Redes em Fibras Óticas: Produção e Caracterização

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

RELATÓRIO FINAL DE ATIVIDADES

(AGOSTO/2012 A AGOSTO/2013)

Redes de Período Longo em Fibras Óticas: Produção e Caracterização

Narah Iuata Rank

Prof. Dr. José Luis Fabris

Modalidade: PIBIC/CNPq.

CAMPUS Curitiba, agosto de 2013.

2

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq pelo patrocínio desse projeto.

Ao professor José Luís Fabris e Márcia Muller pela orientação, e apoio na conclusão

dos trabalhos.

Ao professor Valmir de Oliveira pelo apoio e auxílio no manuseio dos equipamentos

laboratoriais.

Aos colegas de laboratório de Laser e Loop pelo auxílio prestado.

À UTFPR pela disposição de seus laboratórios e instalações que possibilitaram a

realização deste trabalho.

3

SUMÁRIO

RESUMO.........................................................................................................................................4

1 INTRODUÇÃO............................................................................................................................5

1.1 FIBRAS ÓTICAS..........................................................................................................5

1.2 MODOS DE PROPAGAÇÃO EM UMA FIBRA ÓTICA...........................................6

1.3 REDES EM FIBRAS ÓTICAS.....................................................................................6

1.3.1 REDES DE PERIODO LONGO.....................................................................7

1.3.2 REDES DE BRAGG.......................................................................................9

1.4 JUSTIFICATIVA.........................................................................................................10

1.6 OBJETIVOS...............................................................................................................10

2 MATERIAIS E MÉTODOS......................................................................................................10

2.1 PREPARAÇÃO DA FIBRA ÓTICA...........................................................................10

2.1.1 HIDROGENAÇÃO.......................................................................................11

2.2 PROCESSO DE GRAVAÇÃO DA REDE DE PERÍODO LONGO .........................11

2.3 PROCESSO DE LEITURA DAS REDES DE PERIODO LONGO...........................13

2.4 PROCESSO DE GRAVAÇÃO E LEITURA DAS REDES DE BRAGG..................15

3 RESULTADOS E DISCUSSÕES.............................................................................................16

3.1 REDE DE PERÍODO LONGO....................................................................................16

3.2 REDES DE BRAGG...................................................................................................19

3.3 ESTABILIZAÇÃO TÉRMICA....................................................................................21

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS.....................................................................................................28

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................29

4

RESUMO

As fibras óticas que contêm uma Rede de Período Longo (LPG - Long

Period Grating) ou uma Rede de Bragg (FBG - Fiber Bragg Grating), gravada em seu

núcleo são bastante sensíveis a determinados parâmetros físicos e químicos e vem

sendo, cada vez mais, utilizadas no estudo e desenvolvimento de sensores. São

capazes de detectar variações de temperaturas e de tração além de serem sensíveis

ao índice de refração de fluidos e de possuírem características intrínsecas que as

diferem de outros tipos de transdutores, como passividade eletromagnética, peso e

tamanho reduzidos e uma acelerada resposta.

Este trabalho apresenta os dados sobre o processo de produção e

caracterização dessas redes, bem como a sua utilização como transdutores. A LPG

deste trabalho foi gravada em fibra ótica hidrogenada com o uso de um laser

excímero Nd: YAG em 266nm no Laboratório de Laser (LASER) há oito anos. As

FBGs foram gravadas em fibras óticas comuns (não hidrogenadas) com laser

excímero ArF 193nm no Laboratório de Ótica e Optoeletrônica (LOOP) da

Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).

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1 INTRODUÇÃO

1.1 FIBRAS ÓTICAS

A fibra ótica consiste em um filamento fino e flexível composto por materiais

dielétricos, o material mais utilizado na fabricação da fibra é a sílica (SiO). Em

síntese, sua estrutura é uma região central denominada núcleo que é envolta por

outra região denominada casca. Esta é circundada por um revestimento primário ou

capa (figura 1). O núcleo, apesar de ser feito com o mesmo material da casca,

apresenta um índice de refração maior devido a diferentes concentrações de

elementos dopantes. Em decorrência disso a luz se mantém confinada no interior da

fibra.

