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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) As propriedades de propagação e acoplamento entre modos em uma fibra ótica com dois núcleos são investigadas utilizando o método dos elementos finitos em 3D. A simulação da transferência de potência entre os núcleos ao longo da fibra em um comprimento de onda específico permite sintonizar um filtro de atenuação no espectro de transmissão. A sintonização dinâmica do espectro de transmissão do filtro é obtida através da aplicação de ondas acústicas flexurais. Uma fibra com dois núcleos com propriedades geométricas e materiais similares ao da simulação é experimentalmente caracterizada sob excitação de ondas acústicas de baixa frequência (9 kHz - 16 kHz). O modulador acusto-ótico foi utilizado para sintonizar a magnitude e o comprimento de onda do filtro de atenuação. Os resultados experimentais indicam concordância com a teoria e simulação. O estudo aponta para uma nova metodologia numérica para o projeto e análise de dispositivos acusto-óticos baseados em fibras com vários núcleos, o que habilita a aplicação destes dispositivos em filtros de atenuação, chaveadores de potência entre núcleos, sensores e acopladores. The coupling and the propagation properties between the modes in a double-core optical fiber are investigated by means of the 3D finite element method. The simulation of the power transfer between the cores along the fiber at a specific wavelength allows tuning an attenuation filter in the transmission spectrum. The dynamic tuning of the filter transmission spectrum is achieved by the application of flexural acoustic waves. A double-core fiber with similar geometrical and material properties compared to the simulation is acoustically excited and experimentally characterized. An acousto-optic modulator (9 kHz - 16 kHz) is assembled to tune the magnitude and the wavelength of the attenuation filter. The experimental results indicate agreement with simulations. The study points out to a new numerical methodology for the project and analysis of acousto-optic devices based on multicore fibers, which enables the application of these devices in attenuation filters, channel switches, sensors and couplers.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta a implementação de um sistema de comunicação sem fio em luz visível (VLC) utilizando uma lâmpada comercial composta por 7 LEDs brancos. O sistema inclui simulação, projeto e montagem dos circuitos eletrônicos do sistema de transmissão (Tx) e recepção (Rx), para os quais foram utilizados os softwares TINA-TI e EAGLE. Diferentes simulações realizadas para um ambiente interno mostram que os sistemas VLC podem transmitir dados enquanto mantêm a iluminação recomendada pelo padrão (≥ 500 lux). Medidas fotorradiométricas são realizadas para caracterizar as condições de iluminação. Para o sistema de comunicação, diferentes códigos são implementados no software MATLAB: OOK NRZ, OOK RZ, VPPM (rc = 30%, 50%, 70%, 90%), OFDM com modulação 4-QAM e equalização. Os experimentos são realizados em ambiente interno (laboratório) e com linha de visada (LoS). Diferentes configura- ções são propostas nas quais a localização do transceptor e do receptor são variadas e diferentes potências elétricas são utilizadas para encontrar o melhor ponto de desempenho. O desempenho do sistema de comunicação Tx-Rx é verificado pela relação entre o BER vs distância, obtendo um BER ≤ 10−3 para distâncias de até 2 m. O desempenho da luminária LED é analisado pelos níveis de iluminância, obtendo-se uma iluminação adequada até 1,6 m. This work presents the implementation of a wireless communication system in visible light (VLC) using a commercial lamp composed of 7 white LEDs. The system includes the simulation, design and assembly of the electronic circuits of the transmission (Tx) and reception (Rx) system, for which the TINA-TI and EAGLE software were used. Different simulations performed for an indoor environment show that VLC systems can transmit data while maintaining the lighting recommended by the standard (≥ 500 lux). Photoradiometric measurements are made to characterize the lighting conditions. For the communication system, different codes are implemented in the MATLAB software: OOK NRZ, OOK RZ, VPPM (rc = 30%, 50%, 70%, 90%), OFDM with 4-QAM modulation and equalization. The experiments are performed for an indoor setting (laboratory) and with link in line of sight (LoS). Different configurations are proposed in which the location of the transmitter and receiver is varied and different electrical powers are used in order to find the best performance point. The performance of the Tx-Rx communication system is verified by measuring the BER vs distance, obtaining a BER ≤ 10−3 for distances up to 2 m. The performance of the LED luminaire is analyzed by illuminance levels, obtaining adequate lighting up to 1.6 m.