J. B. Judkins, V. Bhatia, J. E. Sipe, T. Erdogan, “Long-
Period Fiber-Grating-Based Gain Equalizers” Opt. Lett. 21, pg. 335-338, 1996.
[6] Vesselov L., Whittington W., Lilge L. “Desin and performance of thin cylindrical diffusers
created in Ge-doped multimode optical fibers” Appl. Opt. 44, 2754-2758, 2005.
[7] Yin S., Chung K.W., Zhu X., “A highly sensitive long period grating based tuneable double-
cladding layer structure”, Optic. Commun., 188, pg. 301-305, 2001.
[8] Falciai R, Mignani A G, Vannini A “Long period gratings as solution concentration sensors”
Sens. Actuators B“ 74, pg 74–7, 2001.
[9] Kerstin Schroeder, Wolfgang Ecke, Rudolf Mueller, Reinhardt Willsch, Andrey Andreev, “A
fibre Bragg grating refractometer”, Meas. Sci. Tecnol., 12, pg. 757-764, 2001.
[10] D. A. Pereira, O. Frazão, José Luis S., “Fiber Bragg grating sensisg system for simultaneous
measurement of salinity and temperature” Opt. Eng. 43, pg. 299-304, 2003.
[11] Bhatia V., Campbell D.K., Sherr D, D’Alberto T.G., Zabaronick N.A., Ten Eyck G.A.,
Murphy K.A., Claus R.O., “Temperature insensitive and strain insensitive long-period grating
sensors for smart structures”, Opt. Eng. 36, pg. 1872-1876, 1997.
[12] G.Keiser, “Optical fiber communications” (3rd ed.). Boston: McGraw-Hill, 2000.
[13] D.Gloge, (). “Weakly guiding fibers, Appl. Opt., 10, pg 2252-2258, 1971.
[14] T. Erdogan, “Fiber grating spectra”, J. Lightwave Technol. 15, pg. 1277-1294, 1997.
[15] T. Tamir, ed., "Integrated Optics", 7 of Topics in Applied Physics, Spri nger-Verlag, 1975.
[16] T. Erdogan, "Cladding-mode resonances in short- and long-period fiber grating filters", J.
Opt. Soc. Am. A 14, pg.1760-1773, 1997.
107
[17] Patrick H J, Kersey A D and Bucholtz F “Analysis of the response of long-period fiber
gratings to external index of refraction” J. Lightwave Technol. 16, pg.1606–12, 1998.
[18] Stephen W. James, Ralph P. Tatam, “Optical fibre long-period grating sensors:
characteristics and aplication” Meas. Sci. Technol. 14, pg. 49-61, 2003.
[19] Khaliq S., James S. W.,Tatam R. P. “Enhanced sensitivity fibre optic long period grating
temperature sensor” Meas. Sci. Technol. 13, pg 792–5,2002
[20] Grubsky V. Feinberg “Long period fibre gratings with variable coupling for real-time sensing
applications”, Opt. Lett. 25, pg. 203-205, 2000.
[21] Bhatia V. “Applications of long-period gratings to single and multi-parameter sensing” Opt.
Express 4, 457–66, 1999
[22] D. D. Davis, T. K. Gaylord, E.N. Glytsis, S. C. Mettler, and A. M. Vengsarkar, “Long Period
Fiber gratings fabrication with focused CO2 laser pulses”, Electron. Lett. , 34, pg.302-305, 1998.
[23] Bok Hyeon Kim, Tae-Jung Ahn, Dug Young Kim, Byeong Ha Lee, Yongjoo Chung, Un-Chul
Paek, Won-Taek Han, “Effect of CO2 laser irradiation on the refractive-index change in optical
fibers,” App. Opt. 41, pg. 3809, 2002.
[24] M. Akiyama, K. Nishide, K. Shima, A. Wada, R. Yamauchi, “A novel long-period fiber
grating using periodically releases residual stress of pure-silica core fiber”, OFC ’98 Technical
Digest, pg. 276-277, 1998.
[25] G. Rego, O. Okhotnikov, E. Dianov, V. Sulimov, “High-temperature stability of long period
fiber gratings produced by using an electric-arc”, J.Lightwave Tecnol., 19, pg. 1574-1579, 2001.
[26] R. Falate, O. Frazão, G. Rego, J. L. Santos, “Phase-shifted Long Period gratings based on
electric-arc discharges” in III Symposium On Enabling Optical Networks, Aveiro, pg. 51-53,
2005.
