Técnicas de metrología óptica basadas en fotónica de microondas

Abstract

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 de la 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.

This thesis presents several techniques of optical metrology based on Microwave Photonics (MWP), whose incorporation allows for improving some figures of merit with respect to its purely photonic equivalents in the fields of optical metrology and interrogation of optical fiber sensors (OFS). After an introduction where some of the most relevant types of OFSs and the four main methods of optical reflectometry are described, the publications that form the compendium of this thesis are summarized. These have been divided in those which present techniques based on dispersive incoherent optical frequency-domain reflectometry (DI-OFDR), or systems with improvements that can be employed in DI-OFDR, and those which have searched and studied the metrology applications of the frequency shifting loops (FSL). The first group of techniques refers to systems based on incoherent optical frequency-domain reflectometry (I-OFDR) where the inclusion of a dispersive element in the optical circuit allows for incorporating new functionalities. In particular, measuring wavelength shiftings in narrow band reflectors by detecting the differential group delay of modulated waves. The second refers to the theoretical and experimental study of frequency combs generated by amplified fiber loops that include a frequency shifting loop, and that allow for generating a wide group of optical waveforms of interest in, among other fields, metrology applications. On the one hand, the publications related to DI-OFDR have consisted in: the development of an interrogation method of fiber Bragg gratings (FBG) by a dual-wavelength source; the minimization of the number of interrogation points in frequency in DI-OFDR systems adapted to a topology of equally-spaced reflectors, as well as the development of a method based only in power measurements; and the implementation of a system with electro-optic downconversion and detection at intermediate frequency for conducting reflectometric measurements either single-point or distributed and, in this case, with wavelength selectivity. Among other advantages, these systems have allowed for interrogating FBGs with picometric resolution and high power efficiency, interrogating FBG arrays with speeds up to 10 μs per sensing element, and detecting discrete reflective events with reflectivities up to 􀀀90 dB and Rayleigh backscattering in C band in standard monomode fiber; respectively. On the other hand, the publications related to FSLs have been focused, respectively, on the application of the chirped optical waveforms generated by these devices for distance measuring with millimetric resolution by digital pulse compression, taking advantage of its high time-bandwidth product ( 200), and the theoretical description of these waveforms. Using a description of the field generated by the FSLs based on an analogy with diffractive optics, new properties of the chirped pulses generated by FSLs have been described. In particular, the existence of phase capture between different pulses, the presence of chirp linearity deviations, and the experimental verification of the coincidence between the Talbot phases generated in FSLs and the Gauss perfect phase sequences. The results of this second part of the thesis show, besides a good agreement between the theoretical model and the measured pulses, the feasibility of using FSLs for laser dis- tance measuring with digital pulse compression, obtaining compression and repetition rates of 150 and 80 MHz, respectively, and a 20 GHz bandwidth.