UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”

FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA

Interferômetros em Fibra Óptica

Prof. Cláudio Kitano

Ilha Solteira, setembro de 2017

OPTICAL FIBER INTERFEROMETRY:

* DETECTION METHOD: PHASE-GENERATED CARRIER

To protect critical control systems from EMI and lightning, aircraft manufacturers install redundant metal shielding, specialelectrical connectors, and special diodes on circuit boards. While these components ensure the safety of the aircraft, theyalso add up to 7000 lb to the weight of a commercial aircraft.

Example: aircraft smart structure concept – fly-by-light

Acoplador direcional em fibra óptica

A

A

A

B

B

B

C

C*

*Ver: Nishihara et al., Optical Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1989.

Acoplador direcional: princípio de operação* (teoria de modos acoplados)

*Ver: Nishihara et al., Optical Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1989.

(usado em telecomunicações)

Polished fiber coupler (used in optical sensors): Hi-Bi fibers

Variable fiber coupler (aiming optical sensor applications): Hi-Bi fibers

Variable fiber coupler: Hi-Bi fibers

Propriedade importante:Defasagem de 90o em acoplamento cruzado.

Quando usado na recombinação não produz retorno de luz à fonte óptica.(no caso do Sagnac com sinal é preciso mostrar isto)

Obs: todo acoplador (em fibra, microondas, etc.) de 4 acessos axibe esta propriedade (demonstração através da técnica de scatteringmatrix).

Exemplo simplificado: ausência de sinal, braços iguais.

Interferômetro de Sagnac

Application:

Displacement Optical Fiber Sensor(é necessário demonstrar a operação do acoplador)

2×2 coupler

Interferômetros em fibra óptica

Mach-Zehnder:

Michelson:

Mach-Zehnder: análise matemáticaatenuação de potência

atenuação de potência

saída

saídasaída

potência campo

s s s s, mas

Mach-Zehnder: análise matemática

______________________________________

Visibilidades V e V’ :

Visibilidades V e V’ :

2 22 (1 )

(1 )t t

t t−=

+ −c ) Em ambos os casos , se αR = αS = α e t1 = t2 = t = 1/2

V = V’ = 1 ... como esperado.

No caso geral: (independentemente de t1 = t2)

(mostrar isto!)

Técnica de detecção de sinais com baixa profundidade de modulação (small phase modulation)

Caso NBPM (Narow Band Phase Modulation):

seno de seno

fase inicial ajustável (ver adiante)

corrente proporcional à fase óptica

Funções de Bessel de primeira espécie e ordem n.

Série de Fourier com harmônicos cilíndricos

_______________________________________

seno de seno

seno de cosseno

o objetivo é medir Φs

o objetivo é medir Φs

___________________________

corrente proporcional à fase óptica

corrente proporcional à fase óptica

(e se φ0 variar no tempo??)

Técnica de detecção de sinais com grande profundidade de modulação (deep phase modulation)

Banda Larga

Modulação em banda larga(multi ciclos ou multi franjas)

Sinais interferométricos obtidos sob excitação senoidal

série de Fourier com harmônicos cilíndricos

Modulação em banda larga(multi ciclos ou multi franjas)

Desvanecimento (signal fading)

O processo de demodulaçãodemanda um processo de phase unwrapping.

O processo de demodulaçãodemanda um processamento de sinal imune a fading.

Principais desafios:

φ0

Φ, rad

Δφ(t)

Em princípio, valor do bias φ0 pode ser ajustado com o auxílio de com modulador piezoelétrico (PZT) de fase óptica.

Tensão V → cilíndro expande → dilata a fibrano ramo de referência → varia a fase φ0 .

Observar o sinal de saída: na quadratura tal sinal tem amplitude máxima.

1 - Técnicas de demodulação a partir da análise do espectro do sinal fotodetectado

A

B

C

Obs: existem disponíveis na literatura várias dezenas de outras técnicas de detceção baseadas na análise do espectro do sinal fotodetectado e dedicadas à medições das mais variadas grandezas físicas.

2 - Técnicas de demodulação a partir da análise da forma de onda do sinal fotodetectado

A – Adendo: coatings (revestimentos sensíveis a grandezas físicas)

No caso da fibra nua

Revestimentos sensíveis a grandezas físicas:

Exemplo: Mandril × Coating

•

•

B -

Fibra convencional: levemente birrefringente (o modo LP01 é linearmente polarizado) → obeat length é relativamente grande.

Impurezas metálicas no núcleo podem causar mudança aleatóriana polarização do modo.

Saída dual na condição de quadratura de fase:

dt

dt

sIΔ =

fIΔ =

Δ Δ

Hípótese: ωs conhecido (ou medido por analisador de espectro

Δ Δ

incógnita

_________________________________________________

Interferometria Heteródina em Fibra Óptica

Recordação: detecção heteródina em óptica livre

NBPM:

Φs << 1 rad.

Φs = ??

sin( )s s s stω φΔΦ = Φ +

I1

I2

2

1 2sI

IΦ=

(ω)

(ω)

(ω)

(ω+ωΒ)

(ω−ωΒ)

(ωΒ)(ωΒ)

Bragg cell (célula acusto-óptica):

Interação acústico-óptica:

down shift

up shift

I0Id

Deslocador de frequências com fibra óptica bimodal: LP01 e LP11

optical fiber flexural acoustic mode

glue

Quartzacoustic

hornPZT

Aluminium acoustic horn:

______________________________________________Longitudinal configuration:

Transversal configuration:

Deslocador de frequências com fibra óptica bimodal:

,

01 11 aβ β β= +

up shift

11 01aβ β β+ = →

down shift

down shift

11 01 aβ β β= −

11 01aβ β β− = →

01 11 aβ β β= −

difratado: somar sempre!

11 01 aβ β β= +

down shift

up shift

B. Y. Kim and J. N. Blake, H. E. Engan, H. J. Shaw, All-fiber acousto-optic frequency shifter, OPTICS LETTERS, Vol. 11, pp. 389-391, 1986.

Métodos clássicos de detecção interferométrica de fase óptica:• Contagem de franjas• Baixa profundidade de modulação (NBPM)• Análise do espectro do sinal fotodetectado (J1max, J1null, J1/J3, J1...J4, J1...J6)• Heteródino com célula Bragg• Heteródino com laser Zeeman• Heteródino sintético (PGC – Phase Generated Carrier)• Pseudo-heteródino (Serrodyne)• Interferometria com malha-fechada (Closed-loop ou Feedback interferometry)• Dois comprimentos de onda (two-wavelength interferometry)• Quadratura de fase (Quadrature interferometry)• Bimodal (Two LP-mode interferometry)• Interferometria polarimétrica (Polarimetric)• Luz branca (White light interferometry)• Self-mixing ou Autodyne• Speckle• Phase-shift interferometry