Redes de Período Longo em Fibras Óticas: Produção e Caracterização.
Narah Iuata Rank [Bolsista IC CNPq]1, Marcia Muller [C...
elevada capacidade de transmissão e seus baixos custos. Com isso, surge uma
combinação da telecomunicação à base de fibras...
comprimento da fibra ótica que será exposto à radiação. Após a gravação as redes são
submetidas ao processo de leitura, po...
Figura 1: Razão espectral entre os sinais transmitidos pela LPG1 (fibra “Centaurus”), durante a
gravação, e o sinal emitid...
Percebe-se a partir das figuras analisadas que com o passar do tempo é natural
uma perda das características originais da ...
desse patamar, progressivamente, o forno teve sua temperatura elevada de 100 em
100ºC até atingir em 500ºC. Junto com todo...
Figura 5: FBG2 inserida em um forno com temperatura de aproximadamente 500ºC, com seu
pico posicionado em 1550nm.

Este en...
Os resultados demonstram que as redes gravadas em fibras óticas que,
futuramente, poderão vir a atuar como sensores, possu...
Próximos SlideShares
Carregando em…5
×

Redes em Fibras Óticas: Produção e Caracterização

404 visualizações

Publicada em

Artigo final referente à Iniciação Científica PIBIC/CNPq.

0 comentários
1 gostou
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
404
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
3
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
5
Comentários
0
Gostaram
1
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Redes em Fibras Óticas: Produção e Caracterização

