Estruturas Sensoras em Fibra Óptica para Monitorização ... · O sistema de filtração de ......

Estruturas Sensoras em Fibra Óptica para Monitorização

Ambiental Baseadas em Redes de Período Longo

Catarina de Jesus Eira Silva Mendes

Departamento de Física

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

Junho de 2007

Estruturas Sensoras em Fibra Óptica para Monitorização

Ambiental Baseadas em Redes de Período Longo

Catarina de Jesus Eira Silva Mendes

Dissertação submetida para a obtenção do grau de Mestre em Optoelectrónica e Lasers

Departamento de Física

Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

Junho de 2007

Trabalho realizado sob a supervisão de

Doutor José Luís Campos de Oliveira Santos Professor Associado do Departamento de Física

da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

Co-orientação de

Doutor João Miguel Pinto Coelho Investigador Auxiliar

do Instituto Nacional de Engenharia Tecnologia e Inovação

Agradecimentos

Neste espaço gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos às instituições e a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para que este trabalho se tornasse possível. Ao Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação (INETI) pela continuada aposta na minha formação no âmbito da investigação Cientifica, tendo facilitado a realização deste trabalho. À Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP) pelo acolhimento como aluna de mestrado. Ao Doutor José Luis Santos, orientador responsável pela formação na FCUP, pela sua competência e apoio que transmitiu no decurso do trabalho, pelo incentivo, bem como pela disponibilidade e amizade então demonstradas. Ao Doutor João Miguel Pinto Coelho, co-orientador e responsável pela formação no INETI, expresso o meu reconhecimento pelo seu constante estímulo científico e os muitos ensinamentos que me transmitiu ao longo dos últimos anos, e acima de tudo pela sua amizade. Um agradecimento especial ao Engenheiro João Martins que com os seus conhecimentos e experiência, contribuiu para este trabalho no desenvolvimento do protótipo. Ao Engenheiro Orlando Frazão, pela sua disponibilidade e apoio na execução da parte prática deste trabalho.

Os meus agradecimentos são também dirigidos a todos os colegas e amigos da Unidade de Optoelectrónica do INESC pelos seus ensinamentos e interesse demonstrado pelo trabalho desenvolvido. Em especial à Susana pela excelente relação pessoal que criámos e que espero não se perca. São também dignos de uma nota de apreço os colegas e amigos do INETI que de alguma forma contribuíram para a conclusão deste trabalho. Em particular, ao Fernando Monteiro pelo seu profissionalismo exemplar, pelo apoio nos momentos bons e menos bons, e pela sua amizade. Ao meu marido Nuno, pelas inúmeras trocas de impressões e comentários ao trabalho. Acima de tudo, pelo inestimável apoio, paciência e compreensão reveladas ao longo destes meses. Por último, agradeço a toda a minha família, pela compreensão, pelo carinho, pela motivação e estarem sempre presentes A todos, os meus sinceros agradecimentos.

i

Resumo

A rede de período longo (LPG) é uma estrutura ressonante que permite o acoplamento de luz entre

o modo fundamental do núcleo e os modos específicos da bainha. Esta estrutura é extremamente

sensível ao ambiente que a envolve, permitindo assim ser usada como sensor de parâmetros

ambientais. Esta característica provém da forte dependência do índice de refracção efectivo dos

modos da bainha com o índice de refracção do meio envolvente. No campo de estudos ambientais

em meios aquosos, os LPGs são muito atractivos para monitorização de parâmetros físicos em

tempo real, tais como temperatura e salinidade. Contudo, na sua produção, a remoção do

revestimento faz deles uma estrutura frágil quando aplicados em meios aquáticos que normalmente

contêm algas e outros materiais orgânicos. Neste âmbito, o presente trabalho tem como objectivo o

desenvolvimento do protótipo de um sensor baseado em redes de período longo para medição de

salinidade in situ, capaz de sustentar ambientes difíceis.

Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de redes de período longo, incidindo nos

aspectos fundamentais, fabricação, caracterização e a sua aplicação como sensores. São estudados

os atributos sensores de redes de período longo induzidas em dois tipos de fibra, a convencional

Corning SMF-28 e Oxford Electronics, SMPS 1300-125 P. São reportados os efeitos da

temperatura e índice de refracção externo nas alterações dos respectivos espectros de transmissão.

É também analisada a influência do efeito do processo de ataque químico (redução do diâmetro da

bainha) na sensibilidade de uma rede de período longo, demonstrando-se um aumento acentuado

na sensibilidade da mesma.

Em paralelo, foram realizados estudos para encapsular o elemento sensor, de forma a torná-lo um

dispositivo mais robusto. O sistema proposto neste trabalho é de fácil implementação e permite a

substituição do filtro sem intervir com o restante processo. O sistema de filtração de materiais

orgânicos é conseguido através do processo de separação por membranas. Um outro aspecto

crucial a ter em conta foi a facilidade de limpeza do dispositivo. A sensibilidade da cabeça sensora,

baseada numa rede de período longo foi caracterizada quanto à variação de índice de refracção do

meio externo e à temperatura.

iii

Abstract

A long-period fiber grating (LPG) is a resonant structure that couples light between the

fundamental core mode and specific cladding modes. This structure is extremely sensitive to the

refractive index of the cladding surrounding environment, thus allowing it to be used as a salinity

sensor in water media. This feature arises from the strongly dependence of the effective index of

the cladding mode on the refractive index of the surrounding environment.

In the field of aqueous environment studies, LPGs are very attractive for real time monitoring of

physical parameters, such as temperature and salinity. However, in their production, the removal of

the buffer layer makes them a fragile structure when applied in real conditions, usually

contaminated with algaes and other organic materials. Thus, this work had the objective of

developing a prototype of a salinity sensor for in situ research capable of sustain these hard

conditions.

This thesis presents a theoretical and experimental study of long period fibre gratings, focusing on

their fundamental aspects, fabrication and characterization and also their application as sensors.

Sensing attributes of individual LPGs induced in two different types of fibre are investigated.

Effects of temperature and external refractive index variations on long-period gratings are studied

with respect to reported changes in their transmission spectra.

It is analysed the influence of the chemical attack procedure (reduction of cladding diameter) in the

sensitivity of a long period fibre grating, showing an increasing sensitivity.

It is also presented a prototype of the sensor for in situ application. Studies have been carried out

through to encapsulate the sensing element end making it a more robust sensor device. The

filtration of organic materials, which can deposit over the LPG, thus changing the resulting signal,

is obtained through the process of separation by membranes. One other crucial aspect taken into

consideration was the easiness of device cleaning. The system considered in this work has easy

implementation and it allows the replacement of the filter without interfering in the process. The

sensitivity of the LPG based sensing head to the refractive index change of the external medium

was characterized. For its calibration, the LPG was immersed in liquids with different refractive

index at room temperature. Experimental results show that this sensing system can be used as a

remote in situ salinity measurement device.

iv

Índice temático AGRADECIMENTOS ........................................................................................................................................................ I RESUMO ...................................................................................................................................................................... III ABSTRACT ................................................................................................................................................................... IV ÍNDICE TEMÁTICO ........................................................................................................................................................V LISTA DE FIGURAS .....................................................................................................................................................VII LISTA DE TABELAS ......................................................................................................................................................XI SIMBOLOGIA...............................................................................................................................................................XII ACRÓNIMOS...............................................................................................................................................................XIII

1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................................... 1 1.1 MOTIVAÇÃO ........................................................................................................................................................... 1 1.2 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ........................................................................................................................... 2

2 TEORIA DAS REDES DE PERÍODO LONGO..................................................................................................... 3 2.1 REDES DE PERÍODO LONGO ..................................................................................................................................... 3

2.1.1 Comparação entre redes de período longo e redes de Bragg........................................................................ 4 2.2 ACOPLAMENTO DE MODOS E CONDIÇÃO DE PHASE-MATCHING............................................................................... 5 2.3 MÉTODOS DE FABRICO DE REDES DE PERÍODO LONGO .......................................................................................... 11

2.3.1 Radiação Ultravioleta.................................................................................................................................. 12 2.3.2 Arco eléctrico............................................................................................................................................... 14 2.3.3 Laser de CO2................................................................................................................................................ 15 2.3.4 Deformação Mecânica ................................................................................................................................. 16

3 REDES DE PERÍODO LONGO COMO ELEMENTOS SENSORES ............................................................... 19 3.1 MEDIÇÃO DA TEMPERATURA................................................................................................................................ 19 3.2 SENSIBILIDADE A DEFORMAÇÕES MECÂNICAS..................................................................................................... 22 3.3 EFEITOS DA CURVATURA NUMA REDE DE PERÍODO LONGO ................................................................................. 23 3.4 SENSOR DE ÍNDICE DE REFRACÇÃO DO MEIO ENVOLVENTE ................................................................................. 23 3.5 DISPOSITIVOS REFRACTÓMETROS BASEADOS EM REDES DE PERÍODO LONGO ..................................................... 25

4 FORMULAÇÃO MATEMÁTICA......................................................................................................................... 31 4.1 TEORIA DE ACOPLAMENTO DE MODOS ................................................................................................................. 31 4.2 ÍNDICES EFECTIVOS DOS MODOS .......................................................................................................................... 33

4.2.1 Índice Efectivo do Modo do Núcleo ............................................................................................................. 33 4.2.2 Índices Efectivos dos Modos da Bainha....................................................................................................... 35

4.3 COMPRIMENTOS DE ONDA RESSONANTES OBTIDOS EM FUNÇÃO DA PERIODICIDADE DA REDE ........................... 36 4.4 ESPECTRO DE TRANSMISSÃO DA REDE ................................................................................................................. 37

5 ENCAPSULAMENTO DO SENSOR..................................................................................................................... 39 5.1 REQUISITOS MECÂNICOS ...................................................................................................................................... 39 5.2 SISTEMA DE FILTRAÇÃO ....................................................................................................................................... 42

v

5.3. LIMPEZA E MANUTENÇÃO ................................................................................................................................... 44

6 METODOLOGIAS .................................................................................................................................................. 45 6.1 SISTEMA DE CARACTERIZAÇÃO DE REDES DE PERÍODO LONGO ........................................................................... 45

6.1.1 Sensibilidade ao Índice de Refracção do Meio Envolvente ......................................................................... 45 6.1.2 Sensibilidade à Temperatura do Meio Envolvente....................................................................................... 47

6.2 PROCESSO DE EROSÃO QUÍMICA........................................................................................................................... 49 6.3 ENCAPSULAMENTO DO SENSOR ............................................................................................................................ 50

6.3.1 Sensibilidade à Variação do Índice de Refracção do Meio ......................................................................... 50 6.3.2 Sensibilidade à Temperatura do Meio Envolvente....................................................................................... 50 6.3.3 Selecção das Membranas............................................................................................................................. 51

7 RESULTADOS E SUA ANÁLISE.......................................................................................................................... 55 7.1 CARACTERIZAÇÃO DE REDES DE PERÍODO LONGO ............................................................................................... 55

7.1.1 Índice de Refracção ..................................................................................................................................... 55 7.1.2 Efeito da Temperatura ................................................................................................................................. 66

7.2 ENCAPSULAMENTO DO SENSOR ............................................................................................................................ 71 7.2.1 Efeito da Temperatura ................................................................................................................................. 71 7.2.2 Medição do índice de refracção................................................................................................................... 78 7.2.3 Variação de concentração salina................................................................................................................. 80 7.2.4 Selecção das membranas ............................................................................................................................. 82

8 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS.................................................................................................. 85 8.1 CONCLUSÕES ........................................................................................................................................................ 85 8.2 PERSPECTIVAS FUTURAS ....................................................................................................................................... 86

ANEXOS ....................................................................................................................................................................... 89 A. PROTÓTIPO DE ENCAPSULAMENTO......................................................................................................................... 91 B. DIMENSIONAMENTO DA MOLA ............................................................................................................................... 99 C. ESCRITA DE LPGS POR RADIAÇÃO PROVENIENTE DE UM LASER DE CO2 ............................................................. 101

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................................ 107

vi

Lista de Figuras

Figura 1- (a) Representação esquemática de uma fibra óptica uniaxial de três camadas e (b) seu

perfil de índice transverso. ............................................................................................... 5

Figura 2 – Difracção da luz por uma rede de difracção [14]. ............................................................ 7

Figura 3 - Ilustração esquemática do acoplamento entre o modo fundamental do núcleo e os modos

da bainha na rede de período longo [14].......................................................................... 8

Figura 4 - Comprimento de onda ressonante em função do período da rede do LPG para o

acoplamento entre o modo guiado do núcleo e a ordem dos modos da bainha de: (a) 1 a

9; (b) 18 a 27 [18]. ........................................................................................................... 9

Figura 5 - Espectro de transmissão de um dispositivo LPG com um comprimento de 40 mm e um

período de 400 µm, escrito em fibra óptica fotossensível com comprimento de onda de

corte de 644 nm [16]. ..................................................................................................... 11

Figura 6 - Espectro de absorção da sílica fundida e da sílica fundida dopada com 3.5 mol% de

germânio [31]................................................................................................................. 12

Figura 7 - Esquema ilustrativo do método de escrita de LPGs, usando radiação UV através: (a) do

método de escrita “ponto-por-ponto”; (b) da máscara de amplitude [30] ..................... 14

Figura 8 – Esquema da montagem para fabricação de LPGs utilizando o método do arco eléctrico.

........................................................................................................................................ 15

Figura 9 – Esquema da montagem para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação

proveniente de um laser de CO2..................................................................................... 16

Figura 10 – Diagrama esquemático de uma rede de período longo induzida mecanicamente [29]. 17

Figura 11 - Desvio em comprimento de onda da banda de atenuação de um LPG com a

temperatura. O LPG foi fabricado com um período de 280 µm em fibra Corning SMF-

28. Seguindo a direcção da seta, os espectros correspondem às temperaturas de ≈ 23,

49,74,101, 127 e 150º C, respectivamente [19]. ............................................................ 21

Figura 12 - Desvio em comprimento de onda de quatro bandas de atenuação, A-D, em função da

tensão exercida sobre uma LPG. A rede foi fabricada com um período de 280 µm em

fibra Corning SMF-28 [19]. ........................................................................................... 22

Figura 13 - (a) Desvio em comprimento de onda induzido pela variação de índice de refracção, R.I.

do meio que envolve a fibra (a LPG foi fabricada com um período de 400 µm em fibra

dopada com boro-germânio); (b) transmissão no pico de atenuação da rede [18]. ....... 24

vii

Figura 14 - Espectro de transmissão de um par de redes LPG em série com espaçamento; (a) de 50

mm; (b) 190 mm [18]..................................................................................................... 27

Figura 15 – Configuração de refractómetros baseados em: (a) dois LPGs idênticos; (b) um LPG e

um espelho (interferómetro de Michelson); (c) um LPG com um splice desalinhado

[44]. ................................................................................................................................ 27

Figura 16- Diagrama esquemático de um FTS-LPGP (fiber-taper seeded LPG pair) [56] ............. 29

Figura 17 – Secção transversal de um guia de onda circular. .......................................................... 33

Figura 18 - Gráfico teórico do comprimento de onda ressonante em função do período da LPG

para o acoplamento entre o modo guiado do núcleo e a ordem dos modos da bainha de

1 a 10.............................................................................................................................. 37

Figura 19 – Simulação do espectro de transmissão de uma rede de período longo obtida para fibra

Corning SMF-28 com um período de 540 µm e 22 mm de comprimento..................... 38

Figura 20 - Esquema do dispositivo mecânico proposto neste trabalho.......................................... 40

Figura 21 - Dispositivo mecânico proposto neste trabalho.............................................................. 41

Figura 22 - Representação esquemática de: (a) membranas porosas e não porosas; (b) membranas

porosas simétricas e assimétricas [62]. .......................................................................... 43

Figura 23 - Montagem experimental utilizada para verificar a resposta da rede à alteração do índice

de refracção do meio que envolve a rede....................................................................... 46

Figura 24 - Refractómetro de Abbe. ................................................................................................ 46

Figura 25 - Forno tubular utilizado para caracterização das redes. ................................................. 48

Figura 26 - Esquema da montagem utilizada para a calibração térmica das redes de período longo.

........................................................................................................................................ 48

Figura 27 – Montagem experimental utilizada para monitorização do espectro da rede durante a

erosão da mesma (é também visível o suporte desenvolvido para a fibra).................... 49

Figura 28 – Montagem experimental utilizada para testar o comportamento da rede de período

longo quando colocada na estrutura desenvolvida......................................................... 51

Figura 29- Suportes para testar membranas em situação de utilização na Ria de Aveiro. .............. 52

Figura 30– Montagem da membrana no suporte para teste. ............................................................ 52

Figura 31 - Resposta espectral em transmissão da ressonância, situada aproximadamente em

1300nm, da rede de período longo escrita em fibra: (a) Corning SMF-28; (b) SMPS

1300 Oxford Electronics à variação do índice de refracção do meio envolvente.......... 56

Figura 32 - Variação: (a) do desvio em comprimento de onda e (b) da potência óptica normalizada

em função da variação do índice de refracção do meio ambiente. ................................ 57

viii

Figura 33 – Imagem obtida por microscopia óptica para medição do diâmetro da rede óptica após

ter sido sujeita ao ataque químico. ................................................................................. 58

Figura 34 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo induzida em fibra Corning

SMF-28 antes e após estar sujeita ao ataque químico por solução de HF. .................... 59

Figura 35 - Resposta espectral, da rede induzida em fibra Corning SMF-28, em transmissão às

variações de índice de refracção após ter sido sujeita ao ataque químico por HF......... 60

Figura 36 - Desvio em comprimento de onda em função do índice de refracção do meio ambiente

da rede escrita em fibra padrão após ter sido sujeita a um ataque químico. .................. 61

Figura 37- Variação da potência óptica na ressonância em função do índice de refracção do meio

que envolve a rede escrita em fibra padrão após ter sido sujeita a um ataque químico. 61

Figura 38 - Resposta das diferentes LPGs à variação de índice de refracção do meio envolvente. 62

Figura 39- Espectro da rede LPG π-shifted em transmissão escrita em fibra monomodo Corning

SMF-28 utilizando a técnica de arco-eléctrico. ............................................................. 63

Figura 40 - Resposta espectral em transmissão da rede LPG π-shifted escrita em fibra monomodo

Corning SMF-28 à variação do índice de refracção do meio envolvente...................... 63

Figura 41 – Desvio em comprimento de onda da LPG π-shifted quando o índice de refracção do

meio externo é alterado.................................................................................................. 64

Figura 42 – Variação da função 1 2( , )normT λ λ com o índice de refracção do meio externo para três

pares de comprimentos de onda. .................................................................................... 65

Figura 43 - Resposta espectral em transmissão das redes de período longo escritas em fibra: (a)

Corning SMF-28; (b) Oxford Electronics, quando submetidas a um aquecimento de 25

a 150ºC, ao ar. ................................................................................................................ 66

Figura 44- Desvio em comprimento de onda da rede de período longo escrita em fibra Corning

SMF-28, quando submetida a um aquecimento de 25 a 150ºC, ao ar. .......................... 67

Figura 45 - Variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), em função da variação da

temperatura para fibra Corning SMF-28 (P1,P2)→(1545,1556)nm e de Oxford

Electronics (P1,P2)→(1310,1330)nm............................................................................ 68

Figura 46 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning

SMF-28 após ser sujeita a um ataque químico. ............................................................. 69

Figura 47 – Desvio em comprimento de onda em função da variação da temperatura para a rede de

período logo escrita em fibra Corning SMF-28, após ser sujeita a um ataque químico.69

