Este trabalho trata do desenvolvimento de um acelerômetro opto-mecânico empregando como elementos sensores grades de Bragg a fibras ópticas. É abordado o desenvolvimento da mecânica do sistema, além de sua óptica e eletrônica, necessários para a leitura dos sensores. No aspecto mecânico são apresentadas duas propostas de topologias para o módulo sensor, uma das quais é adotada como solução do problema em pauta. Essa topologia é modelada por meio do software MatLab, determinando-se suas dimensões em função das características desejadas. A partir desse modelamento foi usinado um demonstrador de conceitos, utilizado para os ensaios subseqüentes. É apresentada também uma caixa de integração para o sistema, capaz de portar o módulo sensor, a óptica de apoio e a eletrônica de processamento de sinais, na forma de um laboratório portátil. No aspecto óptico são apresentadas duas fontes ópticas e quatro sistemas interrogadores embarcáveis, visando um produto modular, independente de equipamentos comerciais para sua leitura. São apresentadas metodologias para a determinação dos pares otimizados de grades de Bragg e para a predição da resposta característica do sistema. No aspecto eletrônico são apresentados quatro circuitos para tornar o sistema embarcável, que são a fonte de energia, a fonte óptica, os circuitos de transimpedância e conversão análogo-digital e o circuito de controle digital. Como resultados os quatro sistemas interrogadores propostos são caracterizados para a medida de acelerações, e são realizados outros ensaios para determinar possíveis fontes de erro do sistema. Nas conclusões, além da comparação dos resultados obtidos com as características de um acelerômetro por realimentação de força, tipicamente empregado em aplicações inerciais, são propostos vários trabalhos futuros, assim como aplicações duais para a óptica e eletrônica desenvolvidas neste trabalho.

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.

Laser ultrasonics is an all-optical non-destructive testing technique which employs ultrasonic waves as a means of ascertaining the internal part of an opaque material (for light). The difference from a conventional ultrasonics testing technique relies on the generation and detection of these waves which, in the laser ultrasonics technique, is performed by a laser pulse and an optical detector of ultrasound, respectively. This technique is employed in the aerospace and aeronautics industry for flaw detection or material characterization, since it is couplant free, non-contact and remote from the inspected object. The high cost and complexity of a commercial laser ultrasonics system, however, led to the development in this work, of an intensity-modulated fiber optic sensor to be employed as the optical detector of a laser ultrasonics system. This fiber optic sensor is capable to detect angular displacement in the range of microradians and presents high sensitivity, optical fiber compatibility, wide bandwidth and, furthermore, is simple to assembly and low cost. The fiber optic sensor comprises two optical fibers, a positive lens, a reflective surface, a laser, and a photodetector. A mathematical model was developed to determine and simulate the static characteristic curve of the sensor and to analyze the influence of geometrical parameters in its performance. Different sensor configurations were assembled and experimental static characteristic curves were acquired to validate the mathematical model. The normalized sensitivity, for the configurations tested, ranges from (0.25×Vmax) to (2.40×Vmax) mV/?rad and the linear range, from 194 to 1840 ?rad. Regarding an specific sensor configuration (the sensor 4/4) with reflective surface of 100% of reflectivity, the sensor presented an unnormalized sensitivity of 7.7 mV/?rad, an estimated resolution of approximately 1 ?rad and signal-to-noise ratio of 32 dB. The sensor was tested on the dynamic operation for sound and ultrasound detection and, finally as the optical detector of the complete laser ultrasonics system developed in this work. The sensor also proved to be suitable for time-of-flight measurements and nondestructive testing, being an alternative to the piezoelectric or the interferometric detectors.

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.

Sensores a fibra óptica estruturalmente integrados formam a base para a tecnologia de estruturas inteligentes. Nos últimos anos foram desenvolvidas várias configurações de sensores a fibra óptica para medidas de deformação mecânica. Esta deformação altera o índice de refração e a geometria do material da fibra óptica causando variações na intensidade, fase e polarização da onda luminosa propagando-se ao longo da fibra. Sensores interferométricos a fibra óptica são extremamente sensíveis a medidas de deformação, sendo utilizados em aplicações que demandam elevado desempenho. Sua alta resolução faz destes sensores ideais para aplicações de controle. Interferometria com luz branca é uma técnica muito eficiente que vem sendo empregada para fornercer medidas de deformação mecânica com alta resolução. Neste trabalho foi implementado um sensor de deformação mecânica baseado no interferômetro de Michelson a fibra óptica com luz branca para medidas de deformação (strain) em uma viga não uniforme de seção retangular. A partir dos resultados experimentais obtidos com o sensor a fibra e com extensômetros de resistência elétrica (strain gauges), foram feitas análises comparativas de ambos os sensores com o propósito de avaliar a característica de resposta do sensor a fibra óptica. Isto foi feito principalmente com relação à linearidade de resposta do sensor a fibra. Em seguida, foram propostas algumas modificações de forma a adequá-lo às várias aplicações que se fizerem necessárias. Este trabalho permitiu o desenvolvimento de um sensor a fibra óptica no CTA e a integração de diversas áreas incluindo opto-eletrônica, engenharia mecânica e aeronáutica e computação.

