Gravação e caracterização de

redes de Bragg em fibras ópticas

Aluno: Bruno Henrique Nunes

Orientador: Lino Misoguti

Período: mar/2010 a jul/2010

2

Sumário

1. Resumo do projeto de pesquisa 3

2. Introdução 3

3. Fundamentos teóricos 4

3.1. Fotossensibilidade 4

3.2. Modelo teórico para obtenção do comprimento de onda de Bragg (λb) 7

3.3. Aplicação como sensores 8

3.4. Hidrogenização 8

4. Montagem experimental 9

5. Resultados 12

5.1. Validade do modelo teórico 12

5.2. Diferenças na gravação em fibras hidrogenadas e não hidrogenadas 12

5.3. Sintonização do comprimento de onda de Bragg 13

5.4. Largura da grade e espectro de transmissão 14

5.5. Viabilidade da aplicação de redes de Bragg como sensor de estresse 15

5.6. Viabilidade da aplicação de redes de Bragg como sensores térmicos 17

5.7. Floating 18

6. Conclusões 19

7. Bibliografia 20

8. Banco de imagens 21

9. Assinaturas 21

3

1. Resumo do projeto de pesquisa.

O vigente relatório tem por objetivo apresentar os resultados obtidos durante o

desenvolvimento do projeto de iniciação científica designado a estudar a gravação de

redes de Bragg em fibras ópticas, utilizando método holográfico em conjunto com laser

pulsado, de alta potência média, operando no ultravioleta (UV).

No decorrer da exposição, serão caracterizados, com grau de minúcia aceitável, os

materiais e métodos utilizados para a confecção das grades, bem como os resultados

obtidos em laboratório acerca de tópicos como domínio da técnica implementada, largura

da grade gravada, rendimento da transmissão de informação acoplada à fibra óptica pela

grade fabricada e a aplicabilidade de tais dispositivos ópticos como sensores térmicos e

de estresse mecânico.

2. Introdução

É indubitável o fato de que, nas últimas décadas, a tecnologia para transmissão de

informações desenvolveu-se de forma espetacularmente pujante. Mais certo ainda é o fato

de que, um dos principais fatores que possibilitou tal desenvolvimento, foi a utilização de

fibras ópticas.

Utilizando-se do fenômeno mais veloz já conhecido, a aplicação de fibras ópticas

para fluxo de informações consegue juntar segurança e estabilidade, graças a

particularidades como imunidade a interferências eletromagnéticas externas, baixa

reatividade do material que compõe a fibra óptica, altas taxas de modulação, entre outras.

Em detrimento de tamanha eficiência, surgiram tecnologias dispostas a inscrever

dispositivos ópticos internamente a própria fibra, onde destacamos a criação das

chamadas redes de Bragg.

As redes de Bragg são estruturas periódicas de modulação de índice de refração

no núcleo da fibra óptica, ao longo do eixo de propagação da luz, que podem ser obtidas,

por exemplo, pela iluminação lateral da fibra, fazendo-se uso da fotossensibilidade. A

4

característica principal destas redes é refletir parte da potência óptica que se propaga pela

fibra, em comprimentos de onda próximos ao de Bragg.

Redes de Bragg em fibras ópticas (RBF) vêm sendo utilizadas em grande número

de aplicações nos setores aeroespacial, de petróleo e de gás, de energia e de

monitoramento estrutural [1, 2]. Essa tecnologia envolve medida de grandezas físicas tais

como temperatura e pressão [1].

Dando prosseguimento ao trabalho iniciado por [3], a finalidade desse projeto foi

otimizar o processo de gravação de redes de Bragg, analisando variáveis como espessura

das grades, tempo de gravação, rendimento de transmissão, fotossensibilidade das fibras

ópticas e viabilidade da implementação de sensores.