Figura 1 – Estrutura padrão de uma fibra ótica. Fonte: Cianet.

De acordo com a capacidade de transmissão, as fibras são classificadas em

dois tipos: fibras Monomodo, que conduzem somente em um modo de propagação e

as fibras Multimodo que apresentam mais de um modo de propagação. Estas, por

sua vez, se subdividem em fibras com índice Degrau e Gradual (figura 2). As fibras

do tipo Monomodo, por possuírem um diâmetro menor que as do tipo Multimodo,

confinam a luz no interior de seu núcleo e consequentemente apresentam menores

6

perdas na rede sendo largamente utilizadas em comunicações a longas distâncias e

para a gravação das redes.

Figura 2 – Comparativo dos tipos de fibras. Fonte: Stconsulting.

1.2 MODOS DE PROPAGAÇÃO EM UMA FIBRA ÓTICA

Ao incidir com determinado ângulo no núcleo da fibra ótica, grande parte da luz

sofrerá reflexão interna e será transmitida obedecendo às leis de Maxwell. À

pequena perda de intensidade luminosa é dado o nome de atenuação. A luz é

composta por ondas eletromagnéticas de variados comprimentos. Cada

comprimento de onda, que carrega parte da energia total, é um modo de

propagação. A transmissão é canalizada em modos de propagação que são

determinados pelas características da fibra.

1.3 REDES EM FIBRAS ÓTICAS

As redes modulam periodicamente o índice de refração interno do núcleo da

fibra. Uma das formas de se fazer esta modulação é expondo o núcleo da fibra a

feixes ultravioletas de um laser devidamente ajustado aos parâmetros requeridos.

Os períodos, por sua vez, são formados por uma região modificada e uma região

não modificada [3]; e são eles que dão a peculiaridade da rede. Podem ser de

7

maiores ou menores períodos ou mesmo possuir uma inclinação (ângulos entre os

planos da rede e os eixos da fibra) [1], seriam respectivamente as redes de período

longo, as redes de Bragg e as redes de Bragg inclinadas.

1.3.1 REDES DE PERÍODO LONGO

A periodicidade das redes de período longo (LPG - Long Period Grating) é da

ordem de centenas de micrometros. Uma LPG é um dispositivo sensível a alterações

de estados físicos e químicos que a envolvem, por isso possui aplicação como

sensor destes parâmetros. A sensibilidade dessa rede se dá por meio das alterações

do índice de refração efetivo dos modos de casca, ou seja, alterações do casamento

de fase.

O casamento de fase é o acoplamento da luz do modo guiado no núcleo para

os modos de casca co-propagantes e ao ocorrer esse processo, potência luminosa

do espectro é perdida devido, principalmente, à absorção e espalhamento. O

acoplamento do modo guiado se dá em função do comprimento de onda, ocorrendo,

então, a perda de um espectro específico. A alteração do casamento de fase

desloca o os vales de atenuação para maiores ou menores comprimentos de onda e

esse processo se torna evidente na transmissão do sinal dentro da fibra.

Quando a luz é acoplada para os modos de casca, ao ser satisfeita a condição

de casamento de fase, a potência ótica é atenuada rapidamente devido a

espalhamentos na interface casca/meio externo. Isso faz com que o espectro de

transmissão apresente vales de atenuação posicionados em um determinado

comprimento de onda. Segundo BHATIA (1996) Para fibras padrão a diferença entre

o índice de refração efetivo, entre o modo fundamental de núcleo e os modos de

casca, está entre 10-3 e 10-2. Então, o acoplamento ocorre em um comprimento de

onda situado entre 1200 nm e 1600 nm.