  1. 1. Redes de Período Longo em Fibras Óticas: Produção e Caracterização. Narah Iuata Rank [Bolsista IC CNPq]1, Marcia Muller [Colaborador]2,3, José Luís Fabris [Orientador] 2,3 1 Departamento de Engenharia Elétrica 2 Departamento de Física 3 Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial Campus Curitiba Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR Av. Sete de Setembro, 3165 – Rebouças - Curitiba – Paraná – Brasil CEP 80230-901 naarank@gmail.com, mmuller@utfpr.edu.br, fabris@utfpr.edu.br, Resumo – As fibras óticas que contêm uma Rede de Período Longo (LPG - Long Period Grating) ou uma Rede de Bragg (FBG - Fiber Bragg Grating), gravada em seu núcleo são bastante sensíveis a determinados parâmetros físicos e químicos e vem sendo, cada vez mais, utilizadas no estudo e desenvolvimento de sensores. São capazes de detectar variações de temperaturas e de tração além de serem sensíveis ao índice de refração de fluidos e de possuírem características intrínsecas que as diferem de outros tipos de transdutores, como passividade eletromagnética, peso e tamanho reduzidos e uma acelerada resposta. Palavras-chave: Redes de período longo; Redes de Bragg; Redes em fibras óticas; Transdutores. Abstract - Optical fibers that contain in the core a long period grating (LPG) or Fiber Bragg grating (FBG) are sensitive to determined physical and chemical parameters, and have been widely studied for the development of sensors. They are capable to detect temperature and strain changes and are also sensitive to the refractive index of fluids, presenting intrinsic characteristics that make them different from another kind of transducers, as electromagnetic passivity, reduced weight and size and a fast response time. This paper shows the research about the production and characterization process of these gratings, as well as its use as transducers. Keywords: Long period grating; Fiber Bragg grating; Fiber optic gratings; Transducers. INTRODUÇÃO A utilização das fibras óticas vem sendo, nos últimos tempos, ampliada devido a diversas vantagens que esta traz para os meios tecnológicos. A grande área da telecomunicação se revolucionou quando a tecnologia a fibras óticas foi introduzida nos seus sistemas, que necessitavam de um maior desenvolvimento e aperfeiçoamento. Com o crescente interesse por parte dos pesquisadores, os estudos foram se aprofundando e a tecnologia tradicional passou a se desenvolver aliada a tecnologia ótica priorizando sua
  2. 2. elevada capacidade de transmissão e seus baixos custos. Com isso, surge uma combinação da telecomunicação à base de fibras óticas e dos elementos optoeletrônicos em prol do desenvolvimento de sensores óticos a partir de redes gravadas em fibras óticas. As redes em fibras óticas foram desenvolvidas prioritariamente para serem aplicadas como tais sensores óticos. Ao expor o núcleo da fibra, em períodos determinados, a um feixe de laser ultravioleta com comprimento de onda específico, suas propriedades físicas sofrerão alterações, as quais serão referidas como uma rede. Há dois tipos de redes gravadas em fibras óticas: as Redes de Período longo (LPG) e as Redes de Bragg (FBG), que são determinadas em função do período da modulação do núcleo. A rede de período longo (LPG – Long Period Grating) é uma rede de transmissão sendo seu período de modulação em torno de centenas de micrometros. Seu espectro final mostra claramente que parte do espectro de entrada foi desviada durante a transmissão, sendo possível ver um vale no comprimento de onda que foi acoplado e irradiado. Os vales de atenuação se deslocam de acordo com a alteração de algum parâmetro externo o qual a fibra é sensível, portanto qualquer alteração do índice de refração tanto do núcleo, da casca e do meio externo provocado por parâmetros físicos como temperatura e tensão longitudinal acarretará tais deslocamentos. A rede de Bragg (FBG – Fiber Bragg Grating) em contraposição com a LPG é uma rede de reflexão e seu período é da ordem de micrometros, muito menor do que o produzido em uma rede de período longo. A FBG apresenta a característica de acoplar a luz incidente do modo propagante no núcleo para o modo contra-propagante em uma faixa que abrange alguns de comprimentos de onda, o sinal que incide na rede é refletido através do efeito de espalhamento coerente nas interfaces que separam os índices de refração diferentes, e no espectro final será possível notar um pico. Neste tipo de rede qualquer alteração dos parâmetros físicos ou de índice de refração promoverá uma alteração do comprimento de onda de Bragg deslocando espectralmente o pico de reflexão. O objetivo desse artigo é demonstrar os procedimentos de fabricação das redes de Bragg e de período longo gravadas a partir dos um lasers excímero KrF 248nm e 266nm respectivamente, além de verificar os parâmetros, tais como a estabilidade e sensibilidade da rede, ao submeter uma FBG ao ensaio térmico. METODOLOGIA O processo de gravação da LPG se inicia com a hidrogenação, um processo realizado para aumentar a fotossensibilidade das fibras, através da exposição destas à radiação UV. Para isso, é necessário que a fibra seja submetida a altas pressões e seu tempo de permanência nessa condição irá depender da temperatura que pode ser a frio (temperatura ambiente) ou a quente (temperatura acima da ambiente). Após a retirada da fibra da câmara de hidrogenação, deve-se remover a casca de um determinado
  3. 3. comprimento da fibra ótica que será exposto à radiação. Após a gravação as redes são submetidas ao processo de leitura, por meio de um analisador de espectros (OSA – Optical Spectrum Analyser, Anritsu, MS9710B) que podemos captar e analisar os dados e o espectro final da rede. O processo de gravação das redes de Bragg é a partir da técnica da iluminação direta sobre máscara de fase e seu período pode ser determinado através da seguinte equação: = (1) A gravação pode ser realizada a partir de um laser excímero controlado por um programa de computador (Star Pc control), que é conectado também a um interrogador. A fibra, após ter sua capa polimérica retirada na região da gravação, é então fixada em um suporte ajustável bem próxima da máscara de fase. As redes de Bragg, diferentemente das redes de período longo, podem ter sua criação observada instantaneamente conforme o andamento de sua gravação. A caracterização térmica, também descrita nesse trabalho, consiste em aquecer uma rede até que a mesma atinja a estabilidade. Primeiramente, a fibra ótica deve ser completamente descascada e à ela conectados os pigtails com o auxílio de uma