Demodulação por filtros sintonizáveis

Uma alternativa de menor custo ao OSA e com maior sensibilidade em relação aos métodos interferométricos é utilizar filtros espectrais sintonizáveis. Tais filtros podem ser do tipo Fabry-Perot ou até mesmo uma rede de Bragg.

A ideia central da demodulação por filtros sintonizáveis consiste em rastrear o sinal refletido pela FBG sensora por uma varredura do espectro do filtro dentro da faixa de operação do sensor. O sinal de saída é a convolução do espectro de reflexão da FBG sensora com o espectro de um filtro sintonizável.

Operando em varredura, o número máximo de sensores que o sistema pode interrogar depende da largura espectral da fonte, da faixa de sintonia do filtro, da

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separação espectral entre os sensores (tipicamente 3 nm) e da forma como as redes são multiplexadas [35].

a) Filtro Fabry-Perot

Em [38] foi proposto o uso de um filtro Fabry-Perot (FFP-TF – Fiber Fabry-Perot

Tunable Filter) em duas configurações: na primeira o sistema opera em malha fechada e

é aplicado a um único sensor, enquanto na segunda o filtro é utilizado para demodular um conjunto de sensores, sintonizando-o numa faixa larga capaz de interrogar mais de uma FBG.

A Figura 2.9 mostra o gráfico da refletância de uma rede de Bragg centrada em 1538,48 nm e a transmitância de um filtro Fabry-Perot com comprimento de onda de 1540,16 nm. A convolução dos dois espectros é direcionada a um fotodetector e, em seguida, o sinal pode ser amplificado, filtrado, e visualizado em um osciloscópio ou computador, dependendo da aplicação, conforme mostra o diagrama da Figura 2.10.

21 FBG Fonte de banda larga (ASE) 1 2 3 Filtro Fabry-Perot FO

Figura 2.10 – Demodulação de uma FBG utilizando filtro Fabry-Perot.

O filtro de Fabry-Perot é por vezes chamado de cavidade ressonante de Fabry-Perot, isto porque ele é constituído por espelhos paralelos semi-refletores. A radiação luminosa incidente numa das faces entra na cavidade onde sofre múltiplas reflexões e é transmitida através do segundo espelho, conforme ilustra a Figura 2.11.

Figura 2.11 – Radiação incidente e transmitida em uma cavidade de Fabry-Perot.

A sintonia do filtro é obtida pela alteração da separação entre os espelhos, na ordem de alguns nm, utilizando um elemento piezoelétrico, que muda o espaçamento da cavidade quando ocorre mudança na tensão aplicada em seus terminais. A Figura 2.12 ilustra a estrutura básica de um filtro Fabry-Perot.

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Figura 2.12 – Estrutura básica de um filtro de Fabry-Perot com elemento piezoelétrico.

A técnica de demodulação com filtro Fabry-Perot é uma tecnologia já bem estabelecida de alta resolução e precisão, porém ainda apresenta custo moderado.

Alguns algoritmos têm sido propostos para melhorar a precisão e a estabilidade dos sistemas de interrogação com filtros sintonizáveis. Um algoritmo para o cálculo do ponto de interseção ótimo entre a FBG sensora e um filtro Fabry-Perot é demonstrado em [39]. Nesse trabalho, deseja-se demodular o sinal proveniente de um sensor baseado em rede de Bragg para medidas de alta tensão em CA.

Em [40], um circuito programável do tipo FPGA (Field Programmable Gate

Arrays) é utilizado para gerar sinal de sintonia para o filtro Fabry-Perot e realizar a

leitura do sinal espectral refletido pelas FBGs. A grande vantagem desse método é que o circuito FPGA também pode ser utilizado para detectar o pico do espectro refletido pelas FBGs e se comunicar com um computador externo opcional, caracterizando um sistema de interrogação completo.

A principal vantagem na utilização de filtros sintonizáveis é a possibilidade de aplicação em medidas dinâmicas. A faixa de frequência é limitada pela resposta do fotodetector e dos circuitos eletrônicos de amplificação utilizados, podendo chegar a algumas centenas de kHz [34].

b) FBG filtro ou redes gêmeas

Uma alternativa de baixo custo ao uso do filtro Fabry-Perot é a utilização da técnica conhecida como redes gêmeas. Nesse esquema utiliza-se uma FBG filtro casada com a FBG sensora, no lugar do filtro Fabry-Perot. O princípio de demodulação baseia-se na convolução do espectro de reflexão da FBG sensora com o espectro da FBG filtro.

O sinal refletido pode ser coletado por um fotodetector e posteriormente amplificado, seguindo a mesma metodologia da interrogação por filtro Fabry-Perot, como mostra o esquema da Figura 2.13.

23 FBG sensora Fonte de banda larga (ASE) 1 2 3 FBG filtro 1 3 2 FO FO

Figura 2.13 – Demodulação de uma FBG utilizando uma FBG filtro.

Nesse método, é necessário o uso de um segundo circulador óptico para que o sinal refletido da FBG sensora incida sobre a FBG filtro e a convolução dos dois sinais possa ser direcionada ao fotodetector. Ainda assim, essa técnica apresenta menor custo comparada às técnicas citadas anteriormente.

A potência do sinal óptico resultante da convolução das redes gêmeas é máxima quando os espectros de reflexão da FBG sensora e FBG filtro forem idênticos e superimpostos e mínima quando não se interceptarem. Uma variação contínua da rede sensora produz uma interseção de área variável (mas não necessariamente linear) entre esses dois extremos.

Conforme a variação do comprimento de onda de Bragg da FBG sensora, devido a uma deformação ou temperatura, seu espectro de reflexão se desloca, fazendo com que a intensidade do sinal refletido na FBG filtro varie.

Em [41] são apresentadas três propostas de montagens de sistemas que interrogam oito FBGs sensoras, utilizando a técnica de demodulação por redes gêmeas. A Figura 2.14 é uma ilustração da terceira proposta. No desenho, os fotodetectores são chamados de FDiA e FDiB. Do mesmo modo foi utilizada a nomenclatura FBGiA para as FBGs sensoras e FBGiB para as FBGs filtro, sendo i = 1 até 8.

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Figura 2.14 – Proposta de interrogação de oito FBGs sensoras utilizando redes gêmeas [41].

Assim como na demodulação por filtro Fabry-Perot, propostas têm surgido para melhorar a precisão e a estabilidade dos sistemas de interrogação baseados em redes gêmeas. É possível sintonizar mecanicamente a FBG filtro através de um atuador piezoelétrico, conforme mostra o diagrama da Figura 2.15.

Figura 2.15 – Demodulação de uma FBG utilizando uma FBG filtro sintonizada mecanicamente [37].

A resposta dinâmica desse tipo de sistema é limitada pela resposta mecânica do atuador piezoelétrico que deforma a rede, nesse exemplo 100 Hz. Assim não é possível a detecção de vibrações com frequências superiores [37].

Outra forma de sintonizar a FBG filtro é demonstrada em [42], através de variações térmicas provocadas no filtro, deslocando seu comprimento de onda de Bragg

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para o ponto de demodulação ótimo. Nesse esquema, a FBG filtro é fixada sobre uma estrutura de alumínio, a fim de aumentar sua sensibilidade térmica, e as variações de temperatura são provocadas por um módulo termoelétrico controlado por um Processador de Sinais Digitais (DSP).