New multiplexing structures for fiber optic sensors

Abstract

El campo de la fibra óptica ha sufrido una rápida evolución durante las últimas décadas debido a sus buenas prestaciones en aplicaciones de telecomunicaciones. Aprovechando este avance científico y técnico en componentes fotónicos, los sensores de fibra óptica han emergido como una solución flexible para solventar algunas de las principales limitaciones sufridas por los sensores convencionales. Por ejemplo, la fibra óptica es químicamente inerte y electromagnéticamente pasiva. Por lo tanto, puede trabajar en entornos explosivos como depósitos de combustible, o con campos eléctricos intensos. Otra cualidad importante de los sensores de fibra óptica es que son compactos, pequeños, ligeros e inducen un bajo ruido de intensidad. Estas propiedades se han aprovechado en diferentes aplicaciones, siendo particularmente exitosos los giróscopos de fibra óptica y las soluciones basadas en redes de difracción de Bragg. Se han presentado hasta la fecha numerosos planteamientos para interrogar sensores de fibra óptica, utilizando diferentes mecanismos de transducción, técnicas de multiplexación o interrogación, etc. Sin embargo, todavía quedan algunos aspectos que mejorar. Posiblemente, el mayor inconveniente de los sensores de fibra, comparados con otras tecnologías asentadas, sea su coste relativamente alto. Teniendo esto en cuenta, las técnicas de multiplexación de sensores son especialmente importantes debido a que supone la reducción del coste por cada sensor. Se pueden utilizar diferentes técnicas de multiplexación dependiendo del tipo de sensor y de los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, las redes de difracción de Bragg son especialmente adecuadas para utilizarse en multiplexación por longitud de onda, mientras que los sensores interferométricos normalmente requieren soluciones más complejas. Además de reducir el coste, hay otros factores de los sensores de fibra óptica que pueden mejorarse, como la relación señal-ruido, la resolución, la estabilidad y la interrogación remota a largas distancias entre otros. En este contexto, esta tesis pretende contribuir al desarrollo de nuevas redes de sensores, haciendo especial hincapié en nuevas técnicas y topologías de multiplexación. De esta manera, se han multiplexado sensores interferométricos y redes de difracción Bragg siguiendo nuevos esquemas. Estas redes incluyen diferentes planteamientos, que pueden dividirse en dos grandes grupos: redes pasivas con multiplexación de sensores interferométricos y redes activas basadas en láseres de fibra. Además de las técnicas de multiplexación, también se han explorado otras alternativas, como la operación mono-frecuencia, la interrogación remota a largas distancias o la realización de medidas de alta resolución. Asimismo, se han analizado las capacidades de los láseres de fibra con reflectores distribuidos random para interrogación de sensores.

Fiber optic technology has been subject of an intense evolution during last decades due to their high capacities in communication applications. Taking advantage of this scientific and technical development, fiber optic sensors have emerged as a flexible solution to overcome some of the main limitations of conventional sensors. E.g., fiber optic is chemically inert and electromagnetically passive; accordingly, fiber optic sensors can operate in explosive environments such as fuel tanks or under high electric fields. Other important properties of fiber optic sensors include compactness, small size, light weight and low intensity noise among others. These properties have been exploited in multiple applications, being particularly successful the sensing solutions based on fiber Bragg gratings and interferometric fiber optic gyroscopes. Numerous sensing approaches based on fiber optic sensors have been presented up to date, using different transducer mechanisms, interrogation or multiplexing techniques, etc. However, there are still some aspects to be improved. Possibly the most important drawback of fiber sensors is the relatively high cost compared with other well stablished technologies. Taking this into consideration, multiplexing techniques are especially important due to their inherent cost reduction per sensing element. Several multiplexing techniques can be employed depending on the type of sensor and the requirements of the application. For example, fiber Bragg gratings are particularly well suited for wavelength division multiplexing, while interferometric sensors usually require more complex approaches. In addition to reducing the cost, other factors of fiber optic sensors should be improved as well, such as signal-to-noise ratio, resolution, stability and remote long-distance operation among others. In this framework, this thesis intends to contribute to the development of new optical fiber sensor networks, particularly focusing on the multiplexing capability. In accordance, interferometric and fiber Bragg grating sensors have been multiplexed in a variety of fiber optics networks. These networks comprise multiple approaches that can be divided in two main groups: passive networks for interferometric sensor multiplexing and active networks based on fiber lasers. Besides multiplexing capability, multiple factors are also investigated in the different contributions, such as single-longitudinal mode operation, remote interrogation or high-resolution measurements. Additionally, the properties of random distributed feedback fiber lasers have been analyzed for sensing applications.