This thesis analyzes the problem of design analog fiber optic link for transmission high frequency signals. Analog fiber optic link will be used in system for detection and localization a partial discharge activity MOSAD-PD-UHF, where will replace existing solution with coaxial cables, which is not appropriate for highly noise environment. MOSAD-PD-UHF system is developed in department of theoretical and experimental electrical engineering. At the first, MOSAD-PD-UHF system and individual parts of optical chain are theoretical described. In following part are compared a few commercially available analog fiber optic link and design of chosen transmit and receive module are described. . The thesis final part deals with construction of optical link and measured parameters are discussed.

[pt] A crescente demanda do uso de sistemas de comunicação óptica, seja pelo aumento do número de usuários ou pela quantidade de informação enviada, requer um aumento substancial na necessidade de desenvolvimento de novos sistemas e componentes. A reectometria óptica no domínio do tempo (OTDR) é a técnica mais empregada para detecção de falhas em enlaces de fibra óptica. Em alguns tipos de rede óptica, como é o caso das redes ópticas passivas (PONs), as perdas nos enlaces são muito elevadas devido à presença de splitters, que dividem o sinal para cada usuário (no cenário FTTH) ou cada grupo de usuários (FTTB / FTTA), o que diminui consideravelmente a máxima distância atingida pelo OTDR. Em termos de componentes aplicados à comunicação óptica, aqueles utilizados para a amplificação óptica são de grande importância. Entre eles estão presentes os amplificadores ópticos de semicondutores. Uma forma de vencer as limitações impostas pelas altas perdas está no emprego de um amplificador óptico semicondutor (SOA), que ao mesmo tempo amplifica o sinal e funciona como uma chave, inibindo a emissão de ASE nos intervalos entre os pulsos do OTDR. Ainda assim, o ganho adicional pode ser insuficiente devido à baixa potência de saturação do SOA. Neste trabalho, será desenvolvido experimentalmente um método para superar a limitação de saturação de um SOA e permitir maiores ganhos de amplificação para pulsos de OTDR. O conceito básico consiste em se aproveitar do fato de que o ciclo de uso de um OTDR é relativamente baixo, o que permite subdividir os pulsos em sub-pulsos, amplificá-los um a um e depois recombiná-los, de forma transparente ao OTDR. Com base na ideia proposta acima, nesta dissertação de mestrado terão avaliados métodos usando a polarização e o comprimento de onda dos pulsos. / [en] The growing demand of using optical communication systems, either by increasing the number of users or the amount of information sent, requires a substantial increase in the need to develop new systems and components. The optical time domain re ectometry (OTDR) is the most common technique for detecting faults in fiber optic links. In some types of optical network, such as passive optical networks (PONs), losses in the links are very high due to the presence of splitters that divide the signal to each user (in FTTH scenario) or each user group ( FTTB / FTTA), which considerably reduces the maximum distance reached by the OTDR. In terms of components used for optical communication, those used for optical amplification is of great importance. Among them are present optical semiconductor amplifiers. One way to overcome the limitations imposed by high losses is the use of a semiconductor optical amplifier (SOA), which at the same time amplifies the signal and acts as a key, inhibiting the emission ASE in the intervals between the OTDR pulses. Still, the additional gain may be insufficient due to low saturation power SOA. This work will develop experimentally a method to overcome the limitation of saturation of an SOA and allow higher amplification gains for OTDR pulse. The basic concept is to take advantage of the fact that the use of an OTDR cycle is relatively low, which allows to split the pulses into sub-pulses, amplify them one by one and then recombine them in a transparent manner to the OTDR. Based on the idea proposed above, this master thesis will be evaluated using methods polarization and wavelength of the pulses.

