SENSORES DE FIBRA OPTICA PARA SEGURIDAD Y PROTECCION

TEC2013-47264-C2-2-R

Nombre agencia financiadora Ministerio de Economía y Competitividad
Acrónimo agencia financiadora MINECO
Programa Programa Estatal de Fomento de la Investigación Científica y Técnica de Excelencia
Subprograma Subprograma Estatal de Generación del Conocimiento
Convocatoria Retos Investigación: Proyectos de I+D+I
Año convocatoria 2013
Unidad de gestión Dirección General de Investigación Científica y Técnica
Centro beneficiario UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA (UPNA)
Centro realización ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN - DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Identificador persistente http://dx.doi.org/10.13039/501100003329

Publicaciones

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Compound Lasing Fiber Optic Ring Resonators for Sensor Sensitivity Enhancement

e_Buah Biblioteca Digital Universidad de Alcalá
  • Rota Rodrigo, Sergio
  • González Herráez, Miguel
  • López Amo, M.
In this study, a new method for increasing simultaneously the sensitivity and interrogation stability of fiber-optic intensity sensors is presented. The configuration is based on a double-coupler ring resonator. On one side, the attenuation sensitivity of the sensor is enhanced by placing it inside a ring resonator. On the other side, the stability of the interrogation method is widely improved by creating an external lasing ring resonator with matched spectral response. The combination of the wavelength selective response of the ring resonator and optical amplification from Er-doped fiber amplifier is used to create different fiber lasers. The resulting lasers present an impressive sensitivity enhancement and a dynamic range increment up to 15 dB. Simultaneously, the instability of the system is reduced to ±0.05 dB. In comparison with systems based on tunable laser interrogation, our method is >100 times more stable and also simpler, as no wavelength tunable elements are required., Ministerio de Economía y Competitividad, European Commission




Fiber laser sensor system based on a random mirror and a compound ring resonator for displacement measurements

e_Buah Biblioteca Digital Universidad de Alcalá
  • Rota Rodrigo, Sergio
  • González Herráez, Miguel
  • López Amo, M.
24th International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS 24), Curitiba, Brazil, Sept. 28-Oct. 2, 2015., In this work, we present a random laser sensor system for increasing simultaneously the sensitivity and interrogation stability of a fiber-optic displacement sensor. The system is based on a random distributed fiber laser modulated by a double-coupler ring resonator within which is placed the sensor. This allows to increase the sensitivity of the sensor and also its interrogation stability. The experimental results show a dynamic range increment (and consequently its sensitivity) of 10dB. Moreover, by using this laser-based interrogation system, the instability is reduced to 0.04 dB. In addition, wavelength filtering elements are not required, simplifying the system., Ministerio de Economía y Competitividad, European Commission




Sidelobe apodization in optical pulse compression reflectometry for fiber optic distributed acoustic sensing

e_Buah Biblioteca Digital Universidad de Alcalá
  • Mompó, J.J.
  • Martín López, Sonia
  • González Herráez, Miguel
  • Loayssa, A.
We demonstrate a technique to reduce the sidelobes in optical
pulse compression reflectometry for distributed acoustic
sensing. The technique is based on using a Gaussian
probe pulse with linear frequency modulation. This is
shown to improve the sidelobe suppression by 13 dB compared
to the use of square pulses without any significant
penalty in terms of spatial resolution. In addition, a 2.25 dB
enhancement in signal-to-noise ratio is calculated compared
to the use of receiver-side windowing. The method is tested
by measuring 700 Hz vibrations with a 140 nϵ amplitude
at the end of a 50 km fiber sensing link with 34 cm spatial
resolution, giving a record 147,058 spatially resolved
points., European Commission, Ministerio de Economía y Competitividad, Comunidad de Madrid




