Interferômetros em Fibra Óptica

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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

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* DETECTION METHOD: PHASE-GENERATED CARRIER

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

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

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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)

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(usado em telecomunicações)

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

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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 scattering matrix).

Exemplo simplificado: ausência de sinal, braços iguais.

Interferômetro de Sagnac

Application:

Displacement Optical Fiber Sensor

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Interferômetros em fibra óptica

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Michelson:

Mach-Zehnder: análise matemática atenuação de potência atenuação de potência saída saída saída potência campo s s s s, mas

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Mach-Zehnder: análise matemática

______________________________________

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Visibilidades V e V’ : 2 2 2 (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)

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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)

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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 _Φ_s o objetivo é medir Φs ___________________________

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corrente proporcional à fase óptica

(e se _φ₀variar no tempo??)

Técnica de detecção de sinais com grande profundidade

de modulação (deep phase modulation)

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Banda Larga

Modulação em banda larga (multi ciclos ou multi franjas) Sinais interferométricos obtidos

sob excitação senoidal

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Modulação em banda larga (multi ciclos ou multi franjas)

Desvanecimento (signal fading) O processo de demodulação demanda um processo de phase unwrapping. O processo de demodulação demanda um processamento de sinal imune a fading. Principais desafios: φ0 Φ, rad Δφ(t)

Em princípio, valor do bias _φ₀pode ser ajustado com o auxílio de com modulador piezoelétrico (PZT) de fase óptica.

Tensão V_{→ cilíndro expande → dilata a fibra} no ramo de referência _{→ varia a fase φ0}.

Observar o sinal de saída: na quadratura

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

fotodetectado

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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.

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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

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Exemplo: Mandril

× Coating

•

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-Fibra convencional: levemente birrefringente (o modo LP01é linearmente polarizado) → o

beat length é relativamente

grande.

Impurezas metálicas no núcleo podem causar mudança aleatória na polarização do modo.

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dt dt s I Δ = f I Δ = Δ Δ

Hípótese: ωsconhecido (ou medido por analisador de espectro

Δ Δ

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_________________________________________________

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Recordação: detecção heteródina em óptica livre NBPM: Φs<< 1 rad. Φs= ?? sin( ) s s ωst φs ΔΦ = Φ + I₁ I₂ 2 1

2

s

I

Φ

=

(ω) (ω) (ω) (ω+ωΒ) (ω−ωΒ) (ωΒ) (ωΒ)

Bragg cell (célula acusto-óptica):

Interação acústico-óptica:

down shift

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Deslocador de frequências com fibra óptica bimodal: LP01e LP11

optical fiber flexural acoustic mode glue

Quartz acoustic

horn

PZT

Aluminium acoustic horn:

______________________________________________

Longitudinal configuration:

Transversal configuration:

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,

01 11 a

β

=

β

+

β

up shift 11 a 01

β

+

β

=

β

→

down shift down shift 11 01 a

β

=

β

−

β

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11 a 01

β

−

β

=

β

→

01 11 a

β

=

β

−

β

difratado: somar sempre!

11 01 a

β

=

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.

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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