The objective of this thesis is to study of optical effects, arising in the form of non-uniform waveguide structure, complicated refractive index profiles or due to pulse propagation in dense wavelength division multiplexing (DWDM) optical communication systems. These effects are important and critically influence the performance of DWDM optical systems. A comprehensive survey of current literature on optical effects due to nonuniform optical structure and nonlinear optical effects is first done, showing their advantages and disadvantage in optical communication systems. A survey on methods of optical waveguide analysis is also done. The main contribution has been made to three main aspects of the problem : Accurate analysis of uniform/non-uniform optical waveguides with arbitary refractive index profiles Pulse propagation and distortion in DWDM Raman amplification systems. Use of non-uniform FBG to compensate for pulse distortion We study several existing analytical techniques developed so far for analyzing the mode of non-uniform optical waveguide structures. Later, we verify the analytical results by finite element method (FEM). The convergence study is also carried out. A new computational technique is proposed modifying the finite element method to analyze complex refractive index profiles required for the analysis, namely single mode step index profile, multi clad fiber, W -profile, chirp profile etc. An accuracy of 10−4 in the calculation of propagation constant/eigen-value is demonstrated. Dispersion characteristics of optical fibers w.r.t. different profile parameters is evaluated. A modification to scalar BPM is proposed and applied to study the effects of inhomogeneities along the propagation direction. The applicability and accuracy of the method is tested using integrated optic waveguide devices, namely, graded index slab waveguide. The proposed BPM uses Fourier decomposition of the transverse field. Coupled mode theory (CMT) of optical waveguides in non-homogeneous optical medium is applied to study the interaction of lightwaves propagation together such as in a DWDM system. The BPM results is verified by CMT. The inhomogeneous waveguide theory is extended to study pulse propagation in DWDM optical communication system. Nonlinear optical effects are an important aspects of DWDM systems with fiber Raman amplifier. Finite difference time domain (FDTD) method is necessary to study these nonlinear optical effects as other conventional methods are not suitable here. Here, we discuss DWDM optical communication systems due to nonlinearity in the form of SRS effect. In case of FRA, we study the various kinds of fiber profile design parameters, for the purpose to achieve and extend the flat gain bandwidth over the EDFA window. We also propose and study, a new bi-directional optical fiber transmission scheme with various constraints, using Raman amplification process with and without pump depletion. Our scheme, provides an advantage like high SNR, low pump induced noise, for long-haul communication link. We find that, there is a quite significant crosstalk and power coupling among the dense DWDM channels but earlier discussed BPM fails to account for possible interference effects among the channels. To reduce the harmful nonlinear optical effects like four wave mixing (FWM), we need to deploy a high chromatic dispersion fiber, which will ultimately lead to high pulse walk-off rate among the DWDM channels; hence for high bit rate long haul systems, walk-off effect can not be ignored. Application of FDTD provided an improved insight into the effect of GVD on stimulated Raman scattering crosstalk than different modulation techniques and line codes. It is shown through analysis that pulse walk-off phenomena may distort the data asymmetrically; especially for case of wide-band DWDM transmission system. Hence, the pulse walk-off effect should be considered in future systems containing optical amplifier. It is shown, that large walk-off rate may reduce the crosstalk among DWDM channels but tends to increase the asymmetric pulse distortion. Data may lose due to high walk-off effect. We also investigate channel addition/removal process in DWDM fiber Raman amplifier. We also demonstrate that the pulse walk-off effect tends to lead significantly to positive chirp for higher frequency channels. This feature can be exploited to overcome the chromatic dispersion effects in DWDM transmission systems. Pulse walk-off induced chirp, can be compensated by using the nonuniform fiber Bragg grating (NUFBG). The CMT due to periodic perturbation of the circular cylindrical waveguide structures is applied here. Here, we discuss the function of fiber Bragg grating as a transmission versus reflecting grating filter. We also discuss, FBG application to gain flattening of an EDFA window as well as how the group velocity dispersion (GVD) will be affected with bandwidth and coupling coefficient. We develop a new analytical technique to estimate the bandwidth of FBG based optical system. Finally, we investigate the dispersion compensation properties, pulse distortion, peak reflectivity analysis in uniform/non-uniform FBG due to an uniform/non-uniform incoming signal. More complicated refractive index profile can significantly reduce the GVD as well as side lobes intensity. Dispersion characteristic due to an arbitrary refractive index profile is discussed in details for the case of non-uniform FBG. Thus, we concluded that wide band DWDM optical communication system need to closely take into account various inhomogeneities and nonlinearities of optical fibers w.r.t. wave and pulse propagation.

