A novel detection technique to estimate the amount of chirp in fiber Bragg gratings (FBGs) is proposed. This method is based on the fact that reflectivity at central wavelength of FBG reflection changes with strain/temperature gradient (linear chirp) applied to the same. Transfer matrix approach was used to vary different grating parameters (length, strength and apodization) to optimize variation of reflectivity with linear chirp. Analysis is done for different sets of ‘FBG length-refractive index strength’ combinations for which reflectivity vary linearly with linear chirp over a decent measurement range. This work acts as a guideline to choose appropriate grating parameters in designing sensing apparatus based on change in reflectivity at central wavelength of FBG reflection. A novel high sensitive FBG strain sensing technique using lasers locked to relative frequency reference is proposed and analyzed theoretically. Static strain on FBG independent of temperature can be measured by locking frequency of diode laser to the mid reflection frequency of matched reference FBG, which responds to temperature similar to that of the sensor FBG, but is immune to strain applied to the same. Difference between light intensities reflected from the sensor and reference FBGs (proportional to the difference between respective pass band gains at the diode laser frequency) is not only proportional to the relative strain between the sensor and reference FBGs but also independent of servo residual frequency errors. Usage of relative frequency reference avoids all complexities involved in the usage of absolute frequency reference, hence, making the system simple and economical. Theoretical limit for dynamic and static strain sensitivities considering all major noise contributions are respectively of the order of 25 pε/ Hz and 1.2nε /

No description available.

[ES] Los sensores ópticos son dispositivos fotónicos sensibles a determinadas magnitudes que se usan precisamente para medir, ya sea de forma absoluta o relativa, esas magnitudes. Medir la temperatura, la presión, la tensión, la humedad o la presencia de un determinado gas son algunas de las funcionalidades que llevan a cabo estos sensores. A lo largo de las últimas décadas multitud de sensores y técnicas de interrogación han sido desarrolladas, lo que ha tenido un increíble impacto en multitud de áreas. Uno de los ejemplos más claro es la arquitectura civil, donde los sensores fotónicos juegan un papel fundamental en la monitorización del estado de las estructuras. A pesar de los buenos resultados conseguidos por los sensores ópticos hasta la fecha, las técnicas de interrogación desarrolladas hasta ahora muestran algunas desventajas. Tiempos de medida altos, baja resolución o una gran complejidad son algunas de ellas. En esta tesis doctoral se presenta el diseño y caracterización de diversos sensores fotónicos basados en las ya conocidas redes de difracción de Bragg así como la implementación de nuevas técnicas de interrogación de dichos sensores para intentar eliminar o reducir esas desventajas. Las técnicas de interrogación desarrolladas en este trabajo se basan en la fotónica de microondas, donde la interacción entre las señales ópticas y eléctricas se usa para detectar en este caso los cambios en una determinada magnitud. Las técnicas desarrolladas en este trabajo buscan ser lo más versátiles y escalables posibles para así poder adaptarse a los requerimientos de diferentes escenarios. Encontramos así técnicas que permiten interrogar a miles de sensores con una gran resolución y sensibilidad así como también técnicas de interrogación de sensores puntuales con una enorme sensibilidad y simplicidad tanto en la interrogación como en el sistema usado para ello. También están presentes los resultados obtenidos mediante la colaboración con el instituto de investigación sueco ACREO para el desarrollo de un sensor de campo eléctrico basado en fibras polarizadas donde se han fabricado varias redes de difracción de Bragg. / [CA] Els sensors òptics son dispositius fotònics sensibles a determinades magnituds que s'usen precisament per a mesurar, ja siga de forma absoluta o relativa, aquestes magnituds. Mesurar la temperatura, la pressió, la tensió, la humitat o la presència d'un determinat gas són algunes de les funcionalitats que realitzen aquestos sensors. Al llarg de les últimes dècades multitud de sensors i tècniques d'interrogació han sigut desenvolupades, i això ha tingut un impacte increïble a multitud d'àrees. Un dels exemples més clar es l'arquitectura civil, on aquestos sensors juguen un paper fonamental en la monitoratge de l'estat de les estructures. Encara que els resultats aconseguits han sigut bons, les tècniques d'interrogació desenvolupades fins ara mostren alguns desavantatges. Temps de mesurament alt, baixa resolució o una gran complexitat són algun d'ells. A aquesta tesi doctoral es presenta el disseny i caracterització de diversos sensors fotònics basats en les ja conegudes xarxes de difracció de Bragg així com l'implementació de noves tècniques d'interrogació per a intentar eliminar o reduir aquestos inconvenients. Les tècniques d'interrogació desenvolupades en aquest