Neste trabalho foi desenvolvido um software para ser embarcado em um sistema autônomo baseado em arquitetura ARM, como o objetivo de detecção da posição de picos de um espectro refletido por uma rede de Bragg gravada em fibra óptica (FBG) e interrogadas pelo Interrogador comercial I-MON. O software foi desenvolvido para ser embarcado em uma plataforma pcDuino o qual permite o monitoramento em tempo real e os dados podem ser visualizados em uma interface gráfica. Para detecção da posição dos picos foi aplicado um algoritmo que aproxima os dados experimentais por uma função gaussiana através do método dos mínimos quadrados. O sistema foi caracterizado a partir do monitorado da temperatura sobre a superfície de uma célula termoelétrica, as leituras foram realizadas entre 0°C e 100°C. Comparando a posição do pico de Bragg registrada com o sistema desenvolvido e com o software Ext_Evaluation disponibilizado pelo fabricante do interrogador I-MON, verifica-se diferença média de aproximadamente 0,010 nm. A diferença média na posição do pico de Bragg é superior a resolução de 0,5 pm informada pelo fabricante do interrogador I-MON. Contudo, geralmente interessa saber a variação na posição do pico de Bragg e não a sua posição absoluta no espectro. Assim, pode-se concluir que o algoritmo desenvolvido é eficiente na detecção da variação na posição do pico do espectro refletido por um sensor FBG. / This work developed a software to be embedded in an autonomous system based on ARM architecture, as the goal of detecting the peak position of a spectrum reflected by a Bragg grating written to optical fiber (FBG) and interrogated by the commercial Interrogator I-MON 512 E. The software was developed for the ARM architecture using the pcDuino platform which allows real-time monitoring and the data can be viewed in a graphical interface. For detecting the position of the peaks was applied to an algorithm that approximates the experimental data by a Gaussian function by the method of least squares. The system is characterized from the monitored temperature on the surface of a thermoelectric cell readings were made between 0°C and 100°C. Comparing the position of the Bragg peak registered with the system developed and the Ext_Evaluation software provided by the manufacturer of the interrogator I-MON it appears the average difference is approximately 0,010 nm. The mean difference in the position of the Bragg peak is less than 0.5 pm resolution is informed by the manufacturer of the interrogator I-MON. However, usually interested in changes in position of the Bragg peak instead of on absolute position in the spectrum. Thus, it can be concluded that the proposed algorithm is effective detecting the variation in position of Bragg peaks using FBG sensors.

[pt] O uso de amplificadores a fibra dopada, principalmente o amplificador a fibra dopada com érbio (EDFA), permitiram um grande avanço no desenvolvimento das comunicações ópticas e, o uso de ferramentas para caracterizar estes dispositivos é de grande importância. A técnica de reflectometria óptica no domínio da freqüência (OFDR), é bastante eficiente por se tratar de uma técnica não destrutiva e possibilitar a caracterização do ganho através de medidas de ganho distribuído em fibras dopadas. Neste trabalho foi construído um sistema OFDR sintonizável permitindo medidas em diferentes comprimentos de onda, para caracterização de EDFA, operando na banda C (1530-1565 nm) e L (1565-1610 nm), e também fibras dopadas com túlio, operando na banda S (1450-1530 nm). Graças a estas medidas, foram feitos estudos de diversos esquemas de bombeamento e diferentes topologias visando um melhor entendimento e desempenho dos dispositivos, sempre de forma não destrutiva. / [en] The use of doped fiber amplifiers, especially erbium doped- fiber amplifier (EDFA), has been permitted a great advance in optical communications development, and the use of some tools to characterize these devices has a great importance. The optical frequency domain reflectometry technique (OFDR) is very efficient because it is a non-destructive technique and allows the characterization of the gain through distributed gain measurements. In this work a tunable OFDR system was built permitting to perform measurements in different wavelengths, for characterization in EDFA working in C (1530-1565 nm) and L (1565-1610 nm) bands, as well as Thulium doped fibers operating in S (1450-1530 nm) band. Thanks to these measurements, some different pump schemes studies have been made and also different amplifier topologies to find a best device performance, always in a non-destructive way.

