Redes de Período Longo em Fibras Óticas: Produção e Caracterização. Narah Iuata Rank [Bolsista IC CNPq]

1, Marcia Muller [Colaborador]

2,3, José Luís

Fabris [Orientador] 2,3

1Departamento de Engenharia Elétrica

2Departamento de Física

3Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial

Campus Curitiba

Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR

Av. Sete de Setembro, 3165 – Rebouças - Curitiba – Paraná – Brasil CEP 80230-901

naarank@gmail.com, mmuller@utfpr.edu.br, fabris@utfpr.edu.br,

Resumo – As fibras óticas que contêm uma Rede de Período Longo (LPG - Long Period Grating) ou

uma Rede de Bragg (FBG - Fiber Bragg Grating), gravada em seu núcleo são bastante sensíveis a

determinados parâmetros físicos e químicos e vem sendo, cada vez mais, utilizadas no estudo e

desenvolvimento de sensores. São capazes de detectar variações de temperaturas e de tração além de

serem sensíveis ao índice de refração de fluidos e de possuírem características intrínsecas que as diferem

de outros tipos de transdutores, como passividade eletromagnética, peso e tamanho reduzidos e uma

acelerada resposta.

Palavras-chave: Redes de período longo; Redes de Bragg; Redes em fibras óticas; Transdutores.

Abstract - Optical fibers that contain in the core a long period grating (LPG) or Fiber Bragg grating

(FBG) are sensitive to determined physical and chemical parameters, and have been widely studied for

the development of sensors. They are capable to detect temperature and strain changes and are also

sensitive to the refractive index of fluids, presenting intrinsic characteristics that make them different

from another kind of transducers, as electromagnetic passivity, reduced weight and size and a fast

response time. This paper shows the research about the production and characterization process of these

gratings, as well as its use as transducers.

Keywords: Long period grating; Fiber Bragg grating; Fiber optic gratings; Transducers.

INTRODUÇÃO

A utilização das fibras óticas vem sendo, nos últimos tempos, ampliada devido a

diversas vantagens que esta traz para os meios tecnológicos. A grande área da

telecomunicação se revolucionou quando a tecnologia a fibras óticas foi introduzida nos

seus sistemas, que necessitavam de um maior desenvolvimento e aperfeiçoamento. Com

o crescente interesse por parte dos pesquisadores, os estudos foram se aprofundando e a

tecnologia tradicional passou a se desenvolver aliada a tecnologia ótica priorizando sua

elevada capacidade de transmissão e seus baixos custos. Com isso, surge uma

combinação da telecomunicação à base de fibras óticas e dos elementos optoeletrônicos

em prol do desenvolvimento de sensores óticos a partir de redes gravadas em fibras

óticas.

As redes em fibras óticas foram desenvolvidas prioritariamente para serem

aplicadas como tais sensores óticos. Ao expor o núcleo da fibra, em períodos

determinados, a um feixe de laser ultravioleta com comprimento de onda específico,

suas propriedades físicas sofrerão alterações, as quais serão referidas como uma rede.

Há dois tipos de redes gravadas em fibras óticas: as Redes de Período longo (LPG) e as

Redes de Bragg (FBG), que são determinadas em função do período da modulação do

núcleo.

A rede de período longo (LPG – Long Period Grating) é uma rede de transmissão

sendo seu período de modulação em torno de centenas de micrometros. Seu espectro

final mostra claramente que parte do espectro de entrada foi desviada durante a

transmissão, sendo possível ver um vale no comprimento de onda que foi acoplado e

irradiado. Os vales de atenuação se deslocam de acordo com a alteração de algum

parâmetro externo o qual a fibra é sensível, portanto qualquer alteração do índice de

refração tanto do núcleo, da casca e do meio externo provocado por parâmetros físicos

como temperatura e tensão longitudinal acarretará tais deslocamentos.

A rede de Bragg (FBG – Fiber Bragg Grating) em contraposição com a LPG é

uma rede de reflexão e seu período é da ordem de micrometros, muito menor do que o

produzido em uma rede de período longo. A FBG apresenta a característica de acoplar a

luz incidente do modo propagante no núcleo para o modo contra-propagante em uma

faixa que abrange alguns de comprimentos de onda, o sinal que incide na rede é

refletido através do efeito de espalhamento coerente nas interfaces que separam os

índices de refração diferentes, e no espectro final será possível notar um pico. Neste tipo

de rede qualquer alteração dos parâmetros físicos ou de índice de refração promoverá

uma alteração do comprimento de onda de Bragg deslocando espectralmente o pico de

reflexão.