Figura 48 – Variação da potência óptica exibida pela rede de período logo escrita em fibra Corning

SMF-28 após ser sujeita a um ataque químico. ............................................................. 70

ix

Figura 49 – Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning

SMF-28 (a) fora e (b) fixa ao sistema desenvolvido, quando submetida a um

aquecimento de 25 a 100ºC, ao ar.................................................................................. 72

Figura 50 – Variação dos valores da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), na ressonância

da rede em função da variação da temperatura. ............................................................. 73

Figura 51 - Posição espectral da ressonância, em função da variação da temperatura, quando a rede

de período longo se encontra fora e dentro da estrutura. ............................................... 74

Figura 52 – Desvio em comprimento de onda em função da variação da temperatura quando a rede

de período longo se encontra na estrutura desenvolvida. .............................................. 74

Figura 53 – Imagem obtida por microscopia óptica para medição do diâmetro da rede de período

longo após ter sido sujeita ao ataque químico. .............................................................. 75

Figura 54 – Variação do pico de atenuação do espectro de transmissão da rede de período longo (Λ

= 649 µm) corroída, quando sujeita a um aquecimento de 25 a 100ºC, ao ar. Em (a) a

rede não está fixa à estrutura, o que acontece em (b). ................................................... 75

Figura 55 - Variação da posição espectral do pico de atenuação para a rede de período longo na

situação descrita na figura 56......................................................................................... 76

Figura 56 - Variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), para a rede de período

longo na situação descrita na figura 56.......................................................................... 77

Figura 57 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning

SMF28 (a) sem e (b) com a estrutura............................................................................. 78

Figura 58 – Desvio em comprimento de onda da LPG à variação do índice de refracção do meio

externo, quando colocada dentro e fora da estrutura. .................................................... 79

Figura 59 – Resposta observada para a quarta ressonância da rede com o aumento da concentração

de sal no meio que a envolve. ........................................................................................ 80

Figura 60 – Desvio no comprimento de onda ressonante da LPG para soluções com diferentes

concentrações de sal....................................................................................................... 81

Figura 61 – Estado da membrana (a) de Nylon (100µm) (b) de Nylon (53µm) (c) fibra de vidro,

após imersa nas águas da Ria, durante o período de um mês. ....................................... 82

Figura 62 – Imagem obtida por microscopia óptica da membrana de (a) Nylon (100µm) (b) Nylon

(53µm), após imersa nas águas da Ria, durante o período de um mês. ......................... 83

Figura 63- Mola helicoidal sujeita à compressão. ........................................................................... 99

Figura 64– Esquema da montagem para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação

proveniente de um laser de CO2................................................................................... 101

x

Figura 65– (a) Suporte para fixação da fibra e (b) Sistema experimental usado para escrita de LPGs

por exposição da fibra óptica à radiação de laser CO2................................................. 102

Figura 66 – Remoção total da bainha e afectação do núcleo da fibra óptica................................. 103

Figura 67– Remoção parcial da bainha.......................................................................................... 103

Figura 68– Alteração da fibra sem remoção de material. .............................................................. 104

xi

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Especificações das membranas utilizadas neste estudo. ................................................ 51

Tabela 2 – Identificação dos componentes que compõem o protótipo desenvolvido...................... 92

Tabela 3 – Identificação dos fenómenos observados por microscopia óptica para as diferentes

potências. ..................................................................................................................... 104

xii

Simbologia

λ - Comprimento de onda

Λ - Período da rede

N – Número de períodos da rede

L - Comprimento da rede

∆n - Diferença de índice normalizado

neff – Índice de refracção efectivo

ncl – Índice de refracção da bainha

nco – Índice de refracção do núcleo

m – Ordem de difracção

coβ - Constante de propagação do modo do núcleo

mclβ - Constante de propagação do modo m da bainha

Ω - Coeficiente de acoplamento

κ - Constante de propagação

T – Temperatura

∆n - Amplitude da perturbação induzida no índice de refracção

z - Direcção de propagação ao longo do eixo longitudinal da fibra.

R - reflectividade de uma rede

∆λ – Largura de banda a meia altura

∆λB - Deslocamento espectral

∆ε − Deformação longitudinal

pe - Constante fotoelástica

Ti – Transmissão mínima

Mp - Fracção de potência do modo contido no núcleo da fibra

V - Frequência normalizada da fibra

αTe - Coeficiente de expansão térmica

αTo- Coeficiente termo-óptico

km - Coeficiente de acoplamento

xiii

Acrónimos

CTD - Conductivity, Temperature and Depth

NaCl - Cloreto de sódio

XCTD - expendable Conductivity Temperature Depth

FBG - Fiber Bragg Gratings (redes de Bragg)

LPG - Long Period Gratings (redes de período longo)

LPG-PS - Phase-shifted Long Period Gratings (redes de período longo com desvio de fase)

LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

UV - Ultravioleta

CO2 – Dióxido de Carbono

OSA - Optical Spectrum Analyzer (analisador de espectros ópticos)

SMF – Single-mode fibre

LED - Light Emitting Diode

UIR - Unidade de índice de refracção

HF - Ácido fluorídrico

xiv

1 Introdução

1.1 Motivação

Os estuários e ambientes costeiros constituem zonas privilegiadas de biodiversidade, sendo

extremamente sensíveis à variação nas condições fronteira, em particular às propriedades da água.

A monitorização ambiental é um factor de importância primordial na preservação deste tipo de

ecossistemas. Gradientes de temperatura e salinidade são condicionantes do desenvolvimento de

diferentes espécies nestes habitat’s, pelo que o controlo destes parâmetros permite assegurar a

biodiversidade aí existente.

A salinidade é um parâmetro muito importante para a oceanografia, monitorização marinha do

ambiente, e previsão do clima [1]. Este parâmetro, tradicionalmente, é determinado através da

medição da condutividade eléctrica. Actualmente, esta é conseguida principalmente através de

sensores instalados em equipamentos CTD (Conductivity, Temperature and Depth) ou XCTD

(expendable Conductivity Temperature Depth) os quais, incorporam sensores de temperatura,

condutividade e pressão. Desta forma a determinação da salinidade é baseada na mobilidade de

iões na água, o que significa que os valores obtidos podem depender do tipo de sal que se encontra

dissolvido na água.

Contudo, o grau de salinidade pode também ser obtido por meio da medida do índice de refracção

uma vez que está estabelecida uma relação empírica entre a sanidade e o índice de refracção do

meio [1].

A determinação da salinidade por métodos ópticos apresenta vantagens, não unicamente devido às

propriedades dos sensores de fibra óptica, mas também devido à sua possibilidade de integração

[1]. Neste campo, os sensores baseados em redes em fibra têm atraído uma atenção considerável,

essencialmente devido ao facto de a medição ser obtida através de um parâmetro absoluto (o

comprimento de onda). Em particular têm relevância, as redes de período longo (LPGs) que são

1

dispositivos com características espectrais altamente sensíveis ao meio envolvente e, em especial,

à variação de índice de refracção.

Neste contexto, foi recentemente desenvolvida no INESC Porto uma cabeça sensora baseada numa

rede de período longo para a medição da salinidade da água através das alterações correspondentes

do índice de refracção da água. Essa estrutura incorpora a medição da temperatura, um aspecto

essencial para a calibração dos resultados. No entanto, este sistema não tem as características

necessárias para aplicação em ambiente real, dado ter componentes muito frágeis e ser necessária

uma filtragem adequada dos detritos em suspensão na água previamente à interacção com a fibra

óptica. O objectivo proposto neste trabalho é o do aperfeiçoamento do sistema desenvolvido

segundo dois eixos: optimizar o desempenho intrínseco do sensor refractométrico (sensibilidade,

gama de medição, etc.) e projectar, desenvolver, implementar e testar uma estrutura sensora

passível de utilização em ambiente real, em particular na Ria de Aveiro.

1.2 Organização da Dissertação

No capítulo 2 da presente tese, é exposta uma revisão da literatura sobre a teoria que envolve as

redes de período longo, sendo abordados aspectos como as técnicas de fabricação e caracterização.

No capítulo 3 é feita uma breve descrição do comportamento das redes de período longo como

elemento sensor, sendo ainda relatado o estado da arte de refractómetros baseados em redes de

período longo e discutido o seu desempenho.

No capítulo 4 é apresentada a formulação matemática que descreve o comportamento deste tipo de

dispositivos.

O capítulo 5 descreve o tipo de encapsulamento proposto neste trabalho, enquanto que o capítulo 6

descreve em detalhe o desenvolvimento da metodologia experimental (equipamentos,

procedimentos e montagens) utilizada no decorrer deste trabalho.

No capítulo 7 são apresentados e discutidos os resultados obtidos, sendo apresentados valores

característicos para a resposta espectral das redes de período longo em função das condições de

exposição. Inicialmente são descritos e analisados os resultados obtidos por diferentes cabeças

sensoras caracterizadas quanto à variação de parâmetros como temperatura e índice de refracção.

Em seguida são discutidos os efeitos da estrutura desenvolvida na medição desses parâmetros,

sendo ainda feita uma avaliação do sistema de filtração.

E, finalmente, no capítulo 8 são apresentadas as principais conclusões e as propostas de trabalho

futuro.

2

2 Teoria das Redes de Período Longo

No presente capítulo, é exposta a teoria base das redes de período longo (LPGs) provendo a

compreensão fundamental das suas propriedades espectrais.

Os conceitos aqui apresentados são importantes para a análise e projecção deste tipo de redes. É

realizada uma breve discussão da propagação de modos na fibra óptica, considerando a

aproximação das três camadas, seguida pela apresentação das equações fundamentais para o

acoplamento entre o modo fundamental do núcleo e os modos da bainha.

Este capítulo apresenta ainda uma descrição sumária dos principais métodos de fabrico de redes de

período longo.

2.1 Redes de período longo

O desenvolvimento de redes em fibra teve um impacto significativo na pesquisa e no

desenvolvimento das telecomunicações e sensores de fibra óptica. São dispositivos

comparativamente simples que, na sua forma mais básica, consistem na modulação periódica das

características da fibra óptica. A sua aplicação como elemento sensor é vantajosa devido às

características intrínsecas dos sensores em fibra, tais como: medição remota, imunidade

electromagnética, peso e compactação, capacidade de multiplexagem e a possibilidade de

monitorização em tempo real mantendo um elevado nível de precisão e baixo custo. A sua

utilização encontra-se disseminada no âmbito da monitorização, não só a nível da Engenharia Civil

como a nível ambiental, tendo igualmente aplicação na área da Medicina e Telecomunicações [2-

10].

Um tipo de redes em fibra toma a designação de rede de período longo (LPG – Long Period

Grating) ou rede de transmissão. Este tipo de estruturas baseia-se na modulação periódica das

características da fibra óptica, que pode ser induzida por deformação física do material da fibra ou

por modificação do índice de refracção do núcleo (e/ou bainha). A modulação induzida permite o

3

acoplamento do modo fundamental do núcleo para os modos co-propagantes da bainha da fibra

com períodos de modulação relativamente longos (em comparação com as redes de Bragg),

variando de 100µm a 1mm. Tal como a rede de Bragg, a LPG é sensível a parâmetros como a

temperatura ou tensão, que podem alterar o período da rede ou o índice de refracção do núcleo ou

bainha.

A utilização de redes de período longo foi pela primeira vez demonstrada em 1996 por Bathia [3] e

Vengsarkar [4]. As redes foram gravadas numa fibra monomodo hidrogenada, por radiação

ultravioleta, através de uma máscara de amplitude. Desde então, ocorreu um incremento na

procura deste tipo de dispositivos para diversas aplicações, como filtros espectrais [4],

equalizadores de ganho de um amplificador de fibra dopada com Érbio [5], difusores de luz para

aplicações médicas [6] e, mais importante, na monitorização de parâmetros físicos [7-11].

As redes de período longo partilham as características intrínsecas dos sensores de fibra óptica, e

algumas particularidades como baixo nível de reflexão e perdas de inserção reduzidas. Permitem

gamas de maior sensibilidade, acrescida de uma elevada versatilidade na sua aplicação em

ambientes delicados.

Neste tipo de estrutura, os comprimentos de onda de ressonância são extremamente dependentes

da diferença entre os índices de refracção efectivos do núcleo e da bainha. Deste modo, qualquer

perturbação externa que varie o índice de refracção efectivo ou a periodicidade da rede, causa

grandes deslocamentos do comprimento de onda de ressonância [7]. Como sensores, possuem

ainda a capacidade de conseguir diferentes valores de sensibilidade para um mesmo comprimento

de onda, por alteração do período da rede e/ou do tipo de fibra utilizada. Isso possibilita a

fabricação de sensores com respostas diferenciadas às variações do meio externo, mas que operam

com a mesma fonte espectral.

2.1.1 Comparação entre redes de período longo e redes de Bragg

As redes de Bragg em fibra óptica (FBG – Fiber Bragg Grating), também designadas de redes de

período curto, operam no modo de reflexão e são fabricadas com um período inferior a 1µm

proporcionando o acoplamento entre modos que se propagam em direcções opostas. Este

acoplamento ocorre para um comprimento de onda específico, denominado por comprimento de

onda de Bragg. Tipicamente, este tipo de redes de apresenta um comprimento na ordem dos 5-10

mm. Em comparação, as redes de período longo são fabricadas com períodos de modulação

relativamente longos, variando de 100µm a 1mm, possibilitando assim, o acoplamento entre

modos co-propagantes. O comprimento típico de uma LPG é de alguns milímetros a alguns

centímetros.

4

Os longos períodos de modulação das redes de período longo permitem que estas possam ser

escritas por exposição da fibra a radiação ultravioleta, através de uma máscara de amplitude,

tornando o seu fabrico mais fácil e menos dispendioso quando comparado com a técnica de escrita

com máscara de fase, habitualmente utilizada na gravação de FBGs.

Como sensores de índice de refracção, ou concentração de impurezas em fluidos [8-9], as LPGs

possuem como vantagem a constante rigidez e integridade da fibra, o que não acontece quando se

trabalha com dispositivos cuja bainha é reduzida por corrosão por forma a ter acesso ao campo

evanescente [9,10], como é o caso das redes de Bragg.

Uma vantagem adicional das redes de período longo é a sua elevada sensibilidade à variação de

índice de refracção do meio externo sem a necessidade de acesso ao campo evanescente, como no

caso das FBGs.

2.2 Acoplamento de modos e condição de Phase-matching

As redes de período longo são dispositivos intrínsecos à fibra óptica que têm a sua operação

fundamentada no acoplamento entre o modo fundamental do núcleo e os modos co-propagantes da

bainha, dependendo da periodicidade e amplitude da variação do índice de refracção do LPG [4].

A compreensão deste tipo de dispositivos requer o conhecimento da propagação de modos na fibra

óptica. Nesta secção, será feita uma análise das propriedades ópticas de uma rede de período longo

uniforme quando o acoplamento ocorre apenas entre dois modos da fibra.

Considere-se uma fibra óptica monomodo, como a esquematizada na figura 1, com um núcleo de

raio r1 e uma bainha de raio r2 e diferentes índices de refracção em cada camada: n1, n2 e n3.

n3

n2

n1

r2

(b)

r1

r2

r1 z

Bainha

x

y

ni (r)

0

(a)

Figura 1- (a) Representação esquemática de uma fibra óptica uniaxial de três camadas e (b) seu perfil de índice transverso.

5

Estes guias de onda cilíndricos suportam diversos modos de propagação, isto é, diversas formas de

conduzir a radiação electromagnética. Sendo que numa fibra óptica monomodo apenas se propaga

o modo denotado por fundamental, grande parte da energia transportada por este modo é confinada

ao núcleo. No entanto, uma pequena quantidade propaga-se de forma similar através da bainha.

Outros modos disponíveis na fibra óptica podem ser classificados como modos da bainha, modos

de radiação e leaky modes.

Os modos da bainha surgem quando o índice de refracção da terceira camada é inferior ao da

bainha (n3<n2), como exemplo, a bainha exposta ao meio. Nesta situação, os modos propagam-se

por meio do fenómeno de reflexão interna total que ocorre na interface bainha-meio envolvente. O

índice de refracção efectivo desses modos varia entre n2 e n3.

Quando o índice de refracção externo é idêntico ao valor de índice da bainha (n3~n2), os modos da

bainha deixam de ser conduzidos ao longo da fibra. A bainha torna-se infinita e a ausência do

mecanismo da reflexão interna total na sua fronteira, origina a conversão dos modos da bainha em

modos de radiação. Nesta região, as redes de período longo são extremamente sensíveis às

alterações do índice de refracção do meio envolvente.

Um novo mecanismo surge quando o índice de refracção do meio envolvente excede o valor de

índice de refracção da bainha, os modos são então designados de leaky modes ou modos de

radiação evanescente. Neste caso, não ocorre a reflexão interna total, no entanto a propagação da

radiação ocorre devido ao mecanismo da reflexão de Fresnel na interface interna da fibra. Tendo

como exemplo, o uso de revestimentos passivos/activos da fibra [11].

Neste trabalho apenas são considerados os modos da bainha, ou seja, a situação em que o índice de

refracção da bainha é superior ao do meio que a envolve.

As equações de campo dos modos do núcleo e bainha são as soluções da equação de onda. Em

geral os modos são transverso-eléctrico (TE), transverso-magnetico (TM) e modos híbridos

HE/EH. Um método simples para obter os modos da fibra é através da aplicação de uma

aproximação com vista a simplificar a análise – weakly guide approximation [12], introduzida por

Gloge [13]. Esta técnica de aproximação assume que a diferença entre o índice de refracção

efectivo dos modos do núcleo e do material da bainha, ∆n (∆n=(n1-n2)/n1) é reduzida

(aproximadamente 1% para fibras step-index).

11~ <∆=>− nnn

cl

co (2.1)

6

Deste modo pode ser assegurado que a relação da diferença de índices é inferior a 0.05. Esta

aproximação despreza as componentes longitudinais do campo eléctrico e magnético [12,13],

resultando em modos linearmente polarizados (LP).

Uma rede em fibra é simplesmente uma rede de difracção óptica. O efeito duma rede de difracção

óptica numa onda de luz incidente, que se propaga com um ângulo θ1, consiste na sua difracção

segundo um ângulo θ2, dependendo da ordem de difracção m [14]. Este comportamento é descrito

pela equação (2.2) e ilustrado na figura 2.

2 1nsen nsen m λθ θ ⎛ ⎞= + ⎜ ⎟Λ⎝ ⎠ (2.2)

Figura 2 – Difracção da luz por uma rede de difracção [14].

Considere-se uma onda plana num meio dieléctrico e uniforme de extensão infinita, de índice de

refracção n. A constante de propagação é definida como (sendo θ o ângulo do vector de onda com

o eixo dos zz, que definirá a seguir a orientação do eixo da fibra)

2effnπβ

λ= onde effn nsenθ= (2.3)

Seja agora o modo fundamental da fibra e o modo m da bainha. As suas constantes de propagação

podem ser expressas por,

,2

co eff co con kn senπ1β θ

λ= = (2.4)

,2m m

cl eff cl cln kn senπ2β θ

λ= = (2.5)

7

Onde βco e βcl são as constantes de propagação do modo do núcleo e do modo especifico da

bainha [15,16], respectivamente. Uma rede de difracção pode efectuar o acoplamento entre o modo

fundamental do núcleo e os modos da bainha neste tipo de estruturas, como ilustrado na Figura 3,

onde se considera θ1 e θ2 os ângulos de incidência e de refracção da radiação, respectivamente.

