Caracterização da sensibilidade de fibras de cristal fotônico à pressão e temperatura para aplicações em sensoriamento

Abstract

Nessa dissertação são avaliadas as propriedades de transmissão em fibras de cristal fotônico sob influência da pressão e da temperatura visando aplicações em sensoriamento. Antes é feita uma revisão da propagação da luz em fibras ópticas convencionais e os efeitos da pressão e temperatura sobre o índice de refração da sílica. Também são estudados os cristais fotônicos em 1 e 2 dimensões. Em seguida são estudadas as fibras microestruturadas e de cristal fotônico e são mostradas suas propriedades de guiamento e aplicações gerais. Em seguida é mostrada uma revisão sobre sensores de temperatura e pressão utilizando fibras convencionais, redes de Bragg e fibras de cristal fotônico. Finalmente são mostrados e discutidos os resultados dos experimentos com pressão em uma fibra de cristal fotônico de núcleo oco, para a qual foram identificados, caracterizados e reportados pela primeira vez bandgaps de ordem superior localizados na região visível do espectro, que são sensíveis à pressão. Aplicando-se pressão hidrostática na parte externa da fibra obteve-se variação de alguns dB na transmissão óptica para pressões de centenas de kgf/cm², enquanto que quando a pressão era aplicada no interior dos buracos da fibra obteve-se variação semelhante para unidades de kgf/cm². Também foi analisada a resposta da polarização da luz guiada, e portanto da birrefringência da fibra, à pressão interna. Em outra parte do trabalho experimental foi caracterizada a resposta à temperatura do deslocamento espectral dos bandgaps em fibras de bandgap fotônico. Foram caracterizadas as respostas de uma fibra de núcleo oco, uma fibra híbrida e uma fibra totalmente sólida com deslocamentos de até 36 pm/°C para fibras esticadas. Para a fibra totalmente sólida foi também caracterizada a influência da curvatura da fibra sobre os bandgaps e como o deslocamento devido à temperatura é afetado nessas condições. Para uma fibra esticada é apresentado um modelo para o cálculo aproximado do deslocamento dos bandgaps em função da temperatura obtendo-se resultados satisfatórios com o experimento. Na ultima parte do trabalho são apresentadas as conclusões finais.

In this dissertation the transmission properties of photonic crystal fibers are assessed under the influence of pressure and temperature for sensing applications. A review is given of the light propagation in conventional optical fibers and the effects of pressure and temperature on the refractive index of silica are studied. Photonic crystals in 1 and 2 dimensions are also studied. Then, microstructured fibers and photonic crystal fibers are addressed and their guidance properties and general applications are shown. A review is made of temperature and pressure sensors based on conventional fibers, Bragg gratings and microstructured and photonic crystal fibers described in the literature. Finally, results are shown and discussed of the experiments with the application of pressure on a hollow-core photonic crystal fiber, for which high-order bandgaps, in the visible spectral region, were identified and characterized for the first time. These bandgaps are shown to be pressure sensitive. Applying external hydrostatic pressure over the fiber, optical transmission variations of a few dB were observed for pressures of hundreds of kgf/cm², while when the fiber holes were internally pressurized a similar variation was achieved for units of kgf/cm². The response of light polarization, and hence of the fiber birefringence, to internal pressure was also analyzed.. In the other part of the experimental work, the temperature-induced bandgap spectral shift of photonic bandgap fibers was characterized. The response of a hollow-core fiber, a hybrid fiber and an all-solid fiber was characterized with bandgap shifts of up to 36 pm/°C in straight fibers. For the all-solid fiber the influence of bending over the bandgaps was characterized, as well as temperature-induced bandgaps shifts under these conditions. For a straight fiber, a simple model for the bandgap shift calculation is presented and showed good agreement with the experimental results. Closing the work, the conclusions are presented.