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[pt] A Indústria do Petróleo e Gás vem implementando sensores a fibra óptica com o intuito de otimizar sua produção através do monitoramento do campo petrolífero em diversas aplicações. Entretanto, há um desafio na implementação de sensores à fibra óptica em locais com presença de compostos como o ácido sulfídrico (H2S). Tal substância, em contato com a umidade, pode gerar reações químicas que resultem na formação de hidrogênio (H2), que ao difundir-se nas fibras ópticas, pode comprometer a capacidade de transmissão do sinal óptico devido à interação deste composto com a estrutura atômica da sílica. O presente trabalho estudou os efeitos de difusão de hidrogênio em quatro diferentes tipos de fibras ópticas, a fim de entender as atenuações induzidas por este processo. Este estudo foi realizado utilizando dois métodos experimentais: a avaliação do desempenho dos sensores de temperatura distribuída (DTS) e a análise dos perfis de atenuação do sinal óptico no infravermelho quando as fibras ópticas foram submetidas a diferentes condições de temperatura e pressão de hidrogênio. Dentre as fibras ópticas estudadas, destaca-se a fibra óptica monomodo especial em tubo de metal (FIMT), que não apresentou atenuações significativas e alterações em sua composição estrutural ao ser exposta a presença de diferentes pressões de hidrogênio e diversas temperaturas. / [en] The Oil and Gas Industry is implementing fiber optic sensors, in order to optimize their production by monitoring oilfield in various applications. However, there is a challenge in the implementation of fiber optic sensors in places with presence of compounds such as hydrogen sulphide (H2S). Such a substance in contact with moisture can cause chemical reactions that result in the formation of hydrogen (H2), whicht spread in to optical fibers, may affect the transmission capacity of the optical signal due to interaction of this compound with the atomic structure of silica. In order to understand such effects, this dissertation studied the impacts of hydrogen diffusion in four fiber optics. This study was conducted using two experimental methods: An evaluation of performance of distributed temperature sensors (DTS) and analysis of the profiles of attenuation of the optical signal in the infrared when the optical fibers were subjected to different conditions of temperature and hydrogen pressure. Among the studied optical fibers, the single mode special optical fiber in metal tube (FIMT) stands out because it s showed no significant attenuation and changes in its structural composition when exposed to different hydrogen pressures and various temperatures.

[pt] É desenvolvido um sensor baseado na tecnologia da fibra óptica que detecta a mudança de fase do CO2. O sensor é composto de uma fibra óptica monomodo e uma bancada experimental composta por três sistemas: óptico, eletrônico e mecânico, para facilitar a adquisição das medidas. A grandeza utilizada para detectar a mudança de fase do CO2 foi o índice de refração, para isto é utilizado um refratômetro que mede o índice de refração de substâncias e fundamentado na refração de Fresnel. Além disso, foi necessária uma calibração do sensor empregando-se substâncias padrão de índice de refração conhecidos na faixa de 1,26 a 1,40, além da calibração de índice de refração unitário para o ar. Para observar a mudança de fase do CO2, testou-se o CO2 mudando a temperatura na faixa entre -40 Celsius e 21 Celsius a e pressões entre 100 kPa a 5700 kPa. O sistema operou de acordo com as expectativas, detectando corretamente o índice de refração do CO2 para as fases de gás e líquido. / [en] An optical fiber technology-based sensor that can detect phase changes of CO2 was developed. The sensor is comprised of a singlemode fiber and an experimental setup composed of three systems: optical, electronic and mechanical, which helped with the data acquisition. The quantity used to detect phase changes of CO2 was the refractive index. For this purpose, a refractometer, a device that measures the substance s refractive index based on Fresnel s reflection, was used. Moreover, it was necessary to calibrate the sensor using standard substances with well known refractive indices in the range from 1.26 to 1.40.To observe phase changes of CO2, this substance was tested changing the temperature in a range from 21 degrees C to -40 degrees C and the pressure from 100 kPa to 570 kPa.The system performed in accordance with the expectations, detecting properly the refractive index of CO2 for the liquid and gas phases.

