[pt] O objetivo principal deste trabalho foi o de estudar as redes de Bragg em fibras ópticas e suas principais aplicações, com especial interesse na compensação de dispersão de pulsos ópticos em sistemas de telecomunicações, onde uma implementação original foi construída. Faz-se uma revisão geral das técnicas existentes para fabricá-las e caracterizá-las, além de suas principais aplicações, não somente na área de telecomunicações mas também na área sensoriamento óptico. São mostrados os resultados experimentais obtidos nas montagem realizadas para escrever redes de Bragg em fibras ópticas e para caracterizá-las. Algumas experiências usando redes de Bragg para o controle do comprimento de onda de emissão de um laser de semicondutor e para medição de força aplicada numa estrutura são mostradas. São mostrados também os resultados experimentais inéditos obtidos com a compensação de dispersão de pulsos ópticos em enlaces de telecomunicações, onde várias montagens foram realizadas para comprovar a superioridade da utilização da redes de Bragg para esse fim. Demonstra-se também um sistema para gerar pulsos solitônicos sintonizável em comprimento de onde numa faixa de MHZ. Finalmente são mostrados os resultados obtidos com a utilização de fibras ópticas para chaveamento interferométrico de luz. Neste sistema são utilização como elemento óptico não linear fibras tipo D, com e sem redes de Bragg, revestidas com filme de materiais semicondutores amorfos. / [en] Bragg grating in optical fibers are used to compensate the dispersion of optical pulses in telecommunication systems. Initially, an overview is presented of the existing fabrication techniques of such gratings, as well as the techniques used for characterization. Some useful applecations in telecommunications and sensing are also shown. The results obtained in the set-up to write and to characterize Bragg gratings are presented. Some measurements were also done with typical applications such as controlling the emitting wavelength in semiconductors lasers, and monitoring the applied pressure in an optical fiber. Some new results are described on dispersion compensation in fibers. Using specially chirped Bragg gratings to pre- compensatedispersion of an optical pulse in a 80 km fiber link, we demonstrated that the poor quality of the input laser pulses has little impact on the duration of the pulses recovered after transmission. Finally, an interferometric switching arrangement using a semiconductor coated D fiber as nonlinear control element, is presented. The configuration uses infrared optical pulses to control a continuous wave light signal. It is also shown that the original reflected wavelength of a semiconductor coated D-fiber with Bragg grating can be shited with an external optical control signal.

[pt] A utilização de redes de Bragg com chirp em fibra, para compensação dos efeitos da dispersão cromática, é uma técnica promissora que permite o aumento progressivo da capacidade de canalização dos sistemas ópticos. Dentre as diversas técnicas para a compensação da dispersão, sendo propostas nos tempos correntes, o emprego da rede de Bragg em fibra tem se mostrado o mais exequível em virtude de serem passivas, relativamente fáceis de fabricar, de boa reprodutibilidade e alto grau de integrabilidade aos sistemas. Este trabalho mostra a aplicação desse dispositivo em experimentos de compensação de dispersão com o emprego de modulação direta e externa em diferentes taxas de transmissão. / [en] The use of in-fibre Bragg gratings with dispersion compensating purposes, is a promissing technique for the increasing optical systems bitrate pace development. Among the various dispersion compensation techniques, in-fibre Bragg gratings had proven, to be the most feasible. They are passive, higly reproducible, relatively easy to fabricate at reasonable costs and have a good degree of integrability. This dissertation exploits significant aspects of the Bragg fibre grating fabrication and its employment as dispersion compensation device.

[pt] O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um sistema de medição de deformações utilizando redes de Bragg em fibras ópticas. Experiências preliminares empregando um analisador de espectro óptico comprovaram que a relação entre deformação e translação espectral do sinal refletido pelo sensor é linear. Baseado neste princípio, foi proposto um circuito óptico para a demodulação do sinal. Este circuito, de construção simples e barata, utiliza uma rede de Bragg como sensor e outra, com largura espectral bem maior, como filtro óptico. Dois fotodetectores são responsáveis pela recepção do sinal e por tornar o sistema auto-compensável. Dois métodos de calibração do sistema, um numérico e outro experimental, são apresentados e testados. A partir dos resultados das experiências, sugestões são feitas no sentido de melhorar os métodos de calibração. A automatização das calibrações e medições é proposta e um método de separação de efeitos de temperatura e deformação mecânica é apresentado. / [en] The goal of the present work has been to develop a fiber Bragg grating strain sensor system. Experiments with an optical spectrum analyzer have confirmed that there is a linear relationship between the strain in the gratting and the shift of the central wave length reflected by the sensor. Based on this measurement principle, a simple and inexpensive optical circuit for demodulation of the sensor s reflected signal has been developed. Two photodetectors are employed in order to reduce the influence of power fluctuations of the optical source as well as of other losses. The measurement system has been calibrated both numerically and experimentally with satisfactory agreement. Suggestions are made in order to improve the calibration techniques, and a method for decoupling the temperature effects from the strain measurement is proposed.

