Caracterização de redes em fibras óticas para sensoriamento

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).

5

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
casca,

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

11

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

×

= 203m

(3)

Onde:
D - é o diâmetro da abertura da íris (203m);
- 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.

16

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)

LPG1

“Centaurus”

45

278,65 +/- 30,65

Posição do
vale após o
término da
gravação
(nm)
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].

17

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.

19

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)

Draktel Optical
FBG1

Fibre – ESMF –

1060,00

250

5

1066,50

250

5

Single mode.
Draktel Optical
FBG2

Fibre – SSMF –
Single mode.

20

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

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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.

23

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

Temperatura indicada no

Temperatura indicada no

(ºC)

forno (ºC)

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:

24

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.

25



26



27

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.
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UTFPR.

Página

Pessoal

–

Fabris;

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Disponível

em:

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

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