[pt] Neste trabalho é apresentado um estudo sobre nanopartículas metálicas, passando brevemente pela Teoria de Maxwell-Garnett do meio efetivo além de ter sido feita uma pequena pesquisa acerca dos trabalhos já existentes nessa área. É apresentada ainda uma proposta de um sensor à fibra óptica baseado no fenômeno da Ressonância Plasmonica de Superfície Localizada, que utiliza essas nanopartículas cujas propriedades ópticas são sensíveis às mudanças das características do meio onde estão imersas. Esse tipo de sensor é uma ferramenta simples e muito eficiente, além de ser de baixo custo financeiro. A descrição deste sensor mostra ainda três processos distintos de fabricação dessas nanopartículas, as configurações utilizadas para a aquisição dos dados experimentais, e a análise dos mesmos, incluindo a simulação computacional feita para o melhor entendimento dos resultados obtidos. / [en] In this work a study about metallic nanoparticles is presented. A brief revision of the Maxwell-Garnett Theory for the effective medium is made, in addition to a bibliographical research concerning the existing works on the topic. A proposal of a fiber optic sensor based in the Localized Surface Plasmon Resonance phenomena using these metallic nanoparticles, whose optic properties are sensible to changes in the medium in which they are immersed, is also made. This kind of sensor is a simple and efficient tool, in addition to also having low financial cost. Three distinct processes for fabrication of these nanoparticles are discussed. The setups used for the acquisition of the experimental data and the analysis of this data, including the computational simulation made to improve the understanding of the obtained results, are also discussed.

Résumé de la thèse en français : Le clouage des sols est une technique de soutènement d’excavations développée en France dans les années 1970. En pratique aujourd’hui, les parements de tels ouvrages sont souvent dimensionnés pour reprendre les efforts de traction admissibles dans les renforcements. De manière générale, dans la profession il est notoire qu’au parement les efforts de service dans les renforcements sont en fait plus faibles que calculés, et ce d’autant plus à proximité du pied de parement en raison du phasage de construction de ces ouvrages, du haut vers le bas. En 2015 la Commission de Normalisation Française Justification des Ouvrages Géotechnique (CNJOG) a engagé une révision de la norme NF P 94 270, notamment pour clarifier la justification du parement. Dans ce contexte, cette thèse vise à améliorer les connaissances sur le fonctionnement des massifs de sol cloué en place et en particulier sur la mobilisation du parement. Les travaux réalisés ont comporté une étude paramétrique expérimentale sur modèle physique réduit en centrifugeuse géotechnique (trois longueurs de clous), complétée par une analyse par modélisation numérique en déformations. Sur le modèle réduit, la mobilisation des efforts dans les clous était observée à plusieurs niveaux à l’aide de fibres optiques munies de réseaux de Bragg, situées à l’axe neutre des clous. Les réseaux de Bragg étaient distants de 5 mm, soit 25 cm dans l’ouvrage réel modélisé. Les déplacements au sein du massif ont été suivis à l’aide d’une technique d’imagerie de type Particle Image Velocimetry (PIV), par suivi de motifs de grains de sables au travers d’une paroi latérale transparente du modèle physique à échelle réduite. Les essais ont montré une nette influence de l’élancement des ouvrages sur l’amplitude des déplacements et le profil des efforts mobilisés. Parallèlement, un modèle numérique tridimensionnel de calcul par éléments finis et respectant le phasage de construction a été développé sous CESAR-LCPC. Les clous ont été modélisés par des éléments linéiques partageant leurs nœuds avec les éléments volumiques par l’intermédiaire d’un degré de liberté supplémentaire, correspondant au déplacement relatif sol-clou. Le comportement en déformations du sol a été représenté par le modèle Hardening Soil Model (HSM). La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations numériques a permis de mettre en avant l’influence de l’élancement sur le comportement du mur mais a souligné les limites de l’utilisation des éléments finis, et en particulier la forte sensibilité aux raideurs du sol et de l’interface sol-clou. Cette comparaison a également permis de proposer une amélioration du dimensionnement des sols cloués. Le logiciel PROSPER réalise ce dimensionnement en choisissant une courbe de rupture le long de laquelle le déplacement du sol mobilise la réaction des clous. Ce déplacement est généralement considéré homogène mais les résultats de ce travail permettent d’en proposer une allure. Des abaques ont été établis donnant cette distribution en fonction du rapport d’élancement. Cette approche du calcul des efforts au parement dans les renforcements a été mise en œuvre dans le cas d’un ouvrage expérimental. / Soil nailing is technique developped in France during the 70s for the retaining of