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o uso da tecnologia de rádio frequência LoRa (Long Range) para aplicações de comunicação de dados com o emprego de luz visível, Visible Light Communications (VLC). A técnica LoRa foi implementada via software em um sistema de comunicação óptica sem fio, considerando as não linearidades do emissor LED e, através de simulações em um canal sem fio com linha de visada, em ambientes externos e interno, avaliou-se o desempenho do sistema proposto em termos de alcance do enlace de comunicação e taxa de erro de bits (BER). Como referência, compara-se o desempenho da técnica LoRa proposta com o BPSK aplicado no mesmo sistema VLC. Em todos os cenários considerados o LoRa, em configurações similares às encontradas em chipsets comerciais, apresenta um desempenho superior, alcançando 34 m em um ambiente externo limpo e 16 m para um ambiente com neblina moderada, quando adotado o fator de espalhamento 7, potência óptica de transmissão de 2,6 W e um fotodiodo com 150 2 de área e responsividade 0,17 A/W no receptor. Discute-se, ainda, sobre o impacto dos principais parâmetros do sistema, permitindo que sejam otimizados, visando melhorar o alcance do sistema proposto. This work presents a study about the use of LoRa (Long Range) radio frequency technology for data communication using visible light, texti Visible Light Communications (VLC). The LoRa technique was implemented via software in a wireless optical communication system, considering the non-linearities of the LED emitter and, through simulations in a wireless channel with a line of sight, in outdoor and indoor environments, the performance of the proposed system in terms of communication link range and bit error rate (BER). As a reference, the performance of the proposed LoRa technique is compared with the BPSK applied in the same VLC system. For all scenarios considered, LoRa, in configurations similar to those found in commercial chipsets, shows superior performance, reaching 34 m in a clean outdoor environment and 16 m for an environment with moderate fog, using spread factor 7, optical output power of 2.6 W in the transmitter and as receiver, a photodiode with 1502 of area and responsiveness of 0.17 A/W. It also discusses the impact of the main parameters of the system, allowing them to be optimized, improving the communication range of the proposed system.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta análises de desempenho de uma luminária LED, aplicada simultaneamente para iluminação e comunicação em sistemas de comunicação por luz visível (VLC), em ambientes internos (indoor). Apresenta-se a análise de desempenho de um concentrador óptico acoplado à luminária por meio de medidas fotométricas e radiométricas, com suas características reproduzidas e simuladas nos softwares SolidWorks® e APEX®. As simulações foram comparadas com medições em laboratório, objetivando a utilização desses softwares em predições mais realistas de sistemas VLC e na análise de componentes ópticos. Os resultados ressaltam a importância do detalhamento das características ópticas dos materiais empregados nas simula- ções, bem como a necessidade de calibração de potência dos LEDs. Nas simulações realizadas a 1,70 m de distância foram obtidos níveis de iluminância de até 1351,59 lx e estimativas de BER de: 4,88×10−2 (OOK); 11,99×10−2 (8-QAM); e 17,20×10−2 (16-QAM). Considerando um ganho de 3,82 dB no front − end de recepção, as estimativas de BER melhoram para: 3,27×10−5 (OOK); 3,90×10−3 (8-QAM); e 27,80×10−3 (16-QAM). Experimentalmente foi alcançado ganho de até 8,59 dB na transmissão com o uso do concentrador óptico. This work presents performance analysis of an LED luminaire, applied simultaneously for lighting and communication in visible light communication systems (VLC), indoors ( emphindoor). The performance analysis of an optical concentrator coupled to the luminaire by means of photometric and radiometric measurements is presented, with its characteristics reproduced and simulated in the SolidWorks® and APEX ® pieces of software. The simulations were compared with measurements in the laboratory, aiming to use this software in more realistic predictions of VLC systems and in the analysis of optical components. The results highlight the importance of detailing the optical characteristics of the materials used in the simulations, as well as the need for power calibration of the LEDs. In simulations carried out at 1.70 m distance, illuminance levels of up to 1351.59 lx and BER estimates of: 4.88×10−2 (OOK); 11.99×10−2 (8-QAM); and 17.20×10−2 (16-QAM). Considering a 3.82 dB gain in the reception front-end, the BER estimates improve to: 3.27×10−5 (OOK); 3.90×10−3 (8-QAM); and 27.80×10−3 (16-QAM). Experimentally, a gain of up to 8.59 dB was achieved in the transmission with the use of the optical concentrator.

