Enoding optial FBG sensors to enhance the capacity of optial sensing systems

Abstract

Esta tesis investiga la aplicación de conceptos de codificación al diseño de sensores ópticos basados en redes de difracción de Bragg de Bragg (FBG). Específicamente, se presenta el diseño, la caracterización y la validación experimental de dispositivos de detección codificados personalizados que se pueden diseñar y fabricar como dispositivos FBG súper estructurados (SSFBG). El objetivo de esta tesis es mejorar la capacidad y el rendimiento general de los sistemas de detección óptica basados en sensores FBG convencionales. Para ello, se han propuesto tres metodologías de codificación de dispositivos de detección SSFBG, con el objetivo de dotar a cada sensor con información adicional útil para la identificación de cada sensor incluso en condiciones de superposición. Un sensor codificado basado en FBGs es una estructura FBG cuya forma se ha adaptado a una palabra-código ortogonal, de tal manera que su longitud de onda central se puede distinguir inequívocamente de otras señales en el espectro. El diseño de los sensores SSFBG codificados se realiza modificando el espectro de reflexión de dispositivos FBG multibanda, esto se logra traduciendo las palabras-código ortogonales en los términos de amplitud y fase de los sensores FBG. La codificación en amplitud de los sensores SSFBG consiste en traducir las palabras-código \textit{"Optical Orthogonal Codewords"} (OOC), desarrolladas para sistemas de comunicaciones de acceso múltiple por división de código óptico (OCDMA), en el patrón de reflexión de los dispositivos. La codificación en amplitud y fase se ha propuesto mediante dos enfoques diferentes: en el primero, palabras-código de amplitud y fase personalizadas ($ a_ {k} $, $ f_ {k} $) fueron diseñadas específicamente para exhibir un comportamiento ortogonal obtenido por la combinación de dos palabras-código. La técnica de interrogación basada en una fuente dual sintonizable fue específicamente diseñada para recuperar la medición diferencial de los sensores y decodificar efectivamente su información. El segundo enfoque utiliza las secuencias \textit{"Discrete Prolate Spheroidal Sequences"} (DPSS), que son secuencias mutuamente ortogonales desarrolladas para sistemas de comunicaciones. Se demostró el uso de estas estructuras como elementos de detección ortogonales con patrones específicos de fase y amplitud. La fabricación y validación experimental de los dispositivos SSFBG propuestos se realizaron para demostrar el rendimiento de los sensores inclusive en condiciones de superposición espectral. La longitud de onda central de los sensores se recupera con éxito en las tres metodologías, además, el error del sistema de detección se caracterizó en términos de los parámetros de diseño.

Esta tesi investiga l'aplicació de conceptes de codificació al disseny de sensors òptics basats en xarxes de difracció de Bragg de Bragg (FBG) . Específicament, es presenta el disseny, la caracterització i la validació experimental de dispositius de detecció codificats personalitzats que es poden dissenyar i fabricar com a dispositius FBG súper estructurats (SSFBG) . L'objectiu d'esta tesi és millorar la capacitat i el rendiment general dels sistemes de detecció òptica basats en sensors FBG convencionals. Per a això, s'han proposat tres metodologies de codificació de dispositius de detecció SSFBG, amb l'objectiu de dotar a cada sensor amb informació addicional útil per a la identificació de cada sensor inclús en condicions de superposició. Un sensor codificat basat en FBGs és una estructura FBG la forma de la qual s'ha adaptat a una paraula-codi ortogonal, de tal manera que la seua longitud d'ona central es pot distingir inequívocament d'altres senyals en l'espectre.

El disseny dels sensors SSFBG codificats es realitza modificant l'espectre de reflexió de dispositius FBG multibanda, açò s'aconseguix traduint les paraules-codi ortogonals en els termes d'amplitud i fase dels sensors FBG. La codificació en amplitud dels sensors SSFBG consistix a traduir les paraules-codi extit \textit{"Optical Orthogonal Codewords"} (OOC) , desenrotllades per a sistemes de comunicacions d'accés múltiple per divisió de codi òptic (OCDMA) , en el patró de reflexió dels dispositius. La codificació en amplitud i phase s'ha proposat per mitjà de dos enfocaments diferents: en el primer, paraules-codi d'amplitud i fase personalitzades ($ a_ {k} $, $ f_ {k} $) van ser dissenyades específicament per a exhibir un comportament ortogonal obtingut per la combinació de dos paraules-codi. La tècnica d'interrogació basada en una font dual sintonizable va ser específicament dissenyada per a recuperar el mesurament diferencial dels sensors i descodificar efectivament la seua informació. El segon enfocament utilitza les seqüències \textit{"Discrete Prolate Spheroidal Sequences"} (DPSS), que són seqüències mútuament ortogonals desenrotllades per a sistemes de comunicacions. Es va demostrar l'ús d'estes estructures com a elements de detecció ortogonals amb patrons específics de fase i amplitud. La fabricació i la validació experimental dels dispositius SSFBG proposats es van realitzar per a demostrar el rendiment dels sensors inclusivament en condicions de superposició espectral. La longitud d'ona central dels sensors es recupera amb èxit en les tres metodologies, a més, l'error del sistema de detecció es va caracteritzar en termes dels paràmetres de disseny.

This thesis investigates the application of encoding concepts to the design of optical sensors based on fiber Bragg grating (FBG) devices. Specifically, we present the design, characterization and experimental validation of custom encoded sensing devices that can be designed and manufactured as super-structured FBG (SSFBG) devices. The aim of this thesis is to enhance the capacity and the overall performance of the optical sensing systems based on conventional FBG sensors. To do so, three encoding methodologies of SSFBG sensing devices have been proposed, aiming to endow each sensor with additional information useful to identify each sensor even under overlapping conditions. An encoded FBG-based sensor is a FBG structure whose shape has been tailored after an orthogonal codeword in such a way that their central wavelength can be distinguished unequivocally from other signals in the spectrum. The design of encoded SSFBG sensors is performed by modifying the reflection spectrum of multi-band FBG devices, this is achieved by translating orthogonal codewords into the amplitude and phase terms of the FBG sensors. Amplitude encoding of SSFBG sensors consists in translating the binary optical orthogonal codewords (OOCs), developed for optical-code division multiple-access (OCDMA) communications systems, into the reflection pattern of the devices. Amplitude $\&$ phase encoding has been proposed in two different approaches: in the first one, custom amplitude and phase codewords ($a_{k}$, $f_{k}$) were specifically devised to exhibit orthogonal behavior by combining the two codewords. The dual-wavelength tunable interrogation technique was also specifically designed to retrieve the differential measurement of the sensors and effectively decode their information. The second approach uses the discrete prolate spheroidal sequences (DPSS), which are mutually orthogonal sequences developed for communications systems. We demonstrated the use of this structures as orthogonal sensing elements with definite phase and amplitude patterns. The manufacturing and experimental validation of the proposed SSFBG devices were carried out to prove the overlap-proof performance of the devices. The central wavelength of the sensors is successfully retrieved in the three methodologies, additionally, the error of the sensing system was characterized in terms of the design parameters.