Os vales de atenuação, na transmissão do espectro, estão situados no

comprimento de onda central ( ).Esses vales estão condicionados à três variáveis:

temperatura, tração e do índice de refração do meio externo. Portanto o

comportamento do espectro transmitido está relacionado ao ambiente em que a rede

se encontra, já que qualquer alteração física ou do índice de refração do meio, irá

deslocar os vales. Devido a essas características, as redes de período longo são

8

consideradas excelentes sensores de temperatura (devido à expansão térmica da

sílica), tração, flexão. Por isso o mecanismo de operação de uma LPG é baseado na

modulação dos índices de refração efetivos do modo de núcleo e dos modos de

casca e/ou da periodicidade da rede por perturbações externas (BHATIA, 1996).

Figura 3 - Espectro de transmissão de uma LPG. Fonte: Cranfield.

Os comprimentos de onda de ressonância a que se deve a condição

casamento de fase são dados pela seguinte equação (1):

(1)

Onde e representam as constantes de

propagação do modo fundamental, e a do n-ésimo modo com o qual ocorre o

acoplamento sendo o período da rede.

Em função do comprimento de onda que satisfaz a condição de casamento de

fase, reescreve-se a equação (1), (Erdogan, 1997a, 1997b):

(2)

Onde representa o comprimento de onda central do n-ésimo modo da

casca, e são, respectivamente, o índice de refração efetivo no núcleo e

do n-ésimo modo da casca. (VENGSARKAR et al, 1996).

9

1.3.2 REDES DE BRAGG

As redes de Bragg (FBG - Fiber Bragg Grating) consistem de modulações

periódicas no índice de refração do ao longo do núcleo de uma fibra ótica, porém

com espaçamentos muito menores do que os das redes de período longo.

A FBG apresenta a característica de acoplar a luz incidente do modo

propagante no núcleo para o modo contra-propagante em uma faixa que abrange

alguns de comprimentos de onda.

O sinal que incide na rede é refletido através do efeito de espalhamento

coerente nas interfaces que separam os índices de refração diferentes. Esse

processo está ilustrado abaixo:

Figura 4 - Espectro de transmissão de uma FBG. Fonte: PUC-Rio-Certificação digital 0412774/CA

10

Qualquer alteração que modifique o índice de refração da FBG ou sua

periodicidade acarretará mudanças no comprimento de onda de Bragg, e

consequentemente outro sinal será selecionado na reflexão. A partir dessa alteração

é possível perceber as mudanças nos parâmetros externos, como tensão

longitudinal, variações de temperatura e a polarização, sendo os fatores

responsáveis por fazer da FBG um tipo de sensor.

1.4 JUSTIFICATIVA

Em comparação a outros tipos de sensores as LPGs e as FBGs apresentam

vantagens como: passividade eletromagnética, alta sensibilidade, baixo tempo de

resposta, tamanhos e pesos reduzidos.

São bastante influenciadas por determinados parâmetros externos que, quando

se alteram, promovem uma modificação na transmissão ou reflexão de seu espectro.

São ideais para o sensoriamento de locais e objetos em que as dimensões e peso

do sensor são fatores críticos para seu bom desempenho, além de serem as

preferidas quando se trata de ambientes de alta tensão elétrica.

1.5 OBJETIVOS

O objetivo desse projeto é demonstrar os procedimentos de fabricação das

redes de Bragg e de período longo e a aplicabilidade dessas redes como elemento

sensor. Este trabalho também verificará os parâmetros, tais como a estabilidade e

sensibilidade, ao se submeter uma rede de Bragg a um ensaio térmico.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 PREPARAÇÃO DA FIBRA ÓTICA

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2.1.1 HIDROGENAÇÃO

A hidrogenação é um processo realizado para aumentar a fotossensibilidade

das fibras, através da exposição destas à radiação UV. Para que ocorra a

hidrogenação, é necessário que a fibra seja submetida a altas pressões e seu tempo

de permanência nessa condição irá depender da temperatura que pode ser a frio

(temperatura ambiente) ou a quente (temperatura acima da ambiente).