[pt] Sensores magnéticos são sensores que detectam o fluxo devido a campos magnéticos que existem na região do espaço delimitada pela geometria do sensor. Cada tipo de sensor possui propriedades únicas que os tornam mais para aplicações particulares, seja na detecção de campos magnéticos estáticos ou variáveis. Esta tese desenvolveu sensores de campo magnético utilizando materiais magnéticos e fibras ópticas com redes de Bragg (FBG). Foram desenvolvidos neste trabalho protótipos de sensores que são simples na sua construção, leves e compactos, facilitando sua utilização em lugares de difícil acesso como, por exemplo, para o monitoramento do campo magnético em locais remotos. Dois tipos de sensores foram são desenvolvidos: o primeiro consiste em materiais magnetostrictivos no formato maciço e compósito, que possuem a propriedade de se deformarem na presença de um campo magnético externo. Esta deformação no material é detectada com redes de Bragg. É explorada a resposta do sensor quando este é imerso em campos magnéticos uniformes e gradientes de campo; o segundo sensor consiste em um ímã permanente de geometria cilíndrica fabricado com um furo central no qual uma fibra óptica contendo uma rede de Bragg pode ser inserida e colada. Quando o sensor interage com um material ferromagnético, a força magnética atrativa entre eles é transferida de forma axial para a FBG produzindo uma variação no comprimento de onda refletido. O sensor baseado em materiais magnetostrictivos funciona para de campos magnéticos da ordem do militesla. Já o sensor de força magnética necessita de um gradiente de campo para funcionar. Com este sensor é possível a obtenção de imagens produzidas por áreas de corrosão em materiais ferromagnéticos. Em ambos os casos, a sensibilidade com relação à variação da geometria do sensor é estudada. / [en] Magnetic sensors detect the flux generated by magnetic fields which exists in the region of space delimited by the geometry of the sensor. Each kind of sensor has a unique property that makes it more appropriate for particular applications. In this thesis we have built magnetic field sensors using magnetic materials and fiber Bragg gratings (FBG). We have focused on prototypes simple to construct, light and compact, making it easy to measure magnetic fields in remote places. Two kinds of sensors were built: the first one consists of magnetostrictive materials in bulk shape and in composite format. They have the property of increase their size in the presence of an external magnetic field. The deformation in the material is detected by using a single FBG. The sensor sensitivity is analyzed when it is immersed in uniform magnetic fields and field gradients. The second sensor consists of a magnet fabricated with a central hole in which a fiber optics containing a FBG can be attached. When the sensor interacts with a ferromagnetic material, the attractive magnetic force between them is transferred to the FBG, producing variation in the reflected wavelength. The sensor based in magnetostrictive materials works for magnetic fields at the militesla range. The magnetic force sensor needs a gradient field to work. Using the force sensor, it was possible to image corrosion areas in ferromagnetic materials. In both cases, the sensitivity with regard to the sensor geometry was studied.

[pt] Nesse trabalho, descreve-se o desenvolvimento de uma calibração do sistema de interrogação dos espectros das redes de Bragg baseando-se em uma simulação numérica adotada de testes experimentais. O objetivo é calibrar a técnica de demodulação óptica utilizando dois filtros de transmissão fixos, procurando-se principalmente a posição verdadeira dos sensores. O espectro refletido de uma rede tem uma forte dependência com o espectro da luz incidente que resultará em uma deformação no espectro refletido da rede, gerando um desvio no sensor detectado. A metodologia é gerar uma perturbação na fonte de luz e analisar a leitura do espectro da rede. Esse desvio gerado na leitura espectral é associado à potência óptica lida nos fotodetectores com a posição do comprimento de onda do sensor; as leituras indicadas são proporcionais ao grau de superposição entre os espectros do sensor e dos filtros. A calibração é enfatizada em simulações comparando-se com resultados experimentais e será recuperado principalmente o espectro deformado da rede por um espectro indicado que fornecerá a informação correta da posição do sensor. A simulação conclui em uma recuperação do espectro deformado, diminuindo incertezas de medição e da posição do sensor comparando-se com medidas experimentais proporcionando bons resultados. / [en] The development of a calibration system for Fiber Bragg Grating sensors based on two fixed spectral filters has been described basing in adopted numeric simulation of experimental tests. The objective is to gage the technique of optical demodulação using two fixed transmission filters, being sought mainly the true position spectral of sensors. The reflected spectrum of a Bragg Grating has a strong dependence with the spectrum of the incident light that will result in a deformation to the reflected spectrum, generating a deviation in the sensor detected. The methodology will be to generate a disturbance in the light source and to analyze the reading of the spectrum Bragg Grating. That deviation in the position is associated to the potency optical work in the photodetectors with the position of wavelength sensor; the suitable readings in the photodetectors are proportional to the overlap degree among the spectra of the sensor and filters. The calibration will be emphasized in simulations being compared with experimental results, and to recover mainly the deformed spectrum of Bragg Grating sensor for a suitable spectrum that will give the correct information at the position of sensor. The simulation ends in a recovery of the deformed spectrum, reducing measurement uncertainties and of the position of sensor, being compared with experimental results.

