Esta tese apresenta um estudo teórico da aplicação de moduladores eletroópticos em enlaces analógicos a fibra óptica, empregando a técnica de modulação de intensidade e detecção direta. A modulação de intensidade é obtida através do modulador eletroóptico de tipo Mach-Zehnder, sendo o enlace empregado para a transmissão de sinais de RF. Foram abordados inicialmente os fundamentos da propagação de onda em meios anisotrópicos e do efeito eletroóptico, necessários ao entendimento do processo de modulação eletroóptica. Os moduladores de fase de parâmetros concentrados e de parâmetros distribuídos foram apresentados. Abordou-se também o modulador eletroóptico tipo Mach-Zehnder, onde expressões que descrevem as componentes espectrais do campo elétrico do sinal óptico de saída do modulador, bem como da intensidade óptica, foram deduzidas com base nas tensões de polarização aplicadas aos eletrodos do modulador, além da amplitude e defasagem entre os sinais de RF modulante. Dois casos particulares de modulação foram estudados: a modulação em banda lateral dupla e a modulação em banda lateral única. O desempenho do enlace foi analisado em função do ganho de potência, da figura de ruído e da faixa dinâmica, sendo estes parâmetros estimados com base nas características individuais dos diversos componentes que constituem o enlace, em condições de operação típicas. Os efeitos que a dispersão ocorrida no enlace produzem no sinal de RF de saída foram abordados para os dois tipos de modulação de intensidade analisados. Aplicações desta técnica de transmissão de sinais de RF foram apresentadas como forma de ressaltar o potencial de emprego deste sistema em situações em que as linhas de transmissão convencionais não atendem aos requisitos de desempenho impostos. Finalmente foram apresentadas as conclusões obtidas ao longo do desenvolvimento desta tese, bem como algumas sugestões de continuidade dos trabalhos nesta linha de pesquisa.

O presente trabalho trata da modelagem numérica de fibras ópticas baseadas em cristais fotônicos ("fibras fotônicas"). Para as análises foi utilizado o Método dos Elementos Finitos (MEF) bidimensional em abordagem escalar e vetorial. Neste trabalho, as implementações do MEF possibilitam a análise de materiais anisotrópicos, com tensores permissividade elétrica e permeabilidade magnética diagonais, não-homogêneos e com perdas. Para truncamento do domínio computacional e avaliação das perdas por confinamento utilizou-se a técnica de camada perfeitamente casada (Perfectly Matched Layer - PML). As implementações do MEF foram validadas com a análise de propagação de ondas eletromagnéticas em guias de microondas e em fibras ópticas, comparando-se os resultados com os apresentados na literatura especializada. Estas implementações, bem como softwares comerciais, foram utilizados no projeto e análise de fibras fotônicas para aplicações de compensação de dispersão, de fibras com elevada birrefringência ou não-linearidade e de fibras para aplicação como sensor de campo evanescente. As fibras projetadas apresentaram características similares aos melhores resultados da literatura e por vezes superam estes resultados. Durante o desenvolvimento deste trabalho, estabeleceu-se uma colaboração com pesquisadores experimentais da Unicamp, o que propiciou empregar os recursos de análise numérica aqui desenvolvidos para avaliar as características de propagação de fibras fotônicas por eles fabricadas, e também para projetar novas configurações de fibra para serem fabricadas pelos mesmos. Em especial, uma nova configuração de fibra fotônica com núcleo microestruturado foi proposta, modelada, fabricada e avaliada experimentalmente para aplicação como sensor de líquido por campo evanescente.

A dissertação apresenta conceitos básicos de iluminação e descreve diversas tecnologias disponíveis atualmente. São apresentadas também recomendações para o uso racional e seguro da iluminação em diversas partes de uma aeronave e um procedimento para elaboração de um projeto luminotécnico. Como aplicação final, apresenta-se uma proposta de substituição da iluminação fluorescente, localizada entre a junção do painel de revestimento do teto e do painel lateral, por diodos emissores de luz. Destaca-se a redução do peso, do custo de manutenção e a criação de efeitos especiais, dentre os benefícios apresentados. Os conceitos apresentados não têm o objetivo de detalhar quantitativamente um projeto luminotécnico e sim propor uma alternativa tecnológica para utilização em projetos de iluminação de cabine de passageiros de aeronaves comerciais.