O crescente consumo de energia proveniente de fontes não renováveis e finitas vem incentivando o avanço no desenvolvimento e utilização de novas opções de geração de energia. Estas opções, quando incorporadas ao sistema atual de geração e distribuição de energia elétrica, devem incluir novas exigências do sistema de comunicação motivando o desenvolvimento de redes elétricas inteligentes ou Smart Grid (SG). O presente documento propõe um método para otimização de uma rede de topologia em malha com enlaces em fibra óptica. Essa otimização é alcançada através de alterações das conexões físicas da rede em conjunto com uma gerência reativa inteligente. The increasing consumption of energy from nonrenewable and finite sources is encouraging the advance of development and use of new energy generation options. These options, when incorporated into the current electricity generation and distribution system, should demand new requirements from the communication system, motivating the development of Smart grid. This document proposes a method to improve and optimize the network or grid access, built with optic fiber and mesh topology, through the handling of physical connections in the network and a smart reactive management.

Este trabalho descreve a implementação em software de um sistema de comunicação sem fio em luz visível que emprega a multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Cenários com diferentes configurações são simulados nos quais se varia a localização do transmissor e receptor, parâmetros de configuração do OFDM e o método de estimativa utilizada, entre elas um método de estimativa desenvolvida que proporciona melhor performance quando comparado com o método de estimativa dos mínimos quadrados lineares (LLS) em sistemas lineares. O trabalho também aborda a operação do LED emissor no regime linear e não-linear. O desempenho do sistema é verificado através da relação entre a taxa média de erros de bit (BER – Bit Error Rate) e a relação sinal-ruído (SNR, Signal-to-Noise Ratio) e da comparação dos resultados de simulação para os diferentes cenários. This work describes the software implementation of an optical wireless communication system operating in the visible region that employs the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique. Schemes with different configurations were simulated that take into account the transmitter and receiver localization, the configuration parameters of the OFDM and different method of estimation used, including an method of estimation that was developed within the scope of this work and presents better performance than the least squares estimation method (LLS) technique for linear systems. The dissertation also approaches the operation of the Light Emitting Diode (LED) in the linear and nonlinear regimes. The performance of the system is verified and compared using the average Bit Error Rate (BER) versus the signal-to-noise ratio (SNR) relationship obtained through simulation.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um algoritmo baseado em Evolução Diferencial capaz de identificar parâmetros de sinais elétricos aplicados à moduladores do tipo Mach-Zehnder, com o objetivo de produzir pentes de frequências óticas planos. Apresentam-se simulações com três configurações diferentes de disposição dos moduladores: com apenas um modulador, com dois moduladores em série e com dois em paralelo. Por fim, alguns resultados das simulações são aplicados experimentalmente para comparação entre casos ideais e reais. Os resultados mostram que o algoritmo é útil na análise da capacidade de geração de pentes de frequências óticas, mas algumas compensações devem ser realizadas para a utilização de seus resultados em sistemas práticos. This work presents the development of an algorithm based on Differential Evolution, which is capable of identifying parameters of electrical signals applied to Mach-Zehnder modulators with the objective of producing flat optical frequency combs. Simulations with three different setup configurations are investigated: with only one modulator, with two modulators in series, and with two modulators in parallel. Also, some simulations results are used in experiments for comparison between ideal and real cases. The results show that the algorithm is useful for optical frequency comb generation capability analysis, but some compensations should be made in order to utilize the algorithm results in practical systems.