treball es basen en la fotònica de microones, on l'interacció entre les senyals òptiques i elèctriques s'usa per a detectar en aquest cas els canvis en una determinada magnitud. Les tècniques desenvolupades en aquest treball busquen ser el més versàtils i escalables possibles per a poder adaptar-se als requeriments dels diferents escenaris. Trobem així tècniques que permeten interrogar milers de sensors amb una gran resolució i sensitivitat però també tècniques que permeten interrogar sensors puntuals amb una increïble sensitivitat mostrant una gran simplicitat en el seu disseny. També estan presents els resultats obtinguts mitjançant la col¿laboració amb l'institut d'investigació suec ACREO per al desenvolupament d'un sensor de camp eléctric basat en FBGs i en fibres polaritzades. / [EN] Optical sensors are photonic devices sensitive to different magnitudes that are used precisely to measure, in an absolute or a relative way, these magnitudes. These optical sensors are nowadays used to measure temperature, pressure, strain, humidity or the presence of a particular gas. In the past few decades a multitude of photonic sensors and different interrogation techniques have been developed, which had a great impact in dozens of different fields. One of the best examples is civil architecture, in which photonic sensors play a fundamental role in order to monitor the condition of the structures. Despite of the good results showed by photonic sensors, the interrogation techniques used show different drawbacks. A large measurement time, low resolution or great complexity are some of them. In this doctoral thesis the design and characterization of a set of different photonic sensors based on the already known fiber Bragg gratings, along with the implementation of new interrogation techniques, are used in order to eliminate or at least reduce these problems. The interrogation techniques developed in this work are based on Microwave Photonics techniques, in which the interaction between optical and electrical signals is used to detect in this case the changes in a particular magnitude. The techniques showed in this work have been designed in order to be as versatile and scalable as possible to have the opportunity to adapt to any requirement in different scenarios. In this work techniques that are able to interrogate hundreds or even thousands of sensors with great sensitivity and resolution can be found in addition to techniques that are developed to interrogate individual sensors with an enormous sensitivity. The work carried out in collaboration with the Swedish research institute ACREO, based on the development of an electric field sensor based on poled fibers together with FBGs is also present. / Hervás Peralta, J. (2019). Design of photonic sensors based on cavities and new interrogation techniques [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/119754

Fibre-optic sensors have been the focus of a lot of research, but their associated high cost has stifled their transferral from the laboratory to real world applications. This thesis addresses the issue of multiplexing, a technology that would lower the cost per unit sensor of a sensor system dramatically. An overview of the current state of research of, and the principles behind, multiplexed sensor networks is given. A new scheme of multiplexing, designated W*DM, is developed and implemented for a fibre Bragg grating (FBG) optical fibre sensor network. Using harmonic analysis, multiplexing is performed in the domain dual to that of the wavelength domain of a sensor. This scheme for multiplexing is compatible with the most commonly used existing schemes of WDM and TDM and thus offers an expansion over, and a resultant cost decrease from, the sensor systems currently in use. This research covered a theoretical development of the scheme, a proof of principle, simulated and experimental analysis of the performance of the multiplexed system, investigation into sensor design requirements and related issues, fabrication of the sensors according to the requirements of the scheme and the successful multiplexing of eight devices (thus offering an eightfold increase over current network capacities) using this scheme. Extensions of this scheme to other fibre sensors such as Long Period Gratings (LPGs) and blazed gratings were also investigated. Two LPGs having a moir?? structure were successfully multiplexed and it was shown that a blazed Fabry Perot grating could be used as a tuneable dual strain/refractive index sensor. In performing these tests, it was discovered that moir?? LPGs exhibited a unique thermal switching behaviour, hereto unseen. Finally the application of fibre sensors to the civil engineering field was investigated. The skill of embedding optical fibre in concrete was painstakingly developed and the thermal properties of concrete were investigated using these sensors. Field tests for the structural health monitoring of a road bridge made from a novel concrete material were performed. The phenomenon of shrinkage, creep and cracking in concrete was investigated showing the potential for optical fibre sensors to be used as a viable research tool for the civil engineer.

Fibre-optic sensors have been the focus of a lot of research, but their associated high cost has stifled their transferral from the laboratory to real world applications. This thesis addresses the issue of multiplexing, a technology that would lower the cost per unit sensor of a sensor system dramatically. An overview of the current state of research of, and the principles behind, multiplexed sensor networks is given. A new scheme of multiplexing, designated W*DM, is developed and implemented for a fibre Bragg grating (FBG) optical fibre sensor network. Using harmonic analysis, multiplexing is performed in the domain dual to that of the wavelength domain of a sensor. This scheme for multiplexing is compatible with the most commonly used existing schemes of WDM and TDM and thus offers an expansion over, and a resultant cost decrease from, the sensor systems currently in use. This research covered a theoretical development of the scheme, a proof of principle, simulated and experimental analysis of the performance of the multiplexed system, investigation into sensor design requirements and related issues, fabrication of the sensors according to the requirements of the scheme and the successful multiplexing of eight devices (thus offering an eightfold increase over current network capacities) using this scheme. Extensions of this scheme to other fibre sensors such as Long Period Gratings (LPGs) and blazed gratings were also investigated. Two LPGs having a moir?? structure were successfully multiplexed and it was shown that a blazed Fabry Perot grating could be used as a tuneable dual strain/refractive index sensor. In performing these tests, it was discovered that moir?? LPGs exhibited a unique thermal switching behaviour, hereto unseen. Finally the application of fibre sensors to the civil engineering field was investigated. The skill of embedding optical fibre in concrete was painstakingly developed and the thermal properties of concrete were investigated using these sensors. Field tests for the structural health monitoring of a road bridge made from a novel concrete material were performed. The phenomenon of shrinkage, creep and cracking in concrete was investigated showing the potential for optical fibre sensors to be used as a viable research tool for the civil engineer.

[ES] La fibra óptica ha supuesto una gran revolución en el mundo de las telecomunicaciones debido a su alta capacidad de transmisión y sus bajas pérdidas. Hoy en día no sería posible transportar la cantidad de tráfico que se genera en internet si no fuera por sis- temas de comunicaciones basados en fibras ópticas. Sin embargo, el número de dispo- sitivos conectados a internet es cada vez mayor, por lo que la capacidad de la fibra óptica estándar de un solo núcleo se puede ver limitada en un futuro no muy lejano. Una forma de aumentar dicha capacidad es utilizar fibras ópticas con varios núcleos. Actualmente existe un gran interés sobre la investigación en este tipo de fibras para aplicaciones de telecomunicaciones, por lo que no es difícil encontrar fibras multinú- cleo comerciales. Aunque el uso más común de la fibra óptica es para telecomunicaciones, también se puede utilizar como sensor. Uno de los métodos más comunes para la implementa- ción de sensores es la inscripción de redes de difracción en fibras ópticas de un solo núcleo. Sin embargo, la inscripción de redes de dirección en fibras de múltiples núcleos abre nuevas líneas de investigación para el desarrollo de sensores avanzados. En esta tesis se ha estudiado distintos tipos de redes de difracción inscritas en una fibra de siete núcleos para su aplicación en la implementación de sensores. En primer lugar, se describe el sistema de fabricación que permite inscribir distintos tipos de redes de difracción en la fibra multinúcleo de forma selectiva, es decir, permite seleccionar en que núcleos se va a inscribir la red. Mediante este sistema se han inscrito redes de periodo largo y posteriormente se han caracterizado como sensor de deformación, tor- sión y curvatura. Después, se han inscrito redes de Bragg inclinadas para aumentar de forma intencionada la diafonía entre los núcleos de la fibra mediante el acoplo de luz entre ellos. Además, se ha demostrado experimentalmente que esta diafonía es sensible a la deformación de la fibra, a la curvatura, a la temperatura y al índice de refracción que rodea la fibra. Por otro lado, se ha demostrado que las redes de Bragg inscritas en fibras multinúcleo se pueden utilizar para implementar sensores de curvatura capaces de operar en entornos radioactivos. Finalmente se han fabricado redes de Bragg rege- neradas capaces de operar a altas temperaturas, estas redes se han caracterizado como sensor de temperatura, deformación y curvatura. / [CAT] La fibra òptica ha suposat una gran revolució en el món de les telecomunicacions a causa de la seua alta capacitat de transmissió i les seues baixes pèrdues. Hui en dia no seria possible transportar la quantitat d'informació que es genera en internet