[27] M. Fujimaki, Y. Ohki, “Fabrication of long-period optical fiber gratings by the use of ion
implantation”, Opt. Lett. 25, pg. 88-89, 2000.
[28] T. Yokouchi, Y. Suzaki, K. Nakagawa, M. Yamauchi, M. Kimura, Y. Mizutani, S. Kimura, S.
Ejima “Thermal tuning of mechanically induced long-period fiber grating”, App. Opt., 44, No.
24, pg. 5024-5028, 2005.
[29] C. Y. Lin, L. A. Wang “A Wavelength and loss-tunable band-rejection filter based on
corrugated Long-Period Fiber Gratings” Issue, 13, pg. 332-334, 2001.
[30] S.A.Vasil'ev, O.I Medvedkov, I G Korolev, A.S. Bozhkov, A.S. Kurkov, E.M. Dianov, "Fibre
gratings and their applications", Quantum Electron, 35 (12), 1085-1103, 2005.
[31] David N. Nikogosyan “Long-period Gratings in a standard telecom fibre fabricated by high-
intensity fentosecond UV and near- UV laser pulses” Meas.Sci. Technol. 17, pg. 960-967, 2006.
108
[32] Shima K., Himeno K. , Sakai T., Okude S. and Wada A., “A novel temperature-insensitive
long-period grating using a boro-codoped germanosilicate core-fibre” , Tech. Dig. OFC pg. 347-
348, 1997.
[33]Y. G. Han, B. H Lee., W. T. Han, U.C. Paek, Y Chung, “Long period fibre grating whith
variable coupling for real time sensing applications”, Photon. Tecnol. Lett. 13, pg. 699-701,
2001.
[34] Stephen W. James, N. D. Rees, G. J. Ashwell, R. P. Tatam, “Optical Fiber long-period
Grating with a Langmuir –Blodgett thin film overlays ”, Opt. Lett. 9, pg. 686-688, 2002.
[35] L. Qin, Z.X. Wei, Q.Y. Wang, H.P. Li, W. Zheng, Y.S. Zhang, D.S. Gao, “temperature
compensating package for long-period fiber gratings”, Optical Materials 14, 239-242, 2000.
[36] Yin S., Chung K.W., Zhu X., “A highly sensitive long period grating based tuneable double-
cladding layer structure”, Optic. Commun., 188, pg. 301-305, 2001.
[37] J. N. Jang, S. Y. Kim, S. W. Kim, M. S. Kim, "Temperature insensitive long period fibre
gratings", Electron. Lett. 35, 2134-2136, 1999.
[38] Xuewen Shu; Allsop, T.; Gwandu, B.; Lin Zhang; Bennion, I. “Thermally tunable optical
fiber loss filter with wide tuning range” in Summaries of papers presented at the Conference
Lasers and Electro-optics, Cleo 2001, pg 126-127, 2001.
[39] W. He, W. Shi, P Cai, A. Ye, “Applications of acrylate-based polymer and silicone resin on
LPG-based devices” Optical Materials 21, pg 507-510, 2002.
40] Xuewen Shu Allsop, T. Gwandu, B. Lin Zhang Bennion, I. “Room-temperature operation
of widely tunable loss filter” Elect. Lett. 37, nº4, pg 216-218, 2001.
[41] G. Rego, A. Fernandez, A. Gusarov, B. Brichard, F. Berghmans, J.L.Santos, H. Salgado,
“Effect of ionizing radiation on the properties of arc-induced long-period fiber gratings” Appl.
Opt., 44, nº9, pg 6258-6263, 2005.
[42] Y. Zhu, J. H. Chong, M. K. Rao, H. Haryono, A. Yohana, Ping Shum, C. Lu, “A Long-Period
Grating Refractometer: Measurements of Refractive Index Sensitivity” Proceedings SBMOIIEEE
MTT-S IMOC, 901-904, 2003.
[43] B.H. Lee, Y. Liu, S.B. Lee, S.S. Choi, J.N. Jang, “Displacement of the resonant peaks of a
long-period fiber grating induced by a change of ambient refractive index” Opt. Lett. 22, pg. 1769-
1771, 1997.
[44] O. Frazão, R. Falate, J. L. Fabris, J. L. Santos, L. A. Ferreira, F. M. Araújo, “Optical
inclinometer based on a single long-period fiber grating combined with a fused taper” Opt. Lett.
2031, 20, pg 2960-2962, 2006.