Figura 3 - Ilustração esquemática do acoplamento entre o modo fundamental do núcleo e os modos da bainha na rede de período longo [14].

As equações (2.4) e (2.5) podem ser substituídas na equação (2.2), resultando

Λ=−

πββ 2mclco (2.6)

A condição (2.6) é denotada de condição de ressonância (phase matching condition) entre o modo

fundamental do núcleo e os modos co-propagantes da bainha, para uma rede de período longo.

Para o acoplamento co-propagante do modo guiado com um ângulo θ1 para o modo θ2 (como

definido na figura 3), o comprimento de onda ressonante (λres) correspondente ao modo m da

bainha pode ser expresso como:

, ,( ) ( )m mres eff co eff cln nλ λ λ⎡ ⎤= − Λ⎣ ⎦ (2.7)

Onde Λ representa o período da rede [16]. Para parâmetros específicos da fibra, é então a

periodicidade da rede de período longo que determina qual o modo da bainha que está acoplado ao

modo fundamental.

A dependência de λ nos índices de refracção efectivos é devido à dispersão de material e do guia

de onda. Neste caso, o principal factor de dispersão é devido ao guia de onda, sendo a diferença

entre a dispersão do índice efectivo do modo do núcleo e da bainha, o parâmetro chave. A figura 4

mostra a dependência do comprimento de onda ressonante para os modos de ordem 1 a 9 e 18 a 27 8

da bainha [17,18]. O gráfico indica que o acoplamento para modos de baixa ordem é obtido usando

períodos longos, enquanto que períodos curtos facilitam o acoplamento de modos de ordem

elevada.

Figura 4 - Comprimento de onda ressonante em função do período da rede do LPG para o acoplamento entre o modo guiado do núcleo e a ordem dos modos da bainha de: (a) 1 a 9; (b) 18 a 27 [18].

A elevada atenuação dos modos que se propagam na bainha origina no espectro de transmissão da

fibra várias bandas de atenuação centradas em comprimentos de onda discretos. Cada banda de

atenuação ocorre para comprimentos de onda ressonantes correspondentes ao acoplamento do

modo fundamental do núcleo (com constante de propagação βco e índice de refracção efectivo

9

neff,co) para o modo especifico da bainha (com constante de propagação βco(m)

e índice de refracção

efectivo neff,cl (m)).

As bandas de atenuação variam em profundidade de acordo com a intensidade de acoplamento do

modo núcleo-bainha (isto é, a quantidade de potência transferida para o modo m da bainha a um

comprimento de onda ressonante, λ0). O coeficiente de transmissão (de potência) para o modo m

da baínha é dado por:

T(L) = sen2 (κmL) 2

0

2 con Isen L

πλ

⎛ ∆= ⎜

⎝ ⎠

⎞⎟ (2.8)

onde L é o comprimento da rede, km é o coeficiente de acoplamento para o modo m da bainha, ∆nco

é a alteração induzida por UV no índice de refracção do núcleo e I é o integral de sobreposição

[18,19]. Para κmL=π/2, toda a potência guiada no modo é transmitida para a bainha. A transmissão

espectral mínima do modo do núcleo no pico da banda de atenuação da LPG pode ser expressa

por,

P(L) = 1-T(L)=1-sen2 (κmL) (2.9)

A figura 5 exibe o espectro de transmissão de uma LPG com 40 mm de comprimento, período de

400 µm, fabricada em fibra óptica co-dopada de boro–germânio com comprimento de onda de

corte de 650 nm (Fibercore PS750), quando exposto ao ar [18]. Este espectro exibe as

características típicas dum dispositivo deste tipo.

A forma exacta do espectro e o centro do comprimento de onda das bandas de atenuação são

sensíveis a parâmetros físicos como: temperatura, tensão, raio de curvatura e índice de refracção

do meio [20, 21]. A sensibilidade a uma medida em particular é dependente da ordem do modo da

bainha para o qual a potência óptica é acoplada.

10

Figura 5 - Espectro de transmissão de um dispositivo LPG com um comprimento de 40 mm e um período de 400 µm, escrito em fibra óptica fotossensível com comprimento de onda de corte de 644 nm [16].

2.3 Métodos de fabrico de redes de período longo

O fabrico de LPGs baseia-se na indução de uma modulação periódica das propriedades ópticas da

fibra. Esta pode ser conseguida pela modificação permanente do índice de refracção do núcleo da

fibra óptica ou pela deformação física da mesma. Sendo a estrutura de índice de refracção

periódica fácil de obter através do efeito fotoquímico de fibras ópticas dopadas com germânio, a

maioria das redes de período longo são fabricadas em fibras de sílica dopadas com baixa

concentração de germânio, hidrogenadas e expostas à radiação ultravioleta (UV).

Sendo o período espacial das redes de período longo relativamente grande (algumas centenas de

mícron) foi possível o desenvolvimento de diversos métodos alternativos que permitem a produção

deste tipo de estruturas. Neste âmbito, foram desenvolvidas metodologias nas quais a modulação

do índice de refracção é induzida por aquecimento (exposição da fibra à radiação por laser de CO2

[22,23,24] ou por aplicação de um arco eléctrico [25,26]), por implantação iónica [27] e por

deformação mecânica da fibra [28,29].

Nesta secção, são discutidos os principais métodos de fabrico de redes de período longo.

11

2.3.1 Radiação Ultravioleta

Embora tenham sido relatadas diversas técnicas para fabrico de redes de período longo, o método

da foto-indução quer com o método de escrita “ponto-por-ponto”ou utilizando uma máscara de

amplitude é amplamente utilizado.

Os mecanismos de variação foto-induzida do índice de refracção em fibras de sílica ainda não são

claros. Contudo, sabe-se que o mecanismo da fotossensibilidade em fibras ópticas está associado à

deficiência de oxigénio na estrutura química da sílica dopada com germânio [30]. O defeito do tipo

GeO ocorre quando átomo de Ge está ligado a apenas três átomos de oxigénio e a quarta ligação é

com um átomo de Si ou Ge. Este defeito induz o aparecimento de uma banda de absorção óptica em

240 nm com largura espectral de aproximadamente 30 nm (ver figura 6). Por este motivo, são

usadas nesta técnica fontes laser que emitem radiação UV próximo do pico de absorção dos centros

deficitários em oxigénio. A primeira rede de período longo foi induzida fotoquimicamente através

de radiação laser UV em comprimentos de onda que coincidem com o máximo da banda de

absorção de defeitos em vidro germano-silicato próximo de 5 eV [31].

Figura 6 - Espectro de absorção da sílica fundida e da sílica fundida dopada com 3.5 mol% de germânio [31].

Um tipo de laser bastante utilizado no fabrico destes dispositivos é o laser pulsado, de excímeros

de krípton – flúor (KrF), que emite impulsos de elevada energia com um comprimento de onda de

248 nm com frequências até 100Hz [8]. A potência média fornecida por estes lasers atinge as

dezenas de Watt, mas devido à reduzida coerência temporal e espacial do feixe, a sua aplicação

restringe-se a técnicas de fabricação de redes não interferométricas.

12

A hidrogenação é uma técnica muito simples cujo processo consiste em difundir moléculas de

hidrogénio no núcleo de uma fibra dopada com germânio, numa atmosfera de hidrogénio a elevada

pressão e temperatura ambiente. A reacção entre as moléculas de hidrogénio e de germânio gera

centros deficitários de oxigénio que são responsáveis pelo aumento da fotossensibilidade. A

hidrogenação da fibra, antes desta ser sujeita à radiação UV, possibilita a redução do tempo de

exposição permitindo assim a obtenção de amplitudes de modulação do índice de refracção mais

elevadas. Outros dopantes, como o boro e o fósforo, podem ser usados para aumentar a

fotossensibilidade e, consequentemente, o índice de refracção. Contudo a presença destes dopantes

aumenta as perdas da fibra.

A escrita por exposição da fibra à radiação ultravioleta é conseguida utilizando o processo da

máscara de amplitude ou através do método de “ponto-por-ponto” (Figura 7). Neste último, a

estrutura necessária é produzida de forma sucessiva. Este processo consiste em fazer passar um

feixe de radiação UV, de dimensões reduzidas, através de uma lente, garantindo assim elevada

resolução espacial. Após atravessar a lente, o feixe é focado para o núcleo da fibra onde se dá a

modulação individual do índice de refracção. A exposição periódica é realizada pelo obturador

controlado por computador, accionado com frequência adequada para o período e perfil espectral

desejados. A estrutura da rede é formada com a repetição do processo, à medida que se vai

deslocando a fibra na direcção paralela ao seu eixo, por meio de uma mesa de translação

micrométrica. O esquema ilustrativo do método de escrita de LPGs utilizando o método “ponto-

por-ponto” pode ser visualizado na Figura 7 (a).

Quando a gravação de uma LPG é conseguida através de uma máscara de amplitude, toda a

estrutura da rede é realizada em simultâneo. Este processo consiste em fazer passar um feixe de

radiação UV com dimensões reduzidas através da máscara, induzindo uma modulação espacial de

variação de índice de refracção no núcleo da fibra óptica dopada. Apesar do período da LPG ser

limitado pelo período da máscara, esta técnica oferece maior precisão na resposta espectral quando

comparado com o método “ponto-por-ponto”. Contudo, este processo necessita que a fibra seja

hidrogenada de forma a aumentar a sua alteração ao índice de refracção e requer, ainda, um

tratamento térmico pós fabrico para estabilizar a rede. Neste método de escrita é preferível o uso

de fontes emissoras de impulsos devido ao relativamente baixo limiar de destruição da superfície

de vidro sílica (~1J/cm2 para radiação laser de excímeros). A configuração típica deste tipo de

fabrico pode ser visualizada na figura 7 (b).

13

Fibra

Lente

Radiação UV

(b)

Radiação UV

Fibra

Máscara de Amplitude

(a)

Figura 7 - Esquema ilustrativo do método de escrita de LPGs, usando radiação UV através: (a) do método de escrita “ponto-por-ponto”; (b) da máscara de amplitude [30].

2.3.2 Arco eléctrico

As redes produzidas por arco eléctrico resultam de um efeito térmico produzido pela passagem de

corrente eléctrica. O material de que é constituído o núcleo da fibra é sujeito a um processo de

aquecimento e arrefecimento periódico ao longo do seu comprimento, produzindo alterações

periódicas nas características da sílica que são responsáveis pelo acoplamento entre os modos.

A formação de redes produzidas por arco eléctrico tem sido indagada por alguns autores [25,26].

Neste contexto, foram propostos diversos mecanismos responsáveis pela formação deste tipo de

redes, como por exemplo, a difusão de dopantes no núcleo, tensões de relaxação elásticas e

viscoelásticas, e a deformação da fibra. Este método de escrita é bastante flexível, fácil de

implementar e não requer a utilização de fibras especiais nem equipamentos de elevado custo,

como por exemplo, lasers UV ou de CO2. Porém, esta técnica não é totalmente satisfatória,

principalmente por não ser possível um controlo exacto do processo.

O fabrico de LPGs por arco eléctrico consiste em posicionar uma fibra sem revestimento entre os

eléctrodos de uma máquina de fusão. Uma das extremidades da fibra é fixa na plataforma de

translação, cuja precisão é controlada por computador. Na outra extremidade é colocada uma

massa de forma a manter a fibra sob tensão longitudinal constante. É então, produzida sobre a fibra

uma descarga eléctrica de corrente e duração temporal adequadas, e de seguida, deslocada

lateralmente com grande precisão. Pontualmente são disparados arcos eléctricos que a atravessam

14

induzindo assim variações locais de índice de refracção. Este procedimento é repetido várias vezes,

originando perturbações periódicas ao longo da fibra resultantes do seu aquecimento local. Para a

aquisição dos espectros da rede, na extremidade da fibra é injectada luz proveniente de uma fonte

de espectro largo, tendo a outra extremidade sido conectada a um analisador de espectros. A

montagem experimental do método de escrita por arco eléctrico encontra-se esquematizada na

figura 8.

Analisador de espectros

Plataforma de Translação

Fonte de espectro largo

Gerador de alta tensão

Máquina de ão de fibras fus

Controlador da plataforma

Figura 8 – Esquema da montagem para fabricação de LPGs utilizando o método do arco eléctrico.

2.3.3 Laser de CO2

Em 1998, Davis et al [22] demonstraram a possibilidade de escrita de redes de período longo por

exposição de uma fibra óptica à radiação proveniente de um laser de CO2. O efeito da radiação na

alteração do índice de refracção da fibra óptica foi estudado por Bok Hyeon Kim, et al [23]. Esta

técnica de escrita, tal como a do arco eléctrico, baseia-se em efeitos térmicos e possui vantagens

sobre a técnica mais comum, por radiação UV. As redes induzidas por exposição da fibra à

radiação proveniente de um laser de CO2 revelam estabilidade térmica e mecânica nas

propriedades da transmissão, a sua fabricação é menos dispendiosa relativamente às redes

produzidas por radiação ultravioleta, e podem ser desenvolvidas em fibras ópticas com diferentes

perfis de índice ou composição do núcleo. A utilização de lasers de CO2 para a produção de redes

de período longo utiliza o método de exposição “ponto-a-ponto” permitindo um total controlo do

processo e ainda obter redes de dimensão reduzida, devido às mudanças de índice efectivo

elevadas (∆n≈0,1), facilitando o seu encapsulamento, para além de não ser necessário o uso de

fibras especiais [24].

15

O sistema experimental usado para a escrita de redes de período longo usando um laser de CO2 é

semelhante ao utilizado na técnica ponto-a-ponto com um laser UV e encontra-se esquematizado

na figura 9. Neste método o feixe de laser de CO2 é focado através de uma lente convergente sobre

um ponto na fibra. A fibra óptica é fixa a uma plataforma motorizada, e após exposição da fibra à

radiação um controlador provoca na plataforma um deslocamento de valor igual ao do período Λ

da rede e o processo é repetido. Durante o processo de fabricação, a transmissão espectral da fibra

é monitorizada através de um analisador de espectros e de uma fonte de banda larga que cobre a

escala de 1450 a 1600 manómetros.

Controlador

Fonte de espectro largo

Analisador de espectros


Laser CO2

Figura 9 – Esquema da montagem para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação

proveniente de um laser de CO2.

2.3.4 Deformação Mecânica

Como o período espacial das redes de período longo é relativamente grande (algumas centenas de

mícron) é possível induzir a modulação do índice mecanicamente através da distribuição periódica

de tensões induzidas quando uma força de tensão ou torção é exercida sobre a fibra. A indução

mecânica de variações de índice de refracção ao longo da fibra tem sido proposta por diversos

autores [28,29]. A figura 10 apresenta o diagrama esquemático de um LPG induzido

mecanicamente no qual são apresentadas duas secções, uma representando a região da bainha onde

ocorre erosão de raio re, e a outra a região não corroída, de raio ru. Quando uma força de tensão é

aplicada ao longo da fibra em condições de equilíbrio, cada uma destas regiões é sujeita a

16

diferentes tensões. Pelo efeito fotoelástico, as tensões diferenciais resultam na modulação

periódica do índice de refracção [29].

Figura 10 – Diagrama esquemático de uma rede de período longo induzida mecanicamente [29].

Resumindo, no presente capítulo foi feita uma introdução ao dispositivo em fibra óptica designado

de rede de período longo, abrangendo uma definição básica dessa estrutura e descritos os seus

princípios operacionais. Foram descritos os métodos de escrita de LPGs mais frequentes que

utilizam a fotossensibilidade das fibras à radiação UV: iluminação através de uma mascara de

amplitude e escrita ponto a ponto. Para além da escrita baseada em radiação UV, foram ainda

apresentados outros métodos, tais como, por radiação proveniente de um laser de CO2 utilizando

descargas de um arco eléctrico e por indução mecânica. No próximo capítulo será feita uma análise

da aplicação deste tipo de dispositivos como elemento sensor.

17

3 Redes de Período Longo como Elementos Sensores

Como referido anteriormente, uma rede de período longo consiste numa modulação periódica

induzida na fibra óptica, com períodos de 100 a 1000µm. Esta modulação permite que o modo

fundamental que se propaga no núcleo seja difractado através da rede, excitando modos da bainha,

resultando no seu espectro de transmissão um número de bandas de atenuação centradas em

comprimentos de onda discretos. Estas bandas são afectadas por perturbações externas, tais como,

temperatura, índice de refracção externo, tensão e curvatura. A sensibilidade da rede à variação de

um parâmetro físico em particular é influenciada pela composição da fibra óptica [32], o período

da rede [33] e a ordem do modo da bainha da fibra para o qual a potência óptica do modo

fundamental é acoplada [20], sendo então diferente para cada banda de atenuação. Este intervalo

de respostas faz com que as redes de período longo sejam particularmente atractivas para

aplicações como sensores.

Neste capítulo é feita uma análise da sensibilidade das redes de período longo a variações de

parâmetros externos à rede. Na secção 3.5, são ainda citadas diferentes configurações de

refractómetros baseados em LPGs.

3.1 Medição da Temperatura

A alteração do espectro de uma rede de período longo como resultado da variação de parâmetros

externos pode ser compreendida considerando a condição de acoplamento (phase-matching) entre

o modo do núcleo e os modos co-propagantes da bainha, (2.7), sendo a sensibilidade função da

variação diferencial entre dois modos.

Sendo assim, a análise da sensibilidade da rede á variação de temperatura é feita diferenciando-se a

equação (2.7) em relação à temperatura, T. O desvio pode ser aproximado por [11,34],

19

( )dTdLnn

dTnnd

dTd m

cleffcoeff

mcleffcoeffres

,,,, )(

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −Λ=

λ (3.1)

onde λres é o comprimento de onda central da banda de atenuação, T é a temperatura, neff,co e neff,cl

são os índices de refracção efectivos do modo do núcleo e da bainha, respectivamente, L é o

comprimento da rede e Λ o seu período.

Os dois termos do lado direito da equação (3.1) representam as contribuições para a sensibilidade

térmica da rede devido ao material e ao guia de onda, sendo o primeiro termo referente à

contribuição do material, resultante da alteração do índice de refracção no núcleo e da bainha

proveniente do efeito termo-óptico, αTo. Esta contribuição é dependente da composição da fibra e

da ordem do modo da bainha. O segundo termo, ou seja, a contribuição do guia de onda, representa

a alteração da periodicidade da rede resultante do coeficiente de expansão térmica da fibra, αTerm,

podendo ser positivo ou negativo dependendo do declive dλ/dΛ da correspondente curva

característica, para modos de bainha apropriados. Para o acoplamento dos modos da bainha de

baixa ordem, dλ/dΛ é positivo, enquanto que para os de ordem elevada este termo é negativo [18].

Os coeficientes de expansão térmica e termo-óptico são dados por [35]:

dTd

TermΛ

Λ=

1α (3.2)

( )dT

nndnn

mcleffcoeff

mcleffcoeff

TO,,

,,

1 −

−=α (3.3)

Para redes escritas em fibras monomodo padrão (Corning SMF-28) o coeficiente termo-óptico

varia entre 2,0 e 4,0x10-5 ºC-1 [35]. Como o coeficiente de expansão térmica da sílica fundida tem

um valor reduzido (aproximadamente 0,5x10-6 oC-1) relativamente ao termo-óptico, pode ser

desprezado [36]. Como resultado, a sensibilidade da rede à variação da temperatura é

principalmente determinada pela mudança do índice de refracção do núcleo e da bainha. Para o

acoplamento de modos da bainha de baixa ordem (Λ>100 µm), domina o efeito do material e para

20

o acoplamento dos modos da bainha de ordem elevada (períodos curtos, Λ<100 nm) o efeito do

material em fibras padrão de sílicio-germânio pode ser desprezado [19].