[pt] A presente tese tem por objetivo estabelecer uma metodologia de caracterização metrológica de redes de Bragg do tipo I, tipo II e tipo regenerada estimando e validando estatisticamente o resultado de medição para medições de altas temperaturas voltadas para aplicações em sensoriamento. Além das telecomunicações, as fibras óticas estão sendo empregadas em aplicações de sensoriamento, visto que, a sílica que as compõem apresenta grande eficiência como meio de transmissão de dados. A crescente demanda por medição em alta temperatura nos processos industriais possibilitou o desenvolvimento de novas tecnologias de medição além das tecnologias tradicionais já utilizadas atualmente. Desta forma, criaram-se as condições necessárias para se introduzir uma nova tecnologia de medição de temperatura com redes de Bragg que apresenta algumas vantagens se comparadas com as tecnologias tradicionais de medição. Apesar de já existirem várias pesquisas a respeito de medição de temperatura com redes de Bragg, nenhuma delas aprofundou as questões metrológicas com as respectivas estimativas das incertezas de medição que envolve todo o processo de medição e caracterização de redes de Bragg em alta temperatura. A adaptação de um sistema tradicional de calibração de instrumentos de medição de temperatura foi projetado e desenvolvido, de tal forma que possibilitou a caracterização dos diferentes tipos de redes. Observou-se que os resultados de medição e as estimativas das incertezas de medição obtidos para todas as redes, se aproximaram satisfatoriamente dos modelos teóricos utilizados, confirmando a adequação dos sistemas de medição de temperatura e sensoriamento ótico. / [en] This thesis aims to establish a methodology for the metrological characterization of Bragg gratings type I, type II and type regenerated statistically thereby estimating and validating the measurement results for high temperature sensing applications. Beyond telecommunications applications, optical fibers are still used for optical sensing, since the silica fiber has great optical efficiency for data transmission. The growing demand for high-temperature measurements in industrial processes has enabled the development of new measurement technologies beyond the traditional technologies already in use today. Thus were created the conditions necessary to introduce a new technology of temperature measurement with Bragg gratings which presents some advantages compared with traditional technologies of measurement. Although there are several prior studies none of those examined the by others about temperature measurement with Bragg gratings, metrological issues, and is particular, the estimate of the measurement uncertainties surrounding the whole process of measurement and characterization of Bragg gratings at high temperature. The adaptation of a traditional system of calibration instruments for temperature measurement was developed and designed in such a way that allowed the characterization of different types of gratings. It was observed that the measurement results and the estimated uncertainties of the measurements obtained for all gratings, successfully approached the theoretical models used, confirming the adequacy of the measurement of temperature and optical sensing.

