Esta tese apresenta uma analise sistemática, de natureza teórica e experimental, do interferômetro tipo Mach-Zehnder com controle acustico-eletro-optico. A nível teórico foram abordados os efeitos eletro-optico e acustico-optico lineares, bem como a utilização destes efeitos para controlar as características de um interferômetro tipo Mach-Zehnder. Foi mostrado por exemplo, que o interferômetro pode ser utilizado para controlar linearmente a fase de um sinal de RF sobre uma ampla faixa angular. Tal faixa angular dificilmente seria obtida recorrendo-se as técnicas convencionais. No que se refere a parte experimental, foram desenvolvidos experimentos metódicos para caracterizar as cédulas Bragg e Pockels. Estas cédulas foram utilizadas na implementação do interferômetro tipo Mach-Zehnder, o qual também foi metodicamente caracterizado experimentalmente. Os resultados experimentais obtidos mostram boa concordância com as previsões teóricas. Aplicações para o dispositivo desenvolvido também são sugeridas.

Esta tese apresenta a análise teórica e experimental da detecção de onda de Lamb em sólido isotrópico, através da utilização de um interferômetro óptico tipo Mach-Zehnder heterodino. Foi desenvolvida uma formulação para analisar a interação acusto-óptica superficial que utiliza a onda de Lamb, levando-se em consideração ambas as componentes de deslocamento acústico geradas pela onda de Lamb. Os resultados dessa análise revelaram que, ao contrário do que é regularmente divulgado na literatura, existem situações onde a difração acusto-óptica decorre também devido à componente horizontal do deslocamento acústico gerado pela onda de Lamb. A formulação desenvolvida também proporciona uma abordagem rigorosa para o estudo das técnicas de detecção síncrona e assíncrona aplicadas à detecção óptica de onda acústica. Os resultados obtidos possibilitam uma compreensão detalhada da dependência das características do sinal elétrico obtido na saída do circuito de detecção, em função da posição do ponto de interação com relação à região de geração da onda de Lamb, bem como da influência da fase e amplitude do oscilador local nas características medidas do espectro do sinal de saída do interferômetro. Na parte experimental, a detecção óptica de onda de Lamb é investigada através da utilização do interferômetro na condição onde o feixe óptico incidente sobre o corpo de prova apresenta diâmetro significativamente menor que o comprimento de onda acústico. As medidas realizadas, utilizando as técnicas de detecção síncrona e travamento de fase, PLL, revelaram o comportamento periódico que o sinal detectado apresenta como função da distância do ponto de interação à região de geração da onda de Lamb. Os resultados experimentais incluem ensaios com onda de Lamb variando harmonicamente como o tempo. Através deles, foi possível determinar a velocidade de fase da onda de Lamb gerado pelo transdutor piezoelétrico.

Este trabalho apresenta um estudo analítico da aplicação do Interferômetro de Gires-Tournois (GTI, Gires-Tournois Interferometer) em linearização de moduladores eletroópticos de intensidade. Os dispositivos abordados consistem, basicamente, em Moduladores Interferométricos do tipo Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Modulator, MZM) ou equivalentes, em cujas estruturas foram adicionadas os GTI, como técnica de linearização de sua característica de transmissão. Os moduladores assim obtidos apresentam configurações tais que utilizam estruturas de microondas a parâmetros concentrados, sendo os conceitos apresentados através do ponto de vista de óptica volumétrica. Serão abordados inicialmente os fundamentos de modulação eletroóptica, com ênfase no efeito eletroóptico, conhecimentos esses necessários ao entendimento do processo de modulação eletroóptica. Os moduladores de fase de parâmetros concentrados e parâmetros distribuídos são apresentados. Aborda-se também o modulador eletroóptico tipo Mach-Zehnder, convencionalmente empregado na maioria dos enlaces ópticos atuais e que servirá de referência na avaliação dos modulares com características de baixa distorção. Abordam-se as cavidades GTI em sua estrutura original, derivada do interferômetro de Fabry-Perot, para em seguida analisar seu emprego como modulador eletroóptico de fase, na situação em que a cavidade óptica é preenchida com material eletroopticamente ativo. O modulador linearizado de intensidade, empregando apenas uma célula GTI em versão birrefringente, é apresentada e analisada. Por fim, quantiza-se a distorção desta última configuração, através da determinação de sua faixa dinâmica livre de distorção, SFDR (Spur-Free Dynamic Range) e compara-se com o caso convencional empregando o MZM. Finalmente, são apresentadas as conclusões obtidas ao longo desta tese, bem como algumas sugestões de continuidade dos trabalhos nesta linha de pesquisa.

Sensores interferométricos a fibra óptica vêm sendo largamente utilizados em aplicações que demandam elevado desempenho. Este trabalho apresenta um novo sensor interferométrico a fibra bimodal com núcleo elíptico que, numa configuração particular, pode ser convenientemente utilizado como acelerômetro. Testes elásticos e dinâmicos foram realizados de forma a caracterizarem-se parâmetros importantes desse sensor, tais como: sensibilidade estática, fator de escala, deriva, faixa dinâmica e freqüência de ressonância. São também apresentadas formas de se adequar o dispositivo aos vários parâmetros de projeto relacionados a aplicações específicas.

