TE-286 Sensores IIMódulo: Sensores Fotônicos
Aula 01 – 28 MAR 2018
SENSORES FOTÔNICOS:
• Sensores a Fibra Óptica
• Giroscópio a Fibra Óptica
• Acelerômetros Optomecânicos
• Sensores Ópticos Integrados
Miscellanea E-mail Prof. Vilson: [email protected]
Aulas serão disponibilizadas em arquivo eletrônico http://www.ief.ita.br/~vilsonra/
Apresentação pessoal dos alunos: Billy Edy Mendes, Cap Av, ME Walter Ferreira da Silva Junior, ME Milton dos Santos, AE-ME Andréa de Oliveira Gomes, AE-ME Felipe Ramon de Carvalho, AE-ME
Sensores a Fibra Óptica
MENSURANDOS:
Deformação/vibração (stress)
Pressão
Rotação (giroscópios/girômetros)
Aceleração (acelerômetros)
Temperatura
Líquidos/gases/pH
Identificação de substâncias químicas
etc.
Sensores a Fibra Óptica
DISPOSITIVOS SENSORES:
A própria fibra óptica
Grades de Bragg (Fiber Bragg Gratings)
Fibras torcidas (Twisted Fibers; Chiral
Fiber Gratings)
etc.
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
FIGURE 1.9 Some applications of optical fiber sensors in industry
Sensores a Fibra Óptica
Hidrofones
Fiber-top Cantilever
Girômetro a fibra óptica
Sensores a Fibra Óptica
In-line Polarizers
Acelerômetro
Fibersensing/GaveaSensors
Projeto FINEP-IEAv:Acelerômetro Opto-Mecânico
... e muito mais!
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Sensores a Fibra Óptica
Coffee Break
Optical Communication, Eric A. Swanson, MIT Lincoln Laboratory
Fotônica - Resumo
Espectro Eletromagnético(http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum)
THz
Espectro Eletromagnético Fotônico: IR, Visible, UV e THz
Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Ch. 2, Wiley (2nd Ed. 2007)
• Óptica Geométrica• Óptica Ondulatória• Óptica Eletromagnética• Óptica Quântica
Fotônica - Resumo
Óptica Eletromagnética - Equações de Maxwell
J = E
Fonte: Wikipedia
Fotônica - Resumo
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Onda plana em meio dielétrico(homogêneo e isotrópico)
Óptica Eletromagnética - Equações de Maxwell – Equação de Onda
Fotônica - Resumo
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Onda Plana em Meio Dielétrico
Vetor dePoynting
Índice deRefração
Escolhendo-se este caso...
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Óptica Eletromagnética - Equações de Maxwell
Fotônica - Resumo
Condições de contorno para interfaces dielétricas
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Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 6, Wiley (2007)
E
Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 8, Wiley (2007) Wikipedia
Guia de Onda Slab Simétrico
Fonte: ELEMENTS OF PHOTONICS, Volume II, Iizuka, Capítulo 9, Wiley (2002)
d/2
Slab Canal Fibra Óptica Fibra Óptica Comercial
Guias de Onda DielétricosFotônica - Resumo
d/2
Geometrias:
Materiais:
Guias de Onda Dielétricos
Fonte: Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, Capítulo 8, Wiley (2007)
Fotônica - Resumo
Fonte: ELEMENTS OF PHOTONICS, Volume II, Iizuka, Capítulo 10, Wiley (2002)
Guias de Onda Dielétricos
Fotônica - Resumo
Fibras Ópticas Histórico
http://www.i-fiberoptics.comhttp://www.fiber-optics.info
1970: CORNING Inc. (www.corning.com)
Fibra Óptica de “baixas perdas” (10 dB/km)
1870: Experimento de
John Tyndall
1966: “Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequencies,” C. K. Kao and
G. A. Hockham, IEE Proc. of Optoelectronics (London) 113(7), 1151–1158.
Fibras Ópticas Histórico
Fiber Optic Communication Systems, Govind P. Agrawal, 3rd Edition
DEMANDA TECNOLÓGICABL: (bit rate)(distance)
Lightwave Systems: Sistemas usando fibras ópticas
WDM: Wavelength-Division Multiplexing
(vários comprimentos de ondaguiados em uma mesma fibra)
Fibras Ópticas Fabricação
Optical Fiber Theory for Communications Network, 2nd Edition, ERICSSON
Método mais utilizado:Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)
DEPOSIÇÃO (4 a 8 h)
COLAPSO DA PREFORMA
Fibras Ópticas Fabricação OUTROS MÉTODOS DE DEPOSIÇÃO
Outside Vapor Deposition (OVD)
Vapor-Phase Axial Deposition (VAD)
Optical Fiber Theory for Communications Network,2nd Edition, ERICSSON
PUXAMENTO DA FIBRA(600 a 1.500 m/min)
Fibras Ópticas Estrutura
Optical Fiber Theory for Communications Network, 2nd Edition, ERICSSON
http://www.tyndall.ie/learning/flash/fibre_parts.html
A Fibra Óptica tem dimensões comparáveis às de um fio-de-cabelo humano.