3. Fundamentos teóricos

3.1.- Fotossensibilidade

Fotossensibilidade em fibras ópticas refere-se à possibilidade da mudança permanente

do índice de refração no núcleo da fibra quando exposta a luz com comprimento de onda

e intensidade característicos, os quais irão depender do material do núcleo[4]. Ao

inscrever tais modificações periódicas ao longo da fibra, as perturbações na estrutura do

índice de refração do núcleo se comportam como “espelhos” para determinados

comprimentos de onda [5]. O comprimento de onda e a largura de banda que podem ser

refletidos estão intimamente ligados à separação entre os pontos de reflexão gerados na

fibra. Dessa forma, torna-se possível selecionar os comprimentos de onda refletidos (ou

transmitidos) ao longo da fibra óptica.

5

Figura 1. Pequenas reflexões de Fresnel acarretadas pela variação de índice de refração entre dois meios

dielétricos.

Alguns tipos de vidros e cristais apresentam um aumento considerável de atenuação

óptica (fotocromaticidade) quando expostos à radiação ionizante [6]. Este aumento na

atenuação pode ser permanente ou diminuir gradativamente com o tempo.

Particularmente, com a criação de centros de cor, a liberação de carga, e de forma geral,

com a quebra da estrutura molecular, o espectro de absorção do material se altera. De

acordo com as relações de Kramers-Kröning, isso provoca a modificação do índice de

refração das fibras ópticas (em especial, de fibras dopadas com germânio), mesmo

quando expostas a baixos níveis de intensidade de radiação do visível ao ultravioleta por

longo tempo [7].

Embora não haja um consenso unânime, entre as teorias que tentam explicar a

fotossensibilidade destaca-se a de que este fenômeno estaria relacionado com a existência

de defeitos que surgem durante a incorporação de átomos de Ge na estrutura vítrea das

fibras ópticas. Dessa forma, a fotossensibilidade ocorreria através de um processo de

absorção de um fóton (feixe de luz UV) ou dois fótons (feixe de luz visível) e seria

atribuída à interação da radiação (energias no UV) com quatro tipos de defeitos que

ocorrem nas ligações moleculares envolvendo átomos de Ge. Estes defeitos surgem na

incorporação de Ge como dopante para a formação do núcleo da pré-forma, seu posterior

aquecimento (≈2000ºC) e estiramento para se obter a fibra óptica [8].

6

Figura 2. Os quatro tipos de defeitos moleculares mais comuns em fibras ópticas dopadas com Ge

O defeito mostrado na Figura 2.(a) ocorre quando um átomo de Ge está ligado

somente a três de oxigênio e uma ligação com átomo de Ge ou Si. Tal defeito induz o

aparecimento de uma banda de absorção óptica com pico na região de 240nm e com uma

largura espectral de aproximadamente 30nm. [9].

O defeito ilustrado na Figura 2.(b) ocorre quando uma das ligações Ge-Ge ou Ge-Si

é quebrada e um elétron permanece livre para se mover na matriz vítrea através de saltos

ou pelo tunelamento, ou, por uma exposição de dois fótons, para a banda de condução. A

retirada deste elétron causa uma reconfiguração na forma da molécula, possibilitando

também mudar a densidade do material e sua absorção óptica.

Os defeitos mostrados na Figura 2.(c) e (d), respectivamente, têm a configuração

normal de tetraedro, porém possuem um elétron adicional preso em um átomo de Ge.

7

3.2.- Modelo teórico para obtenção do comprimento de onda de Bragg (λb)

Uma técnica que permite a escrita de redes de Bragg por um processo externo à fibra foi

desenvolvida por Meltz et al. (1989) e é denominada técnica holográfica.Tendo por

fundamento a interferometria entre dois feixes UVs formando um padrão de interferência

definido, ilumina-se lateralmente a fibra óptica em uma região arbitrária. Como a casca da

fibra óptica é transparente ao UV, tal padrão será inscrito diretamente no núcleo da fibra.

