Design of photonic sensors based on cavities and new interrogation techniques

Abstract

[ES] Los sensores ópticos son dispositivos fotónicos sensibles a determinadas magnitudes que se usan precisamente para medir, ya sea de forma absoluta o relativa, esas magnitudes. Medir la temperatura, la presión, la tensión, la humedad o la presencia de un determinado gas son algunas de las funcionalidades que llevan a cabo estos sensores. A lo largo de las últimas décadas multitud de sensores y técnicas de interrogación han sido desarrolladas, lo que ha tenido un increíble impacto en multitud de áreas. Uno de los ejemplos más claro es la arquitectura civil, donde los sensores fotónicos juegan un papel fundamental en la monitorización del estado de las estructuras. A pesar de los buenos resultados conseguidos por los sensores ópticos hasta la fecha, las técnicas de interrogación desarrolladas hasta ahora muestran algunas desventajas. Tiempos de medida altos, baja resolución o una gran complejidad son algunas de ellas. En esta tesis doctoral se presenta el diseño y caracterización de diversos sensores fotónicos basados en las ya conocidas redes de difracción de Bragg así como la implementación de nuevas técnicas de interrogación de dichos sensores para intentar eliminar o reducir esas desventajas. Las técnicas de interrogación desarrolladas en este trabajo se basan en la fotónica de microondas, donde la interacción entre las señales ópticas y eléctricas se usa para detectar en este caso los cambios en una determinada magnitud. Las técnicas desarrolladas en este trabajo buscan ser lo más versátiles y escalables posibles para así poder adaptarse a los requerimientos de diferentes escenarios. Encontramos así técnicas que permiten interrogar a miles de sensores con una gran resolución y sensibilidad así como también técnicas de interrogación de sensores puntuales con una enorme sensibilidad y simplicidad tanto en la interrogación como en el sistema usado para ello. También están presentes los resultados obtenidos mediante la colaboración con el instituto de investigación sueco ACREO para el desarrollo de un sensor de campo eléctrico basado en fibras polarizadas donde se han fabricado varias redes de difracción de Bragg.

[CA] Els sensors òptics son dispositius fotònics sensibles a determinades magnituds que s'usen precisament per a mesurar, ja siga de forma absoluta o relativa, aquestes magnituds. Mesurar la temperatura, la pressió, la tensió, la humitat o la presència d'un determinat gas són algunes de les funcionalitats que realitzen aquestos sensors. Al llarg de les últimes dècades multitud de sensors i tècniques d'interrogació han sigut desenvolupades, i això ha tingut un impacte increïble a multitud d'àrees. Un dels exemples més clar es l'arquitectura civil, on aquestos sensors juguen un paper fonamental en la monitoratge de l'estat de les estructures. Encara que els resultats aconseguits han sigut bons, les tècniques d'interrogació desenvolupades fins ara mostren alguns desavantatges. Temps de mesurament alt, baixa resolució o una gran complexitat són algun d'ells. A aquesta tesi doctoral es presenta el disseny i caracterització de diversos sensors fotònics basats en les ja conegudes xarxes de difracció de Bragg així com l'implementació de noves tècniques d'interrogació per a intentar eliminar o reduir aquestos inconvenients. Les tècniques d'interrogació desenvolupades en aquest treball es basen en la fotònica de microones, on l'interacció entre les senyals òptiques i elèctriques s'usa per a detectar en aquest cas els canvis en una determinada magnitud. Les tècniques desenvolupades en aquest treball busquen ser el més versàtils i escalables possibles per a poder adaptar-se als requeriments dels diferents escenaris. Trobem així tècniques que permeten interrogar milers de sensors amb una gran resolució i sensitivitat però també tècniques que permeten interrogar sensors puntuals amb una increïble sensitivitat mostrant una gran simplicitat en el seu disseny. També estan presents els resultats obtinguts mitjançant la col¿laboració amb l'institut d'investigació suec ACREO per al desenvolupament d'un sensor de camp eléctric basat en FBGs i en fibres polaritzades.

[EN] Optical sensors are photonic devices sensitive to different magnitudes that are used precisely to measure, in an absolute or a relative way, these magnitudes. These optical sensors are nowadays used to measure temperature, pressure, strain, humidity or the presence of a particular gas. In the past few decades a multitude of photonic sensors and different interrogation techniques have been developed, which had a great impact in dozens of different fields. One of the best examples is civil architecture, in which photonic sensors play a fundamental role in order to monitor the condition of the structures. Despite of the good results showed by photonic sensors, the interrogation techniques used show different drawbacks. A large measurement time, low resolution or great complexity are some of them. In this doctoral thesis the design and characterization of a set of different photonic sensors based on the already known fiber Bragg gratings, along with the implementation of new interrogation techniques, are used in order to eliminate or at least reduce these problems. The interrogation techniques developed in this work are based on Microwave Photonics techniques, in which the interaction between optical and electrical signals is used to detect in this case the changes in a particular magnitude. The techniques showed in this work have been designed in order to be as versatile and scalable as possible to have the opportunity to adapt to any requirement in different scenarios. In this work techniques that are able to interrogate hundreds or even thousands of sensors with great sensitivity and resolution can be found in addition to techniques that are developed to interrogate individual sensors with an enormous sensitivity. The work carried out in collaboration with the Swedish research institute ACREO, based on the development of an electric field sensor based on poled fibers together with FBGs is also present.