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

Academica-e. Repositorio Institucional de la Universidad Pública de Navarra
  • 0000-0001-8893-8738
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., Este trabajo se ha llevado a cabo gracias a las aportaciones económicas recibidas de los siguientes organismos, entre otros:
- Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del programa de Formación del Personal Investigador y asociado al proyecto de investigación TEC2010-20224-C02-01.
- Universidad Pública de Navarra mediante las ayudas a tesis doctorares.
- Acción Europea COST- TD1001: Novel and Reliable Optical Fibre Sensor Systems for Future Security and Safety Applications (OFSeSa)
- También se ha recibido financiación del Proyecto de Investigación de la Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, Ministerio de Economía y Competitividad de España TEC2013-47264-C2-2-R, de Innocampus, del Proyecto Europeo SUDOE-ECOAL-Intereg Project ECOAL-MGT y de los Fondos FEDER., Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones (RD 1393/2007), Komunikazioen Teknologietako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007)




Development of advanced structures for optical fiber lasers and sensors

Academica-e. Repositorio Institucional de la Universidad Pública de Navarra
  • Rota Rodrigo, Sergio
Desde la irrupción de la fibra óptica en las telecomunicaciones, han surgido multitud de desarrollos basados en sus propiedades. Así, en las últimas décadas, la rápida evolución de los sistemas basados en fibra óptica, así como la aparición en el mercado de dispositivos como los amplificadores ópticos, los láseres de semiconductor de alta potencia, y otros elementos, ha hecho avanzar considerablemente la investigación en este campo. Además de la utilización de la fibra óptica en telecomunicaciones, han surgido nuevas aplicaciones, generando nuevas familias de dispositivos. Dos de ellas particularmente interesantes, son los láseres de fibra óptica y los sensores de fibra óptica. Ambas familias pueden combinarse de manera que sensores y redes de sensores de fibra óptica pueden interrogarse por medio de láseres de fibra óptica. En este marco de investigación se centra esta tesis, donde se han desarrollado estructuras avanzadas de fibra óptica para láseres y sensores. El objetivo ha sido mejorar las propiedades de los láseres de fibra, sensores y sus sistemas de monitorización, así como abordar los diferentes problemas que éstos presentan actualmente. Los retos encontrados, así como los objetivos de cada sistema, varían en función del tipo de sistema desarrollado. De esta forma, la primera parte de este trabajo ha sido dedicada al desarrollo de láseres de fibra óptica, buscando mejorar sus propiedades en términos de estabilidad, relación señal ruido, modos longitudinales, múltiples líneas de emisión y anchura de las mismas. Se han abordado diferentes tipos de configuraciones clásicas de láseres en anillo y de cavidad lineal. También se han realizado estudios de láseres de cavidad distribuida mediante dispersión Rayleigh (random). Estos láseres han suscitado gran interés en los últimos años dado que no presentan modos longitudinales. Por otro lado en el ámbito de la monitorización de sensores, se han desarrollado transductores ópticos basados en fibras micro-estructuradas, aprovechando las ventajas que éstas presentan en comparación con las fibras ópticas estándar. Finalmente se han desarrollado diferentes configuraciones de sistemas sensores con el objetivo de contribuir a la mejora de alguno de sus parámetros, como su alcance, capacidad de multiplexación, sensibilidad, rango dinámico y estabilidad de los sistemas sensores., Optical fiber technology as well as its rapidly evolution, has attracted the scientific community attention to develop lasers, fiber optic transducers and sensor networks. In this regard, the appearance in the last decades of commercial devices such as optical amplifiers, semiconductor high power lasers and others, has contributed to the rise of this technology. In this framework, a contribution to the improvement of the performance of fiber lasers and fiber optic sensors is presented in this PhD. work, taking into account their main merits and addressing their principal challenges. The challenges as well as the objectives addressed in each design vary depending on the application. In this way, the first part of the thesis has been dedicated to the development of optical fiber lasers. And it is focused on improving their properties in terms of stability, signal noise ratio, longitudinal modes, multiwavelength emission and bandwidth of the emission lines. Different classical configurations based on ring and linear cavity lasers have been addressed. Also, random cavity lasers, which have attracted great interest in recent years due to their longitudinal modeless behavior, have been studied. On the other hand, in the field of sensor monitoring, optical transducers based on micro-structured fibers have been developed, exploiting their advantages in comparison with standard optical fibers. Finally different optical sensor networks have been developed, whose main goal have been the improvement of features such as monitoring distance, multiplexing skill, sensitivity, dynamic range and stability., Este trabajo se ha llevado a cabo gracias a las aportaciones económicas recibidas
de los siguientes organismos y proyectos:
- Universidad Pública de Navarra mediante la ayuda de investigación
predoctoral, la ayuda para movilidad y las ayudas complementarias a
tesis doctorales.
- Secretaria de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, Ministerio
de Economía y Competitividad de España a través del programa de
Formación del Personal Investigador y asociado al proyecto de investigación
TEC2010-20224-C02-01.
- Proyecto de investigación TEC2013-47264-C2-2-R a través del Fondo
Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).
- Acción Europea COST- TD1001: Novel and Reliable Optical Fibre Sensor
Systems for Future Security and Safety Applications (OFSeSa)
- Proyecto INTERREG SUDOE Project “ECOAL-MGT - Ecological Management
of Coal Waste Piles, SOE3/P2/P714”.
- Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del Proyecto
campus de excelencia-Iberus (Innocampus).
- Grupo de investigación Comunicaciones Ópticas y Aplicaciones Electrónicas
de la Universidad Pública de Navarra mediante la financiación
de material y participación en congresos., Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones (RD 1393/2007), Komunikazioen Teknologietako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007)




Simultaneous measurement of humidity and vibration based on a microwire sensor system using Fast Fourier Transform technique

Academica-e. Repositorio Institucional de la Universidad Pública de Navarra
  • Rota Rodrigo, Sergio
  • López Aldaba, Aitor
  • 0000-0002-6856-9143
  • López Bautista, María del Carmen
  • 0000-0002-9399-5398
This paper presents a new sensor system for vibration and relative humidity measurements based on its interaction with the evanescent field of a microwire. The interrogation of the sensing head is carried out by monitoring the fast Fourier transform (FFT) phase of one of the FFT peaks of the microwire transmission signal. This technique is not dependent of the signal amplitude and also eludes the requisite of tracking the wavelength evolution in the spectrum, which can be a handicap when there are multiple interference frequency components with different sensitivities. The point sensor is able to measure a wide humidity range (20%-70% relative humidity) with a maximum sensitivity reached of 0.14πrad/% relative humidity. This microwire sensor is also operated within a frequency range from 320 to 1300 Hz with a sensitivity of around 0.0051 nm -1 /Hz. Finally, due to the system uses an optical interrogator as unique active element, the system presents a cost-effective feature., This work was supported in part by the Spanish Comision Interministerial de Ciencia y Tecnología within project TEC2013-47264-C2-2-R and SUDOE ECOAL-MGT and FEDER funds from the European Union.




Random DFB fiber laser for remote (200 km) sensor monitoring using hybrid WDM/TDM

Academica-e. Repositorio Institucional de la Universidad Pública de Navarra
  • 0000-0002-8971-8558
  • 0000-0003-3299-6829
  • 0000-0002-6856-9143
  • 0000-0001-8893-8738
  • 0000-0002-9399-5398
In this paper, a random distributed feedback fiber laser is proposed as a multiplexing scheme for ultralong range measurements (up to 200 km). Optical fiber sensors are time and wavelength multiplexed overcoming one of the main limitations of long-range sensing setups, which is their limited multiplexing capability. The direct modulation of the laser's cavity allows the interrogation of sensors by measuring the reflected power for different wavelengths and distances. Fiber Bragg gratings placed at different fiber locations and wavelengths have been interrogated in two different sensor networks. In addition, in order to improve the performance of the system, some features have been analyzed., This work was supported by the Spanish Government project TEC2013-47264-C2-2-R and the FEDER funds.