Instituto de Estudos Avançados

A EFO-S tem por atribuição a pesquisa e o desenvolvimento de sensores a óptica guiada, com ênfase especial em:

• sensores inerciais
• pesquisas aplicadas a sensores a fibra óptica

Sensores Inerciais

A navegação de veículos aeroespaciais, terrestres e aquaviários é um aspecto fundamental do Poder Nacional, especialmente nas suas expressões econômica, técnico-científica e militar. Da navegação confiável e precisa dependem o transporte de bens e valores, o lançamento em órbita de satélites artificiais, um grande número de experimentos da ciência espacial e a capacidade militar de defesa e de ataque a alvos.

A implementação de sistemas de navegação depende de dois tipos de sensores inerciais: o acelerômetro e o giroscópio. Os acelerômetros são usados para determinar as acelerações do centro de massa do veículo, através das quais obtém-se as forças que agem sobre o mesmo; os giroscópios são empregados para determinar as rotações em torno deste centro de massa e, por conseguinte, a orientação do veículo em relação à sua trajetória. Com estes dados e as equações de movimento dadas pelas leis de Newton, é possível computar a trajetória do veículo em tempo real, saber sua posição e atitude, e efetuar as correções pertinentes. Neste processo, não é necessário nenhum auxílio externo, tais como sinais de radionavegação e de sistemas de posicionamento global.

Acelerômetros

Os acelerômetros são sensores inerciais utilizados em sistemas de navegação inercial para determinar as acelerações do veículo.

Os acelerômetros podem ser realizados com tecnologia totalmente eletromecânica, de estado sólido, ou opto-mecânica. Acelerômetros eletromecânicos de precisão dependem de uma tecnologia de mecânica fina quase artesanal, que leva muitas décadas para ser desenvolvida. A aquisição destes dispositivos é embargada comercialmente pelos Países que detêm a tecnologia.

Acelerômetros de estado sólido normalmente apresentam baixa precisão e não são, em geral, apropriados para aplicações de navegação de veículos aeroespaciais.

Por outro lado, a tecnologia opto-mecanica possibilita o desenvolvimento de acelerômetros de precisao em poucos anos. Para se chegar a estes dispositivos, deve-se investigar seu comportamento e suas potencialidades com o máximo de detalhe, de forma a se obter o conhecimento necessário para o desenvolvimento de acelerômetros para aplicações específicas. Obter este conhecimento e a competência para construir este tipo de dispositivo é um dos objetivos principais da linha de pesquisa em acelerômetros a fibra óptica. Total autonomia e domínio dos processos tecnológicos envolvidos no acelerômetro opto-mecânico estão sendo adquiridos.

A aplicação deste tipo de acelerômetro é fundamental para o setor de Defesa Aérea, pois ele pode equipar o sistema de navegação de um míssil anti-radiação e aumentar a sua letalidade. Assim, esta linha de pesquisa visa a implementar parte da estratégia de Defesa da Força Aérea Brasileira, qual seja a de alcançar o maior índice possível de nacionalização do equipamento de emprego militar. Outras aplicações possíveis são em aeronaves, navios, trens de alta velocidade, robótica e construção civil.

Os acelerômetros são sensores inerciais utilizados em sistemas de navegação inercial para determinar as acelerações de um veículo. Os acelerômetros podem ser realizados com tecnologia totalmente eletromecânica, de estado sólido, ou opto-mecânica. A aquisição destes dispositivos é embargada comercialmente pelos Países que detêm a tecnologia. Acelerômetros de estado sólido normalmente apresentam baixa precisão e não são, em geral, apropriados para aplicações de navegação de veículos aeroespaciais.

Por outro lado, a tecnologia opto-mecânica possibilita o desenvolvimento de acelerômetros de precisão. Para se chegar a estes dispositivos, torna-se necessário realizar pesquisa abrangente de forma a se obter o conhecimento necessário para o desenvolvimento de acelerômetros para aplicações específicas. Obter este conhecimento e a competência para construir este tipo de dispositivo é um dos objetivos principais da linha de pesquisa em acelerômetros a fibra óptica. A Subdivisão de Sensores a Fibra Óptica realiza pesquisa de modo a adquirir o domínio dos processos tecnológicos envolvidos no acelerômetro opto-mecânico.

Girômetros

O girômetro é um dos principais sensores inerciais em um sistema de navegação inercial, pois permite determinar a atitude do veículo em relação a sua trajetória. O girômetro é um dispositivo capaz de medir velocidades angulares. Dentre as principais tecnologias de girômetros, destaca-se a do girômetro a fibra óptica, em virtude de sua robustez a variáveis ambientais, faixa dinâmica, custo, além de não possuir partes móveis. O giroscópio é um subsistema inercial baseado em um dispositivo girômetro.