A luz guiada ao longo do núcleo da fibra será espalhada em cada plano da rede. Se a

condição de Bragg não for satisfeita, a luz refletida pelo plano subseqüente torna-se

progressivamente fora de fase e eventualmente se cancelará. Já se a condição de Bragg é

satisfeita, a contribuição da luz refletida de cada plano da rede contribui construtivamente na

direção contrapropagante formando um pico de reflexão com um comprimento de onda

central definido pelos parâmetros da rede [5].

Figura 3. Rede de Bragg uniforme

Aplicando as condições de conservação de energia e momento para a radiação

incidente em cada plano da rede [1], podemos obter a seguinte relação para o

comprimento de onda refletido:

2Bragg effn (1)

8

λBragg é o comprimento de onda a ser refletido pela rede e neff é o índice de refração

efetivo do núcleo da fibra óptica.

Figura 4. Grades inscritas no núcleo da fibra óptica

3.3 – Aplicação como sensores

De acordo com a equação (1), mudanças no espaçamento da rede, ou no índice de

refração efetivo mudam o comprimento de onda de Bragg. Desta forma, qualquer efeito

induzido por deformação mecânica ou por mudança no índice de refração com a temperatura

causará uma modificação na posição do espectro de reflexão da rede de Bragg [10]:

2 2eff eff

Bragg eff eff

n nn l n T

l l T T

(2)

Onde o primeiro termo diz respeito a mudanças no espaçamento da rede (e do índice

de refração efetivo, a chamada mudança fotoelástica induzida) oriundas de deformações

mecânicas e o segundo, em detrimento de modificações de origem térmica [1].

3.4 - Hidrogenização

Hidrogenização é um método desenvolvido para aumentar a fotossensibilidade do

índice de refração do núcleo. Essa técnica consiste em submeter-se a fibra óptica a ser

utilizada no processo de gravação à alta pressão de hidrogênio [11]. Desse modo, altera-

se o índice de refração do núcleo pela conversão de Ge-O em Ge-H, causando variações

no índice de refração que podem alcançar valores de até 0,01 [4].

9

4. Montagem Experimental

Para gerar o padrão de interferência periódico em nosso projeto, utilizou-se um

sistema baseado no espelho de Lloyd [12].

Figura 5. Montagem experimental para a produção de redes de Bragg usando o espelho simples de Lloyd.

Esta montagem possibilita uma fácil sintonização do período do padrão de

interferência através da variação do ângulo de incidência, ou seja, permite selecionar o

comprimento de onda que a rede de Bragg refletirá.Utilizando a montagem acima, o

período da rede será dado através do seguinte modelo:

2 ( )

laser

sen

(3)

Onde λlaser é o comprimento de onda do laser utilizado e α é o ângulo mostrado na

figura 5. e na figura seguinte (em forma mais intuitiva):

Figura 6. Esquema do modo de seleção dos comprimentos de onda.

10

Na figura citada, d é a separação entre o feixe refletido e o não refletido no espelho

de Lloyd.

A equação que rege a dependência entre o ângulo α e o comprimento de onda

gravado é dada, portanto, por:

(4),

O sistema mostrado na figura 5. é composto por um laser de

Nd:YAG Q-switched 1064 nm (marca Brilliant B, empresa Quantel®, taxa de repetição

de 20 Hz, energia média por pulso de 60 mj, com freqüência quadruplicada por cristais de

KD*P altamente deuterado) para gerar pulsos no ultravioleta (266 nm):

Figura 7. Laser Brilliant B® e sua estrutura para geração de 4º harmônico (266nm)

Devido as altas energias em curso, o sistema de colimação empregado baseou-se em

uma montagem de 3 prismas de quartzo e um prisma para corte de polarização

indesejada:

Figura 8. Montagem do sistema de colimação/polarização

11

Após colimação, o feixe é focalizado com o auxílio de uma lente cilíndrica de 10 cm

de distância focal sobre o plano onde será fixada a fibra óptica. Parte da luz incide sobre a

fibra e outra parte reflete no espelho, tal que os feixes se superpõem e geram o padrão de

interferência responsável pela gravação da estrutura periódica:

Figura 9. Lente cilíndrica e montagem de Lloyd

Um analisador de espectro óptico permite a análise, em tempo real, da rede, durante

sua gravação. O monitoramento da rede gravada é realizado com um medidor de onda

(OSA Anritsu®, modelo MS9710C, range de 0.6-1.75 μm, 0,5 Å de resolução) e uma

fonte ASE (Amplified Spontaneous Emission) de fibra dopada com érbio:

Figura 10. Analisador de espectro óptico

12

Durante todo o projeto, utilizou-se fibra óptica monomodo Fibercore® (Co-dopada

com Boro, modelo PS 1250/1500, NA = 0,14). Para a etapa de pré-gravação, procedeu-

se da forma usual: Removia-se o coating de poliacrilato da fibra (limpeza feita

utilizando-se acetona comercial), após, a fibra era clivada (Sumitomo® fiber cleaver,

modelo FC-6M) e soldada (Optical Fiber fusion splicer, Sumitomo®, modelo TYP-

37SE) a um dos segmentos do circulador. O valor de atenuação médio registrado no

processo de soldagem foi de 0,01 Db.

5. Resultados

5.1. Validade do modelo teórico

Por tratar-se da continuação de um trabalho já iniciado por [3], onde a validade do

modelo teórico fora testada e confirmada exaustivamente, nos abstivemos em relatar

novamente todos os passos para validação da equação (4) e a assumimos verdadeira. O

comprimento de onda utilizado (λlaser ) foi de 266nm e neff =1.45

5.2. Diferenças na gravação em fibras hidrogenadas e não hidrogenadas

Durante o projeto, foram realizadas gravações em fibras hidrogenadas e não

hidrogenadas. Para o procedimento de hidrogenação, mantivemos a fibra em invólucro

metálico sujeito a alta pressão (25 kgf) por períodos variando de 1 a 7 dias.

Acerca da gravação das fibras, observou-se que o processo de hidrogenação afeta

diretamente o tempo de gravação das redes de Bragg. Enquanto fibras não-

hidrogenadas podiam ser gravadas em minutos, fibras hidrogenadas apresentavam

gravação quase instantânea. No entanto, o processo de hidrogenação apresenta a

característica deficitária de fragilizar a fibra, ou seja, deixá-la mais quebradiça,

característica essa que se intensifica após a gravação, para ambas as fibras.

13

5.3. Sintonização do comprimento de onda de Bragg

Durante o estudo, obteve-se coleção de redes nos comprimentos de onda mais

diversos, mostrando-se que foi obtido domínio da técnica de gravação, o que torna

viável a reprodutibilidade de grades para as mais diversas aplicações. Abaixo, seguem

redes gravadas na faixa no range de operação do OSA:

Figura 11. Algumas das redes gravadas durante o projeto. Da figura, podemos ver que a grade desenvolve-

se sobre uma distribuição espectral. Esse espectro é oriundo da reflexão de Fresnel de 4% (interface

fibra/ar),em uma das conexões do circulador. Tal reflexão pôde ser diminuída com a aplicação de um

casador de índice (Silicone optical compound Visilox®, V-788) em tais conexões.

1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

comprimento de onda de Bragg (nm)

14

5.4. Largura da grade e espectro de transmissão

As larguras de grade obtidas variaram. Isso deveu-se a processos críticos que foram

diferentes para cada grade gravada, onde destacamos a temperatura de operação do laser

(a não estabilidade do laser fazia com que houvesse uma provável pulsação de modo, de

forma que a grade era alargada por não haver um comprimento de onda de Bragg bem

definido) e (principalmente) alinhamento e calibração do conjunto espelho de

Lloyd/lente cilíndrica/fibra óptica. Mas de uma forma geral, em média, as larguras de

grades foram da ordem de (5±2)nm.

Figura 12. Rede de Bragg gravada em 1529,1nm com potência óptica refletida de 58,17nw.

