Experimental assessment of demodulation algorithms to support interferometric optical fiber sensors

This thesis, conducted at the Optical Communications Laboratory of the Politecnico di Milano (PoliCom), focuses on the application and advancements of interferometry in the field of sensing, with particular emphasis on the use of fiber optic interferometric sensors and the associated demodulation algorithm models. Fiber optic sensors have undergone significant evolution over the years, offering substantial advantages in terms of sensitivity, precision, and immunity to electromagnetic interference. This thesis provides a comprehensive review of technological advancements in this field, highlighting the critical aspects and strengths of two configurations based on the Michelson interferometer. The first configuration uses a 3x3 coupler, while the second employs a 2x2 coupler, followed by an experimental analysis of various demodulation algorithms. The proposed study initially delves into the purely mathematical aspect of the interference phenomenon, presenting two different scenarios. The first basic scenario involves the use of monochromatic beams with the same state of polarization (SOP). A second scenario proposes a more complex view, where the different SOPs of the two interfering beams impact the visibility factor. This is followed by a detailed analysis of the experimental setups and the data processing techniques used, highlighting the limitations and advantages of each setup and the associated digital processing algorithms. The experimental characterization reported excellent results, making the use of the "Michelson interferometer with 2x2 coupler" configuration a valid alternative to the more complex "Michelson interferometer with 3x3 coupler" configuration. This allows implementation even in scenarios where the presence of a 2x2 coupler is already guaranteed, eliminating the need for costly and repeated site access. In conclusion, this thesis not only advances the understanding of interferometric techniques and their application in fiber optic sensors but also paves the way for future research and developments in this field. The findings contribute significantly to the body of knowledge, providing a solid foundation for the implementation of high-performance fiber optic sensors in various engineering domains.

La seguente tesi, svolta presso il laboratorio di comunicazioni ottiche del Politecnico di Milano (PoliCom), si concentra sull'applicazione e i progressi dell'interferometria nel campo sensoristico, con particolare enfasi sull'uso dei sensori interferometrici in fibra e sui relativi modelli algoritmici di demodulazione. I sensori ottici in fibra hanno subito un'evoluzione significativa nel corso degli anni, offrendo vantaggi impareggiabili in termini di sensibilità, precisione e immunità alle interferenze elettromagnetiche. La tesi fornisce una revisione completa dei progressi tecnologici in questo ambito, evidenziando le criticità e i punti di forza di due configurazioni basate sull'interferometro di Michelson, implementato inizialmente con un coupler 3x3 e successivamente con un coupler 2x2, per poi procedere con la presentazione di diversi algoritmi di demodulazione. Lo studio proposto approfondisce inizialmente l'aspetto puramente matematico del fenomeno di interferenza, presentando due differenti scenari. Il primo scenario di base prevede l'uso di fasci monocromatici con lo stesso stato di polarizzazione (SOP). Un secondo scenario propone invece una visione più complessa, dove il diverso SOP dei due rami interferenti influisce sul fattore di visibilità. Segue un'analisi dettagliata dei setup sperimentali e delle tecniche di elaborazione dei dati utilizzate, sottolineando i limiti e i vantaggi di ciascuno dei setup e dei relativi algoritmi di elaborazione digitale. La caratterizzazione sperimentale ha riportato ottimi risultati, rendendo l'utilizzo della configurazione "interferometro di Michelson + coupler 2x2" un'alternativa valida alla più complessa e articolata configurazione "interferometro di Michelson + coupler 3x3". Questo permette un'implementazione anche in scenari in cui la presenza di un coupler 2x2 è già garantita, eliminando la necessità di accedere nuovamente e in modo dispendioso al sito. In conclusione, la tesi non solo avanza la comprensione delle tecniche interferometriche e della loro applicazione nei sensori ottici in fibra, ma apre anche la strada a future ricerche e sviluppi in questo campo. I risultati contribuiscono significativamente al corpo di conoscenze, fornendo una solida base per l'implementazione di sensori ottici a fibra ad alte prestazioni in vari settori dell'ingegneria.