O giroscópio a fibra óptica (GFO) incorpora um girômetro que emprega circuitos ópticos e eletrônicos, o qual apresenta uma bobina de fibra óptica como elemento sensor da velocidade angular de rotação em relação a um referencial inercial.

Os giroscópios são os principais sensores inerciais em um sistema de navegação inercial, pois determinam a atitude do veículo em relação a sua trajetória.

O giroscópio é um instrumento capaz de medir velocidades angulares. O giroscópio a fibra óptica (GFO) é um giroscópio que emprega um circuito óptico (que inclui uma bobina de fibra óptica) como elemento sensor da velocidade de rotação em relação a um referencial inercial.

Medir a rotação de um corpo rígido ou de um veículo é uma arte que depende diretamente da incerteza máxima permitida (ou erro) no resultado da medida. Quanto menor for este erro, maior o grau de desempenho do giroscópio, e portanto, maior será o grau de sofisticação tecnológica do instrumento.

Assim, por exemplo, um giroscópio com resolução acima de 30 graus/hora envolve em geral tecnologia mecânica ou micromecância (dispositivos de silício, diapasões de quartzo, etc.), consistindo de sensores mecânicos e eletrônica de processamento de sinal de relativa simplicidade.

O GFO usa como elemento sensor um interferômetro de Sagnac, que funciona de acordo com o efeito Sagnac. Segundo o efeito Sagnac, feixes de luz que se propagam em direções opostas em relação a um sistema de referência em rotação experimentam uma diferença de caminho óptico proporcional à rotação absoluta em torno do eixo perpendicular ao plano dos caminhos. Assim, quando dois feixes de luz percorrem caminhos ópticos fechados idênticos, haverá entre eles uma diferença de fase proporcional à rotação.

Nesta subdivisão, as pesquisas em giroscópios a fibra óptica visam a obter dispositivos aplicáveis à navegação de foguetes e aeronaves (giroscópios de aplicação estratégica) e à navegação e controle de mísseis (aplicação tática). Estas duas aplicações requerem precisão e redução de peso e volume, mas a segunda requer uma miniaturização de peso e volume, embora requeira uma precisão menor.

Atento à necessidade do País em desenvolver sua tecnologia, o Centro Técnico Aeroespacial, através do seu Instituto de Estudos Avançados, desenvolveu, com sucesso, um protótipo de giroscópio baseado em fibra óptica, que recentemente foi testado em vôo de helicóptero. O resultado foi comparado à medida realizada por um giroscópio mecânico de aferição instalado na aeronave pela empresa Embraer. Os resultados medidos pelos dois sistemas apresentaram performance similar, sendo que o GFO se mostrou mais imune à vibração mecânica. Outro protótipo foi construído e, voou com êxito, em março de 1999, num foguete VS-30, precursor do veículo lançador de satélites desenvolvido pelo CTA. Este último protótipo de GFO foi recuperado no mar, e ainda encontra-se em perfeito funcionamento.

Pesquisas Aplicadas a Sensores a Fibra Óptica

Outras linhas de pesquisa abordam assuntos pertinentes a sensores a fibra óptica, visando ao desenvolvimento de materiais, componentes e sistemas que tenham emprego direto no projeto de novos sensores: Óptica Integrada, Óptica de Polarização, Fibras Ópticas Especiais, Grades de difração do tipo Bragg em Fibras Ópticas, Fontes Ópticas de Espectro Largo, Sensores Distribuídos, Sensores de Corrente e Tensão Elétrica, Giroscópios e Acelerômetros a Fibra Óptica em novas configurações, Modelagem Matemática e Simulação de Sensores e Processamento de Sinais de Sensores.