xiii, 164 p. : ill. (some col.) / We explore the frequency translation of single-photon states of light and the creation of photon pairs by four-wave mixing in optical fiber. Frequency translation refers to changing the central frequency of a field, while photon pair creation refers to the creation of two individual photons at the same time. We demonstrate these effects in third-order nonlinear optical fiber. While both phenomena have previously been shown by three-wave mixing in second-order nonlinear media, there are compelling reasons to develop these tasks in third-order media. Most importantly, frequency translation in third-order material allows for the practical implementation of both small and large frequency shifts, while second-order material only practically allows for large shifts. Photon creation in third-order media often permits more flexible phase-matching conditions, allowing for the creation of a wider variety of quantum states than is often possible in second-order media. In our theoretical study of photon pair creation, we focus on the spectral correlations of the photon pairs. We pay particular attention to the creation of quantum states of high purity, where the photons are not spectrally correlated with one another. High purity photons are a requisite resource for several different quantum information processing applications, such as linear-optical quantum computing. We find that states with high purity can be realized with a minimal amount of spectral filtering. Experimentally, we study photon frequency translation in photonic crystal fiber. The central wavelength of the input photons was translated from 683 nm to 659 nm. We perform second-order intensity correlation measurements on both channels to demonstrate their quantum nature. This resulted in values of 0.21 ± 0.02 and 0.19 ± 0.05 for the 683-nm and 659-nm channels, respectively, demonstrating that those fields were dominated by their single-photon component. The efficiency at which the process occurred was 29 percent. Theoretically, we develop a Green function formalism to describe the translation process and develop a computational model to calculate the solution to the governing equations. Also, in a related experiment, we demonstrate classical frequency translation from 851 nm to 641 nm, a record translation in both wavelength and frequency, at an efficiency of 0.2 percent in a birefringent fiber. / Committee in charge: Dr. Daniel Steck, Chair; Dr. Michael Raymer, Advisor; Dr. Steven van Enk, Inside Member; Dr. Raghuveer Parthasarathy, Inside Member; Dr. Andrew Marcus, Outside Member

[pt] As comunicações quânticas estão rapidamente integrando-se às redes de fibras ópticas, entretanto muitos desafios de engenharia ainda existem para essa aglutinação. Esta tese discute algumas soluções práticas para a melhoria de aplicações reais em comunicações quânticas em fibras ópticas. No primeiro experimento uma fonte de pares de fótons emaranhados não-degenerados, de banda-estreita, empregando conversão espontânea paramétrica descendente (CEPD) é utilizada para demonstrar a viabilidade da distribuição quântica de chaves (DQC) através de 27 km de fibras ópticas, com o canal de sincronismo presente na mesma fibra com uma separação de 0.8 nm em comprimento de onda. A outra demonstração utilizou uma fonte heráldica de fótons únicos também baseada em CEPD para a realização de DQC através de 25 km de fibras ópticas com a utilização do protocolo de decoy states pela primeira vez. Houve também um estudo dos impactos gerados por ruído Raman espontâneo causado por um canal óptico clássico presente na mesma fibra que o canal quântico. Um protocolo para gerar números verdadeiramente aleatórios em um sistema de DQC independente da taxa de transmissão do sistema é proposto, e um experimento prova-de-princípio demonstra a idéia. Finalmente um sistema de controle automático de polarização é utilizado para a realização de uma sessão de DQC através de 16 km de fibras ópticas utilizando codificação em polarização, mesmo sob a presença de um embaralhador rápido do estado de polarização. / [en] Quantum communications is quickly becoming integrated within fiber optical networks and still many engineering challenges remain towards this interweaving. This thesis deals with some practical solutions toward improving real-world applications in quantum communications within optical fibers. In the first experiment, a non-degenerate narrowband entangled pair single-photon source based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC) is used