L'expérience en mécanique permet tout d'abord l'observation, la compréhension des phénomènes, puis la mise en place éventuelle de modèles. Ces modèles nécessitent des données d'entrée expérimentales (paramètres) puis des validations. In fine les produits issus des prédictions / dimensionnement via les modèles sont aussi testés. Dans ce cadre, les méthodes optiques pour la caractérisation des matériaux et des structures (photomécanique) sont d'un grand intérêt. Les travaux présentés dans ce mémoire se situent dans ce périmètre, suivant les deux principaux thèmes de recherche que j'ai développés : (A) les mesures de champs par méthodes de corrélation d'images et leur exploitation pour l'analyse du comportement et la caractérisation mécanique des matériaux, et (B) les capteurs à fibre optique pour le suivi des procédés de fabrication des composites (mesures confinées et sans accès visuel). La première partie du mémoire présente mon dossier personnel résumant mes activités générales en temps qu'enseignant-chercheur à l'Ecole des Mines d'Albi. La deuxième partie présente mon dossier de recherche, articulée autour de ces deux thèmes. Le premier thème se décompose suivant trois axes majeurs : (A1) les mesures de champs cinématiques par corrélation d'images et leur caractérisation métrologique, (A2) la caractérisation du comportement de matériaux à l'aide de mesures par corrélation d'images, et (A3) l'identification inverse de paramètres constitutifs à partir d'essais statiquement indéterminés et de mesures par corrélation d'images. Le second thème se décompose suivant deux axes majeurs : (B1) la mesure de température et de déformations par capteur à fibre optique à réseaux de Bragg appliquées au suivi de procédé d'élaboration de composites, et (B2) la mesure du degré d'avancement par réfractomètre de Fresnel. Le mémoire se clôture par un bilan général et quelques perspectives de recherche.

La corrosion des armatures de renforcement des structures en béton représente un enjeu socio-économique majeur. Sa détection et le suivi de son évolution constituent un défi pour la recherche appliquée. Les techniques standards non destructives de détection de corrosion mettent en œuvre des procédés indirects tels la mesure d’impédance, de potentiels, ou par ultrasons. Leurs capacités d’auscultation sont limitées dans l’espace (notamment en profondeur), leur coût reste élevé dans un contexte de maintenance périodique et elles conduisent à des paramètres d’interprétation complexe. Des progrès sont nécessaires dans la détection et l’analyse fiable de la progression des processus de corrosion. Dans ce travail, nous présentons une nouvelle méthode pour détecter la corrosion et le suivi de son évolution, basée sur l’observation directe des changements intervenant à l’interface fer-béton par Capteur à Fibre Optique (CFO). L'attaque par corrosion de la surface de l'armature dépend de plusieurs paramètres électrochimiques (température, pH, carbonatation, présence de chlorures, contamination biologique, etc.). Deux comportements mécaniques à l'interface fer-béton sont distingués. Dans le premier cas (carbonatation), le produit d'oxydation du métal reste à l'interface et augmente la pression interne, pouvant conduire à la fissuration de la couche de béton extérieure. Dans le second cas (piqures), les ions métalliques sont évacués hors de la structure avec comme conséquence une réduction de section des barres d'armature (affaiblissement du renforcement). Un CFO innovant est proposé dans le but de localiser et quantifier les deux types de corrosion précités. Le principe consiste à observer l’impact direct de la corrosion sur l’état de déformation d’une fibre optique préalablement précontrainte par construction. Deux procédés métrologiques sont étudiés : Bragg et réflectométrie fréquentielle (Optical Frequency-Domain Reflectometry - OFDR). Des tests de corrosion accélérée montrent la faisabilité du procédé. Une procédure de fabrication simplifiée et à coût optimisé est proposée pour la surveillance in situ et répartie des structures de génie civil, dans une perspective future de maintenance conditionnée. / Corrosion of reinforced bars (rebars) in concrete structures remains a major issue in civil engineering works, being its detection and evolution a challenge for the applied research. Usual non-destructive corrosion detection methods involve impedance, potential or ultra-sonic indirect measurements of complex interpretation. Besides, they are restricted to near-surface examinations and the maintenance cost is still high (scheduled maintenance). Many efforts remain to be done to survey the onset and progression of corrosion processes in a reliable way. In this work, we present a new methodology to detect the onset of corrosion and to monitor its evolution, based on the direct observation of rebar–concrete interface changes by the use of an Optical Fiber Sensor (OFS). The corrosion attack over rebar surface depends on several physical, chemical and electrochemical parameters (temperature, pH, presence of chlorides/CO2, biological