Foram realizados estudos sobre as propriedades ópticas, através das medidas de índice de refração e coeficiente de absorção, dos materiais pentóxido de tântalo ( Ta2O5 ) e óxido de zircônio ( ZrO2 ), na forma de filmes finos, antes e após tratamento térmico. Os filmes foram produzidos utilizando a técnica de evaporação por feixe de elétrons, com a pressão residual de oxigênio de 1,0.10-4 torr, e a temperatura de 135C, em substrato de vidro BK-7. Foram utilizadas duas técnicas de caracterização óptica: elipsometria e o método de envelope. Também foi utilizada a difração de raios-x de baixo ângulo para medida da espessura dos filmes.

Este trabalho apresenta um estudo da aplicação de dispositivo multifuncional a óptica integrada em interferômetros de Sagnac a fibra óptica birrefringente. Inicia-se com o estudo teórico de fundamentos em óptica necessários à análise de um interferômetro de Sagnac que utiliza um dispositivo eletroóptico com junção em Y, em substrato em LiNbO3, como dispositivo multifuncional. A dependência da função de transferência do interferômetro com o espectro de potência da fonte de radiação óptica, as características de propagação em fibras ópticas birrefringentes e o dispositivo multifuncional, para várias formas de onda de modulação, foram investigadas teórica e experimentalmente. A formulação desenvolvida resulta em uma compreensível referência sobre a tecnologia de óptica integrada e moduladores eletroópticos, provendo a fundamentação necessária para uma profunda, e em alguns casos original, análise de modulação de fase usando formas de onda senoidal, dente de serra, quadrada, triangular e parabólica. A partir dos resultados desta análise, um arranjo experimental, composto de um interferômetro de Sagnac e de um dispositivo multifuncional a óptica integrada em LINbO3, foi implementado e caracterizado. Os resultados experimentais obtidos encontram-se em boa concordância com as previsões teóricas, e ainda, conclui-se que o dispositivo multifuncional em LiNbO3 permite a implementação de técnicas confiáveis na caracterização de interferômetro de Sagnac a fibra óptica e de circuitos eletrônicos de processamento do sinal interferométrico.

Este trabalho reporta a modelagem numérica de fibras ópticas de polímero, sensores refractométricos e filtros dicróicos operando na faixa de Terahertz (THz). Na classe de fibras são apresentados estudos teóricos de guias dielétricos cilíndricos sólidos (microwires) com casca de ar, além de tubos e fibras porosas que têm alta fração de preenchimento de ar em seu núcleo microestruturado, que resultam em baixas perdas e alto confinamento modal nas regiões de baixo índice. Também são apresentadas fibras altamente birrefringentes e, pela primeira vez, resultados para um sensor refractométrico baseado em estruturas monomodo-multimodo-monomodo (singlemode-multimode-singlemode-SMS) com aplicação em THZ, que apresenta uma sensibilidade 0,52 MHz/RIU para uma faixa de índices de refração de 1,4 a 1,5. Por fim, filtros dicróicos são estudados analítica e numericamente. Estes apresentaram boa concordância com resultados experimentais da literatura. Isto nos permitiu utilizar destes métodos numéricos para avaliar e projetar novas estruturas de filtros. Softwares comerciais, baseados em diferentes métodos numéricos foram empregados para realização das simulações.

Este Trabalho apresenta um ciclo completo de desenvolvimento incluindo manufatura, instalação e testes de uma Superfície Óptica Refletora conhecida na literatura como Optical Solar Reflector - OSR, utilizadas como radiador térmico de satélites. O OSR é basicamente um espelho de segunda superfície composto por uma lâmina de borossilicato ou sílica fundida, com um filme fino de prata depositado na face não exposta ao ambiente espacial. Esses radiadores são utilizados em determinadas partes do satélite para a rejeição de calor para o meio espacial. No Brasil utiliza-se, no lugar de OSR, superfícies pintadas com tinta branca que, embora de custo menor, sofrem degradação das propriedades ópticas quando expostas ao ambiente espacial, e por consequência aumentando a temperatura interna do satélite no final de sua vida útil. Este projeto visa oferecer uma alternativa para substituição da tinta por esse modelo de radiador, considerando suas características de baixa degradação ao longo da vida orbital do satélite. No processo de manufatura do OSR, utilizou-se o borossilicato com 115m de espessura e o filme metálico foi depositado pelo processo Electro Beam de deposição de filme fino utilizando-se o equipamento do CTE-INPE. Tendo o OSR fabricado, foram pesquisados alguns tipos de adesivo para a fixação dos mesmos no satélite, sendo considerada tanto a adesão a resistência a dilatação e contrações térmicas devido aos ciclos térmicos no qual o satélite é exposto durante a sua vida orbital. Um radiador simples foi montado em uma placa de alumínio e foram submetidos a testes de vibração, medidas de absortividade ( S) e emissividade ( IR , e testes vácuo-térmico e de choque térmico. Estes testes comprovaram as boas propriedades termo ópticas do refletor, e validaram a aderência da prata no borossilicato, assim como a aderência da cola escolhida para a fixação dos OSR';s na estrutura do satélite. Todos os testes foram executados no Laboratório de Integração e Testes do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (LIT- INPE).

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).