Otimização da sensibilidade à pressão de fibras de bandgap fotônico

Abstract

This work deals with the study of the sensitivity to pressure and temperature of photonic crystal fibers aiming at applications in distributed sensing. Although PCFs allow for distributed measurement, just as conventional fibers do, this type of measurement has been little exploited, especially for pressure sensing and using all-solid fibers with guidance via a photonic bandgap (AS-PBGFs). The aim of this work is to propose, by means of mechanical/optical coupled numerical simulations, a new design for an AS-PBGF whose transmission and birefringence are sensitive to pressure variations. A conventional AS-PBGF was analyzed, showing low transmission sensitivity to pressure (~2.7 x 10-4 dB/(bar.m)) and no phase birefringence. So we proposed a modified AS-PBGF, with the inclusion of four air holes around the core, and the second and third bandgaps of this fiber were studied. At the center of the second bandgap (λ = 1.53 μm) transmission presented, for the x and y polarizations, the same behavior when submitted to ambient temperature variations; and opposite behavior when submitted to pressure variations, making it possible to distinguish betweeen the impact of these two quantities. On the other hand, the center of the third bandgap (λ = 0.93 μm) showed appreciable birefringence sensitivity to pressure (- 3.05 x 10-7 1/bar at 200 bar), which is higher than that presented in the literature (- 1,346x10-7 1/bar). At this spectral position, the low birefringence sensitivity to temperature (- 5.02 x 10-8 1/°C at 100 bar) compared with values found in the literature (- 1.362 x 10- 7 1/K), makes it possible to neglect temperature oscillations, which induce relatively small errors in the monitored pressure (induced error of ~10 bar for a temperature variation of 50 ° C).

Esta dissertação trata do estudo da sensibilidade à pressão e à temperatura de fibras de cristal fotônico (em inglês, Photonic Crystal Fibers – PCFs) visando aplicação em sensoriamento distribuído. Apesar de as PCFs viabilizarem a medição distribuída, como as fibras convencionais, este tipo de medição ainda foi pouco explorada, especialmente para o sensoriamento de pressão e utilizando fibras totalmente sólidas com guiamento por bandgap fotônico (em inglês, All Solid Photonic Bandgap Fibers – AS-PBGFs). Este trabalho consiste em propor um novo design de uma AS-PBGF com transmissão e birrefringência sensíveis à variações de pressão por meio de simulações numéricas mecânicas e ópticas acopladas. Uma AS-PBGF convencional foi analisada, apresentando baixa sensibilidade da transmissão à pressão (~ 2,7 x 10-4 dB/(bar.m)) e ausência de birrefringência de fase. Então foi proposta uma AS-PBGF modificada com a inclusão de 4 furos de ar ao redor do núcleo, e foram estudados o segundo e o terceiro bandgap desta fibra. Para o centro do segundo bandgap (λ= 1,53 μm), a transmissão apresentou, para as polarizações x e y, o mesmo comportamento mediante variações de temperatura ambiente; e comportamento inverso mediante variações de pressão, tornando possível distinguir medições destas duas grandezas. Já o centro do terceiro bandgap (λ= 0,93 μm), apresentou apreciável sensibilidade da birrefringência à pressão (- 3,05 x 10-7 (bar)-1, em 200 bar), sendo superior a resultados já existentes na literatura (-1,346 x 10−7 (bar) - 1). Neste ponto, a baixa sensibilidade da birrefringência à temperatura (- 5,02 x 10-8 (ºC)-1, em 100 bar) em relação a valores já registrados na literatura (- 1,362 x 10- 7 (K)-1), torna possível desprezarem-se oscilações de temperatura induzindo erros relativamente pequenos no monitoramento da pressão (erro induzido de ~ ± 10 bar para uma variação de temperatura de ±50 ºC).