contamination, etc.). Two types of mechanical behavior and described. In the first case (carbonation), metal oxidation products stay at the interface and increase internal pressure, potentially leading to a crack of the external concrete layer. In the second case (pitting), metal ions are evacuated out of the structure, leading to a reduction of the rebar section (structural weakness). An innovative sensor design is proposed with the purpose of localizing and quantifying the amount of both corrosion types. The basic principle consists in measuring the impact of corrosion over the state of strain of a prestressed optical fiber. Two metrological techniques are used: Fiber Bragg Grating (FBG) and Optical Frequency-Domain Reflectometry (OFDR). Accelerated corrosion tests were performed in electrolytic solutions for both kinds of corrosion types (pitting and carbonation) and provide a proof-of-concept for the technique. A low-cost, simplified manufacturing procedure is proposed with the aim to provide distributed and in situ Structural Health Monitoring (SHM), suitable for future Condition-Based Maintenance (CBM) of civil engineering concrete structures.

Předložená disertační práce zkoumá možnosti použití nového typu polovodičového MGY- Laseru elektricky laditelného v širokém spektrálním rozsahu a zabývá se možnostmi jeho nasazení v optovláknové senzorové síti založené na metodě FBG (Fiber Bragg Grating). Výzkum byl započat komplexními dlouhodobými testy reálného měřícího scénáře z oblasti stavebnictví, sestaveného pro účely ověření limitujících aspektů současných technik. Inženýrské aplikace nabízejí velké množství vzájemně se vylučujících požadavků pro návrh strukturálních senzorových systémů. Tyto požadavky jsou sdíleny mnoha dalšími technologickými oblastmi, což přispívá k vysokému stupni univerzálnosti použití dosažených výsledků. Na základě posouzení stavu současné techniky a aplikačních požadavků byly v práci nejprve identifikovány aspekty, které mají být výzkumem zlepšeny. V dalším kroku byl detailně charakterizován MG-Y laser Syntune/Finisar S7500. Na základě dat získaných měřením byla zkoumána nová metoda spojitého řízená vlnové délky záření laseru. Provedené experimenty vedly nejen k návrhu nového způsobu spojité regulace vlnové délky ale také k vytvoření prostředků pro vlastní kalibraci systému na základě jeho vnitřních vlastností (podélných módů rezonátoru).

Dans une première partie, nous rappelons que les procédés de fabrication de matériaux composites peuvent être suivis avec l'emploi de capteurs à fibre optique à réseau de Bragg (FBG) mesurant la température et la déformation in situ au coeur des matériaux. Dans une seconde partie, nous détaillons le principe et la physique du capteur FBG ainsi que ses différentes sensibilités. La métrologie du capteur FBG est traitée dans le but d'optimiser les incertitudes de mesure associées. Celles-ci interviennent à différents niveaux de la chaîne d'acquisition : au niveau du matériel d'interrogation, du traitement du spectre acquis, ou de l'étalonnage. Pour améliorer le traitement du spectre brut du FBG, nous évaluons les incertitudes découlant de l'échantillonnage, des conditions d'acquisition et des méthodes de recherche ou des modèles mathématiques d'ajustement. Concernant l'étalonnage, un banc de micro-traction mécanique de fibre optique et thermique a été réalisé dans le but d'étalonner les capteurs. Des spécificités du capteur comme la non-linéarité des réponses, la sensibilité croisée et la dérive thermique sont abordées. Puis, nous présentons ce qui est observé lorsque la fibre est introduite dans le matériau par rapport à l'arrangement des capteurs dans l'environnement de composite. L'intrusivité de la fibre optique sera évaluée en fonction de plusieurs paramètres en vue d'être réduite. Il est également question du découplage de la température et de la déformation car le capteur est sensible aux deux grandeurs. Une revue documentée des différentes techniques de la littérature est proposée. Parmi les techniques de découplage, deux sont retenues : celle qui combine un thermocouple et un FBG, et celle basée sur des réseaux de différentes longueurs d'onde superposés sur une même fibre. Le capteur FBG est appliqué au suivi déformation/température lors de la cuisson de résines époxydes utilisées dans les composites. Enfin, les capteurs FBG sont introduits dans le procédé de fabrication de composite à infusion de résine LRI (Liquid Resin Infusion) afin de suivre les cycles de températures et de déformations au cours de la cuisson. La dernière partie traite de la mesure de gradient de température ou de déformation à partir de la réponse complète du capteur de Bragg. Une méthode d'identification de gradient s'inspirant de la méthode directe dite de T-Matrix permettant de simuler les spectres est proposée. Après avoir validé la méthode de chemin inverse sur des cas purement numériques, l'identification des gradients est testée sur des moyens expérimentaux permettant d'appliquer un gradient thermique ou mécanique au capteur FBG.

