Encoding optical FBG sensors to enhance the capacity of optical sensing systems

Abstract

This thesis investigates the application of encoding concepts to the design of optical sensors based on fiber Bragg grating (FBG) devices. Specially, we present the design, charaterization and experimental validation of custom encoded sensing devices that can be designed and manufactured as super-structured FBG (SSFBG) devices. The aim of this thesis is to enhance the capacity and the overall performance of the optical sensing systems based on conventional FBG sensors. To do so, three encoding methodologies of SSFBG sensing devices have been proposed, aiming to endow each sensor with additional information useful to identify each sensor even under overlapping conditions. An encoded FBG-based sensor is a FBG structure whose shape has been tailored after an orthogonal codeword in such a way that their central wavelength can be distinguished unequivocally from other signals in the spectrum. The design of encoded SSFBG sensors is performed by modifying the reflection spectrum of multi-band FBG devices, this is achieved by translating orthogonal codewords into the amplitude and phase terms of the FBG sensors. Amplitude encoding of SSFBG sensors consists in translating the binary optical orthogonal codewords (OOCs), developed for optical-code division multiple-a ess (OCDMA) communications systems, into the reflection pattern of the devices. Amplitude and phase encoding has been proposed in two diferent approaches: in the first one, custom amplitude and phase codewords (ak, fk) were specifically devised to exhibit orthogonal behavior by combining the two codewords. The dual-wavelength tunable interrogation technique was also specifically designed to retrieve the differential measurement of the sensors and effectively decode their information. The second approach uses the discrete prolate spheroidal sequences (DPSS), which are mutually orthogonal sequences developed for communications systems. We demonstrated the use of this structures as orthogonal sensing elements with deffinite phase and amplitude patterns. The manufacturing and experimental validation of the proposed SSFBG devices were carried out to prove the overlap-proof performance of the devices. The central wavelength of the sensors is successfully retrieved in the three methodologies, additionally, the error of the sensing system was characterized in terms of the design parameters.

Resumen: Esta tesis investiga la aplicación de conceptos de codificación al diseño de sensores ópticos basados en redes de difracción de Bragg de Bragg (FBG). Específicamente, se presenta el diseño, la caracterización y la validación experimental de dispositivos de detección codificados personalizados que se pueden diseñar y fabricar como dispositivos FBG súper estructurados (SSFBG). El objetivo de esta tesis es mejorar la capacidad y el rendimiento general de los sistemas de detección óptica basados en sensores FBG convencionales. Para ello, se han propuesto tres metodologías de codificación de dispositivos de detección SSFBG, con el objetivo de dotar a cada sensor con información adicional útil para la identificación de cada sensor incluso en condiciones de superposición. Un sensor codificado basado en FBGs es una estructura FBG cuya forma se ha adaptado a una palabra código ortogonal, de tal manera que su longitud de onda central se puede distinguir inequívocamente de otras señales en el espectro. El diseño de los sensores SSFBG codificados se realiza modicando el espectro de reflexión de dispositivos FBG multibanda, esto se logra traduciendo las palabras código ortogonales en los términos de amplitud y fase de los sensores FBG. La codificación en amplitud de los sensores SSFBG consiste en traducir las palabras código "Optical Orthogonal Codewords" (OOC), desarrolladas para sistemas de comunicaciones de acceso múltiple por división de código óptico (OCDMA), en el patrón de reflexión de los dispositivos. La codificación en amplitud y fase se ha propuesto mediante dos enfoques diferentes: en el primero, palabras código de amplitud y fase personalizadas (ak, fk) fueron diseñadas específicamente para exhibir un comportamiento ortogonal obtenido por la combinación de dos palabras código. La técnica de interrogación basada en una fuente dual sintonizable fue específicamente diseñada para recuperar la medición diferen ial de los sensores y decodificar efectivamente su información. El segundo enfoque utiliza las secuencias "Discrete Prolate Spheroidal Sequences" (DPSS), que son secuencias mutuamente ortogonales desarrolladas para sistemas de comunicaciones. Se demostró el uso de estas estructuras como elementos de detección ortogonales con patrones específicos de fase y amplitud. La fabricación y validación experimental de los dispositivos SSFBG propuestos se realizaron para demostrar el rendimiento de los sensores inclusive en condiciones de superposición espectral. La longitud de onda central de los sensores se recupera con éxito en las tres metodologías, además, el error del sistema de detección se caracterizó en términos de los parámetros de diseño.