Neste trabalho foram estudados guias ópticos para atuarem como sensores ou em sistemas sensores. Ênfase especial foi dada em guias ópticos retangulares, para dispositivos ópticos integrados, e fibras ópticas elípticas. A analise de fibras ópticas elípticas resultou em um modelamento pratico para projeto das mesmas em aplicações onde se deseja operar com dois modos guiados, situação esta que se mostra muito atraente para implementação de diversos tipos de sensores a fibra óptica. A seguir estendeu-se as aplicações dos dispositivos em guia óptico bimodal com a proposição e analise de dois dispositivos inéditos: o filtro de modos em guia assimétrico, e o sensor a campo evanescente em guia óptico bimodal.

Esta tese explora o tema de fotônica em RF visando a transmissão e o processamento de sinais radar em fibra óptica. Realiza-se um estudo teórico e experimental de um enlace analógico a fibra óptica com faixa de frequência de 0,5 a 18 GHz, considerando seu emprego como linha de transmissão de RF isoladamente, bem como usando pré-amplificação e pós-amplificação de RF. O enlace a fibra óptica é caracterizado com relação ao ganho de potência, à figura de ruído e à faixa dinâmica livre de sinais espúrios de intermodulação de terceira ordem. Valores experimentais de figura de ruído de até 4,2 dB e faixa dinâmica de 107,5 dB.Hz2/3 são obtidos, com ganho médio de 10 dB em toda faixa de frequência do enlace. A transmissão em fibra óptica de um sinal radar pulsado é analisada em condições de laboratório e também em uma rede de fibra óptica externa, que é usada como "backbone" de comunicações digitais do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial da Aeronáutica (DCTA). Uma análise comparativa do uso de fibra óptica e cabos coaxiais para transmissão de sinais de RF é realizada. Duas novas técnicas de controle fotônico da fase de RF em um enlace analógico a fibra óptica são apresentadas. A primeira técnica é baseada no controle da polarização da luz acoplada em um percurso de fibra óptica mantenedora de polarização. A segunda técnica baseia-se no controle da intensidade de duas fontes laser, com comprimentos de onda distintos, moduladas com o sinal de RF. Faixas de variação de fase de 180 são obtidas. Duas topologias de linhas de alimentação de RF com controle amplitude, fase e tempo de retardo são apresentadas, usando os defasadores fotônicos apresentados nesta tese em associação com linhas de retardo de RF com chaveamento de comprimento de fibra.

Sensores são dispositivos que traduzem as variações de uma determinada grandeza (temperatura, pressão, corrente, campo magnético, etc.) em sinais que podem ser interpretados pelo ser humano, ou por sistemas que necessitem dessas informações. Neste trabalho o enfoque será dado aos sensores ópticos a fibra óptica. Esses sensores se utilizam das perturbações que a luz sofre quando a fibra em que é guiada é exposta à influência externa da grandeza que se quer medir para percebê-la e, por meio de um processamento adequado das variações de suas características, ser capaz de traduzi-las em sinais elétricos. Desde meados da década de 80, pesquisadores do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) trabalham no sentido de desenvolver sensores a fibra óptica, com o intuito de responder às necessidades da Força Aérea Brasileira (FAB) e da sociedade brasileira de forma geral. Tal trabalho visa proporcionar uma independência tecnológica nessa área. A principal área de desenvolvimento no IEAv é a área de sensores inerciais, presentes em aeronaves, veículos lançadores de satélites, satélites, mísseis, embarcações navais, entre outros. Tais sensores são estratégicos quando se pensa em soberania nacional, buscando-se evitar atrasos de desenvolvimento causados por eventuais embargos na área de navegação inercial. No desenvolvimento de sensores inerciais a fibra óptica, vários obstáculos tecnológicos têm de ser vencidos para que o sistema final atenda as especificações impostas pela finalidade do uso, tais como, faixa dinâmica, estabilidade, resistência a radiação eletromagnética, custo, etc. Um dos caminhos para se reduzir custos é a substituição de componentes do sistema por outros mais baratos. Geralmente nessa troca ganha-se no custo, porém perde-se em outros requisitos e para voltar ao estágio de performance anterior, novas técnicas precisam ser aplicadas. Com o intuito de reduzir o custo, pode-se substituir diodos superluminescentes (SLD';s), por diodos laser multimodo (MMLD';s), que são da ordem de 10 vezes mais baratos. Quando esta substituição se dá em sistemas interferométricos, percebe-se a presença de determinados tipos de ruído que deterioram as características dos sensores. Os ruídos podem ser classificados em ruídos eletrônicos e ópticos. As fontes do ruído eletrônico podem ser o efeito térmico nos componentes (ruído térmico ou Johnson), bem como a existência de correntes de fuga e correntes de superfície nos fotodetectores. O ruído óptico também pode ser dividido em categorias, de acordo com a sua fonte. Há o ruído shot ou quântico, o ruído de partição de modos, o ruído de fase, o ruído de frequência, e outros que, uma vez descorrelacionados entre si, somam-se para formar o ruído total de intensidade. Neste trabalho busca-se aperfeiçoar um sensor interferométrico no sentido de aumentar a relação sinal-ruído ao reduzir-se o ruído óptico de intensidade proveniente do ruído de partição de modos do diodo laser multimodo utilizado através do uso de uma topologia específica e através de um sistema de controle de ruído.

