Contribution to the development of new photonic systems for fiber optic sensing applications

Abstract

En este trabajo de doctorado se presentan nuevos sistemas y subsistemas de sensores de fibra óptica. Así, se proponen y desarrollan nuevas técnicas, componentes y tecnologías basadas en láseres de fibra con espejos distribuidos (random), fibras de cristal fotónico, estructuras de luz lenta, multiplexores de inserción y extracción (add and drop), conmutadores tele-alimentados por luz, reflectometría óptica tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia o filtros ópticos reconfigurables. También se han demostrado nuevas aplicaciones para estructuras de sensores tradicionales y técnicas de medida ya conocidas. Todas ellas dirigidas a la mejora del funcionamiento de los actuales transductores, redes de sensores y aplicaciones de monitorización de salud estructural. De este modo, y en primer lugar, se han desarrollado nuevos transductores puntuales. En concreto, dos sensores interferométricos basados en fibras de cristal fotónico y otro basado en una estructura resonante en anillo. También se han realizado diferentes redes de sensores utilizando OTDRs comerciales. Por un lado, se han multiplexado diferentes sensores utilizando una red en forma de bus y, por el otro, se ha interrogado de manera remota un sensor FLM/LPG a una distancia de 253 km sin necesidad de amplificación. Se han estudiado láseres basados en efecto de realimentación distribuida random (RDFB) para su uso en interrogación de sensores. Para ello, se han demostrado dos nuevos láseres multi-longitud de onda y también, por primera vez, se ha modulado un laser random. Después, se han demostrado experimentalmente varias redes de sensores de fibra óptica teniendo en cuenta los principales desafíos que estas presentan: multiplexar varios sensores en una misma red y permitir su monitorización de manera remota. En primer lugar, se han multiplexado sensores basados en la modulación de la intensidad óptica utilizando técnicas de multiplexación en dominio del tiempo. En segundo lugar, se han multiplexado sensores basados en fibras de cristal fotónico. En tercer lugar, se presentan tres nuevos métodos para la medida remota de sensores. Por último, se incluye la demostración de un conmutador de fibra óptica tele-alimentado a través de luz. Éste se utiliza en tres redes diferentes para añadir robustez e incrementar la versatilidad en la multiplexación. Finalmente, se han realizado tres pruebas de campo para aplicaciones de monitorización de salud estructural.

In this PhD work, different new photonic systems and subsystems for fiber optic sensing are presented. The aim of this thesis has been to contribute to the fiber optic sensors field using modern techniques, components and technologies such as random fiber lasers, photonic crystal fibers, slow light structures, add and drop multiplexers, powered by light switches, optical frequency and time domain reflectometry or reconfigurable optical filters, among others. New applications of traditional sensing structures or techniques have been also demonstrated. All of them focused on improving the performance of current sensors transducers, multiplexing networks and structural health monitoring applications. Thus, new point transducers have been developed: two of them are interferometric sensors based on photonic crystal fibers; and another one is based on a fiber ring resonator structure. Fiber optic sensor networks using commercial OTDRs have been also explored. On the one hand, different sensors have been successfully multiplexed in the same bus network. And, on the other hand, a FLM/LPG sensor was remotely interrogated at a distance of 253 km without using amplification. Random distributed feedback (RDFB) lasers have been explored for sensors interrogation. Two multi-wavelength Raman fiber lasers suitable for sensors interrogation have been demonstrated. Also, a random fiber laser has been internally modulated for the first time. Then, some experimental demonstrations of fiber optic sensors networks have been carried out taking into account the principal challenges they pose: multiplexing a number of optical sensors in a single networks, and enabling the possibility of remote sensing. Firstly, intensity sensors using TDM technology have been multiplexed. Secondly, PCF sensors have been successfully multiplexed. Thirdly, three new approaches to enable remote sensing are presented. Finally, a remote powered by light fiber optic switch have been included in three networks in order to add robustness and multiplexing versatility.