Com relação à eficiência no comprimento de Bragg refletido, observando o espectro

de transmissão, o valor obtido foi de aproximadamente 50%, ou seja, a grade consegue

refletir, em valores próximos ao comprimento de onda de Bragg, metade da intensidade

óptica emitida pela fonte. A seguir, é mostrado o espectro de transmissão normalizado

(isso é, uma relação de potência óptica/potência óptica máxima):

1500 1510 1520 1530 1540 1550

0

10

20

30

40

50

60

70

Po

tên

cia

óp

tica

re

fle

tid

a (

nW

)

comprimento de onda (nm)

15

Figura 13. Espectro de transmissão

5.5. Viabilidade da aplicação de redes de Bragg como sensor de estresse mecânico

Utilizando-se de um sistema especial para gravação de grades em 800nm (sistema

Ocean optics®), grades foram confeccionadas e após, enroladas em uma estrutura

cilíndrica de granito. Essa estrutura foi posta sob pressão gradativa e, com a ajuda do

analisador de espectro óptico, pôde-se observar o deslocamento do comprimento de onda

Bragg de acordo com a força por unidade de área aplicada ao material, em tempo real. O

perfil gráfico obtido é mostrado a seguir:

1450 1500 1550 1600

0,000000000

0,090909091

0,181818182

0,272727273

0,363636364

0,454545455

0,545454545

0,636363636

0,727272727

0,818181818

0,909090909

1,000000000N

orm

aliz

açã

o d

a p

otê

ncia

óp

tica

comprimento de onda (nm)

16

Figura 14. Gráfico ilustrando o deslocamento do comprimento de onda de Bragg em função de deformação

física.

Do gráfico, podemos ver que, para uma faixa relativamente vasta, a deformação

obedece a uma relação linear com o comprimento de onda. Já em um determinado valor

acima dessa região, o comprimento de onda cresce abruptamente. Isso é explicado pelo

fato de que, para um determinado valor limite de deformação, começam a aparecer na

estrutura de granito microfissuras, que possibilitam uma expansão muito maior do

material. Para valores muito acima desse limite, perde-se o granito.

17

5.6.Viabilidade da aplicação de redes de Bragg como sensores térmicos

Nessa parte do projeto, observamos o comportamento do comprimento de onda

Bragg quando sujeitamos a fibra óptica a um aquecimento. Para isso, utilizamos um

dispositivo Peltier para o aquecimento (Peltier DV 3010). Aqui vale lembrar que, como

estávamos interessados em uma análise mais qualitativa do fenômeno, não utilizamos

uma fonte térmica mais robusta.

Primeiramente, calibramos o Peltier, utilizando para isso uma fonte de tensão

ajustável, um multímetro e um termômetro. O gráfico a seguir mostra o resultado de tal

calibração:

Figura 15. Curva de calibração do Peltier

Após, anexamos uma rede gravada em comprimento de onda de Bragg de 1530,4nm

ao Peltier, variando a tensão sobre o mesmo. Conhecendo-se a tensão sobre o Peltier, e

utilizando o resultado da calibração anterior, conseguimos determinar a temperatura

aplicada sobre a fibra. Acompanhando o deslocamento do comprimento de onda de

Bragg em tempo real, com a ajuda do OSA, obtivemos o seguinte resultado:

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

( ) (16,0 0,2) (26,4 0,5)T V V Te

mp

era

tura

(ºC

)

tensão aplicada (V)

Pontos práticos

Regressão linear

18

0 20 40 60 80 100 120 140

1530,2

1530,4

1530,6

1530,8

1531,0

1531,2

1531,4

1531,6

1531,8

1532,0

co

mp

rim

en

to d

e o

nd

a d

e B

rag

g (

nm

)

temperatura(ºC)

Pontos práticos

regressão linear

Figura 16. Dependência do comprimento de onda de Bragg com a temperatura

Do gráfico, vemos que, para essa faixa de temperatura, o comprimento de onda segue

uma relação linear com a temperatura, a saber:

λBragg =(1530,22±0,03) + (0,0119±0,0004)T

Como dito anteriormente, essa foi apenas uma análise qualitativa. Para melhores

resultados, precisaríamos de uma fonte de aquecimento mais calibrada e confiável, com

maior taxa de aquecimento (aqui, 140ºC era aproximadamente o limite de tensão

aplicável sobre o Peltier) , em situações com melhor controle de variáveis e resolução de

medidas (o deslocamento do comprimento de onda com a temperatura é tão tênue que até

mesmo o OSA não apresentava resolução suficiente para acompanhá-lo).