Esta técnica consiste em difundir moléculas de hidrogênio no interior da fibra,

com isso, ao incidir a radiação UV na fibra, ocorre um processo químico entre a

sílica (SiO) e o hidrogênio (H). Quando o processo ocorre a frio a fotossensibilidade

estará presente enquanto o hidrogênio permanecer difundido na fibra. A fim de

manter essa situação as redes deverão permanecer em altas pressões e em baixas

temperaturas em uma câmara de hidrogênio e, após serem retiradas dessas

condições serem imediatamente submetidas à gravação, evitando a difusão

excessiva do hidrogênio para o meio ambiente. Quando for necessário retirar uma

fibra da câmara de hidrogenação, sem que ela seja imediatamente utilizada em uma

gravação de redes, para prevenir difusões prematuras de hidrogênio molecular na

fibra, a mesma necessita ser guardada em temperaturas de aproximadamente -70ºC

até sua futura utilização (KASHYAP, 1999).

Quando o processo ocorre a quente, ou seja, em temperaturas acima da

temperatura ambiente, a fibra permanece por um tempo reduzido nas câmaras de

hidrogênio quando comparado ao processo a frio, mantendo a mesma pressão.

Porém, ao submeter uma hidrogenação a quente, observa-se a vantagem de elevar

de forma permanente a fotossensibilidade da fibra (MELTZ e MOREY, 1991). Este

processo permite que ocorram alterações permanentes no índice de refração ao

longo dos pontos que foram submetidos ao laser.

2.2 PROCESSO DE GRAVAÇÃO DA REDE DE PERÍODO LONGO

A LPG utilizada neste projeto foi gravada no ano de 2005 pela Professora

Doutora Rita Zanlorensi Visneck Costa a partir da técnica ponto-a-ponto com

emissão de feixes UV com a utilização do laser (New Wave,Tempest-20 Nd: YAG,

operando em 266nm) disposto no laboratório de laser da Universidade Tecnológica

Federal do Paraná.

12

A técnica de escrita ponto-a-ponto consiste em focalizar pontos fixos ao longo

de uma fibra ótica fazendo incidir nesses pontos um feixe de laser. Dessa maneira o

índice de refração do núcleo aumenta no local irradiado. Assim, a fibra ou o feixe de

laser é deslocado de uma distância, que é igual ao período da rede, ao longo do eixo

longitudinal da fibra e o processo de alteração do índice de refração recomeça em

outro ponto (MALO, HILL, BILODEAU et al, 1993).

O procedimento de gravação da LPG, após a retirada da fibra da câmara de

hidrogenação, consiste em inicialmente remover a casca de um determinado

comprimento da fibra ótica que será exposto à radiação. A fibra é então fixada em

um suporte ajustável onde os feixes do laser irão incidir de forma perpendicular na

parte descascada da fibra. Um conjunto de instrumentos é disposto de maneira a

não deixar que a trajetória do feixe de disperse, sendo constituído por: três espelhos,

uma lente convergente com uma distância focal de 60 cm e uma íris regulável com

abertura de 1mm com finalidade de selecionar a região do feixe de maior

intensidade. Estes foram os parâmetros utilizados para a gravação da LPG1, que

será detalhada neste relatório.

Figura 5 – Diagrama esquemático do sistema de gravação ponto a ponto com laser UV e

leitura de LPG.

13

A expressão utilizada para calcular o diâmetro da íris e o diâmetro do feixe

incidente é a seguinte (Chern e Wang, 1999):

D = 4 × = 4 × = 203m (3)

Onde:

D - é o diâmetro da abertura da íris (203m);

- é o comprimento de onda do feixe (266 nm);

ƒ - é a distância focal da lente convergente (60. m );

ԁ - é o tamanho do diâmetro do feixe “spot size” que incide na fibra (1mm);

No preparo para gravação, deve-se ligar e ajustar o laser e os programas do

computador que regem seu funcionamento, bem como ativar o servo motor

(Thorlabs – TDC001), que é responsável pelo deslocamento do feixe após a

gravação de cada ponto. Para que os feixes possuam a maior energia possível ao

transmitir a radiação UV, antes de iniciar a gravação é necessário realizar a troca de

gás do laser.

