1. Gravação e caracterização de
redes de Bragg em fibras ópticas
Aluno: Bruno Henrique Nunes
Orientador: Lino Misoguti
Período: mar/2010 a jul/2010

2. 2
Sumário
1. Resumo do projeto de pesquisa 3
2. Introdução 3
3. Fundamentos teóricos 4
3.1. Fotossensibilidade 4
3.2. Modelo teórico para obtenção do comprimento de onda de Bragg (λb) 7
3.3. Aplicação como sensores 8
3.4. Hidrogenização 8
4. Montagem experimental 9
5. Resultados 12
5.1. Validade do modelo teórico 12
5.2. Diferenças na gravação em fibras hidrogenadas e não hidrogenadas 12
5.3. Sintonização do comprimento de onda de Bragg 13
5.4. Largura da grade e espectro de transmissão 14
5.5. Viabilidade da aplicação de redes de Bragg como sensor de estresse 15
5.6. Viabilidade da aplicação de redes de Bragg como sensores térmicos 17
5.7. Floating 18
6. Conclusões 19
7. Bibliografia 20
8. Banco de imagens 21
9. Assinaturas 21

3. 3
1. Resumo do projeto de pesquisa.
O vigente relatório tem por objetivo apresentar os resultados obtidos durante o
desenvolvimento do projeto de iniciação científica designado a estudar a gravação de
redes de Bragg em fibras ópticas, utilizando método holográfico em conjunto com laser
pulsado, de alta potência média, operando no ultravioleta (UV).
No decorrer da exposição, serão caracterizados, com grau de minúcia aceitável, os
materiais e métodos utilizados para a confecção das grades, bem como os resultados
obtidos em laboratório acerca de tópicos como domínio da técnica implementada, largura
da grade gravada, rendimento da transmissão de informação acoplada à fibra óptica pela
grade fabricada e a aplicabilidade de tais dispositivos ópticos como sensores térmicos e
de estresse mecânico.
2. Introdução
É indubitável o fato de que, nas últimas décadas, a tecnologia para transmissão de
informações desenvolveu-se de forma espetacularmente pujante. Mais certo ainda é o fato
de que, um dos principais fatores que possibilitou tal desenvolvimento, foi a utilização de
fibras ópticas.
Utilizando-se do fenômeno mais veloz já conhecido, a aplicação de fibras ópticas
para fluxo de informações consegue juntar segurança e estabilidade, graças a
particularidades como imunidade a interferências eletromagnéticas externas, baixa
reatividade do material que compõe a fibra óptica, altas taxas de modulação, entre outras.
Em detrimento de tamanha eficiência, surgiram tecnologias dispostas a inscrever
dispositivos ópticos internamente a própria fibra, onde destacamos a criação das
chamadas redes de Bragg.
As redes de Bragg são estruturas periódicas de modulação de índice de refração
no núcleo da fibra óptica, ao longo do eixo de propagação da luz, que podem ser obtidas,
por exemplo, pela iluminação lateral da fibra, fazendo-se uso da fotossensibilidade. A

4. 4
característica principal destas redes é refletir parte da potência óptica que se propaga pela
fibra, em comprimentos de onda próximos ao de Bragg.
Redes de Bragg em fibras ópticas (RBF) vêm sendo utilizadas em grande número
de aplicações nos setores aeroespacial, de petróleo e de gás, de energia e de
monitoramento estrutural [1, 2]. Essa tecnologia envolve medida de grandezas físicas tais
como temperatura e pressão [1].
Dando prosseguimento ao trabalho iniciado por [3], a finalidade desse projeto foi
otimizar o processo de gravação de redes de Bragg, analisando variáveis como espessura
das grades, tempo de gravação, rendimento de transmissão, fotossensibilidade das fibras
ópticas e viabilidade da implementação de sensores.
3. Fundamentos teóricos
3.1.- Fotossensibilidade
Fotossensibilidade em fibras ópticas refere-se à possibilidade da mudança permanente
do índice de refração no núcleo da fibra quando exposta a luz com comprimento de onda
e intensidade característicos, os quais irão depender do material do núcleo[4]. Ao
inscrever tais modificações periódicas ao longo da fibra, as perturbações na estrutura do
índice de refração do núcleo se comportam como “espelhos” para determinados
comprimentos de onda [5]. O comprimento de onda e a largura de banda que podem ser
refletidos estão intimamente ligados à separação entre os pontos de reflexão gerados na
fibra. Dessa forma, torna-se possível selecionar os comprimentos de onda refletidos (ou
transmitidos) ao longo da fibra óptica.