Several sensor technologies have been developed and experimented over the last few decades to cater various needs of medical diagnostics. Among these, fiber optic sensors, in particular, Fiber Bragg Grating (FBG) based sensors have attracted considerable attention due to their inherent advantages such electrical passiveness, immunity to Electro Magnetic Interference (EMI), chemical inertness, etc. The present research work focuses on design, development and validation of FBG sensor based devices for measurement of certain healthcare parameters in the context of foot function/gait cycle, cardiac and breathing activity, nostril dominance, hand grip/wrist angle force function, etc. The experimental work presented here emphasizes on the effectiveness and competitiveness of the FBG devices developed, in comparison with standard tools such as Accelerometer, Load cell, Electronic Stethoscope, Electromyogram and Dynamometer. In the field of human balance, stability and geriatrics, two independent FBG devices namely, Fiber Bragg Grating based Stability Assessment Device (FBGSAD) and Optical Sensor Ground Reaction Force measurement Platform (OSGRFP) have been designed, developed and experimented for postural stability assessment and gait analysis respectively. The result of these studies have significant implications in understanding of the mechanism of plantar strain distribution, identifying issues in gait cycles, detecting foot function discrepancies, identifying individuals who are susceptible to falls and to qualify subjects for balance and stability. In the field of ergonomic assessment, Fiber Braggs Grating based Hand Grip Device (FBGHGD) is designed and developed for the measurement of hand grip force which helps in the understanding of several important biomechanical aspects such as neuromuscular system function, overall upper-limb strength, vertebral fracture, skeletal muscle function, prediction of disability, incapacity, mortality and bone mass density (forearm, skeletal sites, spine, hip etc.). Further as an extension of this work, the FBGHGD is used for measurement of force generated by the wrist in different positions of the flexion and extension which relates to the wrist muscle activity and its enactment. In the field of cardiac activity monitoring, a novel, in-vivo, non-invasive and portable device named Fiber Bragg Grating based Heart Beat Device (FBGHBD) is developed for the simultaneous measurement of respiratory and cardiac activities. The work involves designing FBGHBD, validating its performance against traditional diagnostic systems like electronic stethoscope, exploration of its clinical relevance and the usage of FBGHBD in studies involving normal persons and patients with myocardial infarction. The unique design of FBGHBD provides critical information such as nascent morphology of cardiac and breathing activity, heart rate variability, heart beat rhythm, etc., which can assist in early clinical diagnosis of many conditions associated to heart and lung malfunctioning. Further, the scope of this work extends towards evaluating several signal processing algorithms and demonstrating a suitable signal processing architecture for real-time extraction of heart beat and respiratory rates along with its nascent morphologies for critical health care application. In the area of breath monitoring, a Nostril Pressure and Temperature Device (NPTD) is designed and developed which aims at simultaneous, accurate and real-time measurement of nostril air flow pressure and temperature to aid in clinical diagnosis of nasal dysfunction and associated nose disorders. The results of NPTD can offer certain vital features like breathing pattern, respiratory rate, changes in individual nostril temperature/pressure, nostrils dominance, body core temperature etc., which can assist in early clinical diagnosis of breathing problems associated with heart, brain and lung malfunctioning. Since the research work in this thesis involve experiments engaging human subjects, necessary approvals from the ethical committee is obtained before the experiments and required ethical procedures are followed during all the experimental trials.

[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. / Ricchiuti, AL. (2016). Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66343 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales