Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors

Abstract

[EN] Fiber grating sensors and devices have demonstrated outstanding capabilities in both telecommunications and sensing areas, due to their well-known advantageous characteristics. Therefore, one of the most important motivations lies in the potential of customized fiber gratings to be suitably employed for improving the interrogation process of optical fiber sensors and systems.

This Ph.D. dissertation is focused on the study, design, fabrication and performance evaluation of customized fiber Bragg gratings (FBGs) and long period gratings (LPGs) with the double aim to present novel sensing technologies and to enhance the response of existing sensing systems. In this context, a technique based on time-frequency domain analysis has been studied and applied to interrogate different kind of FBGs-based sensors. The distribution of the central wavelength along the sensing structures has been demonstrated, based on a combination of frequency scanning of the interrogating optical pulse and optical time-domain reflectometry (OTDR), allowing the detection of spot events with good performance in terms of measurand resolution. Moreover, different customized FBGs have been interrogated using a technology inspired on the operation principle of microwave photonics (MWP) filters, enabling the detection of spot events using radio-frequency (RF) devices with modest bandwidth. The sensing capability of these technological platforms has been fruitfully employed for implementing a large scale quasi-distributed sensor, based on an array of cascaded FBGs. The potentiality of LPGs as fiber optic sensors has also been investigated in a new fashion, exploiting the potentials of MWP filtering techniques. Besides, a novel approach for simultaneous measurements based on a half-coated LPG has been proposed and demonstrated. Finally, the feasibility of FBGs as selective wavelength filters has been exploited in sensing applications; an alternative approach to improve the response and performance of Brillouin distributed fiber sensors has been studied and validated via experiments. The performance of the reported sensing platforms have been analyzed and evaluated so as to characterize their impact on the fiber sensing field and to ultimately identify the use of the most suitable technology depending on the processing task to be carried out and on the final goal to reach.

[ES] Los sensores y dispositivos en fibra basados en redes de difracción han mostrado excepcionales capacidades en el ámbito de las telecomunicaciones y del sensado, gracias a sus excelentes propiedades. Entre las motivaciones más estimulantes destaca la posibilidad de fabricar redes de difracción ad-hoc para implementar y/o mejorar las prestaciones de los sensores fotónicos.

Esta tesis doctoral se ha enfocado en el estudio, diseño, fabricación y evaluación de las prestaciones de redes de difracción de Bragg (FBGs) y de redes de difracción de periodo largo (LPGs) personalizadas con el fin de desarrollar nuevas plataformas de detección y a la vez mejorar la respuesta y las prestaciones de los sensores fotónicos ya existentes. En este contexto, una técnica basada en el análisis tiempofrecuencia se ha estudiado e implementado para la interrogación de sensores en fibra basados en varios tipos y modelos de FBGs. Se ha analizado la distribución de la longitud de onda central a lo largo de la estructura de sensado, gracias a una metodología que conlleva el escaneo en frecuencia del pulso óptico incidente y la técnica conocida como reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR). De esta manera se ha llevado a cabo la detección de eventos puntuales, alcanzando muy buenas prestaciones en términos de resolución de la magnitud a medir. Además, se han interrogado varias FBGs a través de una técnica basada en el principio de operación de los filtros de fotónica de microondas (MWP), logrando así la detección de eventos puntuales usando dispositivos de radio-frecuencia (RF) caracterizados por un moderado ancho de banda. La capacidad de sensado de estas plataformas tecnológicas ha sido aprovechada para la realización de un sensor quasi-distribuido de gran alcance, formado por una estructura en cascada de muchas FBGs. Por otro lado, se han puesto a prueba las capacidades de las LPGs como sensores ópticos según un enfoque novedoso; para ello se han aprovechados las potencialidades de los filtros de MWP. Asimismo, se ha estudiado y demostrado un nuevo método para medidas simultáneas de dos parámetros, basado en una LPG parcialmente recubierta por una película polimérica. Finalmente, se ha explotado la viabilidad de las FBGs en cuanto al filtrado selectivo en longitud de onda para aplicaciones de sensado; para ello se ha propuesto un sistema alternativo para la mejora de la respuesta y de las prestaciones de sensores ópticos distribuidos basados en el scattering de Brillouin. En conclusión, se han analizado y evaluado las prestaciones de las plataformas de sensado propuestas para caracterizar su impacto en el ámbito de los sistemas de detección por fibra y además identificar el uso de la tecnología más adecuada dependiendo de la tarea a desarrollar y del objetivo a alcanzar.

[CA] Els sensors i dispositius en fibra basats en xarxes de difracció han mostrat excepcionals capacitats en l'àmbit de les telecomunicacions i del sensat, gràcies a les seus excel¿lents propietats. Entre les motivacions més estimulants destaca la possibilitat de fabricar xarxes de difracció ad-hoc per a implementar i/o millorar les prestacions de sensors fotònics.

Esta tesi doctoral s'ha enfocat en l'estudi, disseny, fabricació i avaluació de les prestacions de xarxes de difracció de Bragg (FBGs) i de xarxes de difracció de període llarg (LPGs) personalitzades per tal de desenvolupar noves plataformes de detecció i al mateix temps millorar la resposta i les prestacions dels sensors fotònics ja existents. En este context, una tècnica basada en l'anàlisi temps-freqüència s'ha estudiat i implementat per a la interrogació de sensors en fibra basats en diversos tipus i models de FBGs. S'ha analitzat la distribució de la longitud d'ona central al llarg de l'estructura de sensat, gràcies a una metodologia que comporta l'escaneig en freqüència del pols òptic incident i la tècnica coneguda com reflectometria òptica en el domini del temps (OTDR). D'esta manera s'ha dut a terme la detecció d'esdeveniments puntuals, aconseguint molt bones prestacions en termes de resolució de la magnitud a mesurar. A més, s'han interrogat diverses FBGs a través d'una tècnica basada en el principi d'operació dels filtres de fotònica de microones (MWP), aconseguint així la detecció d'esdeveniments puntuals utilitzant dispositius de ràdio-freqüència (RF) caracteritzats per un moderat ample de banda. La capacitat de sensat d'aquestes plataformes tecnològiques ha sigut aprofitada per a la realització d'un sensor quasi-distribuït a llarga escala, format per una estructura en cascada de moltes FBGs. D'altra banda, s'han posat a prova les capacitats de les LPGs com a sensors òptics segons un enfocament nou; per a això s'han aprofitat les potencialitats dels filtres de MWP. Així mateix, s'ha estudiat i demostrat un nou mètode per a mesures simultànies de dos paràmetres, basat en una LPG parcialment recoberta per una pel¿lícula polimèrica. Finalment, s'ha explotat la viabilitat de les FBGs pel que fa al filtrat selectiu en longitud d'ona per a aplicacions de sensat; per això s'ha proposat un sistema alternatiu per a la millora de la resposta i de les prestacions de sensors òptics distribuïts basats en el scattering de Brillouin. S'han analitzat i avaluat les prestacions de les plataformes de sensat propostes per a caracteritzar el seu impacte en l'àmbit dels sistemes de detecció per fibra i a més identificar l'ús de la tecnologia més adequada depenent de la tasca a desenvolupar i de l'objectiu a assolir.