Integrated photonic interrogator system for fiber Bragg grating based sensing

In this thesis the integrated photonics system that permits the measurement of temperature and strain on a Fiber Bragg Grating sensor is presented. The signal, generated by the amplifier spontaneous emission of a SOA is carried to the FBG through a PM optical fiber. Operating with two separated polarization states, the reflection of the Fiber Bragg Grating presents two different reflection peaks, thus carries information of both temperature and strain at the FBG sensor. The measurement signal, reflected by the FBG, propagates through the PM fiber and reaches the amplifier to finally arrive at a microring resonator. The resonator has its resonance thermo-optically tunable through an integrated microheater, that is driven with a voltage controller. The acquisition program apply the voltage on the heater and read the voltage values on a photodiode at the output port of the microring. The processing of this data permits to obtain the optical spectrum and calculate both the temperature and strain at the FBG. The theoretical model of the entire system is presented and also the characterization of each building block operating for the measurement. Finally the measurement obtained will be shown and the implementation to improve the acquisition. With the developed system, measurements with an accuracy of 2°C and 0.2 x 10^(-4) Strain were obtained, with an interrogator architecture that is small enough to be integrated in a portable device.

In questa tesi viene presentato un sistema in fotonica integrata che permette la misura di temperatura e sforzo utilizzando reticoli di Bragg in fibra ottica. Il segnale, che viene generato dall’emissione spontanea di un amplificatore ottico a semiconduttore (SOA), passa, attraverso ad una fibra PM, ad un reticolo di Bragg. Operando su due stati di polarizzazione separati, la riflessione sarà su due lunghezze d’onda separate, potendo così trasportare le informazioni riguardanti sia la temperatura che lo sforzo. La riflessione, passando nella medesima fibra PM, rientra nell’amplificatore fino ad arrivare su un risonatore ad anello. L'anello presenta una risonanza regolabile termo-otticamente attraverso un heater integrato. Il programma di acquisizione applica la tensione sull’heater e legge i valori di tensione sul fotodiodo in uscita dall’anello. Tramite l’elaborazione di questi dati viene quindi mostrato lo spettro e calcolati i valori di temperatura e sforzo sul sensore. Verrà poi presentato il modello teorico utilizzato per la modellazione dell’intero sistema e le caratterizzazioni operate su ogni singolo dispositivo che costituisce l’architettura del sistema. Verranno infine mostrate le misure ottenute e le implementazioni attuate per migliorare le acquisizioni. Con il sistema sviluppato la risoluzione ottenuta è di 2°C e 0.2 x 10^(-4) Strain grazie ad una architettura dell'interrogatore abbastanza piccola da essere integrata in dispositivi portatili.