Exploitation of few-mode fibers for sensing

This thesis presents an experimental investigation of the use of Few-Mode Fibers (FMFs) for optical sensing applications. This study is focused on the exploitation of intermodal crosstalk (IMXT), generally viewed as an undesired effect in transmission, to freely achieve the detection of external mechanical perturbations, without the use of supplementary sensing interrogator apparata. Weused an experimental setup comprising mode-selective multiplexer (MUX) and demul tiplexer (DEMUX), and a graded-index 15-mode FMF. This allowed selective excitation and detection of the supported spatial modes. Compared to previous works in the lit erature, on one side we examined sensing capabilities of a system enabling also spatial division multiplexed data transmission, and on the other side we extended the discussion regarding the potential of joint transmission and sensing in FMFs, considering new sens ing setups that were not previously tackled. In particular, in this thesis, we investigated four experimental sensing configurations, featuring the use of different modes as inputs, and transmission or back-propagation scenarios. All sensing configurations involved the monitoring of an external vibrations by means of the IMXT induced by optical compo nents imperfections and perturbations, which excited all other modes in addition to the input ones. Weachieved effective and repeatable detection of the perturbation with all considered con f igurations, despite the presence of higher-order harmonics induced by the non-linearity of the system applying the vibration to the FMF. Depending on the considered configu ration, we show differences between 10 dB and 30 dB among the fundamental harmonic peak and the higher-order harmonics peaks. We also show signal-to-noise ratio values up to 80 dB for the received signals

Questa tesi presenta un’indagine sperimentale sull’impiego delle fibre a pochi modi (Few Mode Fibers„ FMF) per applicazioni di sensing ottico. Lo studio si concentra sull’utilizzo del crosstalk intermodale (IMXT), solitamente considerato un effetto indesiderato nelle trasmissioni, come meccanismo per la rilevazione di perturbazioni meccaniche esterne, senza la necessità di apparati di interrogazione dedicati. L’apparato sperimentale impiegato comprende un multiplexer (MUX) e un demultiplexer (DEMUX) per la selezione dei singoli modi, insieme a una fibra a indice graduato a 15 modi (FMF). Questa configurazione ha permesso l’eccitazione e la rilevazione selettiva dei modi spaziali supportati. Rispetto ai lavori presenti in letteratura, da un lato è stata anal izzata la capacità di sensing di un sistema che può anche supportare la trasmissione dati mediante multiplazione spaziale, e dall’altro è stata ampliata la discussione sul potenziale delle FMF per la coesistenza di trasmissione e sensing, introducendo nuove configurazioni sperimentali non ancora esplorate. In particolare, in questa tesi sono state studiate quat tro configurazioni di sensing sperimentali, che differiscono per il modo di eccitazione e per la condizione di propagazione, in trasmissione o in riflessione. Tutte le configurazioni prevedono il monitoraggio di vibrazioni esterne mediante l’IMXT indotto dalle imper fezioni dei componenti ottici e dalle perturbazioni applicate, che generano l’eccitazione di modi aggiuntivi rispetto a quelli di ingresso. In tutte le configurazioni considerate è stata ottenuta una rilevazione efficace e ripetibile della perturbazione, nonostante la presenza di armoniche di ordine superiore generate dalla non linearità del sistema che applica la vibrazione alla FMF.A seconda della con f igurazione analizzata, sono state osservate differenze comprese tra 10 dB e 30 dB tra il picco della componente fondamentale e quelli delle armoniche di ordine superiore. Sono inoltre stati misurati valori di rapporto segnale-rumore (SNR) fino a 80 dB per i segnali ricevuti.