[pt] Linhas de transmissão de energia são estruturas importantes em um sistema de energia elétrica. Devido à elevada energia transportada por essas redes, falhas em linhas de transmissão podem ter reflexos severos no fornecimento aos consumidores, não raro levando a apagões em áreas geograficamente extensas. Entre as possíveis origens de falhas está o rompimento dos cabos elétricos pela fadiga provocada pela vibração eólica. As grandes extensões territoriais percorridas pelas linhas de transmissão e a variedade de climas, relevos, vegetação e condições meteorológicas aos quais estão submetidas dificultam qualquer trabalho de previsão da ação do vento. A medição da vibração permite detectar de antemão a aproximação da falha, porém os instrumentos convencionais dependem de transdutores elétricos os quais, além de exigirem uma fonte de energia (normalmente não disponível junto a linhas de transmissão) para seu funcionamento, sofrem influência dos intensos campos elétricos e magnéticos existentes em torno dos cabos de energia. A imunidade das fibras ópticas a campos elétricos e magnéticos e a possibilidade de uso de sinal de entrada de baixa potência oferecem uma alternativa para a criação de instrumentos de medição usando a técnica das redes de Bragg. A presente dissertação contribui com o desenvolvimento de um acelerômetro biaxial a redes de Bragg para medição de vibração em cabos de linhas de transmissão de energia. Além dos aspectos teóricos e práticos envolvidos, são discutidos os resultados de ensaios de calibração de elevada exatidão e outros ensaios especiais que fundamentaram a avaliação metrológica e o estabelecemento da eficácia do referido instrumento. / [en] Overhead transmission lines play an important role on electric systems. Due to the high energy carried through those networks, failures on overhead lines can bring severe constraints on consumers supply, occasionally taking the form of blackouts in large geographic regions. Among the reasons of such failures is the breaking of electric cables caused by the fatigue originated from cyclic bending due to aeolian vibration. The large areas covered by overhead lines and the variety of climate, relief, vegetation and meteorological conditions under which they have to operate make it difficult to foresee the impact of wind Vibration measurements would allow anticipating the failure but conventional instruments depend upon electric transducers which, besides demanding a local source of energy (usually unavailable near overhead lines), suffer the influence of the high electric and magnetic fields around the energized cables. Optical fibers immunity against environments subjected to electrical and magnetic fields and the possibility of using low energy input signals offer the alternative of creating measuring instruments using Bragg gratings technique. This Master dissertation contributes with the development of a fiber Bragg grating biaxial accelerometer for measuring the vibration of overhead transmission line cables. Besides the theoretical and practical aspects related to the subject, the results of high precision calibration tests are discussed, together with other special tests which set the basis of the metrological evaluation and the establishment of the efficacy of the instrument.

[pt] Esta tese trata do desenvolvimento de sensores para a monitoração do fluxo de campo magnético utilizando fibras ópticas. A principal motivação reside no uso destes sensores no control da condição de hidrogeradores. Duas tecnologias de sensoriamento com fibras ópticas são exploradas. A primeira baseia-se no uso de redes de Bragg e a segunda no emprego de interferômetros modais em fibras ópticas microestruturadas que apresentam alta birefringência. Em ambos os casos as fibras são recobertas por uma camada de material compósito magnetoestrictivo, que responde ao campo magnético deformando-se. Esta deformação é transferida para a rede de Bragg ou para a fibra microestruturada, produzindo uma resposta dependente do campo magnético. Os sensores desenvolvidos são leves e compactos. O sensor baseado em redes de Bragg, de formato cilíndrico com 1,5 mm de diâmetro e 7 mm de comprimento, passou por testes estáticos em campos magnéticos de até 750 mT tendo apresentado uma resolução de 0,3 mT. Testes dinâmicos foram realizados em um rotor de bancada desbalanceado e os resultados obtidos comparados com os fornecidos por um sensor magnético de efeito Hall mostrando excelente concordância. O sensor a fibra óptica interferométrico foi caracterizado estaticamente, tendo apresentado uma sensibilidade ao campo magnético duas vezes superior à do sensor baseado em redes de Bragg. / [en] This work explores the use of optical fiber sensors for the measurement of magnetic fields. In focus are applications in the condition monitoring of hydrogenerators, in particular for the measurement of the air gap, which consists in the space between rotor and stator of the synchronous machine. Two different fiber optic sensing principles were employed to develop magnetic field sensors. The first was based on fiber Bragg gratings and the second on an in-fiber modal interferometer, where the two orthogonally polarized modes of a high birefringent microstructured fiber generate fringes over the optical spectrum of a broad band source. In both cases, the fibers are coated by a thick layer of a magnetostrictive composite that deforms due to changes in its magnetization state. Strains in the coating are transferred to the fiber and measured by the sensor. The developed sensors are light and compact. The Bragg grating magnetic field sensor is cylindrical in shape with diameter of 1.5 mm and 7 mm long. The sensor was tested at magnetic fields of up to 750 mT under static conditions. The resolution achieved with a commercial interrogator was estimated at 0.4 mT. Dynamic tests were carried out in a laboratory rotor that presented a magnetic unbalance of approximately 7 percent in one of its four poles. Results were compared with a Hall Effect sensor showing excellent agreement. The interferometric sensor was characterized and results of static tests demonstrated that its sensibility to changes in the magnetic field is twice that of the sensor based on Bragg gratings.