Durante o processo de gravação, em cada ponto o feixe emitido foi refletido por

dois espelhos até a íris. Esta selecionou a melhor porção do feixe emitido que foi

refletido para uma lente convergente focalizando o feixe de UV diretamente sobre a

fibra. Decorrido o tempo de incidência sobre o ponto, o laser deixou de emitir o feixe

de UV e um estágio de translação se iniciou. Movida por um servo motor controlado

por computador. Ao longo do método o processo supracitado ocorreu 45 vezes.

Portanto, a gravação de 45 pontos na fibra, na qual o período foi de 400 m, gerou

uma rede com comprimento de 1,83 cm.

2.3 PROCEDIMENTO DE LEITURA DAS REDES DE PERÍODO LONGO

Para que seja feita a leitura de uma rede de período longo, ou seja, para que

se possa observar o vale de atenuação no espectro de transmissão dessa rede, é

necessário seguir algumas etapas de preparação.

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Primeiramente, as redes são conectadas à pigtails, com o auxílio de uma

máquina de emendas de fibras óticas, para que a rede seja conectada a um

aparelho de leitura e sua existência seja confirmada. Esse procedimento é feito no

Laboratório de Laser com o uso de um analisador de espectros (OSA – Optical

Spectrum Analyser, Anritsu, MS9710B) operando com resolução de 0,1nm e

estabilidade de comprimento de onda de ±5pm e um LED superluminescente

(Superlum, Pilot – 2) operando na faixa de 1420nm a 1620nm.

Figura 6: Máquina de emendas e analisador de espectros óticos.

Fonte: Arquivo pessoal e laser UTFPR

Inicialmente, no analisador de espectros (OSA) é conectada apenas a

transmissão da luz de um LED. Depois é conectada a transmissão da LPG sendo

capturados ambos os espectros. Os dados ficam arquivados no disquete do

analisador para posterior tratamento no programa de análise no software Origin, que

gera o espectro resultante a partir de uma fórmula específica e fornece o gráfico da

atenuação em função do comprimento de onda.

O processo de construção do gráfico de atenuação consiste em fazer uma

razão logarítmica entre o espectro da radiação incidente na rede e o espectro da

radiação transmitida na rede. Com essa fórmula o programa traz para o gráfico o

vale que está centrado no comprimento de onda com menor atenuação.

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2.4 PROCESSOS DE GRAVAÇÃO E LEITURA DA REDE DE BRAGG

As redes de Bragg desse projeto foram gravadas com base na técnica da

iluminação direta sobre máscara de fase e seu período pode ser determinado

através da seguinte equação:

= (4)

As fibras utilizadas para a gravação de uma rede de Bragg foram não

hidrogenadas, por serem mais estáveis para esta finalidade. Um dos meios de

realizar a gravação é a partir de um laser excímero controlado por um programa de

computador (Star Pc control), que é conectado também a um interrogador. A fibra,

após ter sua capa polimérica retirada na região da gravação, é então fixada em um

suporte ajustável bem próxima da máscara de fase. A íris foi regulada de modo a

apresentar uma abertura de 3mm permitindo a passagem da maior quantidade de

luz do feixe. A gravação da FBG pode ser representada através da figura abaixo:

Figura 7: Gravação por meio de feixes ultravioletas de uma rede de Bragg.

Fonte: labplan.

As redes de Bragg, diferentemente das redes de período longo, podem ter sua

criação observada instantaneamente conforme o andamento de sua gravação. Outra

vantagem é que o espectro pode ser adquirido para posterior processamento no

Origin com objetivo de caracterizar e analisar seus parâmetros.

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3 RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 REDE DE PERÍODO LONGO

Para a verificação das características e parâmetros de uma rede de período

longo, foi utilizada uma LPG gravada há oito anos pela Professora Doutora Rita

Zanlorensi Visneck Costa, no Laboratório de Laser da Universidade Tecnológica

Federal do Paraná.