O desvio da banda de atenuação de uma rede de período longo com a variação de temperatura tem

um comportamento linear como pode ser observado na figura 11 [19].

Figura 11 - Desvio em comprimento de onda da banda de atenuação de um LPG com a temperatura. O LPG foi fabricado com um período de 280 µm em fibra Corning SMF-28. Seguindo a direcção da seta, os espectros correspondem às temperaturas de ≈ 23, 49,74,101, 127 e 150º C, respectivamente [19].

A resposta das redes de período longo a variações de temperatura pode variar de 0.0007nm/ºC [37]

a 2.25nm/ºC [38]. Dos diversos trabalhos divulgados, foi obtida uma sensibilidade de-0.0018nm/ºC

utilizando redes de período mais curto (Λ=40 µm) numa fibra padrão; de 0.6 nm/ºC em fibra com

núcleo dopado com germânio e revestida com polímero de acrilato [39], de 1.6 nm/ºC [40], 1.44 e

2.25 nm/ºC [38] usando um modo de ressonância apropriado em fibras co-dopadas com boro e

germânio.

21

3.2 Sensibilidade a Deformações Mecânicas

A alteração da periodicidade espacial da rede pode também ocorrer devido a deformações

mecânicas, causando desvios no comprimento de onda ressonante, λres. Este comportamento pode

ser analisado pela diferenciação da equação (2.7) em relação à deformação da fibra, ε [19]:

( )εεε

λddnn

dnnd

dd m

cleffcoeff

mcleffcoeffres Λ

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −Λ= ,,

,, )( (3.4)

onde o primeiro termo do lado direito da igualdade representa a alteração induzida no índice de

refracção pela deformação da fibra (efeito foto-elástico), e o segundo termo corresponde à

alteração da periodicidade da rede resultante da deformação elástica da fibra.

A resposta típica do desvio em comprimento de onda central da banda de atenuação de uma rede

de período longo em função da tensão exercida sobre ela é apresentada na figura 12. Cada banda

de atenuação exibe uma resposta diferente e linear à tensão aplicada. A dependência da ordem dos

modos da bainha é evidente a partir do facto de a banda de ressonância correspondente à curva A e

D terem declives bem diferentes (19.42 nm/%ε e 0.32/%ε, respectivamente).

Figura 12 - Desvio em comprimento de onda de quatro bandas de atenuação, A-D, em função da tensão exercida sobre uma LPG. A rede foi fabricada com um período de 280 µm em fibra Corning

SMF-28 [19].

22

3.3 Efeitos da Curvatura numa Rede de Período Longo

Diversos estudos têm demonstrado que redes de período longo são extremamente sensíveis a

pequenas curvaturas. Como o modo guiado fundamental é confinado ao núcleo da fibra, a

sensibilidade à curvatura é devida à modificação dos modos da bainha. Quando a região da fibra

que contém a rede é sujeita a uma curvatura, os modos da bainha são forçados a sair da fibra e o

acoplamento entre o modo fundamental e os modos da bainha da fibra é perturbado. A perturbação

induzida pela curvatura nos modos da bainha depende do raio de curvatura, comprimento de onda,

ordem do modo, perfil de índice de refracção e diâmetro, e índice de refracção do meio que

envolve a fibra.

3.4 Sensor de Índice de Refracção do Meio Envolvente

Um atributo interessante das redes de período longo é a sua sensibilidade à variação do índice de

refracção do meio que envolve a bainha da rede. Esta característica provém da dependência da

condição de ressonância do índice de refracção efectivo dos modos da bainha. Estes são fortemente

dependentes da diferença entre o índice de refracção da bainha e do meio envolvente [4,14]. A

interacção dos modos da bainha com o meio que a envolve ocorre porque o campo evanescente

desses modos penetra na interface bainha-meio envolvente. Assim, uma alteração no índice de

refracção do meio que envolve a fibra origina uma alteração no índice efectivo da bainha e,

consequentemente, um desvio no comprimento de onda de acoplamento [21]. A sensibilidade a

alterações de índice de refracção aumenta com a diminuição dessa diferença, ou seja, para valores

próximos do índice de refracção da bainha [18,19].

Se o índice de refracção do meio envolvente não exceder o da bainha, a sensibilidade da rede de

período longo ao aumento do índice de refracção externo provoca um deslocamento no

comprimento de onda central das bandas de atenuação no espectro de transmissão da rede, e a

diminuição em profundidade do seu pico [18,19]. Este último efeito é causado pela sucessiva

diminuição do coeficiente de acoplamento, como consequência da diminuição no integral da

sobreposição entre o núcleo e os modos da bainha.

Na figura 13, é exposta a resposta em comprimento de onda, de uma rede de período longo, à

variação de índice de refracção, ocorrida aproximadamente para um intervalo de 1.44 – 1.456

23

[18,19]. A rede possui 40 mm de comprimento, período de 400 µm, fabricada em fibra óptica co-

dopada de boro–germânio de comprimento de onda de corte de 650nm, tendo sido submersa em

vários óleos com diferentes índices de refracção.

Figura 13 - (a) Desvio em comprimento de onda induzido pela variação de índice de refracção, R.I. do meio que envolve a fibra (a LPG foi fabricada com um período de 400 µm em fibra dopada com

boro-germânio); (b) transmissão no pico de atenuação da rede [18].

Por observação dos gráficos apresentados na figura 13, verifica-se que para um valor de índice de

refracção acima destes limites não há resposta em termos de comprimentos de onda. Para um valor

de índice de refracção de 1.456 (índice de refracção da bainha) a banda de atenuação desaparece.

Para valores superiores ao índice de refracção da bainha, as bandas de atenuação no espectro de

transmissão reaparecem para comprimentos de onda ligeiramente superiores. A razão para esta

alteração espectral tem sido atribuída às diferenças na natureza do mecanismo de reflexão de

24

Fresnel e da reflexão interna total (modos guiados na bainha). Para um maior aumento do índice

de refracção do meio, não ocorrem variações significativas no comprimento de onda central da

banda de atenuação [18,19].

As fibras com núcleo de sílica pura, cuja bainha é dopada com flúor de forma a reduzir o seu

índice de refracção, apresentam vantagens relativamente a fibras tradicionais. Foi demonstrado que

a sensibilidade à temperatura de redes induzidas por arco eléctrico é inferior à apresentada por

redes escritas noutros tipos de fibras. Este facto ajuda a reduzir o efeito da sensibilidade cruzada

durante a medição [41].

3.5 Dispositivos Refractómetros Baseados em Redes de Período Longo

Nos últimos anos, o desenvolvimento de dispositivos para medição do índice de refracção tem sido

alvo de grande interesse para aplicações em processos industriais e controlo de qualidade, análises

biomédicas, e monitorização ambiental. Neste contexto, as redes de período longo apresentam

vantagens, sendo extremamente sensíveis a alterações de índice de refracção do meio onde estão

imersas. Contudo, embora o uso deste tipo de dispositivos seja vantajoso, a sua aplicação como

elemento sensor é limitada, uma vez que a largura dos picos de atenuação (~ 10nm) não permite

obter uma boa resolução. Neste contexto, diversos autores têm proposto diferentes configurações

de refractómetros baseados em LPGs [4,8,17-19,42].

A configuração simples, que consiste numa fonte de luz, um LPG imerso num líquido e um

analisador de espectros ópticos, tem sido estudada por diversos autores [4,8]. Lee et al demonstrou

um novo método de análise para determinar o desvio espectral de uma LPG em função do índice

de refracção do meio [43]. A alteração deste parâmetro com a variação do comprimento de onda da

banda de atenuação do LPG foi apresentada por Patrick [17].

O efeito da espessura de uma camada de material depositado sobre a rede na resposta da mesma foi

também indagado [34]. Um filme fino de material orgânico foi depositado sobre uma LPG através

da técnica Langmuir–Blodgett, a qual permite elevada resolução de controlo da espessura do filme

através da deposição de camadas moleculares. O comprimento de onda central e o valor mínimo de

transmissão da banda de atenuação da LPG, podem depender da espessura e do índice de refracção

da camada de material depositado, mesmo quando o índice de refracção desta é superior ao da

bainha [18,34]. Foi observado que, para filmes de índice de refracção superior à bainha, o

25

comprimento de onda e a amplitude da banda de atenuação exibem uma sensibilidade muito

elevada quando a espessura do filme é da ordem de poucas centenas de nanometros. Para materiais

de índice de refracção abaixo do valor exibido pela bainha, a sensibilidade à espessura do filme é

consideravelmente reduzida.

A sensibilidade ao índice de refracção foi também utilizada para aumentar e reduzir a sensibilidade

de LPGs a variações de temperatura. Envolvendo a rede de período longo com um líquido de

elevado coeficiente termo-óptico a resposta da rede resulta da variação da temperatura e da

variação do índice de refracção do meio envolvente. Se o material tem um coeficiente de expansão

térmica negativo, então a variação de índice de refracção do revestimento induz um desvio do

comprimento de onda ressonante da banda de atenuação para a zona do vermelho. Se a bandas de

atenuação têm sensibilidade à temperatura positiva, então os dois efeitos adicionam-se para

aumentar a sensibilidade à temperatura. Se, no entanto, o material tem um coeficiente termo-óptico

positivo, então um aumento na temperatura origina um deslocamento para o azul da banda de

atenuação, reduzindo a resposta global à temperatura nessa banda.

Quando duas LPGs idênticas são gravadas próximo uma da outra, podem ocorrer duas situações

diferentes: a formação de um padrão de franjas de interferência ou uma rede de período longo com

desvio de fase (LPG-PS) [18].

A formação de um padrão de interferências surge quando a separação entre as duas redes, L, é

superior ao período da rede. Como o padrão de interferência tem informação sobre o núcleo e a

bainha, inspeccionando este padrão é possível obter informação sobre o índice de refracção do

materiais constituintes. Na figura 14, pode ser visualizado um padrão de franjas nas bandas de

atenuação.

26

(b)

(a)

Figura 14 - Espectro de transmissão de um par de redes LPG em série com espaçamento; (a) de 50 mm; (b) 190 mm [18].

A formação de um padrão de franjas de interferência pode ser compreendida recorrendo à figura

15(a). Uma parte de luz incidente que se propaga no modo fundamental do núcleo da fibra é

acoplada para os modos da bainha quando atravessa a primeira LPG. A radiação propaga-se então

para a segunda LPG através de duas vias: do núcleo e da bainha. A radiação proveniente destes

dois caminhos ópticos interfere, actuando como um interferómetro Mach-Zehnder em fibra [46].

Dos dispositivos interferométricos baseados em fibra, esta é a configuração mais usual em que um

dos braços actua como sensor e o outro como referência.

(a)

(b)

(c)

Figura 15 – Configuração de refractómetros baseados em: (a) dois LPGs idênticos; (b) um LPG e um espelho (interferómetro de Michelson); (c) um LPG com um splice desalinhado [44].

27

Gwandu et al propôs um esquema compacto para medição simultânea da temperatura e índice de

refracção do meio usando duas redes de período longo gravadas em fibra de dupla bainha

hidrogenada [45]. Foi também demonstrado que a utilização de duas LPGs em configuração de

Mach-Zehnder numa fibra monomodo aumenta a sensibilidade à variação de índice de refracção

do meio que envolve a fibra entre as duas LPGs [46].

Quando a distância entre as redes é suficientemente pequena, isto é, L<Λ, o atraso de fase origina

as designadas phase-shifted LPGs (LPG-PS). Em particular, quando é introduzido no centro da

rede um desvio de fase de π, o mínimo convencional da LPG torna-se o máximo e surgem duas

novas bandas de atenuação. Este é o resultado da conversão da interferência destrutiva em

interferência construtiva no comprimento de onda de phase-matching devido à introdução de um

desvio de fase de π no centro da rede. Bakhi et al [47] demonstrou a primeira rede de período

longo com desvio de fase e Ke et al [48] apresentou uma análise teórica da resposta espectral da

LPG com um ou vários desvios de fase. Vandana Mishra et al propôs a utilização de duas LPGs

em configuração de Mach-Zehnder para a medição do nível de salinidade de líquidos [49]. Este

sistema apresenta uma melhor resposta espectral quando comparada com um único LPG.

A configuração de redes de período longo em série tem sido usada como sensores de curvatura

[50], índice de refracção externo [46,51] e temperatura [52]. Quando se utiliza LPGs em série para

medição de índice de refracção, o efeito deste parâmetro consiste na diminuição da visibilidade das

franjas e alteração do comprimento de onda central, de forma similar ao observado para um único

LPG.

Com vista à medição de salinidade, Swart apresentou um interferómetro compacto (interferómetro

de Michelson) [53]. Este obtém-se revestindo com um dieléctrico ou filme fino de metal a

extremidade da fibra que contém a LPG, formando assim um espelho (figura 15.(b)). A dupla

passagem da radiação através da rede permite a geração de franjas de interferência características

das LPGs em série [53-54]. Esta estrutura simples tem as mesmas propriedades espectrais que um

par de LPGs em configuração Mach-Zehnder, contudo oferece vantagens, tais como, sensibilidade

acrescida, operação em reflexão e menor complexidade.

A configuração em que o acoplamento de luz do núcleo para os modos da bainha é feito através de

uma junção de fibra (splice) desalinhada foi relatada por Dong et al, como ilustrado na figura

15.(c) [55].

28

Jin-Fei et al [56] relatou a fabricação e caracterização de um sensor, com elevada sensibilidade à

variação de índice de refracção, baseado num par de redes de período longo em que foi reduzida a

secção da fibra entre eles (FTS-LPGP-fiber-taper seeded LPG pair). O seu princípio de

funcionamento está esquematizado na figura 16. Esta configuração permitiu o aumento por um

factor de cinco da sensibilidade à variação do índice de refracção do meio externo

comparativamente à configuração convencional [56].

Figura 16- Diagrama esquemático de um FTS-LPGP (fiber-taper seeded LPG pair) [56]

Allsop et al [57], demonstrou que uma configuração Tapered-LPG tem uma elevada sensibilidade

espectral a variações de índice de refracção em fluidos. Esta configuração baseia-se na escrita de

uma rede de período longo centrada no taper.

Uma cabeça sensora refractométrica baseada em redes de período longo com desvio de fase

escritas por descargas de arco eléctrico foi apresentada por Rosane et al [58]. Foram estudadas as

configurações em reflexão e transmissão. Para a reflexão o diapositivo obteve um melhor

desempenho relativamente à transmissão.

Em síntese, neste capítulo, foi feita uma análise da aplicação de redes de período longo como

elemento sensor de diversos parâmetros físicos, tais como, índice de refracção, temperatura e

deformações mecânicas como tensão e curvatura. Quando as LPGs são sujeitas a alterações nos

referidos parâmetros o seu espectro de transmissão é alterado. Esta propriedade é útil no domínio

do sensoriamento, pois através da monitorização do desvio dos comprimentos de onda ressonantes

do espectro da rede é possível medir a alteração de um ou mais parâmetros físicos. O tipo de fibra

e os parâmetros de escrita da rede afectam a sensibilidade.

Foi ainda discutida a resposta de uma rede de período longo a variações de índice de refracção do

meio externo, tendo em conta a influência do valor de índice de refracção da bainha. Foram

apresentadas diversas configurações baseadas em LPGs destinadas à medição de índice de

refracção.

29

4 Formulação Matemática

Neste capítulo serão apresentados modelos teóricos que visam projectar redes de período longo e

interpretar a resposta destas à variação do índice de refracção do meio que a envolve. O capítulo

inicia-se com uma breve descrição da teoria de acoplamento de modos, seguindo-se a

determinação das constantes de propagação dos modos do núcleo e bainha e respectivos índices de

refracção efectivos. Por fim é feita a simulação do espectro de transmissão de uma rede de período

longo.

4.1 Teoria de Acoplamento de Modos

O espectro de transmissão da rede pode ser obtido através da teoria de acoplamento de modos.

Para tal é necessário resolver as respectivas equações, tendo em conta o tipo de interacção que

ocorre no núcleo da fibra. Tal como já foi referido anteriormente, as redes de período longo são

dispositivos que operam no modo de transmissão e permitem o acoplamento do modo fundamental

do núcleo para os modos da bainha a um comprimento de onda de acoplamento dado pela

condição de ressonância (2.7).

Uma perturbação dieléctrica (como, por exemplo, redes em fibra) determina as condições de

propagação de modos específicos. Em redes uniformes o acoplamento ocorre entre dois modos: o

modo fundamental (LP01) do núcleo da fibra e o modo de reflexão contra-propagante (para o caso

das redes de Bragg) ou entre o modo fundamental do núcleo e o modo co-propagante da bainha da

fibra (redes de período longo). A teoria de acoplamento de modos descreve a interacção que ocorre

entre esses modos.

31

A alteração na amplitude do modo µ que resulta do acoplamento ao modo ν na presença da

perturbação dieléctrica pode ser descrita por [59],

( ) ( ) ( ) ( )exp expt z t zdAi A K K i z i B K K i z

dzµ

ν νµ νµ ν µ ν νµ νµ ν µν ν

β β β β⎡ ⎤ ⎡= + − + − − + ⎤⎣ ⎦ ⎣∑ ∑ ⎦ (4.1)

( ) ( ) ( ) ( )exp expt z t zdBi A K K i z i B K K i z

dzµ

ν νµ νµ ν µ ν νµ νµ ν µν ν

β β β β⎡ ⎤ ⎡= − − − − − − + ⎤⎣ ⎦ ⎣∑ ∑ ⎦ (4.2)

onde é a amplitude do modo de campo transverso que se propaga para a direita (direcção

positiva de z), é a amplitude do modo de campo transverso que se propaga para a esquerda

de z (direcção negativa de z) e e são os coeficientes de acoplamento transverso e

longitudinal, respectivamente, entre os modos ν e µ.

)(zAµ

)(zBµ

tKνµzKνµ

A primeira aproximação feita às equações (4.1) e (4.2) despreza os coeficientes de acoplamento

longitudinal, , porque são substancialmente menores que os transversos na situação habitual de

propagação aproximadamente paraxial. A segunda aproximação consiste em não considerar o

acoplamento entre modos da bainha, incluindo o self-scattering que resulta na perturbação da

constante de propagação (ou evolução de fase) do modo. Assim, a perturbação de índice existe

apenas no núcleo da fibra.

zKνµ

Com estas aproximações, as equações de acoplamento de modos (4.1) e (4.2) que descrevem as

interacções co-propagantes numa rede de período longo são simplificadas para,

(01 01 1 01 1 01exp 22

coco co co cl co cl cl codA mi A i A i

dz ν ν νν

κ κ− −− −

⎛ ⎞= + −⎜ ⎟⎝ ⎠

∑ )δ −− (4.3)

(∑⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

+= −−

−−

ννν

ν δκ ziAmidz

dA coclcococlcl

011011 2exp2

) (4.4)

onde coA e são as amplitudes para o modo do núcleo e para o modo ν da bainha, clAν 01 01co coκ −

− e 1 01cl coνκ −

−

definem o coeficiente de acoplamento entre modos núcleo–núcleo e núcleo-bainha. Sendo o

detuning parameter para as interacções co-propagantes dado por

32

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Λ−−=−

−πββδ νν

221

101011clcococl (4.5)

4.2 Índices Efectivos dos Modos

Nesta secção é feita a determinação do índice de refracção efectivo do modo do núcleo e dos

modos específicos da bainha. A determinação dos modos da bainha é feita com base no modelo de

duas camadas, proposto por Vangsarkar [4].