109
[45] B. A. L. Gwandu, X. Shu, T.D.P. Allsop, W. Zhang, L. Zhang, I. Bennion, “Simultaneous
refractive index and temperature measurement using cascaded long period grating in double
cladding fibre” Electron. Lett. 35, pg. 1580-1581, 1999.
[46] Duhem O. Henninot J. F., Douay M., “Optical Fiber long-period Grating sensors:
Characteristics and application”, Optic Commun. 180, pg. 255-262, 2000.
[47] F.Bakhti, P.Sansonetti, “Realization of low back-reflection, wideband fiber bandpass filters
using phase-shifted long-period gratings”.Tech. Dig. OFC’97, Dallas, pg. 349–350, 1997.
[48] H. Ke, K. S. Chiang, and J. H. Peng, “Analysis of phase-shifted long-period fiber gratings,”
IEEE Photon. Technol. Lett. 10, 1596-1598, 1998.
[49] Vandana Mishra, Nahar Singh, Subhash Jain, Palvinder Kaur, Ruchi Luthra, Himani Singla,
R.P. Bajpai, “Refractive index and concentration sensing of solutions using mechanically induced
long period grating pair”, Opt. Eng. 44, 2005.
[50] Lee B.H., Nishii J., “Bending sensitivity of in series long period fibre gratings” Opt. Lett. 23,
pg. 1624-1626, 1997.
[51] A.P.Zhang, L.Y.Shao, J.F.Ding, S.He, “Sandwiched long-period. gratings for imultaneous
measurement of refractive index and temperature” IEEE Photon. Technol. Lett, vol. 7, no. 11, pp.
2397–2399, 2005.
[52] Han Y. G., Lee B. H., Han W. T., Paek U.C., Chung Y, “Fiber óptic sensing applicatios of a
pair of long period fibre gratings” Meas. Sci. Tecnol., 12, 778-781, 2001.
[53] P. L. Swart, “A single fiber Michelson interferometric sensor”, Proceedings of the 16 th
International Conference on Optical Fiber Sensors- Japan, pg. 602-5, 2004.
[54] Lee B.H., Nishii J., “self-interference of long period fibre gratings and its application as
temperature sensor” Electron. Lett. 34, pg. 2059-2060, 1998.
[55] X. Dong, L. Su, P. Shum, Y. Chung, and C. C. Chan, “Photonic-Crystal-Fiber-Based Mach–
Zehnder Interferometer using Long-Period Gratings” Opt. Commun. 258, 159 (2005).
[56] Jin-Fei Ding, A. Zhang, Li-Yang Shao, Jin-Hua Yan, Sailing He, “Fiber-Taper Seeded Long-
Period Grating Pair as a Highly Sensitive Refractive-Index Sensor” IEEE Photon. Technol. Lett, .
17, 1247-1249, 2005.
[57] T.Allsop, F.Floreani, K.P.Jedrzejewski, P.V.S. Marques, R.Romero, D.J. Webb, I. Bennion,
“Spectral Characteristics of Tapered LPG Device as a Sensing Element for Refractive Index and
Temperature” J. Lightw. Technol., 24, 870-878, Nº.2, 2006.
[58] R. Falate, O. Frazão, G. M. Rego, J. L. Santos, “Refractometric sensor based on a phase
shifted long period grating” Appl. Opt. 45, pg 5066–5072, 2006.
110
[59] T. Erdogan, “Cladding-mode resonances in short- and long-period fiber grating filters ,” J.
Opt. Soc. Am. A 14, 1760-1773, 1997.
[60] D. Gloge “Weakly guiding fibres” Appl. Opt. 10, pg 2252–2258, 1971.
[61] T. J. Nhlapo, “Gain Equalization of Erbium Doped Fibre Amplifiers with tuneable Long-
Period Gratings” Dissertation Submitted for the Partial Fulfillment of the Requirements for the
Degree, Magister Ingeneriae in Electrical and Electro nic Engineering in the Faculty of
Engineering at the Rand Afrikaans University, Republic of South Africa, 2003.
[62] S. C. N. Queiroz, C. H. Collins, I. C. Jardim, “Métodos de extracção e/ou concentração de
compostos encontrados em fluidos biológicos para posterior determinação cromatográfica”,
Quim. Nova, 24, Nº 1, 68-76, 2001.
[63] Lee B.H. Y Lui, S.B. Lee, S.S. Choi, “ Displacementents of the resonant peaks of a long
period fiber grating induced by a change of ambient refractive index” Opt. Lett. Nº23, 22, pg
1769-1771, 1997.
111