to show the feasibility of performing quantum key distribution (QKD) through 27 km of optical fiber, with the synchronization channel wavelength multiplexed in the same fiber with a channel spacing of just 0.8 nm. A second experiment uses a heralded single-photon source also based on SPDC to perform QKD over 25 km of optical fiber with the decoy state modification for the first time. Then there is a study of the problems caused by spontaneous Raman induced noise due to the presence of a classical signal in the same fiber as the quantum channel. A protocol to generate truly random numbers in a QKD setup independent of the system s transmission rate is proposed, and a proof-of-principle experiment demonstrates the idea. Finally an automatic polarization control system is used to perform a QKD session over 16 km of optical fiber using polarization encoding, even in the presence of a fast polarization scrambler.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:15Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:23Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:54:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

CAPES; Fundação Araucária; CNPq / A tomografia por coerência ótica é uma técnica de alta resolução e não-invasiva que possibilita a geração de imagens tridimensionais em tempo real e in-vivo, tendo aplicações principalmente nos campos da medicina. Todavia, a aplicação industrial de OCT é altamente promissora, porém pouco explorada. Esta dissertação apresenta um sistema de tomografia por coerência ótica no domínio temporal para caracterização de dispositivos fotorrefrativos em fibras óticas. Estes dispositivos são fabricados no grupo de Dispositivos Fotônicos e Aplicações da UTFPR visando aplicações na área de sensoriamento. A caracterização é de suma importância no momento em que se deseja aperfeiçoar o processo de fabricação. A grande vantagem de OCT é a possibilidade de geração de imagens de alta resolução e a análise qualitativa e quantitativa de parâmetros como o índice de refração e o período da modulação dos dispositivos. Foram desenvolvidas as peças mecânicas para a montagem do sistema e um programa de controle e aquisição em linguagem LabVIEW. O software comanda o movimento dos motores, além de coletar os dados provenientes do sistema de aquisição. Os resultados demonstram a viabilidade do sistema construído, possibilitando a visualização do período da gravação de uma rede de período longo com arco elétrico. Foram realizadas medidas do índice de refração de cristais, em que o valor obtido está de bom acordo com o encontrado na literatura. Devido à alta sensibilidade do sistema é possível identificar as interfaces de uma fibra ótica multímodo (diâmetro do núcleo maior que a resolução do sistema), em que as várias camadas – núcleo, casca, capa – são mostradas no interferograma, permitindo quantificar o valor destes índices de refração se o diâmetro é previamente conhecido. / Optical coherence tomography is a high-resolution and non invasive technique that allows constructing three-dimensional images in real time and in vivo, with applications mainly in medicine. However, industrial applications of the OCT are promising although underexploited. This work presents a time domain optical coherence tomography system to characterize photorefractive devices in optical fibers. These devices are produced by the Grupo de Dispositivos Fotônicos e Aplicações at UTFPR for applications in the sensing area. The characterization of such devices is an important issue to improve the production process. The main advantage of OCT is the possibility to obtain high- resolution images and analyze qualitative and quantitatively parameters like refractive index and the modulation period of devices. We developed the mechanical parts of the system and the software for control and acquisition data in LabVIEW language. The software commands motors movements and collect data of the acquisition system. The results demonstrate the viability of the built system, enabling the visualization of the long period grating recorded with electric arc. Refractive index measurements of crystals were done, which obtained values are in good agreement with literature. Due the high sensitivity of the system it is possible to identify interfaces of a multimode optical fiber (in this case the core diameter is bigger than the system resolution) and the various interfaces – core, cladding, coating – are shown in the interferograma, allowing quantify the refractive indexes when the diameter is previously known.

Este trabalho tem como objetivo validar modelos elétrico e térmico de um motor de indução trifásico, utilizando redes de Bragg em fibra ótica (FBG) como elemento sensor. São apresentados dois modelos elétricos do motor de indução que contemplam as perdas magnéticas para uma frequência fixa, obtidos a partir do modelo clássico sob o eixo de referência qd0. As perdas no ferro são representadas por resistências localizadas em paralelo à indutância de magnetização para o primeiro modelo e em paralelo às indutâncias de dispersão do estator e de magnetização para o segundo modelo. O circuito térmico equivalente é representado por impedância (condutividade e capacitância) térmica associada ao rotor e estator. Para a realização dos ensaios no motor foi elaborado um arranjo experimental que permite a medição dos valores elétricos, térmicos e mecânicos simultâneamente. Para a medição de temperatura utilizou-se oito sensores a fibra ótica quase-distribuídos e multiplexados. A instrumentação do motor possibilita a determinação do comportamento térmico da máquina desde a partida até a temperatura em regime. Durante os ensaios foram inseridas oscilações na tensão de alimentação do motor que ocasionaram oscilações de temperatura na ordem de 0,5oC no estator do motor. Os ensaios realizados permitiram ainda a separação da contribuição das perdas mecânicas e eletromagnéticas na elevação de temperatura do motor. Os resultados da simulação do modelo elétrico do motor apresentam uma diferença de 3,6% para a corrente de entrada do motor e 0,1% para a velocidade e potência de saída quando comparados aos valores nominais do motor. A partir do modelo elétrico do motor de indução é possível determinar as perdas elétricas, mecânicas e perdas no ferro do motor. Os resultados da simulação do modelo térmico apresentam uma diferença máxima de 0,75oC durante o transitório, sendo que os valores de temperatura em regime simulado e experimental convergiram para o mesmo valor. A técnica de instrumentação optoeletrônica associada ao arranjo experimental utilizado no trabalho possibilitou a determinação da elevação de temperatura referente as perdas mecânicas do motor. / This work aims to validate electrical and thermal models of a three phase induction motor using fiber Bragg gratings (FBG) as the sensing element. Two electrical models considering the magnetic losses for a fixed frequency, from the well-known model in the arbitrary reference frame qd0 is presented in this work. The iron losses are represented by a resistance in parallel to the magnetizing inductance for the first model and parallel to the stator leakage and magnetization inductance for the second model. The equivalent thermal circuit is represented by a thermal conductivity and a thermal capacitance associated to the stator and rotor. For motor tests realization an experimental arrangement is developed. The experimental arrangement allows the measurement of electrical, thermal and mechanical values simultaneously. For the temperature measurement was used eight fiber optic sensors quasi-distributed and multiplexed. The motor instrumentation allows determine the motor thermal behavior from the start until the temperature regime. During the tests oscillations in voltage feed was included, causing temperature oscillations on the order of 0.5oC on the motor stator. The tests also allowed the separation of the contribution of electromagnetic and mechanical losses in the motor temperature rise. The simulation results of the motor electrical model show a difference of 3.6% for the motor input current and 0.1% for output speed and power compared with motor rated values. From the electrical model of the induction motor is possible to determine the electrical losses, iron losses and mechanical losses. The optoelectronics instrumentation technique associated with the experimental setup used in this work allows determine the temperature elevation related motor mechanical losses.

Este trabalho tem por objetivo principal avaliar a influência da temperatura de junção nas perdas de potência de um módulo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), monitorando a temperatura através de medida direta, empregando sensores a fibra ótica. O monitoramento direto da temperatura é realizado por meio de sensores óticos baseados em rede de Bragg instalados no interior do módulo, posicionados sobre a pastilha semicondutora que forma o IGBT. Para que as análises experimentais possam ser realizadas sob condições de temperatura controlada, foi desenvolvido um sistema de controle de temperatura digital com base em um módulo termoelétrico de efeito Peltier, que permite regular a temperatura com um erro percentual de 0,1%, numa faixa de valores que podem variar de -16 °C a 150 °C. O acionamento do módulo IGBT é realizado através de um circuito de teste capaz de variar os parâmetros elétricos do dispositivo, como largura do pulso, tensão e corrente de carga. As formas de onda que descrevem o comportamento do IGBT são obtidas por meio de um osciloscópio digital, o que proporciona a verificação do desempenho do dispositivo durante os processos de comutação e condução de corrente elétrica. O acionamento do IGBT sob temperaturas controladas permite verificar as faixas de temperatura que apresentam influência significativa nas perdas do dispositivo. O emprego do sensor ótico proporciona identificar o aquecimento gerado na junção do dispositivo em função das perdas. A medição da temperatura de forma direta também contribui para o desenvolvimento de uma técnica simples e de boa precisão para obtenção dos parâmetros térmicos da estrutura do IGBT. Os parâmetros obtidos serviram de base para elaboração de um modelo térmico preciso, que permite simular fielmente o comportamento térmico do dispositivo, onde o erro percentual máximo é de aproximadamente 0,3%. A utilização do modelo facilita a análise de pequenas variações de temperatura, inferiores à 0,01 °C, onde a medição através do sensor torna-se complicada. A associação dos resultados da análise de influência da temperatura no desempenho do IGBT, com o monitoramento e simulação do aquecimento gerado durante a operação do dispositivo pode contribuir, de fato, para o desenvolvimento semicondutores de potência mais eficientes. / This study aims to evaluate the temperature influence on power losses of an IGBT module (Insulated Gate Bipolar Transistor), monitoring the temperature through direct measurement, using optical sensors. The direct monitoring of temperature is accomplished by means of optical sensors based on fiber Bragg grating installed inside the module, positioned on the semiconductor wafer, which forms the IGBT structure. For the experimental analysis to be performed under controlled temperature conditions, a digital temperature control system based on a Peltier effect thermoelectric module was developed, which can regulate the temperature in a range between -16 °C to 150 °C, with an percentage error of 0.1%. The drive of the IGBT module is done by a test circuit that can vary the device electrical parameters, such as pulse width, voltage and load current. A digital oscilloscope, providing verification of device performance during the switching and conduction of electrical current, obtains the waveforms that describe the IGBT behavior. The drive of the IGBT under controlled temperature allows checking the temperature ranges that have significant influence on the device power losses. The use of optical sensor provided to identify the heat generated on the device junction due to the power losses. The direct measurement of junction temperature also contributed to the development of a simple technique with great precision to obtain the thermal parameters of the IGBT structure. The parameters obtained were the basis for developing a precise thermal model that faithfully simulates the device thermal behavior, where the maximum percentage error is 0.3%, approximately. The model facilitates the analysis of small variations in temperature, lower than 0.01 °C, where measurement by the sensor becomes more complicated. The association of the temperature influence analysis on the IGBT performance with monitoring and simulation of generated heat on the structure during device operation, can contribute to the research on design of novel power semiconductor devices.

CAPES, CNPq, Fundação Araucária / O presente trabalho mostra um estudo sobre a aplicação de um sensor ótico baseado em rede de Bragg em fibra (FBG) para monitorar o processo de secagem de polímeros. Testes realizados com verniz acrílico demonstraram que redes de Bragg podem ser utilizadas como sensores de deformação na análise de secagem de um filme polimérico sem a necessidade de encapsulação especial do sensor. O processo de secagem de um filme de verniz foi monitorado ao longo de 24 horas por duas redes de Bragg, uma atuando como sensor de deformação mecânica, e outra como sensor de temperatura. A perda de massa do filme também foi acompanhada ao longo do tempo. Os resultados obtidos permitem avaliar as deformações mecânicas e identificar três estágios do processo de secagem: evaporação da água e concentração dos sólidos, contato irreversível das partículas e processo de coalescência e, por fim, formação de um filme contínuo. / This work shows the application of an optical sensor based on fiber Bragg grating (FBG) to monitor the drying process of polymers. Tests carried out with acrylic varnish showed that a fiber Bragg grating can be used as a sensor to analyze the deformation of a polymeric film during the drying process without any special encapsulation of the sensor. The drying process of a varnish film was monitored over 24 hours by two Bragg gratings, one of them acting as a mechanical deformation sensor and the other one as temperature sensor. Measurements of mass loss were also performed. The results allow evaluating mechanical deformations and identifying three stages of drying: evaporation of water and concentration of solids, irreversible particle contact and coalescence process, and finally, formation of a continuous film.