Fibras Ópticas Tipos
Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Interscience, 2002.
Fibras Ópticas Mantenedoras de Polarização (PM)
Fibra Polarizadora - CORNING
Corning®
Fibra Polarizadora - CORNING
Corning®
FS-PZ-1310
Fibra Polarizadora - CORNING
Corning®
FS-PZ-1550
Fibra a Cristal Fotônico - UNICAMP
Optical Fiber Theory for Communications Network2nd Edition, ERICSSON
Fibras Ópticas Mecanismos de Perdas
http://www.fiber-optics.info
Fibras Ópticas Mecanismos de Perdas
Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Interscience, 2002.
Picos de Absorçãodo composto OH
Si-O bond (vibrational)
Fibras Ópticas Efeitos da Radiação
Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Interscience, 2002.
Fibras Ópticas Óptica Geométrica
Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Intersc., 2002.
Fundamentals of Photonics, Saleh & Teich, 1991.
21
122
21
01
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/sin :Angle Acceptance
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nnnnNA
nNAa
A Óptica Geométrica representaapropriadamente o comportamento dapropagação em fibras ópticas denúcleo largo (fibras multimodo).
A Abertura Numérica (NA) é umparâmetro adequado para acomparação de fibras multimodo, masnem tanto para fibras monomodo.
n0
Fibras Ópticas Óptica EletromagnéticaModos Linearmente Polarizados (LP)
Os modos reais de uma fibra óptica, sob a (aproximação)condição de modos fracamente guiados, e em grupos de 2 ou 3,tornam-se degenerados, ou seja, apresentam a mesma equaçãocaracterística e, portanto, a mesma constante de propagação (β).
A superposição ponderada desses modos degenerados dáorigem aos modos Linearmente Polarizados (LP), que apresentamcampo elétrico transversal (perpendicular à direção de propagação)alinhado com um eixo meridional da fibra óptica.
Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Intersc., 2002.
Fibras Ópticas Modos LP
Fundamentals of Optical Waveguides, K. Okamoto, Acad. Press (2000)
Understanding Optical Communications, Harry J. R. Dutton, IBM
Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Intersc., 2002.
uKa e wa
HE21-TM01
Fibras Ópticas Modos LP
Ez 0
Simetria Par Simetria Ímpar
Troca-se:x por ycos() por sin()
Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Intersc., 2002.
Ey(r,) J1(Kr)sin()
# de máximos na direção radial
LP21LP22
LP01
LP03
Perfil dos Modos de Fibras Ópticas
Perfil dos Modos de Fibras Ópticas
Modo LP: Ex(r,) J (Kr) cos()
ModosFibras_Plots.xmcdModosFibras_Plots.xmcdModosFibras_Plots.xmcd
n1 1.462
n2 1.460
0 1.55 k02
0
a 25
Fibras Ópticas Curva de Dispersão
Elements of Photonics, K. Iizuka, Volume II, Wiley Intersc., 2002.
Modos (aproximação) LPm
Modos Reais
Fiber Optic Communication Systems, G. P. Agrawal, 3rd Edition
Fibras Ópticas Confinamento Óptico
Fundamentals of Optical Waveguides, K. Okamoto, 2nd Ed., Acad. Press (2006)
A parcela da potência óptica que fica confinada no núcleo da fibra óptica ( = Pcore/P) depende fortemente dos diversos parâmetros.
Curva truncada para fins de apresentação
gráfica. A curva decresce até o valor
nulo de Pcore/P
LP01: (1- V -2), se V 1.5
“Improved Bend Loss Formula Verified for Optical Fiber by Simulation and Experiment”, IEEE J. Quantum Electronics, v. 43, n. 10, pp.899-909 (2007).
Optical Power Loss Coefficient (2.): P(z) = P0e-2..z
Normalized Propagation Constant (bbent)
Fórmula simplificada – Marcuse (1976)
Fibra Óptica – Perdas por Curvatura
Fibra Monomodo(Corning SMF-28)
Fibra Multimodo (Liekki passive 25/240DC)
“Improved Bend Loss Formula Verified for Optical Fiber by Simulation and Experiment”, IEEE J. Quantum Electronics, v. 43, n. 10, pp.899-909 (2007).
Fórmula simplificada para o modo fundamental
Fibra Óptica – Perdas por Curvatura
Fibra Óptica como Sensor – Perdas por Curvatura
Fonte: Exame EC-241 (Dispositivos Especiais em Fibra Óptica) - aluno William dos Santos Fegadolli – 2007
Avisos Finais
Próximas Aulas:
Grade de Bragg em Fibra Óptica
Giroscópio a Fibras Ópticas
Acelerômetro Óptico-Mecânico (Optomecânico)