Devido à importância de se construir sensores inerciais de elevado desempenho, surgiu a necessidade de capacitação em novas tecnologias que permitissem maior estabilidade, compactação, baixa suscetibilidade a ruídos externos, baixo peso e reduzidas perdas por acoplamento de radiação óptica. Uma possível metodologia para aumentar o desempenho de sensores inerciais como o Giroscópio a Fibra Óptica (GFO) e o Acelerômetro Opto Mecânico (AOM) é a utilização de circuitos em óptica integrada que venham a substituir parcialmente, ou mesmo totalmente, os dispositivos em fibra óptica presentes nesses sensores. Neste trabalho, propôs-se o estudo do projeto, fabricação e caracterização de dispositivos e de chips em óptica integrada equivalentes aos dispositivos em fibra óptica (fibras ópticas, acopladores a fibra óptica e moduladores) presentes nas atuais versões do GFO e do AOM. Os circuitos ópticos integrados foram projetados de acordo com as especificações dos circuitos equivalentes em fibra óptica, como operação monomodo para os guias, razão de 3dB para os acopladores direcionais e moduladores de fase com baixa tensão para modulação de fase de 180. Este trabalho iniciou-se com o estudo dos circuitos ópticos presentes nos sensores a fibra óptica, os quais serviram de base para este trabalho. Em seguida, estudou-se teoricamente e por meio de simulações alguns dispositivos em óptica integrada como guias planares, guias canais retos e curvos, acopladores direcionais e divisores em Y. Esses estudos iniciais foram fundamentais para o projeto dos circuitos em óptica integrada do GFO e do AOM. Na etapa posterior, realizou-se a caracterização de guias canais fabricados por difusão de titânio em niobato de lítio (LiNbO3), medindo-se a largura à meia altura dos modos fundamentais e medindo-se perda por inserção por acoplamento com fibra óptica. Na etapa seguinte, iniciou-se a elaboração dos circuitos ópticos integrados projetados, partindo-se do projeto e fabricação das máscaras, passando-se pelo corte dos wafers de LiNbO3 com as dimensões adequadas para os chips, até a realização das etapas de litografia para a difusão de titânio. Nas conclusões foram expostas as tarefas executadas durante o trabalho e os resultados obtidos, além de tarefas futuras para dar continuidade a este trabalho.

Este trabalho se insere na área de estudos da detecção interferométrica óptica como forma de interrogação de acelerômetros da vertente tecnológica de sistemas micro-eletro-mecânicos, provenientes do Projeto AcelerAD, financiado pela FINEP, realizado no âmbito do DCTA/IEAv. Acelerômetros são dispositivos capazes de medir acelerações e vibrações, em até três dimensões, às quais é submetido um determinado corpo; sua alta sensibilidade às acelerações é extremamente útil a inúmeras aplicações. Normalmente, o processo de leitura da aceleração é realizado por métodos eletrônicos; contudo, em certas aplicações, é necessário garantir que o processo de obtenção das informações fornecidas pelo acelerômetro seja imune às interferências eletromagnéticas do ambiente de operação. Dessa forma, este trabalho explora a viabilidade de interrogação de acelerômetros por meios ópticos, explorando a natureza interferométrica óptica da topologia estrutural, não intencionalmente concebida para esse propósito, que foi adotada no acelerômetro MEMS desenvolvido no escopo do Projeto AcelerAD.