O objetivo desse artigo é demonstrar os procedimentos de fabricação das redes de

Bragg e de período longo gravadas a partir dos um lasers excímero KrF 248nm e 266nm

respectivamente, além de verificar os parâmetros, tais como a estabilidade e

sensibilidade da rede, ao submeter uma FBG ao ensaio térmico.

METODOLOGIA

O processo de gravação da LPG se inicia com a hidrogenação, um processo

realizado para aumentar a fotossensibilidade das fibras, através da exposição destas à

radiação UV. Para isso, é necessário que a fibra seja submetida a altas pressões e seu

tempo de permanência nessa condição irá depender da temperatura que pode ser a frio

(temperatura ambiente) ou a quente (temperatura acima da ambiente). Após a retirada

da fibra da câmara de hidrogenação, deve-se remover a casca de um determinado

comprimento da fibra ótica que será exposto à radiação. Após a gravação as redes são

submetidas ao processo de leitura, por meio de um analisador de espectros (OSA –

Optical Spectrum Analyser, Anritsu, MS9710B) que podemos captar e analisar os dados

e o espectro final da rede.

O processo de gravação das redes de Bragg é a partir da técnica da iluminação

direta sobre máscara de fase e seu período pode ser determinado através da seguinte

equação:

=

(1)

A gravação pode ser realizada a partir de um laser excímero controlado por um

programa de computador (Star Pc control), que é conectado também a um interrogador.

A fibra, após ter sua capa polimérica retirada na região da gravação, é então fixada em

um suporte ajustável bem próxima da máscara de fase. As redes de Bragg,

diferentemente das redes de período longo, podem ter sua criação observada

instantaneamente conforme o andamento de sua gravação.

A caracterização térmica, também descrita nesse trabalho, consiste em aquecer

uma rede até que a mesma atinja a estabilidade. Primeiramente, a fibra ótica deve ser

completamente descascada e à ela conectados os pigtails com o auxílio de uma máquina

de emendas, com a função de transmitir o espectro da rede para o laptop, que por sua

vez é conectado a um interrogador, sendo possível acompanhar o deslocamento da rede

de acordo com o aumento da temperatura, em seguida a rede é cuidadosamente

posicionada no interior de um tubo de metal próprio para o ensaio térmico que será

colocado no forno.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A LPG utilizada neste trabalho foi gravada no ano de 2005 pela Professora

Doutora Rita Zanlorensi Visneck Costa a partir da técnica ponto-a-ponto com emissão

de feixes UV com a utilização do laser (New Wave,Tempest-20 Nd: YAG, operando em

266nm) disposto no laboratório de laser da Universidade Tecnológica Federal do

Paraná.

Os parâmetros utilizados na gravação desta LPG estão dispostos na tabela 1.

Ressalte-se que a LPG1 foi gravada um dia após sua retirada da câmara de

hidrogenação.

Tabela 1: Parâmetros de gravação da LPG1.

Rede Fibra Nº de

pontos

Fluência do laser

sobre a rede

(mJ/cm²)

Posição do vale após o

término da gravação

(nm)

LPG1 “Centaurus” 45 278,65 +/- 30,65 1602,65 +/- 0,08

Figura 1: Razão espectral entre os sinais transmitidos pela LPG1 (fibra “Centaurus”), durante a

gravação, e o sinal emitido pela fonte ótica LED [1].

Figura 2: Razão espectral entre os sinais transmitidos pela LPG1 durante a gravação, e o sinal

emitido pela fonte ótica LED após oito anos de sua gravação.

Percebe-se a partir das figuras analisadas que com o passar do tempo é natural

uma perda das características originais da rede, o que afeta primordialmente em sua

qualidade. Em 2005 a LPG1 apresentava transmitância de aproximadamente 0,95 (unid.

Relativa), o que significa 0,15 a mais do que ela possui atualmente, que foi medido em

0,8 (unid. Relativa). Apesar de um tempo de comparação relativamente grande, a rede

encontra-se em excelente estado e com um bom resultado quanto à rede gravada em seu

interior, que apresenta uma atenuação de 10 dB em transmissão atualmente.

A rede de Bragg selecionada foi gravada utilizando-se o laser excímero do modelo

XANTOS XS – Coherent, ArF 193nm no laboratório de ótica e optoeletrônica (LOOP) a

partir das técnicas de iluminação direta sobre máscara de fase, com os seguintes

parâmetros:

Tabela 2: Parâmetros de gravação para a Rede de Bragg.