4.2.1 Índice Efectivo do Modo do Núcleo

Para a determinação do índice de refracção efectivo do modo fundamental do núcleo, considere-se

uma LPG, escrita em fibra monomodo, cuja geometria assumida consiste em dois cilindros

concêntricos com um perfil de índice de refracção em degrau (figura 17).

aco – Raio do núcleo

acl – Raio da bainha

nco – Índice de refracção do núcleo

next

ncl

acl

aco

nco

ncl – Índice de refracção da bainha

next – Índice de refracção do meio

Figura 17 – Secção transversal de um guia de onda circular.

Como as expressões do campo electromagnético para modos guiados são difíceis de derivar, o

índice de refracção do modo fundamental é geralmente determinado através da weakly guided field

aproximation. Esta aproximação foi introduzida em 1971 por Gloge [60] e assume que a diferença

entre o índice de refracção do material do núcleo, nco, e o da bainha, ncl, é muito pequena, o que

permite obter soluções simples para a equação característica do guia de onda.

Nesta análise, a variação do índice de refracção do meio externo à fibra não afecta o modo que se

propaga no núcleo, ou seja, o modo fundamental. Para um comprimento de onda λi, o modo

fundamental (HE) é obtido através da equação (4.6) 33

)()(.

)()(.

11 com

comco

com

comco wK

wKwuJ

uJu−−

= (4.6)

onde Jm , Jm-1 são as funções de Bessel de primeira ordem, de ordem m e m-1 respectivamente, K

representa a função de Bessel modificada de segunda ordem e uco e wco são os números de onda

transversos normalizados. Para o modo do núcleo HE, em que m=1 a constante de fase transversa

normalizada é dada por:

2/1222 )..( cocococo nkau β−= (4.7)

e a constante de atenuação transversa do núcleo é dada por

2/1222 ).( cocococo nkaw −= β (4.8)

onde aco representa o raio do núcleo, βco a constante de propagação do modo do núcleo e λπ2

=k .

Por seu lado, uco e wco podem ser escritas em termos do número V

( )2 22 coco cl

aV n

πλ

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

n− (4.9)

e do índice efectivo normalizado,

22

22,

2

2

1clco

clcoeffco

nnnn

Vu

b−

−≈⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (4.10)

sendo

bVuco −= 1 (4.11)

e,

bVwco = (4.12)

34

Estas expressões mostram que uco e wco são funções que apenas dependem de parâmetros físicos da

fibra que, em conjunto com a equação (4.6), podem ser usadas para determinar o índice efectivo do

modo do núcleo, tal que ncl < neff,co< nco.

A constante de propagação do modo fundamental pode ser escrita em termos de uco e da constante

de propagação de espaço livre, k, como

( )2

2 coco co

co

ukn

aβ

⎛ ⎞= − ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (4.13)

Pelo que o índice efectivo do modo do núcleo é dado por

kn ico

icoeff)()(,

λβλ = (4.14)

4.2.2 Índices Efectivos dos Modos da Bainha

Segundo a literatura, a determinação do índice efectivo dos modos da bainha é conseguida através

da aplicação de modelos que consideram diferentes geometrias de fibra: o modelo de dupla

camada, proposto por Vangsarkar, et al [4] e o modelo de tripla camada [16]. O modelo de dupla

camada considera basicamente a bainha e o núcleo como uma fibra multimodo e o meio

envolvente como uma nova bainha apenas na região do LPG. Aplicação deste modelo é apenas

correcta para os casos em que next< ncl. Para o caso em que next>ncl, a determinação dos modos da

bainha é conseguida através do modelo de tripla camada. Nesta secção é feita a determinação dos

índices de refracção efectivo dos modos da bainha, utilizando a aproximação do modelo de dupla

camada [4].

Os índices efectivos dos modos da bainha são dependentes do índice da própria baínha e da

variação do meio externo que a envolve, next. Isto significa que para o modo m da bainha, o

comprimento de onda para o qual ocorre o acoplamento é alterado com a variação do índice de

refracção do meio que envolve a fibra.

35

Usando o modelo de dupla camada [4], em que next<neff,cl<ncl, a constante de propagação, clβ , dos

modos da bainha é dada por,

( )2

2m

m clcl cl

cl

ukn

aβ

⎛ ⎞= − ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (4.15)

Os números de onda correspondentes ao modelo de dupla camada bainha-meio são definidos por,

( ) 2/1222 .. ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −= m

clclclmcl nkau β (4.16)

( ) 2/1222

. ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −= ext

mclcl

mcl nkaw β (4.17)

Portanto, o índice efectivo do modo m da bainha é dado por

kn i

mcl

im

clneff)()(,

λβλ = (4.18)

4.3 Comprimentos de Onda Ressonantes Obtidos em Função da Periodicidade da Rede

Conhecendo o índice efectivo dos modos do núcleo e bainha é possível determinar o comprimento

de onda ressonante para um período de rede específico. Isto pode ser determinado a partir da

equação de ressonância (2.7).

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ −Λ−

−=

Λ

λ

λλ

λλλ

d

mcldncodn

mclncon

dresd

)()(1

)()( (4.19)

36

A figura 18 apresenta o gráfico obtido para o comprimento de onda de ressonância em função do

período da LPG, para os modos LP da bainha de 1 a 10.

LP10 LP08 LP07 LP06 LP05 LP04 LP03 LP02

LP01

Figura 18 - Gráfico teórico do comprimento de onda ressonante em função do período da LPG para o acoplamento entre o modo guiado do núcleo e a ordem dos modos da bainha de 1 a 10.

4.4 Espectro de Transmissão da Rede

Após a determinação das constantes de propagação dos modos, o espectro de transmissão de uma

única rede de período longo pode então ser simulado. A exactidão da modelação dos espectros da

transmissão pode ser verificada através da análise de um número de características espectrais

únicas das redes de período longo. Em particular, o período da rede determina o comprimento de

onda ressonante e o comprimento da rede afecta a largura e profundidade das bandas de atenuação.

A solução para a equação 4.3 pode ser expressa em termos da matrix F (2x2) [61]

37

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

)0(

)0(

)(

)(mclAcoA

FLm

clA

LcoA (4.20)

Onde L é o comprimento da rede. F é dada por

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+−

−

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

Λ−−

Λ+−=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

zsenizzsenkie

zsenkiezseniz

ze

zieF

γγδγγ

γφ

γγ

φγγδγ

πβ

πβ

cos

cos.

)/(0

0)/(

. (4.21)

onde φ é a fase da rede, 22 k+= δγ e ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ += m

clco βββ21

Na figura 19, é apresentado o espectro de transmissão simulado para uma rede de período longo

induzida em fibra Corning SMF 28, para um período de 540 µm e 22 mm de comprimento.

1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750-4

-3

-2

-1

0

1

Tran

smis

são

(dB

)

Índice de refracção

Figura 19 – Simulação do espectro de transmissão de uma rede de período longo obtida para fibra

Corning SMF-28 com um período de 540 µm e 22 mm de comprimento.

38

5 Encapsulamento do Sensor

O encapsulamento do elemento sensor foi desenvolvido com a finalidade de tornar o sistema mais

robusto e livre de deformações mecânicas da fibra, as quais podem interferir no valor medido.

Uma vez que o sensor irá ser inserido na Ria de Aveiro, ecossistema onde são introduzidas

constantemente porções de matéria orgânica e onde existe uma elevada concentração de partículas,

é indispensável a existência de um sistema de filtração. Este evita a acumulação de partículas em

redor do sensor e, consequentemente, interferência no valor mensurado.

5.1 Requisitos Mecânicos

Neste trabalho pretendeu-se projectar um dispositivo mecânico com as funções de suportar e alojar

um sensor para medição de salinidade e temperatura, inserido e formando continuidade com uma

fibra óptica de 128µm de diâmetro. O sistema desenvolvido destina-se a operar mergulhado a meia

profundidade na Ria de Aveiro, intercalado no cabo óptico de protecção à fibra óptica. O seu

formato cilíndrico permite a inserção exterior de uma membrana para filtragem de lamas e uma

grelha mecânica de protecção. O elemento sensor será rodeado por espaço livre suficiente para

promover o fluxo de água corrente permitindo que a medição da salinidade seja actualizada. O

cabo óptico é fixo em ambas as extremidades através do bloqueio de fibras de suporte mecânico,

deixando um vão de cerca de 11 cm com a bainha da fibra óptica exposta. O dispositivo permite a

regulação da tensão na fibra óptica através de uma mola.

Na figura 20 está ilustrado o esquema do dispositivo sugerido neste trabalho.

39

6 5

4

2

8

3

7

1

1. Semi-bloqueador do cabo óptico 2. Tampa do Cilindro 3. Mola (regulador de tensão na fibra) 4. Semi-bloqueador da fibra óptica

5. Anel roscado pequeno 6. Êmbolo 7. Cilindro (suporte da membrana) 8. Anel roscado de fixação

Figura 20 - Esquema do dispositivo mecânico proposto neste trabalho.

A fibra com cabo óptico é fixa ao dispositivo através do bloqueador de cabo (1) e da tampa do

cilindro (2) onde segue exposta. Segue-se então, a colocação da mola (3). O outro extremo da fibra

exposta (zona da rede) é fixa através do semi-bloqueador da fibra óptica (4) o qual, por sua vez, é

fixo no êmbolo (5) através do anel roscado pequeno (6). Após a fixação da fibra óptica exposta nas

duas extremidades é possível regular a tensão exercida pela mola. O conjunto é inserido no

cilindro (7) e este é fechado através de tampas, mantidas por anéis roscados de fixação (8) e de

porcas. O cilindro contém bainhas cuja função é impedir a torção da fibra.

A extremidade do cilindro é utilizada como suporte das membranas (ver secção 5.2) que impedem

a entrada de lamas para o interior da estrutura.

Na figura 21 é apresentado o protótipo desenvolvido neste trabalho. Uma descrição mais

pormenorizada deste protótipo e a sequência de montagem e desmontagem são fornecidas no

anexo A.

40

Figura 21 - Dispositivo mecânico proposto neste trabalho.

A selecção dos materiais foi feita tendo em consideração os factores custo, peso do dispositivo e

sua resistência à corrosão.

Dimensionamento da Mola

No dimensionamento de uma mola de compressão há, em geral, que atender aos seguintes factores:

• Espaço disponível para alojar a mola.

• Satisfação dos requisitos de rigidez.

• Enquadramento dos valores de deslocamento e força máxima relativamente aos valores

impostos pelo projecto.

A mola helicoidal utilizada no dispositivo foi dimensionada impondo uma força (à compressão) de

20 g com um diâmetro de 40 mm (Anexo B).

41

5.2 Sistema de Filtração

O processo de filtração a utilizar baseia-se essencialmente na passagem do fluido através de um

material permeável ou poroso. O encapsulamento proposto para o sensor envolve dois níveis de

filtração: um capaz de reter partículas de maior dimensão e outro para lama existente na Ria. Para

a filtração das partículas de maior dimensão é usada uma rede de malha estreita de forma a impedir

a deposição de lixos ou algas.

A filtração das lamas é conseguida através do processo de separação por membranas. Este consiste

em fazer escoar um líquido através de uma membrana, que age como barreira selectiva e quando

submetida a uma pressão, forçada ou natural, conduz à passagem de líquido e dos compostos de

menor dimensão através dos seus poros.

As membranas podem ser fabricadas com material orgânico ou inorgânico. As membranas de

material inorgânico exibem maior resistência mecânica, térmica e química e possuem um tempo de

vida útil mais longo. As membranas inorgânicas podem ser cerâmicas (de óxidos de zircônio,

alumínio ou titânio), de metal e grafite. A eficiência da membrana depende de vários factores, tais

como, das propriedades da membrana e do fluido e das condições operacionais (pressão,

temperatura, turbulência) [62].

A estrutura morfológica, por sua vez, refere-se essencialmente à densidade e porosidade (tamanho,

número e dimensão dos poros) das camadas constituintes da membrana. A porosidade, a espessura,

o diâmetro dos poros e a permeabilidade são factores importantes na escolha da membrana. Estas

características dependem do material de que é feita e da técnica de fabrico. Quanto maior a

porosidade menor será a resistência ao fluxo de fluido através da membrana. De modo geral, a

classificação das membranas baseia-se na estrutura e no mecanismo de separação.

Quanto à estrutura, as membranas podem ser porosas ou não porosas, e simétricas ou assimétricas,

como pode ser ilustrado na figura 22. As membranas anisotrópicas são caracterizadas por

apresentarem uma camada muito fina, mais fechada, suportada por uma camada porosa. No caso

de membranas porosas, a dimensão dos poros e a sua distribuição irá determinar que partículas ou

moléculas serão retidas pela membrana [62].

42

(a) (b)

Assimétrica Simétrica Não porosa Porosa

Figura 22 - Representação esquemática de: (a) membranas porosas e não porosas; (b) membranas porosas simétricas e assimétricas [62].

De entre os diversos processos de separação por membranas existentes, apenas abordamos os

processos de microfiltração e ultrafiltração. Estes processos diferenciam-se entre si principalmente

na dimensão do poro e pressão necessária para operação.

A microfiltração pode ser definida como um processo da separação do sólido-líquido através da

utilização de membranas com poros de diâmetros entre 0.1 a 2.0µm, e opera com pressões entre

0.2 e 2.0 bar dependendo do produto a ser filtrado. O filtro é uma membrana microporosa. Esta

técnica permite reter partículas suspendidas, bactérias e alguns iões [62].

O processo de ultrafiltração opera com pressões entre 2.0 e 7.0 bar e utiliza membranas com

microporos de 1 a 100nm, que permitem a passagem de moléculas pequenas (água, sais) retendo

todos os sólidos suspensos incluindo turvação e microrganismos. O fluxo através da membrana é

controlado mediante a pressão exercida sobre o líquido. A principal limitação deste processo é a

colmatação da membrana, que ocorre quando as partículas a filtrar se depositam no seu interior

conduzindo a um decréscimo na capacidade de filtração. A escolha de uma membrana com poros

de dimensão inferior à granulometria das partículas a filtrar e sujeita a um gradiente de pressão,

evita este fenómeno. As condições de operação, tais como, o fluxo, a velocidade do concentrado

nos poros e pressão são também factores que influenciam o grau de colmatação das membranas. A

aplicação de um gradiente de pressão na membrana em contacto com a solução promove um fluxo

do fluido através dessa membrana [62].

As principais vantagens dos processos de separação com membranas são:

• Elevada selectividade a partir do uso de um só processo ou do acoplamento de processos;

• Em geral, estes processos operam à temperatura ambiente, não sendo necessário alterar a

temperatura do fluido para promover a separação das fases;

• Baixo consumo de energia: promovem a separação sem que ocorra mudança de fase;

• Facilidade em combinar com outros processos.

43

A principal desvantagem é o seu custo elevado. Contudo, os custos associados à aplicação desta

tecnologia têm-se reduzido consideravelmente, uma vez que as membranas são produzidas em

maior escala, existe um maior número de empresas no mercado e, quando bem aplicadas, as

membranas apresentam maior tempo de vida útil e fluxo permeado mais estável e elevado.

5.3. Limpeza e Manutenção

A grande quantidade de lama existente na Ria de Aveiro facilita a aglomeração de lamas no

interior do dispositivo e consequentemente a obstrução do filtro, reduzindo a sua eficiência. Um

aspecto crucial tido em conta no projecto da estrutura da cabeça sensora é a facilidade de limpeza

do dispositivo. Esta deverá ocorrer após o maior período de tempo possível de operação.

A utilização de membranas de detrimentos em sistemas com filtros convencionais permite operar

em instalações independentemente do meio em que são inseridas. Contudo, para que a membrana

desempenhe as suas funções de forma satisfatória, os cuidados a ter com as membranas são

fundamentais. Quando o escoamento diminui abaixo de um certo nível deve-se efectuar a operação

de limpeza da membrana, a qual permitirá a sua desobstrução, retirando o material acumulado na

sua superfície. Para tal, o responsável pela manutenção do sensor deve realizar os procedimentos

relatados no anexo A, pela ordem indicada. No referido anexo é descrita a sequência das operações

de montagem/desmontagem, substituição dos filtros e limpeza do protótipo desenvolvido.

44

6 Metodologias

Neste capítulo são apresentadas as condições criadas para a realização dos diagnósticos tendo

como objectivo o estudo de redes de período longo na monitorização ambiental.

São definidas as condições, procedimentos, montagens e é apresentada uma descrição genérica dos

equipamentos.

Os valores e observações resultantes são apresentados no capítulo 7.

6.1 Sistema de Caracterização de Redes de Período Longo

Nesta secção, é feita a caracterização de redes de período longo induzidas em dois tipos de fibras

ópticas, em fibra com núcleo de sílica pura e bainha dopada com flúor (Oxford Electronics, SMPS

1300-125 P) e em fibra monomodo padrão de núcleo de sílica dopada com germânio (Corning

SMF-28). A caracterização das referidas redes foi feita quanto à influência da variação da

temperatura e do índice de refracção do meio que envolve a rede.

6.1.1 Sensibilidade ao Índice de Refracção do Meio Envolvente

A montagem experimental utilizada para a caracterização das redes de período longo à variação de

índice de refracção é apresentada na figura 23, e consiste num recipiente com quatro saídas, duas

das quais para a inserção da fibra e as restantes para introduzir e retirar a solução que se deseja

analisar. A rede é fixa nas extremidades do recipiente de forma a garantir que permaneça imersa

durante a aquisição dos diferentes espectros. Uma fonte óptica de espectro largo (Photonetics –

Fiber White), com emissão centrada em 1550 nm, em simultâneo com um analisador de espectros

ópticos (OSA, ANDO AQ 6330) permitiram monitorizar a evolução da resposta espectral em

transmissão da rede de período longo. Através da ligação directa da fonte ao analisador de

45

espectros foi igualmente obtido o espectro de transmissão da fonte laser. Para a aquisição dos

espectros das redes o analisador de espectros foi ajustado com uma resolução de 0.1nm.

igura 23 - Montagem experimental utilizada para verificar a resposta da rede à alteração do índice

As soluções utilizadas, na calibração das rede à variação do índice de refracção do meio,

Fde refracção do meio que envolve a rede.

s

consistem numa mistura de água e etileno glicol puro, em que a variação de volume deste permitiu

obter diferentes índices de refracção. Através de um refractómetro de Abbe (figura 24) foram

obtidos os valores de índice de refracção das diferentes soluções utilizadas na calibração do sensor.

Figura 24 - Refractómetro de Abbe.

46

De seguida, procedeu-se à det de etileno glicol utilizada na erminação da quantidade volúmica

preparação das soluções. A dependência do índice de refracção com a concentração de mistura de

etileno glicol segue a lei empírica [9]

2( ) ( ) 0.111 eth

H Otot

Vn T n T

V= +

(6.1)

nde n é o índice de refracção da mistura, é o índice de refracção da água, e são o

volume do etileno glicol e total da mistura, respectivamente.

medição da variação espectral em comprimento de onda é um parâmetro necessário para a

6.1.2 Sensibilidade à Temperatura do Meio Envolvente

Para o processo de calibração térmica das redes foi utilizado um forno eléctrico fabricado pela

o OHn2

ethV OHV2

A

determinação do índice de refracção do meio que envolve a rede. Contudo, esta é sensível a outros

parâmetros, como temperatura e deformação longitudinal, que podem alterar os índices de

refracção efectivos do núcleo ou da bainha, ou ambos. Além disso, a temperatura também altera o

índice de refracção do meio em análise, gerando um erro na medição. Perante estas considerações,

é necessário recorrer a métodos que permitam evitar ou corrigir erros induzidos por parâmetros

externos durante a medição do índice de refracção do meio. Para tal, a rede permaneceu fixa pelas

extremidades e as medições de índice de refracção do meio externo foram realizadas à temperatura

ambiente.

