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TE-286 Sensores IIMódulo: Sensores Fotônicos

Aula 01 – 28 MAR 2018

SENSORES FOTÔNICOS:

• Sensores a Fibra Óptica

• Giroscópio a Fibra Óptica

• Acelerômetros Optomecânicos

• Sensores Ópticos Integrados

Miscellanea E-mail Prof. Vilson: [email protected]

Aulas serão disponibilizadas em arquivo eletrônico http://www.ief.ita.br/~vilsonra/

Apresentação pessoal dos alunos: Billy Edy Mendes, Cap Av, ME Walter Ferreira da Silva Junior, ME Milton dos Santos, AE-ME Andréa de Oliveira Gomes, AE-ME Felipe Ramon de Carvalho, AE-ME

Sensores a Fibra Óptica

MENSURANDOS:

Deformação/vibração (stress)

Pressão

Rotação (giroscópios/girômetros)

Aceleração (acelerômetros)

Temperatura

Líquidos/gases/pH

Identificação de substâncias químicas

etc.


DISPOSITIVOS SENSORES:

A própria fibra óptica

Grades de Bragg (Fiber Bragg Gratings)

Fibras torcidas (Twisted Fibers; Chiral

Fiber Gratings)

etc.

FIGURE 1.9 Some applications of optical fiber sensors in industry


Hidrofones

Fiber-top Cantilever

Girômetro a fibra óptica


In-line Polarizers

Acelerômetro

Fibersensing/GaveaSensors

Projeto FINEP-IEAv:Acelerômetro Opto-Mecânico

... e muito mais!


Coffee Break

Optical Communication, Eric A. Swanson, MIT Lincoln Laboratory

Fotônica - Resumo

Espectro Eletromagnético(http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum)

THz

Espectro Eletromagnético Fotônico: IR, Visible, UV e THz

Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Ch. 2, Wiley (2nd Ed. 2007)

• Óptica Geométrica• Óptica Ondulatória• Óptica Eletromagnética• Óptica Quântica

Fotônica - Resumo

Óptica Eletromagnética - Equações de Maxwell

J = E

Fonte: Wikipedia

Fotônica - Resumo

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Onda plana em meio dielétrico(homogêneo e isotrópico)

Óptica Eletromagnética - Equações de Maxwell – Equação de Onda

Fotônica - Resumo

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Onda Plana em Meio Dielétrico

Vetor dePoynting

Índice deRefração

Escolhendo-se este caso...

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Óptica Eletromagnética - Equações de Maxwell

Fotônica - Resumo

Condições de contorno para interfaces dielétricas

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B

D

Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 6, Wiley (2007)

E

Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 8, Wiley (2007) Wikipedia

Guia de Onda Slab Simétrico

Fonte: ELEMENTS OF PHOTONICS, Volume II, Iizuka, Capítulo 9, Wiley (2002)

d/2

Slab Canal Fibra Óptica Fibra Óptica Comercial

Guias de Onda DielétricosFotônica - Resumo

d/2

Geometrias:

Materiais:

Guias de Onda Dielétricos

Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 8, Wiley (2007)

Fotônica - Resumo

Fonte: ELEMENTS OF PHOTONICS, Volume II, Iizuka, Capítulo 10, Wiley (2002)

Guias de Onda Dielétricos

Fotônica - Resumo

Fibras Ópticas Histórico

http://www.i-fiberoptics.comhttp://www.fiber-optics.info

1970: CORNING Inc. (www.corning.com)

Fibra Óptica de “baixas perdas” (10 dB/km)

1870: Experimento de

John Tyndall

1966: “Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequencies,” C. K. Kao and

G. A. Hockham, IEE Proc. of Optoelectronics (London) 113(7), 1151–1158.

Fibras Ópticas Histórico

Fiber Optic Communication Systems, Govind P. Agrawal, 3rd Edition

DEMANDA TECNOLÓGICABL: (bit rate)(distance)

Lightwave Systems: Sistemas usando fibras ópticas

WDM: Wavelength-Division Multiplexing

(vários comprimentos de ondaguiados em uma mesma fibra)

Fibras Ópticas Fabricação

Optical Fiber Theory for Communications Network, 2nd Edition, ERICSSON

Método mais utilizado:Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)

DEPOSIÇÃO (4 a 8 h)

COLAPSO DA PREFORMA

Fibras Ópticas Fabricação OUTROS MÉTODOS DE DEPOSIÇÃO

Outside Vapor Deposition (OVD)

Vapor-Phase Axial Deposition (VAD)

Optical Fiber Theory for Communications Network,2nd Edition, ERICSSON

PUXAMENTO DA FIBRA(600 a 1.500 m/min)

Fibras Ópticas Estrutura

Optical Fiber Theory for Communications Network, 2nd Edition, ERICSSON

http://www.tyndall.ie/learning/flash/fibre_parts.html

A Fibra Óptica tem dimensões comparáveis às de um fio-de-cabelo humano.