Rede Fibra ótica utilizada Máscara de fase

(nm)

Frequência

(Hz)

Energia

(mJ)

FBG2 Draktel Optical Fibre – SSMF –

Single mode. 1066,50 250 5

Figura 3: Pico de atenuação da FBG2 posicionado em aproximadamente 1543nm.

A rede de Bragg (FBG2) foi submetida a uma caracterização térmica com

sucessivas elevações de temperatura em intervalos constantes, a fim de se obter uma

estabilização. Para isso, foi utilizado o forno Jung (Modelo LT0112, 110V/50V,

Monofásico C/J200). O forno foi programado para iniciar seu funcionamento em 20ºC e

subir gradativamente em intervalos constantes de 5 minutos. O primeiro patamar de

temperatura, após a captura do espectro em temperatura ambiente foi de 100ºC. A partir

desse patamar, progressivamente, o forno teve sua temperatura elevada de 100 em

100ºC até atingir em 500ºC. Junto com todos os equipamentos foi conectado um

multímetro, com a finalidade de monitorar a temperatura real do processo. Serão

dispostas as temperaturas inicial e final, bem como seus respectivos gráficos para

posterior análise.

Tabela 3: Temperaturas de acordo com o equipamento utilizado.

Temperatura

Programada (ºC)

Temperatura indicada no

forno (ºC)

Temperatura indicada no

multímetro (ºC)

20 20 21

500 500 511

Figura 4: FBG2 inserida em um forno com temperatura de aproximadamente 20ºC, com seu

pico posicionado em 1543nm.

Figura 5: FBG2 inserida em um forno com temperatura de aproximadamente 500ºC, com seu

pico posicionado em 1550nm.

Este ensaio nos permitiu observar as mudanças no espectro da rede à medida que

o experimento era realizado, com elevação da temperatura o pico do espectro é

deslocado para maiores comprimentos de onda. Diversos estudos e testes são realizados

para aprimorar os resultados na produção de sensores óticos a partir de uma rede de

Bragg gravada em uma fibra ótica. Estes trabalhos objetivam, portanto, a otimização,

estabilização e adequação a cada aplicação. Para todas estas aplicações, a estabilidade

de uma rede de Bragg é fundamental e determina as condições em que essas redes

podem operar.

CONCLUSÕES

A qualidade de uma rede de período longo permanece constante durante grande

parte de sua vida útil, sem afetar, de modo significativo, seu desempenho, como pode

ser observado nos espectros da LPG1 capturados em diferentes épocas de sua

existência, garantindo um método inovador e prático.

A FBG02 gravada a partir do laser excímero ArF 193nm apresentou um espectro

com excelentes parâmetros, que podem ser aprimorados e direcionados para a aplicação

em sensoriamento. A grande vantagem dessas redes é a sua rapidez de gravação e a

exigência de uma baixa potência para isso.

O ensaio térmico apresentou certas discrepâncias ao envolver a medição de

temperaturas. As diferenças obtidas entre os valores reais e ideais se devem à

imprecisão ou má calibração dos instrumentos utilizados. O resultado foi coerente com

o esperado, porém há diversos meios de aprimorá-lo, tanto da parte de aplicação técnica

como de estudos teóricos.

Os resultados demonstram que as redes gravadas em fibras óticas que,

futuramente, poderão vir a atuar como sensores, possuem uma alta eficiência. Todos os

métodos apresentados são de grande relevância para o estudo de sensores com base em

redes gravadas em fibras óticas. Com o aprimoramento desses métodos, que já

apresentam diversas vantagens como facilidade e baixo custo, será possível alcançar

resultados satisfatórios para o mercado, trazendo consigo inovação e praticidade.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao apoio fornecido pelo CNPq, CAPES, FINEP, Fundação

Araucária.

REFERÊNCIAS

[1] COSTA, R. Z. V.. “Produção, estabilizações e caracterização de redes

fotorrefrativas de período longo em fibras óticas para sensores”, 2009.Tese de

Doutorado, UTFPR.

[2] OLIVEIRA, V.. “Redes de Bragg para medições em altas temperaturas”. Tese

de Doutorado, UTFPR, 2012.

[3] BHATIA, V. and VENGSARKAR, A. M. Optical fiber long-period grating

sensors. Optics Letters, v. 21, n. 9, 1 May 1996.

[4] KAWANO, Marianne Sumie. “Transdutor a Fibra Ótica para Análise de

Biodisel”, 2010. Dissertação (Curso de Pós Graduação em Engenharia Elétrica e

Informática Industrial) - UTFPR, (Orientadora) Marcia Muller.

[5] OTHONOS, A. Fiber Bragg Grattings. Review of Scientific Instruments, v. 68, p.

4309 4341, 199.