Em função da necessidade de projetos de televisão cada vez mais elaborados e precisos, este trabalho consiste em um estudo sobre a aplicação de modelos de propagação para projetos de radiodifusão baseados nos dados obtidos dos ensaios realizados em campo do sinal digital de televisão na cidade de Maringá, estado do Paraná. Foram medidos quarenta e oito pontos fixos e aproximadamente dois mil e setecentos pontos em movimento, com uma antena de transmissão apenas com polarização horizontal e outra antena com polarização elíptica. A adequação dos modelos em relação às medidas e métricas escolhidas neste estudo apontaram para modelos diferentes, dependendo de cada região. Due to the need for more and more elaborate and precise television projects, this work consists of a study on the application of propagation models for broadcasting projects based on the data obtained from the field tests of the digital television signal in the city of Maringá, state of Parana. Forty-eight fixed points and approximately two thousand and seven hundred moving points were measured, with a transmitting antenna only with horizontal polarization and another antenna with elliptical polarization. The adequacy of the models in relation to the measurements and metrics chosen in this study pointed to different models, depending on each region.

Até chegar ao controlador de tráfego aéreo os sinais transmitidos que carregam informações de áudio podem sofrer diferentes degradações, seja por interferências, atenuações por problemas de cobertura, problemas de canalização, uso de algoritmos de compressão ou escolha de melhor sinal, entre outros. Neste trabalho é realizado um estudo de qualidade de voz nas telecomunicações aeronáuticas, utilizando o método de análise subjetiva aplicado a sinais provenientes de diferentes meios utilizados comumente no Sistema de Controle de Espaço Aéreo Brasileiro (SISCEAB). Para tal, foi estabelecida uma base de sinais de áudio de voz de referência gravadas em estúdio, e estes sinais submetidos a diferentes degradações presentes nos meios de comunicações utilizados nas atividades de controle de espaço aéreo. Em seguida os sinais foram analisados conforme normatizado pela norma ITU-T P.800, por seres humanos de maneira a encontrar o índice de qualidade de voz, denominado Mean Opinion Score ou MOS. Com estes dados foram testados métodos de análise objetivos do PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) e SESQ (Single-Ended Speech Quality Assessment) e verificados os seus desempenhos na determinação do MOS previsto em frente aos problemas de qualidade de áudio peculiares dos meios de comunicação do SISCEAB. Os resultados mostram ampla variação do MOS dependendo do meio utilizado, com degradação mais acentuada nas comunicações que empregaram rádio-frequência. Também foi observado que o PESQ apresentou bom desempenho na previsão do MOS de sistemas de telecomunicações empregados no SISCEAB. From the airplane until reaching air-traffic controllers, transmitted signals that carry audio information may suffer different kinds of degradation. Radio interference, range or canalization issues and the use of compression are among the most common sources of audio degradation in aeronautical communications. In this work it is studied the speech quality in aeronautical communications, using standardized subjective tests applied over signal degradations of normally used aeronautical telecommunication systems of the SISCEAB (Brazilian System of Airspace Control). For this purpose, an audio database was prepared, with reference speech signals being recorded in a professional audio studio. These signals were latter submitted to different degradations of the common means of communication used in airspace control and, next, were evaluated, as standardized in the ITU-T P.800 standard, by human subjects in order to express the MOS, an audio quality index. Latter, these indexes were used to test the performance of two objective analysis algorithms, the PESQ (ITU-T P.862) and the SESQ (ITU-T P.563), in order to verify if they could predict the MOS of signals degraded by the means used in air-traffic control communications. The results show wide variations in the MOS depending on the media used, with marked variation in communications that used radiofrequency. It was also observed that the PESQ showed good performance predicting the MOS of telecommunication systems used in the SISCEAB