máquina de emendas, com a função de transmitir o espectro da rede para o laptop, que por sua vez é conectado a um interrogador, sendo possível acompanhar o deslocamento da rede de acordo com o aumento da temperatura, em seguida a rede é cuidadosamente posicionada no interior de um tubo de metal próprio para o ensaio térmico que será colocado no forno. RESULTADOS E DISCUSSÃO A LPG utilizada neste trabalho foi gravada no ano de 2005 pela Professora Doutora Rita Zanlorensi Visneck Costa a partir da técnica ponto-a-ponto com emissão de feixes UV com a utilização do laser (New Wave,Tempest-20 Nd: YAG, operando em 266nm) disposto no laboratório de laser da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os parâmetros utilizados na gravação desta LPG estão dispostos na tabela 1. Ressalte-se que a LPG1 foi gravada um dia após sua retirada da câmara de hidrogenação. Rede Tabela 1: Parâmetros de gravação da LPG1. Fluência do laser Posição do vale após o Nº de Fibra sobre a rede término da gravação pontos (mJ/cm²) (nm) LPG1 “Centaurus” 45 278,65 +/- 30,65 1602,65 +/- 0,08
  4. 4. Figura 1: Razão espectral entre os sinais transmitidos pela LPG1 (fibra “Centaurus”), durante a gravação, e o sinal emitido pela fonte ótica LED [1]. Figura 2: Razão espectral entre os sinais transmitidos pela LPG1 durante a gravação, e o sinal emitido pela fonte ótica LED após oito anos de sua gravação.
  5. 5. Percebe-se a partir das figuras analisadas que com o passar do tempo é natural uma perda das características originais da rede, o que afeta primordialmente em sua qualidade. Em 2005 a LPG1 apresentava transmitância de aproximadamente 0,95 (unid. Relativa), o que significa 0,15 a mais do que ela possui atualmente, que foi medido em 0,8 (unid. Relativa). Apesar de um tempo de comparação relativamente grande, a rede encontra-se em excelente estado e com um bom resultado quanto à rede gravada em seu interior, que apresenta uma atenuação de 10 dB em transmissão atualmente. A rede de Bragg selecionada foi gravada utilizando-se o laser excímero do modelo XANTOS XS – Coherent, ArF 193nm no laboratório de ótica e optoeletrônica (LOOP) a partir das técnicas de iluminação direta sobre máscara de fase, com os seguintes parâmetros: Tabela 2: Parâmetros de gravação para a Rede de Bragg. Rede Fibra ótica utilizada Máscara de fase (nm) Frequência (Hz) Energia (mJ) FBG2 Draktel Optical Fibre – SSMF – Single mode. 1066,50 250 5 Figura 3: Pico de atenuação da FBG2 posicionado em aproximadamente 1543nm. A rede de Bragg (FBG2) foi submetida a uma caracterização térmica com sucessivas elevações de temperatura em intervalos constantes, a fim de se obter uma estabilização. Para isso, foi utilizado o forno Jung (Modelo LT0112, 110V/50V, Monofásico C/J200). O forno foi programado para iniciar seu funcionamento em 20ºC e subir gradativamente em intervalos constantes de 5 minutos. O primeiro patamar de temperatura, após a captura do espectro em temperatura ambiente foi de 100ºC. A partir
  6. 6. desse patamar, progressivamente, o forno teve sua temperatura elevada de 100 em 100ºC até atingir em 500ºC. Junto com todos os equipamentos foi conectado um multímetro, com a finalidade de monitorar a temperatura real do processo. Serão dispostas as temperaturas inicial e final, bem como seus respectivos gráficos para posterior análise. Tabela 3: Temperaturas de acordo com o equipamento utilizado. Temperatura Programada (ºC) Temperatura indicada no forno (ºC) Temperatura indicada no multímetro (ºC) 20 20 21 500 500 511 Figura 4: FBG2 inserida em um forno com temperatura de aproximadamente 20ºC, com seu pico posicionado em 1543nm.
  7. 7. Figura 5: FBG2 inserida em um forno com temperatura de aproximadamente 500ºC, com seu pico posicionado em 1550nm. Este ensaio nos permitiu observar as mudanças no espectro da rede à medida que o experimento era realizado, com elevação da temperatura o pico do espectro é deslocado para maiores comprimentos de onda. Diversos estudos e testes são realizados para aprimorar os resultados na produção de sensores óticos a partir de uma rede de Bragg gravada em uma fibra ótica. Estes trabalhos objetivam, portanto, a otimização, estabilização e adequação a cada aplicação. Para todas estas aplicações, a estabilidade de uma rede de Bragg é fundamental e determina as condições em que essas redes podem operar. CONCLUSÕES A qualidade de uma rede de período longo permanece constante durante grande parte de sua vida útil, sem afetar, de modo significativo, seu desempenho, como pode ser observado nos espectros da LPG1 capturados em diferentes épocas de sua existência, garantindo um método inovador e prático. A FBG02 gravada a partir do laser excímero ArF 193nm apresentou um espectro com excelentes parâmetros, que podem ser aprimorados e direcionados para a aplicação em sensoriamento. A grande vantagem dessas redes é a sua rapidez de gravação e a exigência de uma baixa potência para isso. O ensaio térmico apresentou certas discrepâncias ao envolver a medição de temperaturas. As diferenças obtidas entre os valores reais e ideais se devem à imprecisão ou má calibração dos instrumentos utilizados. O resultado foi coerente com o esperado, porém há diversos meios de aprimorá-lo, tanto da parte de aplicação técnica como de estudos teóricos.
  8. 8. Os resultados demonstram que as redes gravadas em fibras óticas que, futuramente, poderão vir a atuar como sensores, possuem uma alta eficiência. Todos os métodos apresentados são de grande relevância para o estudo de sensores com base em redes gravadas em fibras óticas. Com o aprimoramento desses métodos, que já apresentam diversas vantagens como facilidade e baixo custo, será possível alcançar resultados satisfatórios para o mercado, trazendo consigo inovação e praticidade. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio fornecido pelo CNPq, CAPES, FINEP, Fundação Araucária. REFERÊNCIAS [1] COSTA, R. Z. V.. “Produção, estabilizações e caracterização de redes fotorrefrativas de período longo em fibras óticas para sensores”, 2009.Tese de Doutorado, UTFPR. [2] OLIVEIRA, V.. “Redes de Bragg para medições em altas temperaturas”. Tese de Doutorado, UTFPR, 2012. [3] BHATIA, V. and VENGSARKAR, A. M. Optical fiber long-period grating sensors. Optics Letters, v. 21, n. 9, 1 May 1996. [4] KAWANO, Marianne Sumie. “Transdutor a Fibra Ótica para Análise de Biodisel”, 2010. Dissertação (Curso de Pós Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - UTFPR, (Orientadora) Marcia Muller. [5] OTHONOS, A. Fiber Bragg Grattings. Review of Scientific Instruments, v. 68, p. 4309 4341, 199.

×