Grades de Difração do tipo Bragg em Fibras Ópticas

Uma das prioridades mais relevantes de um país é poder apresentar um sistema comunicação bem estruturado. Para isto, é necessário contar com tecnologias de ponta que ofereçam soluções eficientes às demandas de comunicação, cada vez mais avançadas e exigentes quanto à densidade de dados, velocidade de transmissão, segurança e, principalmente, baixo custo. Dentro deste contexto, as comunicações ópticas constituem um elemento essencial do conjunto de alternativas que atendem às telecomunicações. O paradoxo desta situação é que, na atualidade e a nível mundial, o potencial das comunicações ópticas ainda não está totalmente explorado. De fato, as fibras ópticas têm sido utilizadas primordialmente para interligar centrais telefônicas, alguns supercomputadores, ou são o canal físico por onde se transmitem dados dos sinais de pequenas redes locais de computadores. Entretanto, nos próximos dez anos, prevê-se que as fibras ópticas serão o canal de transmissão de macro-redes que ligarão fisicamente todas as casas e laboratórios do mundo; isto permitirá o acesso por uma só fibra óptica a serviços como: televisão de alta definição, vídeo para teleconferência, áudio digital, redes de telecomunicações, redes de computadores, etc. A tendência atual mais importante é a de se realizar macro-redes baseadas no principio de multicanalização por comprimento de onda. Sabe-se que, por uma única fibra óptica se introduzem inúmeros sinais ópticos, cada um de diferente comprimento de onda (cada qual representando um canal de transmissão específico), e modulados segundo algum formato digital. Evidentemente, dentro destes sistemas multicanais com inúmeros comprimentos de onda (DWDM, sigla em inglês), um dispositivo fundamental é o laser gerador de luz, o qual proporciona os diferentes comprimentos de onda que atendem a cada um destes canais de transmissão.

O IEAv possui um laboratório equipado para inscrição de grades de Bragg em fibras ópticas: fabricação, caracterização e aplicações em sensores à fibra óptica e telecomunicações (Fiber Bragg Grating). Este projeto de inscrição de redes de Bragg iniciou-se em 1999, com o apoio da FAPESP; adicionalmente, tem-se mantido contato com outras instituições, através do fornecimento destes dispositivos por esta Subdivisão, a fim de fomentar o desenvolvimento de outros trabalhos de pesquisa, ligados a trabalhos de graduação, teses de mestrado, doutorado, etc.

A pesquisa em grades de Bragg em fibras ópticas no IEAV, tem como objetivo desenvolver a tecnologia de fabricação, caracterização e aplicações de grades de Bragg em fibras ópticas tanto em sensores quanto em dispositivos aplicáveis à área de telecomunicações.

Fabricação da Grade de Bragg

O processo de inscrição de grades de Bragg em fibras ópticas é baseado na exposição de uma fibra óptica, previamente preparada por processo de hidrogenação, em um padrão de modulação de intensidade formado pela superposição de dois feixes laser em ultravioleta (UV).

Obtemos os feixes de laser em UV a partir de um laser de Argônio (comprimentos de onda discretos entre 457 nm e 528 nm) com um cristal intra-cavidade de ß-BaB2O4, beta-borato de bário (BBO), como dobrador de freqüência. Este sistema é equipado com este cristal óptico não-linear para produzir a geração de segunda harmônica óptica, gerando um feixe de saída na região da luz UV com potência óptica da ordem de 0.25 mW, em comprimentos de onda discretos entre 229 nm e 264 nm.

Uma máscara de fase com uma grade de difração por transmissão, com periodicidade espacial de 1,0526 mm, colocada na saída do feixe da radiação UV produz feixes difratados para um comprimento de onda de l=248 nm. Utilizam-se os feixes difratados de primeira ordem, que sofrem um desvio angular simétrico com relação ao feixe incidente e que possuem aproximadamente a mesma potência óptica. Com dois espelhos paralelos (R?100%), torna-se possível a recombinação destes dois feixes, que são difratados segundo um ângulo determinado pela máscara, conforme pode ser observado na Figura 1.

Estes dois feixes, após incidirem nos espelhos, voltam a se aproximar até se cruzar segundo um ângulo que passa a ser ajustável girando-se os espelhos. Estes espelhos são fixos em suportes móveis e os posicionadores micrométricos são controlados por um motor-de-passo que permite o ajuste angular dos mesmos. Uma das vantagens em utilizar estes dois espelhos é de se obter grades em comprimentos de onda variados na faixa de 1200 nm a 1650 nm.

Óptica Integrada

A linha de pesquisa em Óptica Integrada tem por objetivo desenvolver moduladores eletroópticos e circuitos ópticos multifuncionais, para aplicação em sensores inerciais a fibra óptica, utilizando materiais e processos no estado-da-arte. O laboratório de Óptica Integrada da Subdivisão compreende dois ambientes limpos (classes 100.000 e classe 10.000), bancadas de classe 100, equipamentos para processamento de materiais, litografia de contato e proximidade, e soldagem de micro-fios.