A investigação dos mecanismos de perdas ópticas no componente multi-camada, responsável pela geração primária de energia nos geradores solares de satélites artificiais, o Solar Cell Assembly - SCA, proporcionou a identificação de uma perda óptica adicional, causada por um tipo de defeito de fabricação até então ignorado, e o desenvolvimento de duas metodologias voltadas para a otimização do projeto e da fabricação de SCA's. A primeira delas possibilita analisar o desempenho de um SCA vizando minimizar as perdas óptica. A segunda, baseada na aplicação da técnica fototérmica da fotorefletância induzida por laser, está voltada para a detecção de defeitos em SCA's e para a análise das variações de parâmetros de interesse para a fabricação. A aplicação da primeira metodologia, ao SCA utilizado no Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres - CBERS, demonstrou a existência de perdas ópticas elevadas neste SCA e apontou soluções que poderiam levar a um aumento significativo da potência gerada em órbita. A aplicação da segunda metodologia, ao mesmo SCA, identificou a existência de perdas por interferência óptica destrutiva causada por defeito de fabricação. A segunda metodologia permite, também, a quantificação das perdas por interferência óptica e a caracterização do defeito de fabricação que provoca essas perdas. As metodologias desenvolvidas possuem um potencial de aplicação para investigação de outros tipos de defeitos e em outro tipos de sistema multi-camada, não considerados neste trabalho de tese, sendo o horizonte de aplicações de natureza acadêmica muito mais amplo que o explorado no exemplo de aplicação prática utilizado neste trabalho. Essa é a primeira vez que se detecta e se quantificam perdas por interferência óptica em SCA e se disponibiliza uma metodologia para inspeção dessas perdas.

Este trabalho estuda uma nova técnica para demodulação de sinal de giroscópio a fibra óptica (GFO), baseada nas características da dependência temporal do sinal de saída em relação à velocidade angular. Esta técnica permite transformar o problema de se detectar a diferença de fase de Sagnac, que é proporcional à velocidade de rotação a que é submetido o giroscópio, na medida de diferença de intervalos de tempos determinados pelos pontos de cruzamento de zero do sinal. Um método de demodulação analógica do sinal foi desenvolvido e permitiu a implementação de um circuito demodulador simples e de baixo custo utilizado para equipar o primeiro protótipo de GFO autocontido do Brasil, desenvolvido no Instituto de Estudos Avançados de Centro Técnico Aeroespacial. São apresentados resultados comparativos com a técnica de demodulação usual, que utiliza amplificadores tipo Lock-in, que mostram a capacidade de se medir diferenças de fase de Sagnac menores que 10 mrad, as quais representam rotações menores que 1o/h para o protótipo implementado. São apresentados também resultados de ensaio em vôo realizado em helicóptero da Força Aérea Brasileira que revelam um desempenho superior do GFO em relação ao girômetro mecânico de aferição, pertencente à instrumentação de ensaio da aeronave.

A comunicação óptica no espaço livre (Free Space Optical Communication - FSO) é atualmente uma área na fotônica de grande interesse, demonstrado pelos estudos realizados por diversos grupos de pesquisas da área, devido aos benefícios oferecidos como a imunidade a bloqueio e interferência, facilidade de instalação, mobilidade, inexistência de uma regulamentação oficial para emprego, grande largura de banda, velocidade de transmissão e permitir o acesso a ultima milha (last mile). Para aplicações do FSO na área de defesa, estes benefícios citados são de grande importância, principalmente a imunidade a bloqueio e interferência. O fator limitante no desempenho do enlace FSO são os efeitos atmosféricos causados pela atenuação, composta pelo fenômeno de absorção e espalhamento, a turbulência atmosférica, representada principalmente pelo efeito da cintilação, além do fenômeno da dispersão atmosférica, pouco comentado na literatura. A conseqüência destes efeitos atmosféricos é a degradação do sinal óptico, reduzindo sua intensidade e alcance de propagação. Com isso, a fim de analisar o desempenho do enlace analógico de FSO, este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo teórico do enlace empregando modulação externa através do modulador eletroóptico Mach-Zehnder de dupla entrada, detecção direta e sem amplificação, recorrendo aos conceitos de efeito eletroóptico, propagação do feixe óptico na atmosfera sob o efeito da atenuação, turbulência e dispersão atmosférica e as técnicas de detecção óptica através da fotodetecção. A partir dos conceitos, são modeladas expressões analíticas do sinal óptico na modulação analógica tipo banda lateral dupla (Double Side Band - DSB) e banda lateral simples (Single Side Band - SSB) na saída do transmissor e o modelo analítico do sinal de RF na saída do receptor sob influência dos fenômenos atmosféricos em questão. Definido os modelos citados, realiza-se a análise de desempenho do enlace a partir de dados atmosféricos de Manaus/AM e parâmetros de dispositivos disponíveis no mercado. O resultado deste estudo é apresentado através do balanço de potência óptica do enlace, da potência de RF em relação ao comprimento do enlace e das figuras de mérito, através da combinação das equações do ganho de RF, figura de ruído e da faixa dinâmica livre de espúrios. No fim desta dissertação, são apresentadas as conclusões com base nos conceitos apresentados e resultados obtidos, além da sugestão de trabalhos futuros para esta linha de pesquisa.