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) É implementado em hardware, por meio da linguagem VHDL, um método de avaliação objetiva de qualidade de vídeo digital. Sendo um processo computacionalmente custoso em software, investiga-se sua implementação em hardware. O método implementado, chamado de NRVQA-LM, utiliza seis características espaço-temporais extraídas de diferentes vídeos para chegar a um escore de qualidade. São estudadas essas características e planejada a sua implementação de forma otimizada, a fim de aproveitar as vantagens de plataformas de lógica reconfigurável, como as FPGAS. Durante o desenvolvimento foi necessário o estudo de ferramentas não usuais da linguagem VHDL, tais como as aritméticas de ponto fixo e flutuante e a escrita de funções matemáticas. Os resultados mostram alta correlação com os valores das características e dos escores de qualidade em relação ao método em software. A implementação se mostrou custosa em termos de recursos lógicos, especialmente devido à necessidade de se armazenar um quadro de vídeo inteiro, mas eficiente graças à característica de paralelismo das FPGAs, executando cálculos entre 20 e 40 vezes mais rapidamente que em uma linguagem de alto nível como o MATLAB. A aritmética ponto fixo mostrou-se vantajosa em relação ao ponto flutuante, principalmente no que tange à frequência de operação. It is implemented in hardware an objective digital video evaluation method, using the VHDL language. As a computationally expensive process in software, it is investigated its implementation in a hardware platform. The implemented method, named NRVQA-LM, employs six spatio-temporal features extracted from different videos in order to obtain a quality score. These features are studied and the implementation is designed to be developed in an optimized way, in order to explore the benefits of reprogammable logic platforms, such as FPGAs. During the development it was necessary to study non-recurrent tools of the VHDL language, such as fixed- and floating-point arithmetics and the writing of math functions. Results shows high correlation between the calculated scores of the hardware and the original software implementations. The hardware implementation revealed to be highly resource expensive, mainly due the need of storing a whole video frame, but efficient in time, thanks to the parallelism feature of FPGA devices, executing quality score calculations between 20 and 40 times faster than a high-level language such as MATLAB. The fixed-point arithmetics revealed to be more efficient than the floating-point, specially regarding operation frequency.

CAPES; CNPq; Fundação Araucária; FINEP Esta tese apresenta aplicações de inteligência computacional para o aprimoramento de sensoriamento ótico realizado com sensores em fibra ótica. Para tanto, redes neurais artificiais (perceptron de múltiplas camadas), máquinas de vetor de suporte para regressão, evolução diferencial e métodos de sensoriamento compressivo são empregados em conjunto com transdutores de redes de Bragg em fibras óticas. As redes neurais artificiais, máquinas de vetor de suporte para regressão e redes de Bragg são empregadas na localização de uma carga aplicada sobre uma placa de acrílico. É apresentado um novo método utilizando evolução diferencial para a solução do problema do espalhamento inverso em redes de Bragg em fibra ótica, propondo o uso de restrições para solucioná-lo na ausência de informação de fase do sinal refletido. Um método para a detecção de múltiplas cargas posicionadas acima de uma placa de metal é proposto. Neste método, a placa de metal é suportada por anéis de ferro contendo redes de Bragg em fibra ótica e a detecção das cargas é realizada com o uso de métodos de sensoriamento compressivo para a solução do problema inverso subdeterminado resultante. A troca dos anéis de ferro por blocos de silicone e um novo método baseado em sensoriamento compressivo e evolução diferencial são propostos. Os resultados experimentais mostram que os métodos computacionais propostos auxiliam o sensoriamento e podem permitir uma melhoria da resolução espacial do sistema sem a necessidade do aumento do número de elementos transdutores. This thesis presents new optical fiber sensing methodologies employing computational intelligence approaches seeking for the improvement of the sensing performance. Particularly, artificial neural networks, support vector regression, differential evolution and compressive sensing methods were employed with fiber Bragg grating transducers. Artificial neural networks (multilayer perceptron) and fiber Bragg gratings were used to determine the location of a load applied to a polymethyl methacrylate sheet. A new method based on the application of differential evolution is proposed to solve the inverse scattering problem in fiber Bragg gratings, where constraints are imposed to solve the problem without the need of phase information. A method for detecting multiple loads on a metal sheet is also proposed. In this method, the metal sheet is supported by iron rings containing fiber Bragg gratings, and compressive sensing methods are employed to solve the resulting underdetermined inverse problem. Further developments of the method replaced the iron rings by silicon blocks and employed a new reconstruction method based on compressive sensing and differential evolution. Experimental results show that the proposed computational methods improve the optical fiber sensing and lead to an enhancement of the spatial resolution without increasing the number of transducers.