Thermolab (ver figura 25), com um comprimento de 18 cm e 2 cm de diâmetro. O forno contém

dois aquecedores, um no centro e outro na extremidade, controlados separadamente através de

controladores Eurotherm 2216, de forma a controlar as variações de temperatura no seu interior. A

temperatura máxima de funcionamento é de 1300ºC.

47

Figura 25 - Forno tubular utilizado para caracterização das redes.

Com o objectivo de averiguar a sensibilidade da LPG à variação de temperatura, a rede foi

colocada no interior do forno fixa pelas extremidades, evitando assim a sua curvatura. Uma das

extremidades da fibra foi ligada a uma fonte de espectro largo (Photonetics – Fiber White), e a

leitura feita através de um analisador de espectros (ANDO AQ 6330). A aquisição dos espectros

das redes foi obtida com uma resolução de 0.1nm. As redes foram, então, sujeitas a um

aquecimento dos 25 aos 150º C, com incremento de 5ºC.

Na figura 26 encontra-se esquematizada a configuração utilizada.

LPG

Analisador de espectros Fonte de espectro largo

Forno

Figura 26 - Esquema da montagem utilizada para a calibração térmica das redes de período longo.

48

6.2 Processo de Erosão Química

No presente trabalho foi também estudada a sensibilidade de uma rede de período longo à variação

de índice de refracção do meio envolvente após ter sido sujeita a um ataque químico. Este foi

realizado com ácido fluorídrico (HF) de concentração de 40%, cuja taxa de erosão era de

aproximadamente 0,64 µm/min. Com a montagem apresentada na figura 27, foi efectuado o ataque

químico da bainha de uma LPG escrita em fibra Corning SMF-28 com o intuito de se obter maior

sensibilidade da rede.

Embora, antes de ser sujeita ao ataque químico, a fibra fosse resistente a ponto de não se quebrar,

após o ataque químico torna-se muito frágil e quebradiça, dificultando o seu manuseamento. Para

tal, foi criado um suporte em acrílico de forma a evitar a sua rotura.

A rede foi lentamente corroída, e durante este processo, foi feita a monitorização do espectro da

rede de forma a analisar o seu comportamento. Posteriormente, a rede foi lavada com água

destilada e, após essa lavagem, secada ao ar.

Figura 27 – Montagem experimental utilizada para monitorização do espectro da rede durante a

erosão da mesma (é também visível o suporte desenvolvido para a fibra).

Para medir o diâmetro da fibra após o ataque químico com o HF, optou-se por utilizar o

microscópio óptico do Departamento de Materiais do INETI. O microscópio óptico utilizado foi

um Axioplan 2 imaging, integrado a um computador com uma câmara de alta resolução Axiocam

HRc. A incerteza nas medições realizadas com este instrumento foi estimada como sendo ±1 µm.

49

6.3 Encapsulamento do Sensor

Com vista a analisar a influência da estrutura durante a medição dos diferentes parâmetros, foram

realizados testes em laboratório, visando o comportamento da rede quando colocada dentro e fora

da estrutura. Foi realizada a caracterização de uma rede de período longo induzida por arco

eléctrico em fibra monomodo padrão (Corning SMF-28).

6.3.1 Sensibilidade à Variação do Índice de Refracção do Meio

O estudo da sensibilidade da rede de período longo á variação do índice de refracção do meio foi

realizado de forma idêntica ao apresentado na secção 6.1.1. No entanto, devido à dimensão da

estrutura o recipiente onde foram colocadas as soluções de calibração era de tamanho superior. As

soluções de calibração consistiram na mistura de etileno glicol, análogas às apresentadas na secção

6.1.1

6.3.2 Sensibilidade à Temperatura do Meio Envolvente

A influência da estrutura na medição da temperatura foi realizada de forma idêntica à apresentada

na secção 6.1.2. No entanto, as dimensões da estrutura obrigaram à utilização de um forno

(Heracus). O controlo da temperatura do forno foi conseguido através de um sistema de controlo

de temperatura. Foi estudada a resposta das redes no intervalo de temperaturas de 25 a 100ºC, com

incrementos de 5ºC. Uma das extremidades da fibra foi ligada a uma fonte de espectro largo e a

leitura feita através do OSA.

Na figura 28, é possível observar a montagem experimental utilizada.

50

Figura 28 – Montagem experimental utilizada para testar o comportamento da rede de período longo quando colocada na estrutura desenvolvida.

6.3.3 Selecção das Membranas

A selecção das membranas utilizadas neste trabalho foi feita tendo em conta o ambiente onde serão

inseridas e mediante parâmetros bem definidos no catálogo Cole-Parmer, tais como, o material, a

espessura da malha e dimensão do poro.

Assim, foram seleccionados três tipos de membranas com aplicação em ambientes aquosos, duas

com malha de Nylon e outra com malha de fibra de vidro. As suas especificações são expostas na

tabela 1.

Tabela 1 – Especificações das membranas utilizadas neste estudo.

Espessura da malha

(µm)

Dimensão do poro

(µm)

Temp. max. (Amb. seco)

(ºC)

Temp. max. (Amb. aquoso)

(ºC) Filtro de Nylon* 78 100 115 100

Filtro de Nylon* 60 53 115 100 Filtro de fibra de

Vidro* 0.52 2.7 - -

* Especificações fornecidas pelo catálogo Cole-Parmer

As membranas mencionadas foram sujeitas a testes in situ com o objectivo de apurar qual a mais

adequada para aplicação no protótipo de encapsulamento. Para realizar o estudo em questão, foram

51

projectados suportes, os quais têm por base uma rede, aplicada em redor de duas tampas, sobre os

quais a membrana a testar é fixa (ver figura 29).

Figura 29- Suportes para testar membranas em situação de utilização na Ria de Aveiro.

O seu formato cilíndrico, com 11cm de comprimento e 4cm de diâmetro, possibilita que a

exposição da membrana às condições da Ria seja idêntica à sua aplicação no protótipo de

encapsulamento. Um dos topos de cada suporte contém uma rosca para que seja possível a sua

abertura para verificação da quantidade de lama contida no interior do suporte. As membranas são

colocadas em forma de manga permitindo o seu ajuste à rede. Na figura 30, é apresentada a

montagem da membrana no suporte para teste.

Figura 30– Montagem da membrana no suporte para teste.

52

Após a colocação das membranas nos suportes, estes foram mergulhados na Ria de Aveiro, onde

permaneceram imersos no período de um mês.

O estado de colmatação das membranas, foi realizado através de microscopia óptica. Para tal foi

utilizado o microscópio óptico citado na secção 6.2.

No interior dos suportes foi ainda colocada uma outra membrana com vista a analisar também a

quantidade de impurezas que trespassa o filtro.

53

7 Resultados e sua Análise

De acordo com a metodologia anteriormente citada, neste capítulo são apresentados e discutidos os

resultados experimentais obtidos.

O capítulo inicia-se com a caracterização de redes de período longo na variação de parâmetros

como a temperatura e o índice de refracção do meio que envolve a rede. São apresentados

resultados do estudo da configuração simples utilizando redes de período longo escritas através da

técnica de arco eléctrico em dois tipos de fibra (Corning SMF-28 e Oxford Electronics, SMPS

1300-125 P). É ainda analisada a influência da implementação do processo de ataque químico com

solução de ácido fluorídrico na sensibilidade de redes de período longo. É igualmente apresentado

o resultado da aplicação de uma rede de período longo com desvio de fase π, na medição da

variação do índice de refracção do meio externo.

Na parte final deste capítulo são apresentados os resultados obtidos do teste do protótipo de

encapsulamento desenvolvido neste trabalho. É feito um estudo comparativo visando a análise da

influência da estrutura na medição de parâmetros ambientais com e sem estrutura. Por último, são

expostos os resultados obtidos nos testes realizados a membranas com vista à sua aplicação como

sistema de filtração no protótipo desenvolvido.

7.1 Caracterização de Redes de Período Longo

7.1.1 Índice de Refracção

Nesta secção, é feita uma análise da sensibilidade de uma rede de período longo, escrita em fibra

com núcleo de sílica pura e bainha dopada com flúor (Oxford Electronics, SMPS 1300-125 P) a

variações de índice de refracção no meio envolvente. Os resultados são comparados aos obtidos

por redes escritas em fibra monomodo padrão de núcleo de sílica dopada com germânio (Corning

SMF-28). Para ambas as redes é estudada a resposta do modo situado na zona dos 1300, sendo

55

para a fibra de Corning o modo de ordem 2 e para a fibra de Oxford o modo de ordem 3. A rede

induzida por arco eléctrico na fibra Oxford possui um período de 750µm e foi sujeita a 40 disparos,

enquanto que a fibra padrão foi obtida com um período de 838µm e 43 disparos.

Os gráficos da figura 31 apresentam a evolução dos espectros em transmissão das redes à variação

do índice de refracção do meio que envolve a fibra. O intervalo de índices varia entre 1.33 e 1.423.

A montagem utilizada é descrita na secção 6.1.1 e, tal como foi referido, as medidas do espectro de

transmissão das redes foram obtidas quando as mesmas se encontravam mergulhadas em soluções

com diferentes índices de refracção. Para o caso da fibra Oxford foi utilizada como fonte óptica um

SLD (1320nm), que em simultâneo com um analisador de espectros ópticos permitiu monitorizar a

evolução da resposta e

spectral em transmissão da rede.

1280 1290 1300 1310 1320 1330 1340 13500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ar água pura 20% 40% 60% 80% glicol puro

Tran

smis

são

Nor

mal

izad

a

Comprimento de onda (nm)(a)

1290 1295 1300 1305 1310 1315 1320 1325 13300.00

0.04

0.08

0.12

0.16

Ar Água pura 20% 40% 60% 80% Glicol puro

Tran

siss

ão N

orm

aliz

ada

Comprimento de onda (nm)

(b)

Figura 31 - Resposta espectral em transmissão da ressonância, situada aproximadamente em 1300nm, da rede de período longo escrita em fibra: (a) Corning SMF-28; (b) SMPS 1300 Oxford

Electronics à variação do índice de refracção do meio envolvente.

56

Numa primeira análise dos gráficos, constata-se que com o aumento do índice de refracção ocorre

um deslocamento do espectro de transmissão para comprimentos de onda inferiores. Este facto

compreende-se através do aumento do índice de refracção efectivo dos modos da bainha, o qual, de

acordo com a condição de ressonância, origina valores menores de comprimentos de onda. Por

observação dos gráficos anteriores, verificam-se maiores deslocamentos para a rede de período

longo induzida em fibra Oxford relativamente à fibra padrão.

Na figura 32 é exposta a variação do desvio em comprimento de onda e da potência óptica

normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), em função da variação do índice de refracção externo.

1,32 1,34 1,36 1,38 1,40 1,42

-4

-3

-2

-1

0

Corning SMF 28Oxford SMPS-1300 (SiO2)

∆λ

(nm

)

Índice de Refracção1.32 1.34 1.36 1.38 1.40 1.42

-0.20

-0.16

-0.12

-0.08

-0.04

0.00

Potê

ncia

Nor

mal

izad

a


Oxford SMPS-1300 (SiO2)Corning SMF28

(a) (b)

Figura 32 - Variação: (a) do desvio em comprimento de onda e (b) da potência óptica normalizada em função da variação do índice de refracção do meio ambiente.

P1 e P2 são as potências ópticas nos comprimentos de onda a meia altura de cada lado da

ressonância central. Através da análise do gráfico apresentado na figura 32.(a), verifica-se que o

desvio é mais acentuado no caso da rede induzida em fibra com núcleo de sílica pura. Este facto

resulta da dopagem da bainha com flúor, que reduz a diferença entre o índice de refracção entre a

bainha e o meio que a envolve, aumentando assim a sensibilidade da rede. Em termos de

comprimento de onda, para a variação do índice de refracção no intervalo de 1.33 e 1.423, as fibras

Corning SMF-28 e Oxford Electronics apresentam declives de -14.4 e -42.3nm/UIR (UIR -

Unidade de Indice de Refracção), respectivamente.

O índice de refracção efectivo dos modos da bainha é fortemente dependente do diâmetro da

bainha. A redução do diâmetro da bainha causa o desvio correspondente no comprimento de onda

57

ressonante para todas as bandas de atenuação que aparecem no espectro de transmissão da rede de

período longo. A magnitude do desvio é função dos parâmetros da fibra, da profundidade do

ataque e da ordem das bandas de ressonância. Este conceito é claramente ilustrado na condição de

phase-matching (2.7), onde para um período fixo a alteração no índice de refracção efectivo do

modo m da bainha (i.e. ) resulta num novo comprimento de onda ressoante – o índice de

refracção efectivo do núcleo permanece inalterado. A redução do diâmetro da bainha desloca os

comprimentos de onda ressonantes dos modos de baixa ordem para valores de comprimento de

onda superiores.

mclneff

Com o objectivo de aumentar a sensibilidade de redes fabricadas em fibra Corning SMF-28, foi

realizado o processo de ataque químico, de forma a reduzir o índice efectivo dos modos da bainha.

A imagem obtida por microscopia óptica para a medição do diâmetro da fibra após ter sido sujeita

a um ataque químico com solução de ácido fluorídrico (HF) é apresentada na figura 33. O diâmetro

resultante do ataque químico foi de 118.8 ±1µm, sendo de referir que o seu diâmetro inicial era de

128 µm.

Figura 33 – Imagem obtida por microscopia óptica para medição do diâmetro da rede óptica após ter sido sujeita ao ataque químico.

O aumento na ordem dos modos também contribui para o aumento da sensibilidade da rede [63].

Este facto pode ser justificado pelo facto de os modos de ordem superior estarem distribuídos em

regiões mais próximas da interface com o meio exterior. Por esta razão, neste estudo vai ser

utilizado o modo de ordem 3, sendo este um modo adjacente e de ordem superior. Na figura 35 são

apresentados os perfis inicial e final da resposta espectral do modo de ordem 3 da rede induzida em

fibra Corning SMF-28 antes e após o processo de ataque químico.

58

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 15900.0

0.2

0.4

0.6

0.8

antes da erosão após erosão

Potê

ncia

Nor

mal

izad

a


Figura 34 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo induzida em fibra Corning SMF-28 antes e após estar sujeita ao ataque químico por solução de HF.

Por observação do gráfico, apresentado na figura 34, verifica-se um aumento acentuado no pico de

atenuação, assim como um desvio espectral de aproximadamente 23 nm para comprimentos de

onda superiores. Este desvio deve-se ao facto de a dimensão da bainha afectar directamente as

constantes de propagação dos modos da bainha, os quais influenciam os picos ressonantes em que

o acoplamento ocorre.

De forma similar ao realizado anteriormente, para averiguar a sensibilidade da LPG à variação de

índice de refracção no meio envolvente após ter sido sujeita ao ataque químico, foram efectuadas

medidas do espectro de transmissão da rede quando esta se encontrava mergulhada em soluções

com diferentes índices de refracção.

O gráfico da figura 35 mostra a alteração que ocorre no comprimento de onda central da banda de

atenuação do espectro de transmissão da rede para as diferentes soluções.

59

1557 1560 1563 1566 1569 1572 1575

-50

-45

-40

-35

ar água pura 20% 40% 60% 80% Etanol puro

Tras

nsm

issã

o (d

B)


Figura 35 - Resposta espectral, da rede induzida em fibra Corning SMF-28, em transmissão às

variações de índice de refracção após ter sido sujeita ao ataque químico por HF.

Para a variação de índice de refracção do meio no intervalo entre 1.33 e 1.423 ocorreu um

deslocamento de 4.6nm para valores de comprimento de onda inferiores. Este resultado deve ser

comparado com o indicado na Figura 32-a, relativo à situação sem ataque químico, onde ocorreu

um deslocamento de 1.4 nm para a mesma variação de índice. Esta análise comparativa ilustra bem

o ganho de sensibilidade que pode ser conseguido com a diminuição do diâmetro da fibra.

Os gráficos apresentados nas figuras 36 e 37 derivam directamente da análise do pico central de

cada uma das curvas de atenuação apresentadas na figura 36. A evolução espectral da rede depois

de sujeita ao ataque químico, exposta na figura 36, revela o deslocamento característico das

ressonâncias da rede para menores cumprimentos de onda, quando o índice de refracção do meio

que envolve a fibra se aproxima do índice de refracção da mesma. A sensibilidade das redes é mais

elevada na região de índice de refracção do meio ambiente próximo do valor de índice de refracção

da bainha (ncl= 1.445, para fibras de sílica com núcleo dopado com germânio).

No intervalo de índice de refracção entre 1.33 e 1.42 a rede induzida em fibra Corning SMF-28,

após sujeita a um ataque químico, apresenta uma sensibilidade de -46.9nm/UIR.

60

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4-8

-6

-4

-2

0

∆λ (d

B)


Figura 36 - Desvio em comprimento de onda em função do índice de refracção do meio ambiente

da rede escrita em fibra padrão após ter sido sujeita a um ataque químico.

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4-52

-51

-50

-49

-48

-47

Potê

ncia

ópt

ica

(dB

)


Figura 37- Variação da potência óptica na ressonância em função do índice de refracção do meio

que envolve a rede escrita em fibra padrão após ter sido sujeita a um ataque químico.

A resposta à variação de índice de refracção do meio envolvente, das diferentes redes estudadas

anteriormente, é comparada na figura 38.

61

1.34 1.36 1.38 1.40 1.42-5

-4

-3

-2

-1

0

Corning SMF 28Corning SMF 28 corroidaOxford SMPS-1300

∆λ

(nm

)

Indice de refracção

Figura 38 - Resposta das diferentes LPGs à variação de índice de refracção do meio envolvente.

Com base nos resultados obtidos, é possível concluir que a implementação do processo de ataque

químico promoveu um aumento da sensibilidade da rede escrita em fibra Corning SMF-28, para

valores idênticos aos apresentados pela fibra especial Oxford.

De forma similar ao realizado anteriormente, foi analisada a sensibilidade de uma rede de período

longo com desvio de fase de π (LPG π-shifted) à variação do índice de refracção do meio que

envolve a rede.

A figura 39 apresenta o espectro de transmissão da LPG π-shifted escrita em fibra monomodo

Corning SMF-28 utilizando a técnica de arco-eléctrico.

O espectro de transmissão da rede com deslocamento de fase apresenta duas bandas de atenuação,

uma situada a 1543.2nm e outra em 1565.6nm e, entre as duas bandas de atenuação, um pico

localizado em 1554.2nm.

62

1530 1540 1550 1560 1570 1580

-20

-15

-10

-5

0

Tran

smis

são

(dB

)


Figura 39- Espectro da rede LPG π-shifted em transmissão escrita em fibra monomodo Corning

SMF-28 utilizando a técnica de arco-eléctrico.

A figura 40 apresenta a resposta da LPG π-shifted à variação do índice de refracção externo, no

intervalo de comprimentos de onda em que a rede é evidenciada. Através da análise da figura,

verifica-se para o primeiro pico de atenuação, não apenas o deslocamento deste em comprimento

de onda, como também uma variação na potência transmitida. Com o aumento do índice de

refracção, ocorre o deslocamento das ressonâncias da rede para valores menores de comprimentos

de onda.