5. 5
Figura 1. Pequenas reflexões de Fresnel acarretadas pela variação de índice de refração entre dois meios
dielétricos.
Alguns tipos de vidros e cristais apresentam um aumento considerável de atenuação
óptica (fotocromaticidade) quando expostos à radiação ionizante [6]. Este aumento na
atenuação pode ser permanente ou diminuir gradativamente com o tempo.
Particularmente, com a criação de centros de cor, a liberação de carga, e de forma geral,
com a quebra da estrutura molecular, o espectro de absorção do material se altera. De
acordo com as relações de Kramers-Kröning, isso provoca a modificação do índice de
refração das fibras ópticas (em especial, de fibras dopadas com germânio), mesmo
quando expostas a baixos níveis de intensidade de radiação do visível ao ultravioleta por
longo tempo [7].
Embora não haja um consenso unânime, entre as teorias que tentam explicar a
fotossensibilidade destaca-se a de que este fenômeno estaria relacionado com a existência
de defeitos que surgem durante a incorporação de átomos de Ge na estrutura vítrea das
fibras ópticas. Dessa forma, a fotossensibilidade ocorreria através de um processo de
absorção de um fóton (feixe de luz UV) ou dois fótons (feixe de luz visível) e seria
atribuída à interação da radiação (energias no UV) com quatro tipos de defeitos que
ocorrem nas ligações moleculares envolvendo átomos de Ge. Estes defeitos surgem na
incorporação de Ge como dopante para a formação do núcleo da pré-forma, seu posterior
aquecimento (≈2000ºC) e estiramento para se obter a fibra óptica [8].

6. 6
Figura 2. Os quatro tipos de defeitos moleculares mais comuns em fibras ópticas dopadas com Ge
O defeito mostrado na Figura 2.(a) ocorre quando um átomo de Ge está ligado
somente a três de oxigênio e uma ligação com átomo de Ge ou Si. Tal defeito induz o
aparecimento de uma banda de absorção óptica com pico na região de 240nm e com uma
largura espectral de aproximadamente 30nm. [9].
O defeito ilustrado na Figura 2.(b) ocorre quando uma das ligações Ge-Ge ou Ge-Si
é quebrada e um elétron permanece livre para se mover na matriz vítrea através de saltos
ou pelo tunelamento, ou, por uma exposição de dois fótons, para a banda de condução. A
retirada deste elétron causa uma reconfiguração na forma da molécula, possibilitando
também mudar a densidade do material e sua absorção óptica.
Os defeitos mostrados na Figura 2.(c) e (d), respectivamente, têm a configuração
normal de tetraedro, porém possuem um elétron adicional preso em um átomo de Ge.

7. 7
3.2.- Modelo teórico para obtenção do comprimento de onda de Bragg (λb)
Uma técnica que permite a escrita de redes de Bragg por um processo externo à fibra foi
desenvolvida por Meltz et al. (1989) e é denominada técnica holográfica.Tendo por
fundamento a interferometria entre dois feixes UVs formando um padrão de interferência
definido, ilumina-se lateralmente a fibra óptica em uma região arbitrária. Como a casca da
fibra óptica é transparente ao UV, tal padrão será inscrito diretamente no núcleo da fibra.
A luz guiada ao longo do núcleo da fibra será espalhada em cada plano da rede. Se a
condição de Bragg não for satisfeita, a luz refletida pelo plano subseqüente torna-se
progressivamente fora de fase e eventualmente se cancelará. Já se a condição de Bragg é
satisfeita, a contribuição da luz refletida de cada plano da rede contribui construtivamente na
direção contrapropagante formando um pico de reflexão com um comprimento de onda
central definido pelos parâmetros da rede [5].
Figura 3. Rede de Bragg uniforme
Aplicando as condições de conservação de energia e momento para a radiação
incidente em cada plano da rede [1], podemos obter a seguinte relação para o
comprimento de onda refletido:
2Bragg effn  
(1)