A esta LPG foi dado o nome de LPG1. Foram analisados, portanto, os dados

coletados na época em que a rede foi gravada e os dados coletados após decorrer

oito anos de sua gravação. Com esses dados pode-se realizar uma comparação dos

resultados.

Os parâmetros utilizados na gravação desta LPG estão dispostos na tabela 1.

Ressalte-se que a LPG1 foi gravada um dia após sua retirada da câmara de

hidrogenação.

Tabela 1: Parâmetros de gravação da LPG1.

Rede Fibra Nº de pontos Fluência do laser

sobre a rede (mJ/cm²)

Posição do vale após o término da gravação

(nm)

LPG1 “Centaurus” 45 278,65 +/- 30,65 1602,65 +/-

0,08

A evolução da posição do vale de maior atenuação da LPG1 à medida que os

pontos iam sendo gravados é explicitada na figura 5. Vale ressaltar que na LPG1,

houve um deslocamento para menores comprimentos de onda até 30 pontos de

gravação e depois esse deslocamento oscilou até a gravação ser finalizada [1].

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Figura 8: Evolução da posição do vale de maior atenuação da LPG1 (gravada com fluência de

278,65 30,65 mJ/cm2) à medida que os pontos iam sendo gravados nessa rede [1].

Figura 9: Razão espectral entre os sinais transmitidos pela LPG1 (fibra “Centaurus”),

durante a gravação, e o sinal emitido pela fonte ótica LED [1].

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A figura 9 representa a razão espectral, também chamada de razão logarítmica

entre o sinal da LPG1 e o sinal emitido pelo LED. Essa captura foi realizada em 2005

logo após a gravação da rede. Nota-se um vale bastante acentuado no comprimento

de onda de aproximadamente 1605nm. Já a figura 10 abaixo, representa a mesma

razão da LPG1, após oito anos de sua gravação:

Figura 10: Razão espectral entre os sinais transmitidos pela LPG1 durante a gravação,

e o sinal emitido pela fonte ótica LED após oito anos de sua gravação.

Em 2005 a LPG1 apresentava transmitância de aproximadamente 0,95 (unid.

Relativa), o que significa 0,15 a mais do que ela possui atualmente, que foi medido

em 0,8 (unid. Relativa). Portanto, percebe-se que com o passar do tempo é natural

uma perda das características originais da rede, o que afeta primordialmente em sua

qualidade. Porém apesar de um tempo de comparação relativamente grande, a rede

encontra-se em excelente estado e com um bom resultado quanto à rede gravada

em seu interior, que apresenta uma atenuação de 10 dB em transmissão.

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Figura 10: Razão espectral da LPG1 em 2013.

3.2 REDES DE BRAGG

Duas redes de Bragg foram escritas utilizando-se o laser excímero do modelo

XANTOS XS – Coherent, ArF 193nm no laboratório de ótica e optoeletrônica a partir

das técnicas mencionadas no tópico 2.4, com os seguintes parâmetros:

Tabela 2: Parâmetros de gravação para as Redes de Bragg.

Rede Fibra ótica

utilizada

Máscara

de fase

(nm)

Frequência

(Hz) Energia (mJ)

FBG1

Draktel Optical

Fibre – ESMF –

Single mode.

1060,00 250 5

FBG2

Draktel Optical

Fibre – SSMF –

Single mode.

1066,50 250 5

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A análise das FBGs foi feita a partir de um Interrogador (Micron Optics sm125

optical sensing Interrogator; version 1.4 conectado a um laptop, onde era possível

ver o espectro das redes à medida que eram gravadas. Posteriormente, os dados

adquiridos na gravação foram dispostos no software Origin e os gráficos que

continham o pico do espectro foram plotados com maior clareza, sendo abaixo

representados.

Figura 11: Pico de atenuação da FBG1.

A FBG1 possui seu pico em aproximadamente 1534nm e apresenta 30 dB de

potência ótica do sinal refletido. Esta rede foi gravada a partir de um laser excímero

193nm (Xantos XS) em uma fibra ótica não hidrogenada da marca Draktel optical

Fibre ESMF, com frequência previamente estipulada para 250Hz e energia

constante de 5mJ.