O desafio que incentivou a elaboração desta tese de mestrado foi a necessidade de se expandir a faixa dinâmica de giroscópios a fibra óptica operando em malha aberta. Como ocorre em todo interferômetro, o sinal óptico de saída desse sensor é proporcional ao cosseno da diferença de fase total experimentada por dois feixes de luz que se interferem. Uma modulação de fase óptica não-recíproca normalmente é adicionada de sorte que, após um processamento de sinal adequado, obtenha-se um sinal elétrico proporcional à taxa de rotação (em módulo e em sentido). Este trabalho propõe uma nova técnica de tratamento de sinal, baseada em uma modulação de fase óptica não-recíproca utilizando como sinal modulante a soma de dois sinais senoidais de freqüências de razão 3:1, e em um processamento adequado do sinal óptico de saída, de modo que seja possível percorrer franjas de interferência sem que se incorra em ambigüidades, e ainda preserve a sua resolução em toda a faixa de medidas. A expansão da faixa dinâmica fica limitada apenas pelo comprimento de coerência da fonte de luz utilizada. Pelo fato de se utilizar dois sinais senoidais com freqüências próximas para modular a luz do interferômetro, é possível utilizar-se o tradicional modulador de fase a PZT. Resultados interessantes também surgem quando se procura utilizar a soma de duas ondas quadradas na modulação, sendo necessário neste caso dispor de um modulador eletro-óptico. Foram realizadas análises teóricas, simulações e medidas experimentais a fim de verificar a validade desta nova técnica proposta e os resultados foram bastante satisfatórios, tendo sido possível, num primeiro ensaio, expandir o fundo de escala de um determinado giroscópio a fibra óptica de 10/s para mais de 2000/s.

Esta tese apresenta a analise, teorica e experimental, da tecnica de interferometria optica aplicada na caracterizacao de microvibracoes em superficies de solidos. Na parte teorica, analisa-se configuracoes interferometricas homodinas e heterodinas dos tipos Zehnder e Michelson. As aplicabilidades destas configuracoes para caracterizacao de microvibracoes superficiais de naturezas transversal e longitudinal sao discutidas mediante uma formulacao matematica, desenvolvida nesta tese, que constitui uma sintese de trabalhos independentes apresentados por diversos autores. Na formulacao proposta, as microvibracoes sao geradas por ondas elasticas volumetricas incidentes na superficie de um solido nao transparente a radicacao optica. Nesta abordagem, eis os parametros relevantes da vibracao: amplitude, velocidade de propagacao, frequencia e orientacao de deslocamento das particulas. A sensibilidade do interferometro heterodino com relacao a amplitude de vibracao tambem e determinada. Na parte experimental, a configuracao interferometrica investigada e do tipo Mach-Zehnder, onde o feixe optico do braco sensor incide na superficie de um solido que suporta uma onda elastica volumetricagerada por transdutor piezoeletrico. Neste arranjo, utilizou-se um circuito PLL para demodulacao do sinal optico de saida do interferometro. Os resultados experimentais incluem ensaios com microvibracoes continuas e pulsadas. Atraves deles, foi possivel estimar parametroselasticos do material em boa concordancia com aqueles obtidos por tecnicas convencionais.

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.

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.

Apresenta-se um estudo sobre o uso de técnicas de processamento digital de sinais para analisar circuitos ópticos interferométricos de tipo Sagnac e Mach-Zehnder. Os circuitos ópticos investigados utilizam um modulador de fase óptica em um dos seus braços interferométricos o qual proporciona o controle de suas funções de transferências visando aplicações em giroscópio a fibra óptica, GFO, e analisador de circuitos ópticos. No caso do GFO ênfase especial é dedicada à configuração tipo malha aberta com entrada e saída comum e dois tipos de sinais moduladores foram empregados: a modulação harmônica simples e a modulação harmônica secundária. As implicações da escolha de uma destas modulações na largura de faixa do circuito de detecção óptica são investigados. Já no caso do circuito interferom''etrico baseado na configuração de tipo Mach-Zehnder o tipo de modulação empregada é a dente-de-serra uma vez que esta modulação permite realizar a supressão de uma banda espectral lateral do sinal de saída do interferômetro e conseqüentemente permite utilizar este tipo de interferômetro para caracterizar a função de transferência de um dispositivo óptico, isto é, o interferômetro desempenha a função de um analisador de circuitos ópticos. Na aplicação em GFO tem-se como objetivo determinar a variação de fase de um sinal óptico gerada por uma rotação do interferômetro com relação a um referencial inercial. A análise da fase é realizada através da aplicação do algoritmo de divisão de harmônicos ao sinal de saída do interferômetro. Os vários harmônicos necessários neste algoritmo são determinados através da transformada de Fourier do sinal de saída do interferômetro, para este efeito é utilizado o algoritmo de Goertzel. Como o cálculo dos harmônicos é realizado de forma digital o sinal de saída do interferômetro é quantizado e processado digitalmente, desta forma os erros decorrentes da quantização são analisados, utilizando a teoria estatística do processo de quantização. No caso do processamento do sinal quantizado são analisados os erros decorrentes da implementação do algoritmo de Goertzel em aritmética de ponto fixo. O desvio padrão do valor médio da fase foi analisado levando em consideração o ruído shot de natureza quântica e o ruído de quantização inerente ao processamento digital. Os resultados numéricos obtidos por simulações corfirmam que dependendo do número de bits utilizado na quantização o fator limitante na resolução de GFO será o ruído shot de natureza quântica , assim é possível obter GFO em malha aberta com desempenho comparável àquele obtido em configuração tipo malha fechada. O processamento digital também foi utilizado para analisar a amplitude e a fase do sinal óptico na saída do analisador de circuitos ópticos que emprega modulação tipo dente-de-serra. Com este tipo de modulação analisou-se também a influência do ruído shot de natureza quântica e do ruído de quantização em função do número de bits. Os resultados obtidos mostram que o erro de fase cometido utilizando 14 bits na quantização é menor a 0.0039o na fase, e menor a 0.7 10-5 na amplitude apresentando concordância satisfatória com dados disponíveis na literatura.

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.