5.7.Floating

Durante o processo de calibração do sistema, a equipe encontrou uma propriedade

interessante em vidros, quando os mesmos eram colocados em contato com o feixe de

laser (mais precisamente, na posição onde eram colocadas as fibras ópticas para

gravação). Dependendo da potência aplicada aos vidros (o laser utilizado apresenta

controle de potência, através de regulagem da lâmpada flash), podiam-se inscrever grades

à estrutura vítrea. No entanto, o mais surpreendente, era o fato de, ao invertermos o lado

19

do vidro iluminado, tal efeito não mais acontecia. Após pesquisa, descobriu-se que, uma

possível explicação para tal efeito, era o processo de fabricação dos vidros, o chamado

floating. Nesse procedimento, lados opostos recebem tratamentos diferentes, onde a parte

de cima fica em contato com o ar atmosférico e a parte de baixo, em contato com uma

estrutura líquida diferente (molten tin), onde o vidro flutua[13]. Isso induziria,

provavelmente, a adição de impurezas a estrutura do vidro que, como trabalhamos com

regimes de energia muito altos, agem como agentes dopantes, exatamente como o boro, o

germânio e o hidrogênio em fibras ópticas.

6. Conclusões

Com o término do projeto, é interessante salientar alguns pontos cruciais acerca de

métodos, objetivos e aplicações.

Na parte de métodos, a utilização de um laser de maior energia por pulso, nos

possibilitou obter um maior rendimento na criação das grades. Conseguimos grades mais

estreitas, com maior índice de refletividade, confecção das mesmas em menor tempo e

não restrição da gravação apenas a fibras hidrogenadas. Um ponto negativo com relação

à utilização do laser Brilliant B é a forte dependência da potência média em detrimento

da temperatura de trabalho, o que com certeza limitou um pouco o avanço da pesquisa,

visto que precisávamos trabalhar em ciclos (o tempo de operação do laser, em potência

relativamente constante, era de 30 segundos. Após esse período, precisávamos desligar o

q-switch e esperarmos cerca de 1 minuto para voltarmos a inscrever grades na fibra).

Com relação aos objetivos do projeto, que eram, especificamente, diminuição da

largura espectral das redes e execução de sensores, os resultados foram bastante

satisfatórios. Todavia, melhores resultados, com certeza, ainda podem ser obtidos.

20

7. Bibliografia

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[2] Zhao, Y. and Liao,A. “Discrimination methods and demodulation

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[8] KASHYAP, R., “Fiber Bragg Gratings”, Academic Press, p. 62-69, (1999).

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[10] KERSEY, A. D.; DAVIS, M.A.; PATRICK, H.J.; LeBLANC, M.; KOO,

K.P.; ASKINS, C.G.; PUTNAM, M.A. e FRIEBELE, J, “Fiber Grating Sensors”,

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[12] Grosso P. and Bosc, D. Opt. Commun. 214, 129 (2002)

21

[13] M.K. Tiwari ª *, M.H. Modi ª, G.S. Lodha ª, A.K.Sinha ª, K.J.S.Sawhney b,

R.V.Nandedkar ª, “Non-destructive surface characterization of float glass: X-Ray

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crystalline solids ,351 2341-2347, (2005).

8. Banco de imagens

Figuras [2, 3, 4]- Menegoto, G. F. “tratamento termoquímico de hidrogenação em

fibras ópticas”, dissertação, UTFPR, 2006.

Figuras [1,5,6]- [3]

9. Assinaturas

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Bruno Henrique Nunes Lino Misoguti