21

Figura 12: Pico de atenuação da FBG2.

A FBG2, por sua vez, possui seu pico de atenuação em aproximadamente

1543nm e uma potência ótica do sinal refletido de cerca de 20dB. Essa rede

apresentava um comprimento em torno de 3cm e foi gravada em uma fibra não

hidrogenada do modelo Draktel optical fibre SSMF utilizando-se um laser excímero

de ArF em 193nm (Xantos XS), operando com frequência de 250Hz e energia

constante de 5mJ.

3.2.1 ESTABILIZAÇÃO TÉRMICA

A estabilidade de resposta da FBG com a temperatura e a previsão do seu

tempo de vida são objetos de estudos nas últimas décadas (ERDOGAN et al., 1994),

(PATRICK et al., 1995), (KANNAN et al., 1994), (RIANT et al., 1998).

A rede de Bragg (FBG2) produzida no Laboratório de Nanoestruturas da

UTFPR foi submetida a uma caracterização térmica com sucessivas elevações de

temperatura em intervalos constantes, a fim de se obter uma estabilização. Além

disso, este ensaio nos permite observar as possíveis mudanças no espectro da rede

à medida que o experimento é realizado. Para isso, foi necessária a utilização do

22

forno Jung (Modelo LT0112, 110V/50V, Monofásico C/J200) localizado no

Laboratório de Ótica e Optoeletrônica (Loop).

Figura 13: Forno Jung, utilizado na estabilização térmica.

Fonte: Arquivo pessoal.

Primeiramente, a fibra ótica que continha a FBG2 foi completamente

descascada e em seguida foi cuidadosamente posicionada no interior de um tubo de

metal próprio para o ensaio térmico. A esta rede foram conectados dois pigtails com

o auxílio de uma máquina de emendas, com a função de transmitir o espectro da

rede para o laptop, que por sua vez foi conectado a um interrogador. Neste conjunto

de equipamentos também foi conectado um multímetro, com a finalidade de

monitorar a temperatura real do processo. Os pontos relativos aos ciclos de

aquecimento foram coletados pelo programa que apresentava os espectros (Star PC

control) após um tempo de permanência de 10 minutos em cada patamar de

temperatura.

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Figura 14: Interrogador e laptop responsáveis pela leitura do espectro.

Os valores mostrados simultaneamente no multímetro e no forno, bem como o

valor que foi programado para o forno operar, estão dispostos na tabela abaixo:

Tabela 3: Temperaturas de acordo com o equipamento utilizado.

Temperatura Programada

(ºC)

Temperatura indicada no

forno (ºC)

Temperatura indicada no

multímetro (ºC)

20 20 21

100 105 126

200 200 226

300 305 330

400 404 419

500 500 511

O forno foi programado para iniciar seu funcionamento em 20ºC, próximo à

temperatura ambiente e após isso subir gradativamente em intervalos constantes de

5 minutos. O primeiro patamar de temperatura, após a captura do espectro em

temperatura ambiente foi de 100ºC. A partir desse patamar, progressivamente, o

forno teve sua temperatura elevada de 100 em 100ºC até atingir em 500ºC. Para

cada transição de temperatura, o forno levava 5 minutos até atingir o outro patamar

onde permanecia durante 10 minutos, a fim de garantir a menor flutuação possível.

Os testes realizados alteravam significativamente a localização do pico da rede, e

estão demonstrados abaixo:

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Figura 15: FBG2 inserida em um forno com temperatura de aproximadamente 20ºC, com seu

pico posicionado em 1543nm.

Figura 16: FBG2 inserida em um forno com temperatura de aproximadamente 100ºC, com

seu pico posicionado em 1544nm.

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Dos dados coletados obteve-se um gráfico da curva da variação dos

comprimentos de onda (nm) em função da temperatura (°C).

Figura 21: Gráfico temperatura X comprimento de onda.