Esta dissertação apresenta um estudo e caracterização da transmissão de sinais analógicos de radiofrequência por meio de fibras ópticas empregando dois tipos de modulação: direta e externa. Na análise desenvolvida para modulação direta é considerado um diodo laser DFB como fonte de modulação, enquanto que para enlaces envolvendo modulação externa, considera-se um modelo composto por um modulador eletro-óptico de tipo Mach-Zehnder com substrato de LiNbO3. Em ambos os casos se aplica a técnica de modulação de intensidade e detecção direta. Fundamentos básicos acerca dos dispositivos ópticos empregados e modulação eletro-óptica são abordados nos capítulos iniciais para conceituação básica sobre o assunto. Em seguida é considerado um estudo analítico dos parâmetros essenciais para caracterização de enlaces ópticos analógicos, os quais compreendem ganho de potência, figura de ruído e faixa dinâmica. Na modelagem das figuras de mérito são considerados parâmetros intrínsecos de elementos do sistema, de forma a permitir uma observação direta de sua influência no comportamento funcional de um enlace. Testes experimentais envolvendo diferentes arquiteturas de enlaces com modulação externa são realizados para verificação e validação do modelo teórico apresentado. Para a aplicação de sinais analógicos de RF com freqüências próximas a 1 GHz foi obtido um valor de faixa dinâmica livre de distorções de 103,6 dB.Hz2/3, para uma potência óptica de 19 mW. Valores de ganho de potência da ordem de -33 dB até +20 dB foram alcançados para as diferentes configurações de enlaces apresentados. A figura de ruído medida para os enlaces variou de 46 dB a 5,8 dB. Em todas as medidas o modulador foi ajustado para operação na região de quadratura.

Apresentamos um estudo de acopladores direcionais a fibras ópticas monomodais birrefringentes compreendendo um modelo teórico, uma técnica de fabricação e um método de caracterização. Iniciando com uma breve recapitulação da propagação da luz em fibras ópticas step index e birrefringentes, resumimos as teorias sobre acoplamento de modos e as técnicas de construção de acopladores direcionais mais citadas na literatura. Estendendo a análise de acopladores a fibras step index e paralelas, sintetizamos a solução analítica dos coeficientes de acoplamento para fibras curvas e birrefringentes. Codificamos um programa de computador para descrever o comportamento do acoplador quando parte integrante de circuitos ópticos mais complexos. Explorando a técnica de fabricação por polimento, conseguimos, através de microscopia de transmissão com a fibra entre polarizadores cruzados, uma precisão de mais ou menos 2o no alinhamento azimutal de fibras do tipo elliptical cladding. O polimento destas fibras, segundo um plano paralelo ao eixo slow, teve um aproveitamento inicial de apenas 20% das peças. Utilizando uma fonte de espectro largo (diodo laser superluminescente), elaboramos um método de caracterização rápido e preciso, o qual permite a medida da isolação de polarização sem erros devidos a efeitos residuais de coerência da fonte.

Este trabalho apresenta o estudo de circuitos de fotodetecção óptica para aplicações em sensores a fibra óptica. O objetivo principal é o domínio do tema e o desenvolvimento de uma técnica experimental que forneça as características de freqüência e ruído destes dispositivos. O estudo da física de fotodetectores é realizado através da implementação de um programa computacional de simulação. Codificado em FORTRAN, a saída deste programa fornece os perfis das bandas de condução e valência, assim como as concentrações de portadores de carga para fotodiodos de HgCdTe e PbSnTe sob várias condições de operação. As fontes de ruído, incluindo particularmente o ruído shot e Johnson, são revistas para fundamentar uma estratégia de projeto. Um sistema de caracterização é implementado para levantar a resposta em freqüência de circuitos de fotodetecção, formados por um fotodetector e um amplificador de transimpedância. Uma fonte de ruído branco é usada como entrada para obter o diagrama de Bode destes circuitos, sendo implementada pelo ruído de partição de modos de um diodo laser multimodo com comprimento de onda de 780 nm acoplado a uma fibra birefringente de 1,8 m e comprimento de batimento de 1,2 mm. Outra montagem é realizada para determinar as características de ruído de circuitos de fotodetecção. São encontradas freqüências de corte de 100, 4, 1,25 e 0,50 MHz para os circuitos estudados, contra a especificação de 400, 5, 1,25 e 0,30 MHz. São determinadas também a potência equivalente de ruído e a detectividade. O ruído encontrado para os circuitos estudados está entre 50nW e 1mW.

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.

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.