Técnicas de metrología óptica basadas en fotónica de microondas

Resumo

Esta tesis presenta una serie de técnicas de metrología óptica basadas en fotónica de microondas (MWP), cuya incorporación permite la mejora de ciertas figuras de mérito con respecto a sus equivalentes puramente fotónicos en el ámbito de la metrología óptica y de la interrogación de sensores de fibra óptica (OFS). Tras una introducción donde se describen algunos de los tipos de OFS más relevantes y los cuatro principales métodos de reflectometría óptica,se resumen las publicaciones que forman parte del compendio de la presente tesis. Estas se han dividido en aquellas que presentan técnicas basadas en reflectometría óptica incoherente dispersiva en el dominio de la frecuencia (DI-OFDR), o sistemas con mejoras que pueden ser empleadas en DI-OFDR, y aquellas que han buscado y estudiado las aplicaciones metrológicas de los bucles desplazadores de frecuencia (FSL). El primer grupo de técnicas hace referencia a sistemas basados en reflectometría óptica incoherente en el dominio de la frecuencia (I-OFDR) donde la inclusión de un elemento dispersivo en el circuito óptico permite la incorporación de nuevas funcionalidades. En particular, la medición de desplazamiento dela longitud de onda de reflectores de banda estrecha mediante la detección del retraso de grupo diferencial de ondas moduladas. El segundo se refiere al estudio teórico y experimental de peines de frecuencia generados por lazos de fibra amplificados que incluyen un elemento desplazador de frecuencia, y que permiten la generación de un amplio conjunto de formas de onda ópticas de interés en, entre otros ámbitos, aplicaciones metrológicas. Por una parte, las publicaciones relacionadas con DI-OFDR han consistido en: el desarrollo de un método de interrogación de redes de Bragg en fibra (FBG) mediante una fuente de doble longitud de onda; la minimización del número de puntos de interrogación en frecuencia en sistemas DI-OFDR adaptada a una topología de reflectores equiespaciados, así como el desarrollo de un método basado únicamente en medidas de potencia; y la implementación de un sistema con conversión electroóptica descendente de frecuencia y detección a frecuencia intermedia para la realización de medidas reflectométricas tanto distribuidas como puntuales y, en este caso, con selectividad en longitud de onda. Entre otras ventajas, estos sistemas han permitido la interrogación de FBG con resolución picométrica y alta eficiencia en potencia; velocidades de interrogación de arrays FBG de hasta 10 μs por elemento sensor; y la detección de eventos reflexivos discretos con reflectividades de hasta −90 dB y de retrodispersión Rayleigh en banda C en fibra monomodo estándar; respectivamente. Por otra parte, las publicaciones relacionadas con los FSL se han centrado, respectivamente, en la aplicación de las formas de onda ópticas de tipo chirp generadas por estos dispositivos para la medición de distancia con resolución milimétrica por compresión de digital de pulso, aprovechando para ello su alto producto tiempo-ancho de banda (∼200), y en la descripción teórica de dichas formas de onda. Empleando una descripción del campo generado por los FSL basada en una analogía con la óptica difractiva, se han descrito nuevas propiedades de los pulsos tipo chirp generados por FSL. En concreto, la existencia de captura de fase entre distintos pulsos, la presencia de desviaciones de la linealidad del chirp y la comprobación experimental de la coincidencia entre las fases Talbot generadas en FSL bajo condiciones fraccionales y las secuencias de fase perfecta de Gauss. Los resultados de esta segunda parte de la tesis muestran, además de un buen acuerdo del modelo teórico con los pulsos medidos, la viabilidad del empleo de FSL para medición de distancia láser con compresión digital de pulsos, obteniéndose tasas de compresión y de repetición de 150 y 80 MHz, respectivamente, y un ancho de banda de 20 GHz.