Com a estabilização térmica, percebe-se que a elevação da temperatura desloca

o pico do espectro para maiores comprimentos de onda. Diversos estudos e testes

são realizados para aprimorar os resultados na produção de sensores óticos a partir

de uma rede de Bragg gravada em uma fibra ótica. Estes trabalhos objetivam,

portanto, a otimização, estabilização e adequação a cada aplicação. Para todas estas

aplicações, a estabilidade de uma rede de Bragg é fundamental e determina as

condições em que essas redes podem operar [2].

28

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este relatório apresenta resultados inovadores, demonstrando a eficiência de

redes gravadas em fibras óticas que futuramente podem vir a atuar como sensores.

Pode-se perceber que a qualidade de uma rede de período longo permanece

constante durante grande parte de sua vida útil, sem afetar, de modo significativo,

seu desempenho, como observado nos espectros da LPG1 capturados em

diferentes épocas de sua existência.

As FBGs gravadas a partir do laser excímero 193nm apresentaram um

excelente gráfico, que, ao ser analisado, percebe-se que são redes ideais para

aplicações em sensoriamento. A grande vantagem dessas redes é a sua rapidez de

gravação e a exigência de uma baixa potência para isso. Sendo assim, foi possível

selecionar dentre várias FBGs gravadas, as duas melhores para serem detalhadas

neste projeto.

A técnica ponto-a-ponto para redes de período longo e a técnica da máscara

de fase para as redes de Bragg se mostraram bastantes eficientes para os

propósitos deste trabalho.

O ensaio térmico apresentou certas discrepâncias ao envolver a medição de

temperaturas. As diferenças obtidas entre os valores reais e ideais se devem à

imprecisão ou má calibração dos instrumentos utilizados. O resultado foi coerente

com o esperado, porém há diversos meios de aprimorá-lo, tanto da parte de

aplicação técnica como de estudos teóricos.

Após apresentar todos os parâmetros e etapas para a fabricação e estudo das

redes gravadas em fibras óticas, é evidente sua simplicidade e aplicação como

sensores que é e será um ramo bastante promissor nos tempos atuais.

29

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] COSTA, R. Z. V.. “Produção, estabilizações e caracterização de redes

fotorrefrativas de período longo em fibras óticas para sensores”, 2009.Tese de

Doutorado, UTFPR.

[2] OLIVEIRA, V.. “Redes de Bragg para medições em altas temperaturas”. Tese

de Doutorado, UTFPR, 2012.

[3] KAMIKAWACHI, R. C.. “Dispositivos sensores em fibra para uso em

refratometria”. Tese de Doutorado, UTFPR, 2007.

[4] BHATIA, V. and VENGSARKAR, A. M. Optical fiber long-period grating

sensors. Optics Letters, v. 21, n. 9, 1 May 1996.

[5] KAWANO, Marianne Sumie. “Transdutor a Fibra Ótica para Análise de

Biodisel”, 2010. Dissertação (Curso de Pós Graduação em Engenharia Elétrica

e Informática Industrial) - UTFPR, (Orientadora) Marcia Muller.

[6] OTHONOS, A. Fiber Bragg Grattings. Review of Scientific Instruments, v. 68,

p. 4309-4341, 199.

[7] VENGSARKAR, A. M. LEMAIRE, P. J., JUDKINS, J. B., BHATIA, V., ERDOGAN,

T., SIPE, J. E. Long-Period Fiber Gratings as Band-Rejection Filters. Journal of

Lightwave Technology, v. 14, n. 1, p. 58-65, January 1996.

[8] MELTZ, G. and MOREY, W. W., Bragg Grating Formation and Germanosilicate

Fiber Photosensitivity. Proc. SPIE, v.1516, p. 185-192, 1991.

[9] UTFPR. Página Pessoal – Fabris; Laser. Disponível em: <

http://pessoal.utfpr.edu.br/fabris/laser/principal.htm >. Acesso em: 10 jun. 2013.

http://pessoal.utfpr.edu.br/fabris/laser/principal.htm

Redes em Fibras Óticas: Produção e Caracterização

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