excavations. Today, the facing of such structures is often designed to support the maximal tensions admissible in the reinforcements. The professionals generally admit that the service loads in the reinforcements are smaller than the calculated ones. Especially at the facing foot because of the construction phasage, from top to bottom. In 2015, The French Standardization for Geotechnical Structures Verification launched a revision of the standard concerning soil-nailing, especially about the facing design. In this context, this thesis aims at a better knowledge of soil-nailed walls behaviour and especially about the mobilization of the facing. The works consisted of a parametrical study on a centrifuge model (three nail lengths) and of a numerical modelling. On the centrifuge model, the nail tensions were observed, at each level, using Bragg grated optic fibers, placed at the core of the nails. The Bragg networks were placed 5 mm from each other (25 cm on the real wall). The displacements inside the soil were followed by a Particle Image Velocimetry like technique. The grains patterns were observed through a lateral translucid face. The experiments have shown a strong influence of the structure slenderness on displacements amplitude and on tensions allures. A 3D numerical model was also developped with CESAR-LCPC. It was realized with Finite Elements Method and the building phasage was respected. Nails were modelized by lineic elements whose nodes where shared with volumic elements. In order to simulate the friction law, an additional degree of freedom was introduced : the relative displacement between soil and nail. The deformation behaviour of the soil was simulated using Hardening Soil Model. The comparison of experimental and numerical results highlighted the influence of slenderness on wall behaviour as well as the limits of Finite Elements Method. In particular, the results are strongly dependant on the stiffness of soil and of the interface between soil and nail. This comparison also allowed to propose an improvement of the soil-nailing design. The PROSPER software choses a failure surface along which the displacement of soil mobilizes the reaction of the nails. This displacement is generally considered as homogenous but the results of the present work allow to propose an allure. Abacus have proposed for the distribution of this displacement and this design approach has been tested on an experimental wall.

[pt] Este trabalho apresenta as principais características de um sistema telefônico de voz baseado na tecnologia TDM e de um sistema de comunicações ópticas baseado em no protocolo Ethernet. Os dois sistemas são comparados economicamente. A solução Ethernet foi então escolhida e avaliada para ser instalada priorizando sua utilização na área central do Rio de Janeiro em aplicações corporativas. Aplicações residenciais também foram avaliadas, com menor ênfase. / [en] This work shows the legacy telephone system and optical communication system based on the Ethernet protocol major characteristics, compares both in technical and economically aspects. Then, the implementation of an optical network based on the Ethernet protocol in some areas of Rio de Janeiro is assessed.

Este trabajo de tesis recoge las contribuciones aportadas en el campo de los sensores de fibra óptica en tres ámbitos de trabajo. Un sistema sensor de alta temperatura sin contacto con transductores de fibras ópticas de sílice se ha presentado. Dos topologías de "ojo abierto" y "ojo cerrado" y un algoritmo de decodificación "pirometría de banda dual" propuesto en este trabajo son las novedosas aportaciones presentadas. El sistema ha sido validado en laboratorio y en pruebas de campo de forma exitosa. Para sensores de temperatura con fibras dopadas con Erbio se ha demostrado que su máxima sensibilidad tiene lugar cuando la longitud utilizada es superior a la óptima exigida por el bombeo. Finalmente se ha modelado y validado en laboratorio una red de sensores acústicos basados en interferómetros Fabry-Perot de cavidad larga determinando a partir del modelo obtenido la fase mínima detectable y la visibilidad máxima del sistema. / The thesis collects contributions in the field of optic fibre sensors for three areas. A high temperature sensor system without contact based on silica optic fibre transducers has been submitted. Two topologies "open eye" and "closed eye" and a dual band pyrometer decoding algorithm are the submitted innovative contributions. The system has been validated successful in the laboratory and field tests so. Another contribution has been the demonstration that the maximum sensitivity for temperature sensors based on Er-doped fibres occurs when the used length is more than the optimum required by pumping. Finally a network of acoustic sensors based on Fabry-Perot fibre interferometers has been modelled and validated in the laboratory. The minimum detectable phase and maximum visibility of the system has been obtained from the proposed and validated model