CAPES Com o intuito de agregar valor à literatura numa área onde resultados positivos são incentivadores no processo de continuidade de pesquisas nesta área, até que se consiga obter a necessária reprodutibilidade do processo para gravação de redes em fibras óticas micro-estruturadas, este trabalho mostra o sucesso obtido na gravação de redes de Bragg e redes de período longo em fibras de cristal fotônico de núcleo sólido. As redes de Bragg são gravadas em fibras micro-estruturadas de 12 anéis de furos ao redor do núcleo, dopado com uma pequena quantidade de germânio. A gravação destas redes é feita utilizando radiação ultravioleta (UV) do laser excímero KrF em 248 nm e máscara de fase, e são obtidas redes de Bragg de ≈ 11 dB de refletividade. As redes de período longo, por sua vez, são gravadas em fibras micro-estruturadas de sílica pura de 6 anéis de furos de ar ao redor do núcleo. Utilizando o método de gravação ponto-a-ponto e radiação infra-vermelha (IR) do laser CO2 são obtidas redes com resultados condizentes com a literatura, ou seja, redes de período longo com um modo principal de ressonância e perda na transmissão de até 17 dB. Também são detalhadas as caracterizações das redes de período longo quanto à tração mecânica e à temperatura, com o diferencial da repetibilidade de ambos os testes para maior confiabilidade nos resultados. Foram obtidas sensibilidade à tração entre −0, 85 pm/με e −6, 3 pm/με. Obtiveram-se sensibilidades à temperatura iguais a −18, 4 pm/◦ C e −19, 6 pm/◦ C. In order to contribute to literature in an area where successful results are important in the process of further research in this area, until it can be obtained the necessary reproducibility of the process of writting gratings in micro-structured optical fibers, this work shows positive Bragg and long period gratings written in solid core photonic crystal fibers. The Bragg gratings are written in a 12 rings of holes around the core doped with a small amount of germanium micro-structured fiber. Written process of these gratings is made using ultraviolet excimer laser KrF at 248 nm and phase mask, and are obtained Bragg gratings with ≈ 11 dB reflectivity. Long period gratings, in turn, are written in micro-structured optical fibers made of pure silica 6 rings of air holes around the core. Using the method of point-to-point and infrared radiation CO2 laser are obtained gratings with consistent results within the literature, that is, gratings with a main mode of resonance and transmission loss of up to 17 dB. This work also detailed characterizations of long period gratings on mechanical stress and temperature variation, emphasizing the repeatability of both tests for more reliable results. Sensitivity to mechanical stress were obtained between −0, 85 pm/με and −6, 3 pm/με. More, sensitivities to temperature variation were equal to −18, 4 pm/◦ C and −19, 6 pm/◦ C.