si no fos pels sistemes de comunicacions basats en fibres òptiques. No obstant això, el nombre de dispositius connectats a internet es cada vegada més gran, per la qual cosa la capacitat de la fibra òptica estàndard d'un sol nucli es pot veure limitada en un futur no gaire llunyà. Una manera d'augmentar aquesta capacitat es utilitzar fibres òptiques amb diversos nuclis. Actualment existeix un gran interès sobre la investigació en aquesta mena de fibres per a aplicacions de telecomunicacions, per la qual cosa no es difícil trobar fibres de múltiples nuclis comercials. Encara que l'ús mes comú de la fibra òptica es per a telecomunicacions, també es pot utilitzar com a sensor. Un dels mètodes més comuns per a la implementació de sensors es la inscripció de xarxes de difracció en fibres òptiques d'un sol nucli. No obstant això, la inscripció de xarxes de difracció en fibres de múltiples nuclis obri noves línies d'investigació per al desenvolupament de sensors més complexos. En aquesta tesi s'ha estudiat diferents tipus de xarxes de difracció inscrites en una fibra de set nuclis per a la seua aplicació en la implementació de sensors en fibra òptica. En primer lloc, es descriu el sistema de fabricació de xarxes de difracció que permet inscriure diferents tipus de xarxes de difracció en la fibra de múltiples nuclis de manera selectiva, es a dir, permet seleccionar en que nuclis s'inscriurà la xarxa. Mitjançant aquest sistema s'han inscrit xarxes de període llarg i posteriorment s'han caracteritzat com a sensor de deformació, torsió i curvatura. Després, s'han inscrit xarxes de Bragg inclinades per a augmentar de manera intencionada la diafonia entre els nuclis de la fibra mitjançant l'acoblament de llum entre ells. A més d'això, s'ha demostrat experimentalment que aquesta diafonia es sensible a la deformació de la fibra, a la curvatura, a la temperatura i a l'índex de refracció que envolta la fibra. D'altra banda, s'ha demostrat que les xarxes de Bragg inscrites en fibres múltiples nuclis es poden utilitzar per a implementar sensors de curvatura que poden operar en entorns radioactius. Finalment s'han fabricat xarxes de Bragg regenerades que suporten altes temperatures, aquestes xarxes s'han caracteritzat com a sensor de temperatura, deformació i curvatura. / [EN] Optical fiber has been a great revolution in the world of telecommunications due to its high transmission capacity and low attenuation. Today it would not be possible to transport the amount of traffic that is generated on the Internet without communication systems based on optical fibers. However, the number of devices connected to the Internet is increasing, so the capacity of standard single-core fiber optics may be limited so far in the future. One way to increase this capacity is to use multi-core optical fibers. Nowadays is a great interest in research in this type of fibers for telecommunications applications, so it is not difficult to find commercial multicore fibers. Although the most common use of fiber optics is for telecommunications, it can also be used as a sensor. One of the most common methods for sensor implementation is the inscription of diffraction gratings on single-core optical fibers. However, the enrollment of steering networks in multi-core fibers opens new lines of research for the development of advanced sensors. In this thesis, different types of diffraction gratings inscribed in a seven-core fiber have been studied for their application in the implementation of sensors. In the first place, the diffraction grating manufacturing system is described that allows to inscribe different types of diffraction gratings in the multicore fiber selectively, that is, it allows to select in which cores the grating is going to be inscribed. By means of this system, long-period networks have been inscribed and subsequently they have been characterized as a deformation, torsion, and curvature sensor. Then, slanted Bragg gratings have been inscribed to intentionally increase the crosstalk between the fiber cores by coupling light between them. Furthermore, this crosstalk has been experimentally shown to be sensitive to fiber deformation, curvature, temperature, and the index of refraction surrounding the fiber. On the other hand, it has been shown that Bragg networks inscribed in multicore fibers can be used to implement curvature sensors capable of operating in radioactive environments. Finally, regenerated Bragg nets capable of operating at high temperatures have been manufactured. These nets have been characterized as a temperature, deformation, and curvature sensor. / Agradezco a la Universitat Politècnica de València la beca FPI (PAID-01-18) que me fue concedida para realizar está tesis. / Madrigal Madrigal, J. (2022). Diseño, fabricación y caracterización de sensores basados en fibras ópticas de múltiples núcleos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180806

[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 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales