DESENVOLVIMENTO DE UM RECEPTOR OPTOACÚSTICO BASEADO EM INTERFERÔMETRO MODALMÉTRICO PARA COMUNICAÇÃO DIGITAL ULTRASSÔNICA

Abstract

This thesis describes the development of an original optoacoustic receptor, based on a fiber optic multimodal interferometer, modalmetric device, reflects a spectrum centered around 1550 nm in order to achieve digital acoustic communication through solid or liquid materials. This thesis describes original contributions along four chronological stages: in the first, a remote Bragg grating was used as a optoacoustic receptor. It was observed that, to obtain the maximum sensitivity lased should be used, and that it was difficult to obtain the “spectral alignment”. Besides that, the Bragg grating should be kept available and its sensibility to temperature and physical deformations should be taken into account. In the second, the modalmetric receptor was used in a very basic structure with a single-mode spliced with a sensitive multimode fiber (s-MMF) strand. In this second stage, based on the MMI effect, and with all measures made at 42.9 kHz, many methods were used to try to increase the modalmetric sensibility, such as: acoustic wave amplitude, injected power, reflexive and transmissive modes, angled connectors and wave length. In the third, using the device only in reflexive mode, the modalmetric “scale effect” and the sensibility increase it can be attained by increasing the multimode fiber length is investigated. The interfering behavior could not be explained by a two-mode interferometer, only when using at least three interfering modes. In the fourth stage, a piezoelectric transducer was used as a transmitter and a reflexive modalmetric as a receptor to implement a acoustic link at 42.9 kHz and 500 kHz along two metal billets, with 10 cm total thickness. The specifications observed in the modalmetric shows potential for binary digital communications, but are not adequate to analog sensoring as it would be hard to attain calibration.

Neste trabalho é descrito o desenvolvimento de um receptor optoacústico original, baseado em um interferômetro multimodal em fibra óptica, dispositivo modalmétrico, operando em torno de 1550 nm destinado em potencial às comunicações acústicas digitais através de meios materiais sólidos ou líquidos. Esta tese descreve contribuições originais ao longo de quatro etapas que se seguiram cronologicamente: na primeira, uma rede de Bragg remota ao ponto de incidência acústica foi utilizada como o elemento receptor optoacústico. Observou-se que o dispositivo para ter sensibilidade maximizada devia operar com laser, o que se tornava uma dificuldade devido ao requerimento de “alinhamento espectral”. Além disso, a rede de Bragg devia estar disponível e a sua sensibilidade à temperatura e deformações devia também ser levado em conta. Na segunda, foi, de fato, iniciado o receptor modalmétrico onde uma estrutura bastante simples formada por uma fibra óptica monomodo era emendada em certo comprimento curto (da ordem de centímetros) de fibra óptica multimodo (s-MMF) com sua extremidade clivada ou espelhada. Então nesta 2ª etapa, diversas investigações foram realizadas sobre algumas formas de aumentar a sensibilidade do “modalmétrico”, baseado no efeito MMI, todas as medidas em 42,9 kHz, como: amplitude da onda acústica incidente, potência óptica injetada, modalidades reflexiva e transmissiva, conectores em ângulo e comprimento de onda. Na terceira, explorando o dispositivo apenas na modalidade reflexiva, é investigado o “efeito escala” do modalmétrico, que se trata do aumento de sua sensibilidade que pode ser obtido aumentando-se o comprimento da fibra multimodo. Observou-se um comportamento interferométrico que através de um modelo numérico simples, não pode ser explicado por um interferômetro com 2 modos, mas com pelo menos 3 modos. Na quarta etapa, utilizou-se um transdutor piezoelétrico como transmissor e um modalmétrico reflexivo como receptor para implementar um enlace acústico em 42,9 kHz e 500 kHz ao longo de dois tarugos metálicos, de 10 cm ao todo de espessura. As características observadas do modalmétrico lhe conferem uma conveniência para aplicações em comunicações digitais binárias, porém não são adequados para servir como sensores de grandezas analógicas devido à dificuldade em realizar calibração.