CAPES Esta tese tem como objetivo investigar a interação de ondas acústicas e redes de Bragg (FBGs) em fibras ópticas convencionais e fibras de núcleo suspenso (SCFs), para avaliar a influência do projeto da fibra, da rede e do modulador, no aumento da eficiência de modulação, largura de banda e frequência. Inicialmente, a resposta em frequência e os modos acústicos de ressonância de um modulador acusto-óptico de baixa frequência (f < 1,2 MHz), são investigados numericamente usando o método dos elementos finitos. Posteriormente, também é investigada numericamente a interação de ondas acústicas longitudinais e FBGs em SCFs. Os parâmetros geométricos das fibras são variados e as propriedades da rede são simuladas por meio do método dos elementos finitos e o método da matriz de transferência. O estudo indica que os furos de ar que compõem a SCF causam uma redução significativa da quantidade de sílica na secção transversal da fibra, aumentando a interação acusto-óptica no núcleo. Modulação experimental da refletividade de FBGs gravadas em duas SCFs diferentes indica evidências do aumento dessa interação. Além disso, um método para induzir acusticamente uma mudança de fase dinâmica em uma FBG com gorjeio, empregando um projeto aperfeiçoado de modulador é mostrado. Posteriormente, uma combinação deste modulador e uma FBG gravada em uma SCF com três furos de ar é aplicada para modular um laser mode-locked em fibra dopada com itérbio. Para melhorar o projeto do modulador para futuras aplicações, outros dois dispositivos distintos são investigados visando aumentar a interação acusto-óptica, a largura de banda e a frequência (f > 10 MHz). Uma modulação forte de refletividade foi obtida para um modulador baseado em uma fibra com diâmetro reduzido. Além disso, um aumento da largura de banda de modulação (320 pm) foi obtido com um modulador baseado na interação de uma rede de período longo radial (RLPG) e uma FBG gravada em uma fibra convencional. Em resumo, os resultados mostram uma redução considerável do comprimento da rede/fibra e do tamanho do modulador, indicando possibilidades de dispositivos acusto-ópticos mais rápidos e compactos em fibra. Além disso, o aumento da eficiência de interação, da largura de banda modulada e da frequência, pode ser útil para reduzir a largura do pulso de lasers mode-locked totalmente em fibra, assim como, para outros dispositivos que requerem o controle da luz em fibras ópticas usando ondas acústicas sintonizáveis eletricamente. This thesis aims to investigate the interaction of acoustic waves and fiber Bragg gratings (FBGs) in standard and suspended-core fibers (SCFs), to evaluate the influence of the fiber, grating and modulator design on the increase of the modulation efficiency, bandwidth and frequency. Initially, the frequency response and the resonant acoustic modes of a low frequency acousto-optic modulator (f < 1.2 MHz) are numerically investigated by using the finite element method. Later, the interaction of longitudinal acoustic waves and FBGs in SCFs is also numerically investigated. The fiber geometric parameters are varied and the strain and grating properties are simulated by means of the finite element method and the transfer matrix method. The study indicates that the air holes composing the SCF cause a significant reduction of the amount of silica in the fiber cross section increasing acousto-optic interaction in the core. Experimental modulation of the reflectivity of FBGs inscribed in two distinct SCFs indicates evidences of this increased interaction. Besides, a method to acoustically induce a dynamic phase-shift in a chirped FBG employing an optimized design of modulator is shown. Afterwards, a combination of this modulator and a FBG inscribed in a three air holes SCF is applied to mode-lock an ytterbium doped fiber laser. To improve the modulator design for future applications, two other distinct devices are investigated to increase the acousto-optic interaction, bandwidth and frequency (f > 10 MHz). A high reflectivity modulation has been achieved for a modulator based on a tapered fiber. Moreover, an increased modulated bandwidth (320 pm) has been obtained for a modulator based on interaction of a radial long period grating (RLPG) and a FBG inscribed in a standard fiber. In summary, the results show a considerable reduction of the grating/fiber length and the modulator size, indicating possibilities for compact and faster acousto-optic fiber devices. Additionally, the increased interaction efficiency, modulated bandwidth and frequency can be useful to shorten the pulse width of future all-fiber mode-locked fiber lasers, as well, to other photonic devices which require the control of the light in optical fibers by electrically tunable acoustic waves.