8. 8
λBragg é o comprimento de onda a ser refletido pela rede e neff é o índice de refração
efetivo do núcleo da fibra óptica.
Figura 4. Grades inscritas no núcleo da fibra óptica
3.3 – Aplicação como sensores
De acordo com a equação (1), mudanças no espaçamento da rede, ou no índice de
refração efetivo mudam o comprimento de onda de Bragg. Desta forma, qualquer efeito
induzido por deformação mecânica ou por mudança no índice de refração com a temperatura
causará uma modificação na posição do espectro de reflexão da rede de Bragg [10]:
2 2
eff eff
Bragg eff eff
n n
n l n T
l l T T

     
           
       (2)
Onde o primeiro termo diz respeito a mudanças no espaçamento da rede (e do índice
de refração efetivo, a chamada mudança fotoelástica induzida) oriundas de deformações
mecânicas e o segundo, em detrimento de modificações de origem térmica [1].
3.4 - Hidrogenização
Hidrogenização é um método desenvolvido para aumentar a fotossensibilidade do
índice de refração do núcleo. Essa técnica consiste em submeter-se a fibra óptica a ser
utilizada no processo de gravação à alta pressão de hidrogênio [11]. Desse modo, altera-
se o índice de refração do núcleo pela conversão de Ge-O em Ge-H, causando variações
no índice de refração que podem alcançar valores de até 0,01 [4].

9. 9
4. Montagem Experimental
Para gerar o padrão de interferência periódico em nosso projeto, utilizou-se um
sistema baseado no espelho de Lloyd [12].
Figura 5. Montagem experimental para a produção de redes de Bragg usando o espelho simples de Lloyd.
Esta montagem possibilita uma fácil sintonização do período do padrão de
interferência através da variação do ângulo  de incidência, ou seja, permite selecionar o
comprimento de onda que a rede de Bragg refletirá.Utilizando a montagem acima, o
período da rede será dado através do seguinte modelo:
2 ( )
laser
sen


  (3)
Onde λlaser é o comprimento de onda do laser utilizado e α é o ângulo mostrado na
figura 5. e na figura seguinte (em forma mais intuitiva):
Figura 6. Esquema do modo de seleção dos comprimentos de onda.

10. 10
Na figura citada, d é a separação entre o feixe refletido e o não refletido no espelho
de Lloyd.
A equação que rege a dependência entre o ângulo α e o comprimento de onda
gravado é dada, portanto, por:
(4),
O sistema mostrado na figura 5. é composto por um laser de
Nd:YAG Q-switched 1064 nm (marca Brilliant B, empresa Quantel®, taxa de repetição
de 20 Hz, energia média por pulso de 60 mj, com freqüência quadruplicada por cristais de
KD*P altamente deuterado) para gerar pulsos no ultravioleta (266 nm):
Figura 7. Laser Brilliant B® e sua estrutura para geração de 4º harmônico (266nm)
Devido as altas energias em curso, o sistema de colimação empregado baseou-se em
uma montagem de 3 prismas de quartzo e um prisma para corte de polarização
indesejada:
Figura 8. Montagem do sistema de colimação/polarização

11. 11
Após colimação, o feixe é focalizado com o auxílio de uma lente cilíndrica de 10 cm
de distância focal sobre o plano onde será fixada a fibra óptica. Parte da luz incide sobre a
fibra e outra parte reflete no espelho, tal que os feixes se superpõem e geram o padrão de
interferência responsável pela gravação da estrutura periódica:
Figura 9. Lente cilíndrica e montagem de Lloyd
Um analisador de espectro óptico permite a análise, em tempo real, da rede, durante
sua gravação. O monitoramento da rede gravada é realizado com um medidor de onda
(OSA Anritsu®, modelo MS9710C, range de 0.6-1.75 μm, 0,5 Å de resolução) e uma
fonte ASE (Amplified Spontaneous Emission) de fibra dopada com érbio:
Figura 10. Analisador de espectro óptico

12. 12
Durante todo o projeto, utilizou-se fibra óptica monomodo Fibercore® (Co-dopada
com Boro, modelo PS 1250/1500, NA = 0,14). Para a etapa de pré-gravação, procedeu-
se da forma usual: Removia-se o coating de poliacrilato da fibra (limpeza feita
utilizando-se acetona comercial), após, a fibra era clivada (Sumitomo® fiber cleaver,
modelo FC-6M) e soldada (Optical Fiber fusion splicer, Sumitomo®, modelo TYP-
37SE) a um dos segmentos do circulador. O valor de atenuação médio registrado no
processo de soldagem foi de 0,01 Db.
5. Resultados
5.1. Validade do modelo teórico
Por tratar-se da continuação de um trabalho já iniciado por [3], onde a validade do
modelo teórico fora testada e confirmada exaustivamente, nos abstivemos em relatar
novamente todos os passos para validação da equação (4) e a assumimos verdadeira. O
comprimento de onda utilizado (λlaser ) foi de 266nm e neff =1.45
5.2. Diferenças na gravação em fibras hidrogenadas e não hidrogenadas
Durante o projeto, foram realizadas gravações em fibras hidrogenadas e não
hidrogenadas. Para o procedimento de hidrogenação, mantivemos a fibra em invólucro
metálico sujeito a alta pressão (25 kgf) por períodos variando de 1 a 7 dias.
Acerca da gravação das fibras, observou-se que o processo de hidrogenação afeta
diretamente o tempo de gravação das redes de Bragg. Enquanto fibras não-
hidrogenadas podiam ser gravadas em minutos, fibras hidrogenadas apresentavam
gravação quase instantânea. No entanto, o processo de hidrogenação apresenta a
característica deficitária de fragilizar a fibra, ou seja, deixá-la mais quebradiça,
característica essa que se intensifica após a gravação, para ambas as fibras.

13. 13
5.3. Sintonização do comprimento de onda de Bragg
Durante o estudo, obteve-se coleção de redes nos comprimentos de onda mais
diversos, mostrando-se que foi obtido domínio da técnica de gravação, o que torna
viável a reprodutibilidade de grades para as mais diversas aplicações. Abaixo, seguem
redes gravadas na faixa no range de operação do OSA:
Figura 11. Algumas das redes gravadas durante o projeto. Da figura, podemos ver que a grade desenvolve-
se sobre uma distribuição espectral. Esse espectro é oriundo da reflexão de Fresnel de 4% (interface
fibra/ar),em uma das conexões do circulador. Tal reflexão pôde ser diminuída com a aplicação de um
casador de índice (Silicone optical compound Visilox®, V-788) em tais conexões.
1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620
comprimento de onda de Bragg (nm)

14. 14
5.4. Largura da grade e espectro de transmissão
As larguras de grade obtidas variaram. Isso deveu-se a processos críticos que foram
diferentes para cada grade gravada, onde destacamos a temperatura de operação do laser
(a não estabilidade do laser fazia com que houvesse uma provável pulsação de modo, de
forma que a grade era alargada por não haver um comprimento de onda de Bragg bem
definido) e (principalmente) alinhamento e calibração do conjunto espelho de
Lloyd/lente cilíndrica/fibra óptica. Mas de uma forma geral, em média, as larguras de
grades foram da ordem de (5±2)nm.
Figura 12. Rede de Bragg gravada em 1529,1nm com potência óptica refletida de 58,17nw.
Com relação à eficiência no comprimento de Bragg refletido, observando o espectro
de transmissão, o valor obtido foi de aproximadamente 50%, ou seja, a grade consegue
refletir, em valores próximos ao comprimento de onda de Bragg, metade da intensidade
óptica emitida pela fonte. A seguir, é mostrado o espectro de transmissão normalizado
(isso é, uma relação de potência óptica/potência óptica máxima):
1500 1510 1520 1530 1540 1550
0
10
20
30
40
50
60
70
Potênciaópticarefletida(nW)
comprimento de onda (nm)

15. 15
Figura 13. Espectro de transmissão
5.5. Viabilidade da aplicação de redes de Bragg como sensor de estresse mecânico
Utilizando-se de um sistema especial para gravação de grades em 800nm (sistema
Ocean optics®), grades foram confeccionadas e após, enroladas em uma estrutura
cilíndrica de granito. Essa estrutura foi posta sob pressão gradativa e, com a ajuda do
analisador de espectro óptico, pôde-se observar o deslocamento do comprimento de onda
Bragg de acordo com a força por unidade de área aplicada ao material, em tempo real. O
perfil gráfico obtido é mostrado a seguir:
1450 1500 1550 1600
0,000000000
0,090909091
0,181818182
0,272727273
0,363636364
0,454545455
0,545454545
0,636363636
0,727272727
0,818181818
0,909090909
1,000000000
Normalizaçãodapotênciaóptica
comprimento de onda (nm)

16. 16
Figura 14. Gráfico ilustrando o deslocamento do comprimento de onda de Bragg em função de deformação
física.
Do gráfico, podemos ver que, para uma faixa relativamente vasta, a deformação
obedece a uma relação linear com o comprimento de onda. Já em um determinado valor
acima dessa região, o comprimento de onda cresce abruptamente. Isso é explicado pelo
fato de que, para um determinado valor limite de deformação, começam a aparecer na
estrutura de granito microfissuras, que possibilitam uma expansão muito maior do
material. Para valores muito acima desse limite, perde-se o granito.

17. 17
5.6.Viabilidade da aplicação de redes de Bragg como sensores térmicos
Nessa parte do projeto, observamos o comportamento do comprimento de onda
Bragg quando sujeitamos a fibra óptica a um aquecimento. Para isso, utilizamos um
dispositivo Peltier para o aquecimento (Peltier DV 3010). Aqui vale lembrar que, como
estávamos interessados em uma análise mais qualitativa do fenômeno, não utilizamos
uma fonte térmica mais robusta.
Primeiramente, calibramos o Peltier, utilizando para isso uma fonte de tensão
ajustável, um multímetro e um termômetro. O gráfico a seguir mostra o resultado de tal
calibração:
Figura 15. Curva de calibração do Peltier
Após, anexamos uma rede gravada em comprimento de onda de Bragg de 1530,4nm
ao Peltier, variando a tensão sobre o mesmo. Conhecendo-se a tensão sobre o Peltier, e
utilizando o resultado da calibração anterior, conseguimos determinar a temperatura
aplicada sobre a fibra. Acompanhando o deslocamento do comprimento de onda de
Bragg em tempo real, com a ajuda do OSA, obtivemos o seguinte resultado:
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
( ) (16,0 0,2) (26,4 0,5)T V V   
Temperatura(ºC)
tensão aplicada (V)
Pontos práticos
Regressão linear

18. 18
0 20 40 60 80 100 120 140
1530,2
1530,4
1530,6
1530,8
1531,0
1531,2
1531,4
1531,6
1531,8
1532,0
comprimentodeondadeBragg(nm)
temperatura(ºC)
Pontos práticos
regressão linear
Figura 16. Dependência do comprimento de onda de Bragg com a temperatura
Do gráfico, vemos que, para essa faixa de temperatura, o comprimento de onda segue
uma relação linear com a temperatura, a saber:
λBragg =(1530,22±0,03) + (0,0119±0,0004)T
Como dito anteriormente, essa foi apenas uma análise qualitativa. Para melhores
resultados, precisaríamos de uma fonte de aquecimento mais calibrada e confiável, com
maior taxa de aquecimento (aqui, 140ºC era aproximadamente o limite de tensão
aplicável sobre o Peltier) , em situações com melhor controle de variáveis e resolução de
medidas (o deslocamento do comprimento de onda com a temperatura é tão tênue que até
mesmo o OSA não apresentava resolução suficiente para acompanhá-lo).
5.7.Floating
Durante o processo de calibração do sistema, a equipe encontrou uma propriedade
interessante em vidros, quando os mesmos eram colocados em contato com o feixe de
laser (mais precisamente, na posição onde eram colocadas as fibras ópticas para
gravação). Dependendo da potência aplicada aos vidros (o laser utilizado apresenta
controle de potência, através de regulagem da lâmpada flash), podiam-se inscrever grades
à estrutura vítrea. No entanto, o mais surpreendente, era o fato de, ao invertermos o lado

19. 19
do vidro iluminado, tal efeito não mais acontecia. Após pesquisa, descobriu-se que, uma
possível explicação para tal efeito, era o processo de fabricação dos vidros, o chamado
floating. Nesse procedimento, lados opostos recebem tratamentos diferentes, onde a parte
de cima fica em contato com o ar atmosférico e a parte de baixo, em contato com uma
estrutura líquida diferente (molten tin), onde o vidro flutua[13]. Isso induziria,
provavelmente, a adição de impurezas a estrutura do vidro que, como trabalhamos com
regimes de energia muito altos, agem como agentes dopantes, exatamente como o boro, o
germânio e o hidrogênio em fibras ópticas.
6. Conclusões
Com o término do projeto, é interessante salientar alguns pontos cruciais acerca de
métodos, objetivos e aplicações.
Na parte de métodos, a utilização de um laser de maior energia por pulso, nos
possibilitou obter um maior rendimento na criação das grades. Conseguimos grades mais
estreitas, com maior índice de refletividade, confecção das mesmas em menor tempo e
não restrição da gravação apenas a fibras hidrogenadas. Um ponto negativo com relação
à utilização do laser Brilliant B é a forte dependência da potência média em detrimento
da temperatura de trabalho, o que com certeza limitou um pouco o avanço da pesquisa,
visto que precisávamos trabalhar em ciclos (o tempo de operação do laser, em potência
relativamente constante, era de 30 segundos. Após esse período, precisávamos desligar o
q-switch e esperarmos cerca de 1 minuto para voltarmos a inscrever grades na fibra).
Com relação aos objetivos do projeto, que eram, especificamente, diminuição da
largura espectral das redes e execução de sensores, os resultados foram bastante
satisfatórios. Todavia, melhores resultados, com certeza, ainda podem ser obtidos.

20. 20
7. Bibliografia
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[2] Zhao, Y. and Liao,A. “Discrimination methods and demodulation
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and Thermally Erasing Refractive Index Gratings”, Electronics Letters, vol. 28, p.
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[10] KERSEY, A. D.; DAVIS, M.A.; PATRICK, H.J.; LeBLANC, M.; KOO,
K.P.; ASKINS, C.G.; PUTNAM, M.A. e FRIEBELE, J, “Fiber Grating Sensors”,
Journal of Light wave Technology, vol. 15, nº 8, p. 1442-1462, (1997).
[11] Araújo, F. M. “Redes de Bragg em Fibra Óptica”, Tese de Doutoramento,
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crystalline solids ,351 2341-2347, (2005).
8. Banco de imagens
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fibras ópticas”, dissertação, UTFPR, 2006.
Figuras [1,5,6]- [3]
9. Assinaturas
____________________________ ____________________________
Bruno Henrique Nunes Lino Misoguti