[pt] Componentes ópticos para sistemas de telecomunicações estão em crescente demanda. Para aumentar a eficiência destes componentes, reduzir os custos e permitir a integração aos sistemas atuais, tem-se incentivado a pesquisa de novos materiais, como, por exemplo, a sílica fundida. Geralmente, a sílica fundida, por ser um meio isotrópico, não exibe efeitos não lineares de segunda ordem como o efeito eletro-óptico, que pode ser utilizado na fabricação de chaves e moduladores ópticos. No entanto, pode-se induzir na sílica uma não linearidade de segunda ordem (c(2)) da ordem de 1 pm/V através da técnica de polarização eletrotérmica. Observa-se a formação de uma camada depletada de íons e um campo elétrico muito intenso permanentemente gravado em sílica polarizada. A caracterização experimental desta camada de depleção, ou seja, espessura, perfil e magnitude do c(2) induzido, é importante para a compreensão do processo físico que ocorre durante a polarização. Podem ser encontrados na literatura resultados muito divergentes obtidos com diferentes técnicas de caracterização. Não se sabe se esta divergência é devida aos diferentes métodos usados, ou a diferentes condições de polarização e tipos de amostras. Nesta tese, fez-se uma comparação entre quatro técnicas de caracterização da espessura da camada de depleção em sílica polarizada: ataque químico interferométrico com ácido fluorídrico, Maker Fringe, microscopia óptica e de força atômica, e ataque interferométrico com medida de segundo harmônico em tempo real. A estabilidade da não linearidade induzida é importante para garantir a estabilidade de chaves e moduladores ópticos construídos com sílica polarizada, portanto, fez-se também um estudo de apagamento por temperatura da não linearidade induzida em amostras de sílica polarizada. Foi também estudado nesta tese a influência da superfície da amostra antes da polarização, fator importante para a otimização da reprodutibilidade do processo. Para investigar a potencialidade do desenvolvimento de um Atenuador Óptico Variável (VOA) a fibra óptica, também foi feito um estudo de polarização eletrotérmica em fibras ópticas. Estudos complementares foram realizados envolvendo a influência do campo elétrico na taxa de ataque de ácido fluorídrico em fibras ópticas. Fez-se também um estudo sobre redes de Bragg gravadas em fibras especiais. Parte desta tese foi financiada pelo CNPq (bolsa doutorado), pelo Convênio Ericsson/PUC-Rio - Termo Aditivo 04 e 14, ref: PUC.04, Polarização de fibras ópticas, e pelo Projeto GIGA - Finep - Funttel - CPqD, Subprojeto Atenuador Óptico Variável a Fibra Óptica. / [en] Over the past few years, there has been a growing demand for optical components for telecommunication systems. In order to increase the efficiency of these components, reduce costs and allow integration to current systems, efforts have been made in researching new materials, for example, silica. Due to its isotropic nature, silica, ordinarily, does not present second order effects, for example, the electro-optic effect, which can be used for optical switching and modulation. However, eletrothermal poling can be used to induce in silica a second order nonlinearity (c(2)) of the order of 1 pm/V. It can be observed that poled silica has an ion-depleted layer and a permanently recorded electric field. The experimental characterization of this depletion layer, i.e. width, profile and magnitude of the induced c(2), is important for the comprehension of the physical process occurring during polarization. Different results obtained with different characterization techniques can be found in literature. It is not known whether diverging results in literature are due to different methods of examination or due to different poling conditions and sample type. This thesis compares the findings of four experimental techniques used to monitor the width of the depletion region in fused silica samples poled under similar conditions - hydrofluoric acid (HF) etching, Maker Fringe, optical and atomic force microscope, and hydrofluoric acid (HF) etching with real time monitoring of the SH signal. The stability of the induced nonlinearity is important to guarantee the stability of optical switches and modulators built with poled silica; therefore, thermal annealing of the induced nonlinearity in poled silica is also investigated in this thesis. The influence of the sample surface before poling, an important factor in reproducibility, is also investigated in this thesis. In order to investigate the possibility of developing an optical fiber Variable Optical Attenuator (VOA), optical fiber electrothermal poling was also investigated. Additionally, studies of the influence of the electric field strength on HF etching rate were made, as well as recording of Bragg gratings on special fibers. This thesis has been partially funded by CNPq (Doctorate scholarship), by Ericsson/PUC-Rio Accord - Additive term 04 e 14, ref: PUC.04, Poling of Optical Fiber, and by GIGA - Finep - Funttel - CPqD Project, Variable Optical Attenuator Subproject.