CAPES Este trabalho descreve a caracterização de ondas acústicas flexurais que se propagam em fibras de cristal fotônico, nas quais estão gravadas Redes de Bragg, e que são excitadas com auxílio de um modulador acusto-óptico. Para sua medida foi desenvolvido um sistema óptico interferométrico, que permitiu a detecção das deflexões mecânicas do transdutor piezoelétrico e da fibra. Medidas da frequência e do período permitiram estimar a velocidade de fase das ondas acústicas flexurais. As ressonâncias do transdutor são verificadas até uma frequência de excitação de 1 MHz. Resultados de medidas realizadas em fibras monomodo convencionais também são apresentados, e as velocidades de fase estimadas são comparadas entre os dois tipos de fibra. This work describes the characterization of flexural acoustic waves propagating in Photonic Crystal Fibers with inscribed Bragg gratings, which are excited by means of an acoustic-optic modulator. An interferometric optical system was developed in order to measure the flexural deformations of the piezoelectric transducer and of the fiber. Measurements of the excitation frequency and period allowed the phase velocity estimation of the flexural acoustic waves. The transducer resonances are checked up to an excitation frequency of 1 MHz. Measured values obtained in standard single mode fibers are also presented and the estimated phase velocities between both types of fibers are compared.

CAPES; CNPq Neste trabalho, os fundamentos da modulação acusto-óptica em redes de difração são apresentados. Através de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânicos, mostrou-se que dois tipos predominantes de excitação acústica podem ser encontrados na fibra óptica dependendo da frequência acústica aplicada. Através da caracterização do modulador acusto-óptico, foi possível desenvolver novas aplicações, dentre as quais pode-se citar um dispositivo de inserção e retirada de canais em links ópticos cuja velocidade de chaveamento é uma das maiores apresentadas até agora na literatura, um compensador de dispersão sintonizável de banda estreita, um filtro óptico baseado na modulação acusto-óptica de uma rede de Bragg com uma diferença de fase, um novo método para controlar a escrita de redes de Bragg durante o processo de gravação utilizando-se da técnica da máscara de fase e um sensor de viscosidade, cuja aplicação pode ser considerada a mais promissora. In this work, the fundamentals of the acousto-optic modulation in diffraction gratings are presented. By means of a detailed analysis of the mechanical excitation modes applied to the modulator set, it was noticed that two predominant modes of acoustic excitation can be found in the optical fiber depending on the applied acoustic frequency. Through this characterization, it was possible to develop new applications, such as a fast acousto-optic add-drop multiplexing for optical channels, which produces one of the fastest switching device presented in the literature, a narrow tunable single channel dispersion compensator, a tunable optical filter based on the acousto-optic modulation of a phase-shifted fiber Bragg grating, a new method to control the spectrum of Bragg gratings during the writing process and a viscosity sensor, whose application can be considered the most promising.

CNPq Este trabalho descreve o desenvolvimento de um dispositivo sintonizador de redes de Bragg em fibra óptica que pode ser utilizado como um filtro óptico ou como um sintonizador de canais de comunicação óptica de redes WDM. O dispositivo faz uso de uma peça mecânica que altera o comprimento de onda de Bragg através da compressão da fibra. A peça mecânica é tracionada por um atuador piezoelétrico multicamadas. O dispositivo ainda é composto por um interrogador de redes de Bragg utilizando uma técnica passiva com a utilização de filtro fixo. O filtro fixo utilizado é um cristal com uma camada de filmes finos. O dispositivo é caracterizado utilizando-se duas redes de Bragg e são avaliados os parâmetros dinâmicos do sistema como a resolução em comprimento de onda e velocidade de sintonização. O sistema de interrogação é ainda descrito através do emprego de simulações computacionais e o sistema desenvolvido é comparado com dados obtidos através de simulações. This work describes the development of a device that can be used as a tunable filter based on a Fiber Bragg Grating or as an optical network switch. The device is made of a mechanical system used to compress the fiber optic in witchi the FGB is inscribed. The mechanical device uses a piezoelectrical multiplayer actuator. The device also contains a passive Fiber Bragg Grating interrogation system using a fixed filter based on a thin film. The device is studied with two FGB and the dynamical characteristics of the systems analyzed, especially the wavelength resolution and the tuning velocity. The device is also investigated using digital simulations and the results are compared with these simulations.