1530 1540 1550 1560 1570 15800.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Potê

ncia

ópt

ica

norm

aliz

ada


Eth puro 40.1 ml28.4 ml22.5 ml18 ml 4.95 ml

Figura 40 - Resposta espectral em transmissão da rede LPG π-shifted escrita em fibra monomodo Corning SMF-28 à variação do índice de refracção do meio envolvente.

63

O desvio em comprimento de onda, ∆λ, da LPG π-shifted, em função da variação do índice de

refracção do meio externo para as três bandas de ressonância definidas anteriormente, é

apresentado na figura 41.

1.34 1.36 1.38 1.40 1.42 1.44-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

∆λ

(nm

)


1º Pico atenuação Pico central 2º Pico atenuação

Figura 41 – Desvio em comprimento de onda da LPG π-shifted quando o índice de refracção do

meio externo é alterado.

Os resultados obtidos no gráfico da figura 41, estão de acordo com os apresentados na literatura,

ocorrendo uma diminuição do comprimento de onda de ressonância com o aumento do índice de

refracção, sendo este inferior ao da bainha. Pode ser observado que para o intervalo de índice de

refracção entre 1.344 e 1.43 os picos de ressonância apresentam uma sensibilidade de -51.14

nm/UIR (1ºpico) -59.8nm/UIR (2ºpico) e de -56.15nm/RIU (pico central).

O segundo pico de atenuação exibe uma sensibilidade ligeiramente superior relativamente às

restantes ressonâncias. Este facto, deve-se à sua localização no espectro, ou seja, situa-se em

maiores comprimentos de onda relativamente às outras duas ressonâncias da LPG-PS.

A partir dos resultados da figura 42 pode-se obter os valores da função de transmissão

normalizada, 1 2( , )normT λ λ , para os pares ( ) ( ) ( ) ( )1558,1566,1544,1558,1544,1534, 21 =λλ nm, definindo a

seguinte função:

64

( ) ( ) ( )( ) ( )21

2121,

λλλλλλ

linearlinear

linearlinearnorm TT

TTT−−

≡ (7.1)

1.34 1.36 1.38 1.40 1.42 1.44-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

T norm

(λ1, λ

2)


(λ1,λ2) = (1534,1544) (λ1λ2) = (1558,1544) (λ1λ3) = (1566,1568)

Figura 42 – Variação da função 1 2( , )normT λ λ com o índice de refracção do meio externo para três

pares de comprimentos de onda.

65

7.1.2 Efeito da Temperatura

A dependência da temperatura no espectro das redes de período longo foi igualmente estudada.

Uma vez que a sensibilidade das redes de período longo a variações de temperatura é influenciada

pelo tipo de fibra, foi feita a calibração em temperatura de redes induzidas por arco eléctrico em

fibras Corning SMF-28 (Dcore=8.6µm, Dcl=128µm) e Oxford Electronics (Dcore=9µm, Dcl=125µm).

Para a realização deste processo foram seguidos os procedimentos e montagem apresentados na

secção 6.1.2.

Foi analisada a resposta espectral das redes citadas na gama de variação compreendida entre 25ºC

e 150ºC, com i

ncrementos de 5ºC. Os resultados encontram-se na figura 43.

Figura 43 - Resposta espectral em transm redes de período longo escritas em fibra: (a) orning SMF-28; (b) Oxford Electronics, quando submetidas a um aquecimento de 25 a 150ºC, ao

ar.

(a)

1530 1540 1550 1560 1570 1580-30

-20

-10

0

Tran

smis

são

(dB

)


1300 1310 1320 1330 1340

-6

-5

-4

-3

-2

-1

Tran

smis

são

(dB

)

Comprimento de onda (nm) (b)

issão das C

66

Os gráficos da figura 43 revelam que a resposta da rede induzida em fibra Corning à variação da

te e mperatura possui maior desvio relativamente à de fibra Oxford. Devido à elevada irregularidad

apresentada no espectro referente a esta última, não foi possível determinar esse desvio em

comprimento de onda.

A figura 44 mostra o desvio em comprimento de onda relativo à rede induzida em fibra Corning

SMF-28 devido ao aquecimento no intervalo de temperaturas referido.

10

12

0 20 40 60 80 100 120

0

2

4

6

8

Corning SMF28

∆λ (n

m)

∆Τ (ºC)

Figura 44- Desvio em comprimento de onda da rede de período longo escrita em fibra Corning

SMF-28, quando submetida a um aquecimento de 25 a 150ºC, ao ar.

O .

ma vez que de refracção

fectivos dos modos envolvidos devido ao coeficiente termo-óptico do núcleo ser maior que o da

comportamento da rede ao aumento da temperatura apresentado na figura 44 era o esperado

o aquecimento provoca um aumento na diferença entre os índicesU

e

bainha, originando um desvio em comprimento de onda para valores superiores. O desvio térmico

do comprimento de onda ressonante da rede escrita em fibra Corning foi de aproximadamente

9,5nm, resultante da variação de temperatura de 25 a 150ºC. O declive do desvio em comprimento

de onda foi de 0,085nm/ºC.

67

A alteração da resposta da rede em termos de potência óptica foi também estudada. Na figura 45 é

presentada a variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), para ambas as redes. a

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

Corning SMF-28Oxford Electronics

Potê

ncia

Nor

mal

izad

a

∆T (ºC)

Figura 45 - Variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), em função da variação da

temperatura para fibra Corning SMF-28 (P1,P2)→(1545, 1556)nm e de Oxford Electronics (P1,P2)→(1310, 1330)nm.

m termos de potência óptica, a rede induzida em fibra óptica Oxford apresenta um declive de

.0009dB/ºC e, para a fibra padrão, de 0.038dB/ºC.

ção do meio, uma vez que não induz erros na

ue em redes de período longo, a dependência funcional da temperatura não se manifesta

nicamente nos coeficientes de expansão térmica e termo-óptico (os quais são intrínsecos do

emperatura.

E

0

A pouca sensibilidade a variações de temperatura exibida pela fibra Oxford torna-a vantajosa para

obtenção de uma medição precisa do índice de refrac

medição.

Uma vez q

u

material e independentes da geometria) a redução da bainha também afecta a sensibilidade da rede.

Pelo que foi também estudada a sensibilidade da rede de período longo escrita em fibra Corning

SMF-28 quando sujeita ao ataque químico.

Na figura 46 é exposta a resposta da rede de período longo escrita em fibra convencional após ser

sujeita a um ataque químico ao aumento de t

68

Corning

O

função da variação da temperatura parado ao

btido para a rede não corroída.

Figura 46 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra SMF-28 após ser sujeita a um ataque químico.

desvio em comprimento de onda do pico ressonante do espectro de transmissão da rede em

é visível na figura 47. O resultado pode ainda ser com

o

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

2

4

6

8

∆λ (

nm)

∆T (ºC)

Corning SMF-28Corning SMF-28-corroida

Figura 47 – Desvio em comprimento de onda em função da variação da temperatura para a rede de

período logo escrita em fibra Corning SMF-28, após ser sujeita a um ataque químico.

1555 1560 1565 1570 1575 1580 1585 1590 1595-32

-28

-24

-20

-16

-12

Tran

smis

são

(dB

)


25ºC 30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC 65ºC 70ºC 75ºC 80ºC 85ºC 90ºC 95ºC 100ºC 105ºC 110ºC 115ºC

69

Uma vez que o coeficiente termo-óptico da fibra Corning SMF-28 é positivo e o período da rede

superior a 100µm, com o aumento da temperatura o comprimento de onda ressonante é deslocado

para valores superiores.

Na figura 48 é apresentada a variação da potência óptica normalizada da rede de período longo

escrita em fibra Corning SMF-28 quando sujeita ao ataque químico a um aquecimento de 25 a

115ºC, ao ar.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

LPG Corroido

Potê

ncia

Nor

mal

izad

a

∆Τ (ºC)

Figura 48 – Variação da potência óptica exibida pela rede de período logo escrita em fibra Corning

SMF-28 após ser sujeita a um ataque químico.

No gráfico apresentado na figura 48, é visível um aumento da sensibilidade com a subida da

temperatura. Para temperaturas abaixo dos 50ºC, a resposta da rede exibe um declive de

0.0007dB/ºC e e para temperaturas superiores 0.0029dB/ºC.

Com a apresentação destes resultados, está concluída a primeira parte deste trabalho que, tal como

referido, consiste na caracterização de redes de período longo para monitorização de parâmetros

ambientais como a temperatura e o índice de refracção. Foi também estudada a influência do

processo de ataque químico na sensibilidade da rede.

Na seguinte secção são apresentados os resultados que permitem viabilizar a aplicação do

protótipo de encapsulamento desenvolvido neste trabalho para a monitorização de ambientes

estuarinos e costeiros.

70

7.2 Encapsulamento do Sensor

Por forma a determinar o efeito da estrutura desenvolvida para suportar e alojar a rede de período

longo na medição de parâmetros físicos, como temperatura e índice de refracção do meio, foi feita

a caracterização da rede quando esta se encontrava livre ou fixa à estrutura desenvolvida. Neste

estudo foi usada a quarta ressonância de uma rede escrita em fibra Corning SMF-28 (período de

540 µm; fabricação com 40 disparos).

7.2.1 Efeito da Temperatura

Nesta secção é apresentado o estudo da influência da temperatura na estrutura, e consequentemente

na resposta da rede à variação da mesma. Este estudo foi efectuado com uma rede de período

longo escrita por arco eléctrico em fibra convencional, Corning SMF-28, quando colocada dentro e

fora da estrutura. Para tal, foram seguidos os procedimentos descritos na secção 6.3.2. A

temperatura foi alterada em incrementos de 5 graus no intervalo de temperaturas entre 25 e 100ºC,

ao ar.

Na figura 49, é visível a resposta da quarta ordem do modo ressonante da bainha da rede, quando

esta foi submetida a um aquecimento de 25 a 100º, ao ar, dentro e fora do sistema. Por observação

dos espectros apresentados, verifica-se que, para ambos, ocorre um desvio do comprimento de

onda ressonante para valores superiores. Verifica-se ainda a redução da profundidade do pico de

atenuação.

A figura 50 mostra a variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), na ressonância da

rede. Designando, para a fibra fixa com e sem a estrutura, (P1,P2)→(1565,1575)nm e

(P1,P2)→(1560,1578)nm, respectivamente.

71

1540 1550 1560 1570 1580 1590

-25

-20

-15

-10

-5

0 25 ºC 30 ºC 35 ºC 40 ºC 45 ºC 50 ºC 55 ºC 60 ºC 65 ºC 75 ºC 80 ºC 85 ºC 90 ºC 95 ºC 100 ºC

Tran

smis

são

(dB

)


1560 1564 1568 1572 1576 1580

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2 25ºC 30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC 65ºC 70ºC 75ºC 80ºC 85ºC 90ºC 95ºC 100ºC

Tran

smis

são

(dB

)


(a)

(b)

Figura 49 – Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning SMF-28 (a) fora e (b) fixa ao sistema desenvolvido, quando submetida a um aquecimento de 25 a

100ºC, ao ar.

72

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

Na estrutura Sem estrutura

Potê

ncia

Nor

mal

izad

a

∆T (ºC)

Figura 50 – Variação dos valores da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), na ressonância

da rede em função da variação da temperatura.

Por observação do gráfico apresentado na figura 50 verifica-se, em termos de potência óptica, uma

menor sensibilidade da rede de período longo quando colocada na estrutura desenvolvida. A

resposta espectral da rede, quando aí colocada, apresenta um declive de 0.007dB/ºC enquanto que

sem a estrutura é de 0.0042dB/ºC.

O gráfico apresentado na figura 51, mostra o desvio em comprimento de onda do modo de quarta

ordem da rede de período longo à variação da temperatura, quando colocada dentro e fora da

estrutura. Os pontos experimentais relativos à situação em que a rede não se encontra fixa à

estrutura têm uma dispersão considerável, provavelmente devido a alguma deficiência

experimental. De qualquer forma, resulta que a diferença de sensibilidade da rede nas duas

situações não será muito significativa, o que é indicativo da predominância do efeito termo-óptico

da rede no valor obtido para a sua sensibilidade à temperatura.

Para melhor ilustração deste comportamento, na figura 52 é apresentado o desvio em comprimento

de onda da ressonância da rede, em função da variação da temperatura, quando a rede se encontra

na estrutura desenvolvida. No intervalo de temperaturas entre 25 e 70ºC a rede apresenta uma

declive de aproximadamente 0.034nm/ºC e para temperaturas superiores a 70ºC o declive é de

0.08nm/ºC.

73

20 30 40 50 60 70 80 90 1001567

1568

1569

1570

1571

1572

Na estrutura Sem estrutura

Com

prim

ento

de

onda

(dB

)

Temperatura (ºC)

Figura 51 - Posição espectral da ressonância, em função da variação da temperatura, quando a rede

de período longo se encontra fora e dentro da estrutura.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

1

2

3

4

Na estrutura

∆λ

(nm

)

∆T (ºC)

Figura 52 – Desvio em comprimento de onda em função da variação da temperatura quando a rede

de período longo se encontra na estrutura desenvolvida.

De forma similar ao realizado na secção 7.1, rede de período longo utilizada no estudo anterior foi

submetida a um ataque químico com solução de HF. Como referido anteriormente, a redução no

diâmetro da bainha reduz o seu número de modos, alterando assim o índice efectivo. O resultado é

o deslocamento do comprimento de onda central das bandas de atenuação para valores superiores.

A imagem obtida com o microscópio óptico para a medição do diâmetro da fibra após ter sido

atacada com o HF é apresentada na figura 53. O resultante final é aproximadamente 124±0.1 µm.

74

Figura 53 – Imagem obtida por microscopia óptica para medição do diâmetro da rede de período

longo após ter sido sujeita ao ataque químico.

No gráfico da figura 54 é exposta a resposta da rede (modo de quarta ordem) sujeita ao ataque

químico, quando colocada dentro e fora da estrutura.

1560 1565 1570 1575 1580 1585 1590 1595 1600-30

-27

-24

-21

-18

-15

-12

-9

-6 25ºC 30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC 65ºC 70ºC 75ºC 80ºC 85ºC 90ºC 95ºC 100ºC

Tran

smis

são

(dB

)


(a)

(b)

1555 1560 1565 1570 1575 1580 1585 1590 1595 1600

-18

-15

-12

-9

-6

-3

0 25ºC 30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC 65ºC 70ºC 75ºC 80ºC 85ºC 90ºC 95ºC 100ºC

Tran

smis

são

(dB

)


Figura 54 – Variação do pico de atenuação do espectro de transmissão da rede de períod

o longo (Λ= 649 µm) corroída, quando sujeita a um aquecimento de 25 a 100ºC, ao ar. Em (a) a rede não está

fixa à estrutura, o que acontece em (b).

75

Na figura 55 é feita a comparação dos resultados relativos à variação da posição do pico de

atenuação, centrado em 1576 nm, do espectro de transmissão para a rede de período longo sujeita

ao ataque químico.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0

1

2

3

4

5

Fora da estruturaNa estrutura

∆

λ (n

m)

∆Τ (ºC)

Figura 55 - Variação da posição espectral do pico de atenuação para a rede de período longo na

situação descrita na figura 56.

Para o aquecimento de 25 a 100ºC, o declive obtido para a rede quando colocada na estrutura foi

de 0.06nm/ºC.

A variação da potência óptica exibida pelo pico de atenuação, centrado em 1576 nm, quando a

rede é submetida a um aquecimento, é apresentada na figura 56. Por observação do gráfico

constata-se que a rede possui um comportamento idêntico quando colocada dentro e fora da

estrutura. Isto deve-se ao facto de ser a sensibilidade intrínseca da rede que domina a resposta à

temperatura.

A rede quando colocada na estrutura apresenta um declive de 0.0055dB/ºC e sem a estrutura

0.0065dB/ºC. Nesta última situação (sem estrutura), o declive que se obtém para a rede não

corroída sem a estrutura é de 0.0042dB/ºC.

76

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

Fora da estrutura NA estrutura

Potê

ncia

Nor

mal

izad

a

∆Τ (ºC)

Figura 56 - Variação da potência óptica normalizada, (P1-P2)/(P1+P2), para a rede de período

longo na situação descrita na figura 56.

77

7.2.2 Medição do índice de refracção

Nesta secção é feita a caracterização de uma rede de período longo relativamente à variação do

índice de refracção do meio externo, utilizando a estrutura desenvolvida. De forma análoga ao

realizado na secção 7.1.1, a medição do índice de refracção do meio externo utilizando uma rede

de período longo foi conseguida através da sua calibração com diferentes soluções de índices de

refracção conhecidos. As soluções usadas consistem numa mistura de água com diferentes

concentrações de etileno glicol. Este estudo foi realizado para o intervalo de índice de refracção

entre 1.344 e 1.430.

A resposta do modo ressonante da bainha de quarta ordem à variação do índice de refracção

externo no intervalo citado é exposta na figura 57.

1550 1560 1570 1580 1590 1600-35

-30

-25

-20

-15

-10

Ar água 20% 40% 60% 80% Puro

Tran

smis

são

(dB

)


(a)

1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600-16

-12

-8

-4

0

4

Ar Água 20% 40% 60% 80% Puro

Tran

smis

são

(dB

)


(b)

Figura 57 - Resposta espectral em transmissão da rede de período longo escrita em fibra Corning SMF28 (a) sem e (b) com a estrutura.

78

Por observação dos gráficos, verifica-se que com o aumento do índice de refracção do meio

externo o espectro desloca-se para comprimentos de onda mais curtos. Como referido

anteriormente, este facto pode ser compreendido devido ao aumento do índice de refracção

efectivo do modo da bainha que, de acordo com a condição de ressonância, origina comprimentos

de onda ressonantes inferiores.

A figura 58 indica as variações do comprimento de onda central da banda de ressonância de quarta

ordem da rede escrita em fibra convencional para as diferentes soluções, quando a rede é colocada

dentro e fora da estrutura.

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45-10

-8

-6

-4

-2

0

Na estrutura Fora da estrutura

∆λ (n

m)

Indice de refracção

Figura 58 – Desvio em comprimento de onda da LPG à variação do índice de refracção do meio

externo, quando colocada dentro e fora da estrutura.

Através da figura 58, observa-se que a resposta da rede à variação de índice de refracção nas

diferentes situações é consistente. À medida que o índice de refracção se aproxima do valor de

índice da bainha ocorre um desvio do comprimento de onda ressonante para valores inferiores. A

sensibilidade da rede aumenta com o aumento do índice de refracção. No intervalo de índice de

refracção entre 1.344 e 1.43 a rede, quando fixa, com e sem estrutura apresenta uma sensibilidade

de aproximadamente -67nm/UIR e de -57nm/UIR, respectivamente. A rede de período longo

escrita em fibra Corning SMF-28 sem o ataque químico e sem estar incorporada na estrutura

apresentou um declive de -14.4 nm/UIR.

Verifica-se, para a rede em estudo, uma sensibilidade muito superior à obtida para a rede corroída

referida na secção 7.1.1 (declive de -46.9nm/UIR). Isto pode dever-se ao facto de, para além de a

79

rede em estudo também ter sido sujeita a um ataque químico, foi também utilizado o quarto modo

da rede (situado em comprimentos de onda superiores).

7.2.3 Variação de concentração salina

Nesta secção é feita uma análise da sensibilidade da LPG escrita em fibra Corning SMF-28 (Λ

=540 µm e 40 disparos) após sujeita ao processo de ataque químico e quando exposta a variações

na concentração de sal no meio que a envolve. Este teste foi também realizado com o protótipo

desenvolvido, obtendo-se resultados similares.