Este trabalho apresenta um estudo da transmissão de sinais de micro-ondas baseada em enlaces ópticos com modulação externa. Após contextualizar os enlaces ópticos e discutir sobre as características gerais de seus principais componentes, tais como fonte laser, modulador, fibra óptica e fotodetector é apresentada uma análise detalhada da função de transferência de um modulador óptico do tipo Mach-Zehnder (MZM), com apenas uma entrada de RF (single drive). A análise realizada serviu de base para a implementação de uma ferramenta computacional no ambiente MATLAB. O programa desenvolvido, permitiu analisar diversos parâmetros do enlace, tais como ganho de potência, figura de ruído e faixa dinâmica livre de espúrios em função do valor de tensão VDC, usado para ajustar o ponto de operação do modulador MZM ao longo da sua função de transferência. Com uma potência óptica entre 10 mW e 15 mW e usando sinal de teste de 1 GHz é apresentada a verificação experimental em termos dos parâmetros analisados. Foram obtidos valores de ganho de potência da ordem de -33 dB e faixa dinâmica livre de espúrios de 84 dB.Hz2/3. Em termos da aplicação do enlace óptico de micro-ondas o presente trabalho teve como aplicação um sistema dedicado para modulação por deslocamento de fase binária (BPSK).

Em conseqüência do aumento da demanda de gás e petróleo no mercado nacional e internacional, as especificações e certificações dos resultados de analises químicas de tubos para gasodutos e oleodutos têm se tornados cada vez mais exigentes. Um contínuo desenvolvimento tem sido realizado para a melhoria de aços microligados da classe API (American Petroleum Institute). As propriedades do aço dependem do controle da composição química e parâmetros de processo durante sua fabricação. Neste trabalho, foi realizada comparação das incertezas de medição entre as técnicas de espectrometria de fluorescência de raios X por comprimento de onda (WDXRF) e de emissão óptica com fonte de arco voltaico (OES-spark) nas análises de acompanhamento de processo na produção de aços classe API. Usualmente, este tipo de análise requer menos de 40 segundos para completa caracterização química para ajuste nos parâmetros de processo de produção. As principais fontes de influência nas análises químicas foram avaliadas por planejamento de experimentos. Os elementos constituintes e traço como Al, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Nb, Mo e Sn foram determinados utilizando as metodologias normalizadas pela ASTM E-322, E-415, E-1009 e E-1085. Os materiais de referência certificados 185A e 187A da CMI (Czech Metrology Institute) foram utilizados para avaliação dos métodos. As incertezas das medições de resultados e a validação com relação a repetitividade e reprodutibilidade das medições foram obtidas conforme os testes estatísticos, recomendados pela norma ISO/IEC 17025. A incerteza de medição para cada elemento é discutida para ambas as técnicas. / The increase of gas and petroleum demanding in the national and international markets, the specification and certification of the chemical analysis results of gas and oil pipe-line have became more and more challenging. A continuous development has been outlined to improve API grade alloy steels (American Petroleum Institute). The steel properties depend on the chemical composition control and process parameters during its manufacturing. In this work, a comparison of the measurement uncertainty between X-ray fluorescence (WD system) and Optical Emission (OES-spark) spectrometries, for API grade steel plant samples analysis, was outlined. Usually, this kind of analyze requires less than 40 seconds for full chemical characterization for adjustment in the process parameters production. The main influence source in the chemical analysis was evaluated for design of experiments. The constituents and trace elements such as Al, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Nb, Mo and Sn were determined using the ASTM E-322, E-415, E-1009 and E-1085 standard methodologies. The 185A and 187A certified reference materials from CMI (Czech Metrology Institute) were used for evaluation of the methods. The uncertainty of the measurement, precision, accuracy, repeatability and reproducibility of the measurements were obtained applying statistic tests, recommended by ISO/IEC 17025. The uncertainty of measurement for each element is discussed for both techniques.