Fontes Ópticas de Espectro Largo

Os sucessos obtidos recentemente nos protótipos de GFOs desenvolvidos nesta Subdivisão, nos proporciona capacitação técnica suficiente para montar novos protótipos de altíssima precisão de modo a construir sistemas de estabilização e guiamento para aplicações aeroespaciais. Para esta classe de sensores, no entanto, uma estabilidade em temperatura do fator de escala (coeficiente da relação entre a taxa de rotação medida e a voltagem indicada pelo sensor) menor que 10 ppm/ºC torna-se de fundamental importância. Uma deriva de sinal da ordem de 0.1 grau/hora, ou menor, é também um requisito relevante. Ambas as especificações são atingidas em giroscópios que usem uma fonte de banda larga, com potência óptica alta e com alta estabilidade do comprimento de onda central do espectro. Estas características são encontradas em fontes de luz que utilizam uma cavidade composta de uma fibra óptica dopada com materiais de terras raras.

É bem conhecido o fato de que uma fonte de luz com banda de emissão larga (maior do que 10 nm) é o requisito básico no funcionamento de um GFO de precisão, o que permite reduzir ou eliminar os erros de coerência e ruídos devido ao retroespalhamento de Rayleigh, efeito Kerr (óptico), e acoplamentos cruzados de polarização. Os GFOs comerciais de média performance utilizam como fonte de banda larga dispositivos semicondutores de emissão de luz super-radiante (diodo superluminescente). Entretanto, fontes de semicondutores têm uma variação espectral com a temperatura maior do que 400 ppm/ºC, tornando-as inadequadas para aplicações em navegação inercial de alta precisão.

Como fonte de banda larga para um GFO, em sistemas de navegação, a superfluorescência obtida em fibra óptica dopadas com íons de terras raras (elemento químico érbio, por exemplo) constitui-se numa alternativa bastante vantajosa em relação ao diodo superluminescente. As fontes de superfluorescência em fibra óptica podem ter uma estabilidade, em temperatura, acima de duas ordens de magnitude àquela obtida com fontes de diodo superluminescente. Além disso, as fontes com fibra óptica dopadas com terras raras fornecem maior potência luminosa e apresentam tempo de vida útil muito superior, comparativamente a outras tecnologias.

O acoplador WDM é um multiplexador de divisão de comprimentos de onda. O isolador, insensível à polarização, impede a realimentação óptica da radiação em 1550 nm (o que alteraria o espectro da superfluorescência). Na extremidade da fibra com érbio é feito uma clivagem em ângulo para impedir a reflexão da fluorescência.

Óptica de Polarização

Nesta linha de pesquisa, exploram-se as propriedades de polarização da luz e suas aplicações a sensores. A interferometria polarimétrica no domínio de coerência é uma técnica utilizada para determinar as características de polarização de componentes ópticos guiados e de fontes laser multimodo.

Fibras Ópticas Especiais

Fibras ópticas de alta birrefringência, fibras polarizadoras, fibras dopadas com terras raras, fibras fotossensíveis, e fibras ópticas de materiais poliméricos, são alguns exemplos de objetos de estudo nesta linha de pesquisa.

Sensores Distribuídos

Nesta linha pesquisa, busca-se o desenvolvimento de sensores distribuídos ao longo de uma fibra óptica, que por sua vez é estendida ao longo de uma estrutura para monitoramento de deformação e temperatura. Os elementos sensores podem ser baseados em grades de difração do tipo Bragg ou em efeitos não lineares (espalhamento Brillouin e Raman).

Sensores de Corrente e Tensão Elétrica

Estes sensores, como o giroscópio a fibra óptica, são baseados no interferômetro de Sagnac. Portanto, utilizam a mesma tecnologia básica e constituem, assim, uma aplicação civil de grande perspectiva econômica para esta tecnologia. Esta linha de pesquisa busca o desenvolvimento das metodologias particulares de cada um destes sensores e a obtenção de seus modelos de engenharia.

Modelagem Matemática e Simulação de Sensores

Nesta linha de pesquisa desenvolvem-se formulações teóricas dos sensores e dispositivos ópticos e suas respectivas simulações numéricas, visando ao entendimento profundo de seu funcionamento, dos efeitos espúrios devidos a fatores diversos de não idealidade, bem como à obtenção de metodologias gerais para linhas de pesquisas futuras.

No subsistema óptico, emprega-se também o cálculo de Jones para determinação da intensidade luminosa que se propaga no sistema, considerando-se fontes ópticas parcialmente polarizadas e parcialmente coerentes.

Processamento de Sinais de Sensores

À medida que os moduladores eletroópticos evoluem em desempenho e integração, o problema da melhor técnica de modulação a empregar e o correspondente algoritmo de processamento de sinal do sensor se tornam mais abertos a inovações. Esta linha de pesquisa tem por objetivo o estudo de técnicas de processamento de sinais de sensores, para obtenção das grandezas a serem medidas, de modo a satisfazer as limitações e especificações impostas pelo sistema ao qual o sensor se destina.