Os espectros de transmissão foram obtidos à temperatura ambiente quando a rede se encontrava

imersa em soluções com diferentes concentrações de sal dissolvido em água. A figura 59 mostra a

resposta observada para a quarta ressonância da rede quando esta é sujeita a um aumento de

concentração salina. O espectro inicial da rede exposta ao ar é utilizado como referência.

1560 1570 1580 1590

-32

-30

-28

-26

-24

-22

-20

ar 0 % Nacl 10% Nacl 19% Nacl

Tran

smis

são(

dB)


Figura 59 – Resposta observada para a quarta ressonância da rede com o aumento da concentração

de sal no meio que a envolve.

Por observação do gráfico apresentado, verifica-se o deslocamento do pico ressonante para

comprimentos de onda mais curtos. Este comportamento deve-se ao facto de, com o aumento da

concentração de sal, ocorrer um aumento do índice de refracção. A rede exibe um desvio total de

2nm quando a concentração de sal no meio envolvente variou de 0 a 19%.

80

A figura 60 mostra o desvio, em comprimento de onda, correspondente à variação de concentração

de sal no meio que envolve a rede. O declive apresentado é de -0.0995nm/%Sal.

Variações inferiores a 0.07dB foram observadas no pico de atenuação quando a LPG foi imersa

nas soluções com diferentes concentrações de sal.

0 5 10 15 20-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

∆λ (n

m)

Concentração de sal (%)

Figura 60 – Desvio no comprimento de onda ressonante da LPG para soluções com diferentes

concentrações de sal.

81

7.2.4 Selecção das membranas

A selecção das membranas apresentadas na secção 6.3.3, foi feita através da análise das mesmas

após permanecerem imersas nas águas da Ria de Aveiro durante o período de um mês. Na figura

61, pode observar-se o estado apresentado pelas membranas em estudo após o período referido em

condições reais.

(a)

(b) (c)

Figura 61 – Estado da membrana (a) de Nylon (100µm) (b) de Nylon (53µm) (c) fibra de vidro, após imersa nas águas da Ria, durante o período de um mês.

82

Constatou-se que a fibra de vidro não suportou as condições do meio em questão, podendo assim

concluir que não é adequada para a aplicação em causa. É ainda possível verificar que para o

mesmo período de tempo, a membrana de nylon de poros com dimensão de 53µm apresenta maior

acumulação de impurezas em comparação com a membrana de nylon de poros com a dimensão de

100µm, como seria de esperar.

Para averiguar o estado de colmatação das membranas, estas foram analisadas por microscopia

óptica, conforme se mostra na figura 62.

(a)

(b) Figura 62 – Imagem obtida por microscopia óptica da membrana de (a) Nylon (100µm) (b) Nylon

(53µm), após imersa nas águas da Ria, durante o período de um mês.

83

Com base nesta análise, concluiu-se que a membrana de nylon com poros de dimensão 100 µm se

encontrava totalmente saturada, enquanto que a membrana de 53 µm ainda possuía alguns poros

abertos. No entanto, devido ao estado apresentado por esta, verifica-se que a substituição terá que

ser feita num período inferior a um mês.

A membrana nylon de poros com dimensão de 53 µm colocada no interior do suporte também se

encontrava relativamente limpa.

De acordo com os resultados apresentados podemos concluir que para a aplicação em questão a

fibra de nylon de poros com dimensão de 53 µm é a que melhor preenche os requisitos necessários.

No entanto, a sua substituição terá que ser feita em períodos relativamente curtos.

De forma sumária, este trabalho incidiu no estudo do comportamento das redes de período longo

quando exposta a variações de parâmetros externos, como temperatura e índice de refracção.

Verificou-se que o aumento da resposta da rede de período longo à variação do índice de refracção

do meio externo pode ser obtido utilizando modos de ordem superior, por redução do diâmetro da

rede pelo processo de ataque químico ou utilizando redes especiais (LPG π-Shifted).

Pela análise dos resultados apresentados, verifica-se que a utilização de redes de período longo

incorporadas na estrutura desenvolvida tem um elevado potencial para ser aplicado como sistema

sensor na monitorização in situ de parâmetros ambientais.

No capítulo seguinte, são expostas as principais conclusões bem como as perspectivas futuras.

84

8 Conclusões e Perspectivas futuras

8.1 Conclusões

A preservação de espécies existentes em estuários e ambientes costeiros é conseguida através da

monitorização constante da qualidade da água, em particular de parâmetros como, a temperatura e

o índice de refracção. O grau de salinidade pode ser obtido através da determinação precisa deste

último parâmetro por meio de uma relação empírica. A utilização da tecnologia da fibra óptica na

monitorização de parâmetros ambientais apresenta vantagens, como elevada sensibilidade,

medição remota e capacidade de multiplexagem. Em particular, as redes de período longo são

dispositivos cuja resposta espectral é extremamente sensível ao meio envolvente, em particular ao

seu índice de refracção.

Com este trabalho pretendeu-se validar a aplicação de redes de período longo na monitorização,

em situações reais, de parâmetros ambientais, tais como temperatura, índice de refracção e

salinidade.

Foi estudada a sensibilidade de redes de período longo a variações de temperatura e de índice de

refracção no meio envolvente. Neste âmbito, foram usadas redes escritas em fibra com núcleo de

sílica pura (Oxford Electrónics, SMPS 1300-125 P) e em fibra padrão (Corning SMF-28). Para

ambos os casos, é exposta a variação em potência óptica e o desvio em comprimento de onda na

ressonância, ocorrido devido à alteração das grandezas físicas envolvidas durante o ensaio.

A extrema sensibilidade das LPGs a alterações no índice de refracção do meio externo deve-se ao

facto do índice de refracção efectivo dos modos da bainha ser dependente do meio envolvente. A

fibra com núcleo de sílica pura tem a bainha com índice de refracção inferior (utilizando-se, por

exemplo, dopagem da silica com flúor), o que a torna mais sensível do que as fibras convencionais

(Corning SMF-28) à variação de índice de refracção do meio externo. Em contrapartida, a sua

85

sensibilidade térmica é inferior à da fibra padrão, o que é novamente um factor positivo pois

diminui o efeito da sensibilidade cruzada da temperatura.

O aumento da sensibilidade na resposta da rede a variações de índice de refracção pode também

ser obtido por redução do diâmetro da bainha da fibra. Para tal, foi realizado o processo de ataque

químico na zona da rede fabricada em fibra padrão. Como resultado, a rede obteve uma

sensibilidade ao índice de refracção muito idêntica à exibida pela rede impressa na fibra de sílica

pura.

Em paralelo, foi ainda desenvolvido um protótipo para suportar e alojar o elemento sensor, para

que este possa ser aplicado em ambiente real (Ria de Aveiro). O sistema proposto neste trabalho

possui um sistema de filtração de materiais orgânicos. Este é conseguido através do processo de

separação por membranas. O sistema desenvolvido é de fácil implementação e permite a

substituição do filtro sem intervir com o restante processo.

A estrutura desenvolvida foi testada em laboratório, de forma a analisar a sua influência na

aquisição de parâmetros como o índice de refracção e a temperatura. Os resultados obtidos indicam

que esta estrutura tem um desempenho satisfatório.

8.2 Perspectivas futuras

No futuro próximo pretende-se testar a estrutura desenvolvida para utilização na Ria de Aveiro, em

particular efectuar testes com vista a analisar o comportamento da estrutura ao longo do tempo e a

sua resposta quando colocada em condições reais.

Pretende-se ainda a realização de testes na situação operacional em que é colocada na estrutura

uma rede de período longo para a determinação da variação do índice de refracção do meio

envolvente, e uma rede de Bragg para medição da temperatura, sendo que a estrutura foi

projectada de forma a permitir a incorporação de ambas as redes.

Num outro nível, é também objectivo investigar a utilização de redes de período longo na

monitorização de lagos solares. Nestes meios, as redes de período longo possuem vantagens

comparativas interessantes, nomeadamente elevada sensibilidade a variações de índice, não 86

deterioração quando colocadas em meios salinos e não interacção com a dinâmica criada num lago

solar.

As técnicas comuns de fabrico de redes de período longo baseiam-se na exposição da fibra a

padrões de radiação UV e a descargas por arco-eléctrico. São técnicas efectivas, com desempenho

estabelecido, e que possibilitam o fabrico flexível destas redes. No entanto, a existência de outras

técnicas de fabrico permite explorar a possibilidade de fabricação de novas redes com

características particulares. Uma dessas técnicas baseia-se na utilização de um laser de CO2,

existindo infraestrutura laboratorial para a sua implementação. Assim, pretende-se no futuro

próximo explorar esta técnica de fabrico de redes de período longo, na continuidade de trabalho

preliminar já realizado e que se encontra descrito no Anexo C.

87

Anexos

89

Anexo A

A. Protótipo de encapsulamento

Apesar da simplicidade de manutenção ser um dos pressupostos inerentes ao projecto do protótipo

de encapsulamento, existe um conjunto de cuidados básicos que devem ser seguidos para o óptimo

desempenho do protótipo desenvolvido. O conhecimento das suas particularidades é um

pressuposto primordial para o adequado manuseamento em campo. Nesta secção, pretende-se

assim, fornecer informações específicas do dispositivo e os procedimentos apropriados para o bom

desempenho do mesmo. Para facilitar as operações consideradas, na tabela 2 são identificados os

componentes que compõem o protótipo desenvolvido neste trabalho.

91

Tabela 2 – Identificação dos componentes que compõem o protótipo desenvolvido.

Peça Designação Figura Quantidade Material

1 Cilindro

(suporte da fibra)

1

Alumínio

2 Embolo

1

Nylon

3 Tampa

2

Nylon

4

Semi-bloqueador do

cabo óptico

2

Nylon

5 Anel roscado

2

Alumínio

6

Mola (regulador de tensão

na fibra) 1

Inox

7 Semi-bloqueador

da Fibra óptica

1

Nylon

De seguida, são descritos os cuidados específicos que devem ser tomados tanto nas de operações

de montagem/desmontagem do equipamento como na substituição do filtro e limpeza do

instrumento.

92

Procedimentos de montagem

Proceder à montagem da estrutura segundo as instruções (esquema de montagem);

1– Para a utilização do protótipo em campo, é necessário que a fibra esteja envolvida num cabo, deixando-a exposta cerca de 17,6 cm a 18,0 cm na zona da rede (LPG).

2– Introduzir a tampa do cilindro (2) até à zona da rede. Bloquear o cabo óptico, na tampa (topo 1), através de dois calços cónicos a comprimirem as fibras mecânicas.

3 – Inserir um calço cónico na sede cónica, ajustar o cabo óptico e bloquear com o 2º calço cónico.

4 – Fixar os calços cónicos (4) com a porca da extremidade do tubo flexível. É importante verificar se a fibra está bem fixa entre os calços.

93

5 – Colocar a mola e bloquear o êmbolo, com os calços cónicos que tem a borracha na superfície de aperto, usando a porca de ¾”para bloquear, garantindo que a mola fica em compressão com um comprimento

6 – Verificar se a rede LPG se encontra bem fixa em ambos os topos e se a mola está a exercer tensão sob a rede LPG.

7 – Inserir o conjunto no cilindro. Fixar os calços cónicos do topo 2 com a porca de ¾” da extremidade do tubo flexível.

8 – Introduzir a tampa e os calços cónicos na segunda extremidade do cilindro.

94

9 – Para evitar a torção da rede sensora colocar o anel roscado (porca com batente). De seguida fixar os calços cónicos com a porca de ¾” da extremidade do tubo flexível.

10 – Por último introduzir o tubo flexível.

Procedimentos de desmontagem

Proceder à desmontagem da estrutura seguindo as instruções apresentadas.

1 – Para iniciar a desmontagem do dispositivo é necessário retirar o tubo flexível.

95

2 – De seguida, de forma a evitar a torção da rede sensora deve ser retirada a porca de ¾” ante de remover o anel roscado.

3 – Retirar os calços cónicos. Repetir os procedimentos anteriores no outro extremo da estrutura.

4 – Cuidadosamente, retirar a composição interior da estrutura.

5 – Retirar a mola que bloqueia o êmbolo com os calços cónicos Retirar os calços cónicos e a tampa. Para finalizar, retirar a rede sensora do interior da mola.

96

O posicionamento relativo dos diversos acessórios do equipamento (elemento sensor, mola e

elementos de fixação) pode ter efeito significativo na qualidade dos dados adquiridos. Assim, os

procedimentos, devem ser seguidos com rigor, igualmente deve ser efectuada, periodicamente, a

substituição da membrana, de forma a repor a sua capacidade de filtração. Estes procedimentos são

discutidos de seguida.

Procedimentos de limpeza e substituição do filtro

A operação de limpeza e substituição do filtro, para um normal funcionamento do dispositivo,

deve ser alvo de alguns cuidados, nomeadamente:

1. Em relação à manipulação do instrumento antes do início das operações citadas, é importante

observar-se os seguintes aspectos:

Verificação do posicionamento do sensor em relação ao nível da água.

Verificação da inexistência de danos causados no instrumento e sensor.

Verificar do estado dos conectores.

2. Durante a operação de limpeza e substituição dos filtros, o elemento sensor (LPG) deverá ser

manuseado delicadamente, uma vez que com a remoção do revestimento a fibra fica frágil.

3. Lavar cuidadosamente o instrumento com água doce, especialmente os sensores (se estes

estiverem contaminados por óleo).

4. Após as operações de limpeza e substituição de filtros o processo de colocação do instrumento

na água deve ser realizado com atenção, para evitar que este fique imerso em lama.

97

Anexo B

B. Dimensionamento da mola

A figura 63 mostra uma mola helicoidal submetida a uma deformação compressiva y. Onde d

representa o diâmetro do arame e p o passo da hélice.

Figura 63- Mola helicoidal sujeita à compressão.

O alongamento (ou contracção) de uma mola é determinado pela deformação, por torção, de todas

as espiras activas da mola, Na. A deformação da mola com Na espiras sob a acção de uma força P é

dada por

GdNPD

y am

..8

4

3

= (1)

Sendo, G – Módulo de elasticidade do material

Dm – Diâmetro médio do enrolamento

99

A constante da mola helicoidal ou rigidez (κ), que traduz a quantidade de deformação de uma mola

(y) quando sujeita a uma carga P, pode ser determinada por,

am NDGd

yPk

.8.

3

4

== (2)

Sendo L0 o comprimento da mola livre, o passo da hélice (p) é dado por

10

+=

aNL

p (3)

Considerando as terminações da mola com espira fechada, o número total das espiras (Nt) é dado por,

2+= at NN (4)

100

Anexo C

C. Escrita de LPGs por radiação proveniente de um Laser de CO2

No seguimento do trabalho realizado nesta tese, decidiu-se desenvolver esta técnica. Neste anexo é

apresentado o trabalho preliminar entretanto desenvolvido.

Para proceder à escrita das redes foi feita uma análise da interacção da radiação do laser de CO2

com fibra monomodo padrão (Corning SMF-28). Para tal, foi efectuada a montagem que se

encontra esquematizada na figura 64. Como fonte de radiação utilizou-se um laser de CO2

SYNRAD (10.6 µm de comprimento de onda) com uma potência máxima de saída de 28 W,

auxiliado por um controlador SYNRAD UC-2000. Para focar o feixe foi utilizada uma lente

cilíndrica de seleneto de zinco com uma distância focal de 25 cm. A sua geometria permite obter

um feixe em forma de linha, garantindo assim que a radiação abranja toda a secção da fibra. Os

impulsos foram modelados através de um gerador de impulsos Phillips PM 5705, com visualização

num oscilóscopio Tektronix TDS 220.

Controlador


Laser CO2 Gerador de

impulsos

Osciloscópio

Controlador da plataforma

Figura 64– Esquema da montagem para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação proveniente de um laser de CO2.

101

O processo inicia-se com a remoção mecânica do revestimento que envolve a fibra óptica

fotossensível. A fibra óptica é então fixa nas suas extremidades a um suporte colocado sobre uma

plataforma motorizada. Na figura 65, é visível o suporte no qual a fibra é fixa e o seu

posicionamento na montagem.

b) a)

Figura 65– (a) Suporte para fixação da fibra e (b) Sistema experimental usado para escrita de LPGs por exposição da fibra óptica à radiação de laser CO2.

Após a exposição da fibra à radiação, um controlador (SMC 310 M) provoca na plataforma um

deslocamento de valor igual ao do período Λ da rede e o processo é repetido. A densidade de

energia incidente na fibra óptica foi alterada através de variações sistemáticas da potência de

emissão do laser, alterando a energia por impulso. A análise foi feita por microscopia óptica,

através da qual foram identificados e tabelados os fenómenos ocorridos (ver tabela 3).

Através das imagens apresentadas nas figuras 66 a 68 é possível verificar exemplos de fenómenos

identificados. A figura 64 mostra o efeito de remoção da bainha, com afectação do núcleo da fibra

óptica. Este resultado indicia que a potência aplicada (ou o tempo de interacção) foi relativamente

elevada face ao pretendido. Na figura 65 observa-se o efeito resultante da diminuição da potência

(ou tempo de interacção): ocorre apenas a remoção parcial da bainha.

102

Figura 66 – Remoção total da bainha e afectação do núcleo da fibra óptica.

Figura 67– Remoção parcial da bainha.

A selecção apropriada dos valores da potência aplicada e do tempo de interacção permite obter o

efeito observado na figura 68. Neste caso, não ocorre a remoção de material, apenas uma alteração

estrutural da fibra.

Após a identificação dos fenómenos ocorridos durante a exposição à radiação proveniente do laser,

foram seleccionados parâmetros que possivelmente permitirão a optimização do processo (período

de 500 µm e 50 disparos). Nestas condições irá iniciar-se brevemente a fase de fabricação das

redes, com a devida aferição do processo. Numa fase posterior pretende-se caracterizar as redes

fabricadas e comparar as suas propriedades com as obtidas para o caso de redes de período longo

fabricadas por exposição UV e por arco eléctrico.

103

Figura 68– Alteração da fibra sem remoção de material.

Tabela 3 – Identificação dos fenómenos observados por microscopia óptica para as diferentes potências.

τ [ms] P# (%) P [W]

50 40 30 20 10 2 0.61 F2 F1 F1 F1 F1 4 1.12 F2 F2 F1 F1 F1 6 1.91 F2 F2 F1 F1 F1 8 2.72 F2 F2 F2 F1 F1

10 3.85 F2 F2 F2 F1 F1 12 4.79 F2 F2 F2 F1 F2 14 5.83 F2 F2 F2 F2 F2 16 6.72 F2 F2 F2 F2 F2 18 7.27 F2 F2 F2 F2 F2 20 8.02 F3 F2 F2 F2 F2 22 8.9 F3 F3 F2 F2 F2 24 9.32 F3 F3 F2 F2 F2 26 10.1 F3 F3 F2 F2 F2 28 10.8 F4 F3 F2 F2 F2 30 11.2 F4 F3 F2 F2 F2 32 12.3 F4 F3 F2 F2 F2 34 12.6 F4 F3 F2 F2 F2 36 13.2 F4 F3 F2 F2 F2 38 13.8 F4 F3 F2 F2 F2 40 14.2 F4 F3 F2 F2 F2

104

F1- Efeito não visível

F2- Alteração da fibra sem remoção de material

F3- Remoção parcial da bainha

F4- Remoção total da bainha e afectação do núcleo da fibra óptica

105

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