Fibras Ópticas Tipos

Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Interscience, 2002.

Fibras Ópticas Mantenedoras de Polarização (PM)

Fibra Polarizadora - CORNING

Corning®


Corning®

FS-PZ-1310


Corning®

FS-PZ-1550

Fibra a Cristal Fotônico - UNICAMP

Optical Fiber Theory for Communications Network2nd Edition, ERICSSON

Fibras Ópticas Mecanismos de Perdas

http://www.fiber-optics.info

Fibras Ópticas Mecanismos de Perdas


Picos de Absorçãodo composto OH

Si-O bond (vibrational)

Fibras Ópticas Efeitos da Radiação


Fibras Ópticas Óptica Geométrica

Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Intersc., 2002.

Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, 1991.

21

122

21

01

.2 :Aperture Numerical

/sin :Angle Acceptance

nnn

nnnnNA

nNAa

A Óptica Geométrica representaapropriadamente o comportamento dapropagação em fibras ópticas denúcleo largo (fibras multimodo).

A Abertura Numérica (NA) é umparâmetro adequado para acomparação de fibras multimodo, masnem tanto para fibras monomodo.

n0

Fibras Ópticas Óptica EletromagnéticaModos Linearmente Polarizados (LP)

Os modos reais de uma fibra óptica, sob a (aproximação)condição de modos fracamente guiados, e em grupos de 2 ou 3,tornam-se degenerados, ou seja, apresentam a mesma equaçãocaracterística e, portanto, a mesma constante de propagação (β).

A superposição ponderada desses modos degenerados dáorigem aos modos Linearmente Polarizados (LP), que apresentamcampo elétrico transversal (perpendicular à direção de propagação)alinhado com um eixo meridional da fibra óptica.


Fibras Ópticas Modos LP

Fundamentals of Optical Waveguides, K. Okamoto, Acad. Press (2000)

Understanding Optical Communications, Harry J. R. Dutton, IBM


uKa e wa

HE21-TM01

Fibras Ópticas Modos LP

Ez 0

Simetria Par Simetria Ímpar

Troca-se:x por ycos() por sin()


Ey(r,) J1(Kr)sin()

# de máximos na direção radial

LP21LP22

LP01

LP03

Perfil dos Modos de Fibras Ópticas

Perfil dos Modos de Fibras Ópticas

Modo LP: Ex(r,) J (Kr) cos()

ModosFibras_Plots.xmcdModosFibras_Plots.xmcdModosFibras_Plots.xmcd

n1 1.462

n2 1.460

0 1.55 k02

0

a 25

Fibras Ópticas Curva de Dispersão


Modos (aproximação) LPm

Modos Reais

Fiber Optic Communication Systems, G. P. Agrawal, 3rd Edition

Fibras Ópticas Confinamento Óptico

Fundamentals of Optical Waveguides, K. Okamoto, 2nd Ed., Acad. Press (2006)

A parcela da potência óptica que fica confinada no núcleo da fibra óptica ( = Pcore/P) depende fortemente dos diversos parâmetros.

Curva truncada para fins de apresentação

gráfica. A curva decresce até o valor

nulo de Pcore/P

LP01: (1- V -2), se V 1.5

“Improved Bend Loss Formula Verified for Optical Fiber by Simulation and Experiment”, IEEE J. Quantum Electronics, v. 43, n. 10, pp.899-909 (2007).

Optical Power Loss Coefficient (2.): P(z) = P0e-2..z

Normalized Propagation Constant (bbent)

Fórmula simplificada – Marcuse (1976)

Fibra Óptica – Perdas por Curvatura

Fibra Monomodo(Corning SMF-28)

Fibra Multimodo (Liekki passive 25/240DC)

“Improved Bend Loss Formula Verified for Optical Fiber by Simulation and Experiment”, IEEE J. Quantum Electronics, v. 43, n. 10, pp.899-909 (2007).

Fórmula simplificada para o modo fundamental

Fibra Óptica – Perdas por Curvatura

Fibra Óptica como Sensor – Perdas por Curvatura

Fonte: Exame EC-241 (Dispositivos Especiais em Fibra Óptica) - aluno William dos Santos Fegadolli – 2007

Avisos Finais

Próximas Aulas:

Grade de Bragg em Fibra Óptica

Giroscópio a Fibras Ópticas

Acelerômetro Óptico-Mecânico (Optomecânico)

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