ES2213815T3 - Procedimiento para producir una cavidad resonante en una fibra optica, en particular para un sensor interferometrico, y fibra optica producida mediante dicho procedimiento. - Google Patents

Abstract

PARA FORMAR UN ELEMENTO OPTICO (20), EN PARTICULAR UN SENSOR INTERFOMETRICO, SE SITUA UNA FIBRA OPTICA (1) TANGENTE A UN ELEMENTO DE SOPORTE CILINDRICO (2) UNA PARTE RECTILINEA (1A) DE LA FIBRA OPTICA Y EL ELEMENTO DE SOPORTE SE FUSIONAN EN SUPERFICIE Y UNA CAVIDAD (26) SE FORMA EN LA FIBRA OPTICA (1), SIENDO DEFINIDA LA CAVIDAD POR SUPERFICIES ENFRENTADAS (27, 28) DE LA PARTE RECTA (14) PRACTICAMENTE PERPENDICULAR AL EJE DE LA PARTE RECTILINEA(1A). LA FIBRA OPTICA (1) Y EL ELEMENTO DE SOPORTE (2) PUEDEN TAMBIEN ESTAR SOMETIDOS A TRACCION DURANTE LA FUSION EN SUPERFICIE PARA FORMAR UNA PARTE DE SECCION TRANSVERSAL PEQUEÑA JUNTO A LA CAVIDAD Y QUE, CUANDO SE LA LUZ ES CONDUCIDA POR EL ELEMENTO OPTICO, PROPORCIONA REDUCCION DE LA CANTIDAD DE LUZ DISPERSADA EN LA CAVIDAD.

Description

Procedimiento para producir una cavidad resonante en una fibra óptica, en particular para un sensor interferométrico, y fibra óptica producida mediante dicho procedimiento.

Más particularmente, la presente invención se refiere a un procedimiento para producir un elemento óptico que puede utilizarse ventajosamente en sensores interferométricos Fabry-Perot y Fizeau, que proporcionan mediciones de alta resolución de temperatura, densidad, presión, resistencia mecánica, vibración mecánica, onda acústica y campo magnético, así como para medir las propiedades, p.ej. térmicas, eléctricas, magnéticas, químicas, mecánicas, etc. de materiales.

Como es sabido, además de una fuente de luz y de un fotodetector, los interferómetros Fabry-Perot comprenden también una cavidad transparente definida por dos superficies reflectoras planas y paralelas (una de las cuales, por lo menos, es parcialmente receptora para permitir que la luz salga fuera de la cavidad) y, a su vez, definen una cavidad resonante para la luz emitida por la fuente de luz.

Los interferómetros Fabry-Perot se construyen en diversas configuraciones, según el tipo de medición que se efectúe.

En una de las configuraciones ya conocidas, los extremos de una primera y una segunda fibras ópticas del mismo tipo se colocan enfrentadas entre sí para definir una cavidad resonante óptica entre los dos extremos.

Para que el interferómetro funcione correctamente, los extremos de las dos fibras deben estar alineados con una precisión extremadamente grande, deben estar distanciados con precisión para definir una cavidad de una longitud predeterminada, y deben mantenerse inmovilizados en esa posición para definir una cavidad estable no sujeta a variaciones dimensionales en el tiempo o debidas a la temperatura (diferentes de las producidas deliberadamente para efectuar la medición). A este fin, se han propuesto diversas soluciones.

En una técnica conocida, los extremos de las dos fibras se insertan en el interior de extremos opuestos de un tubo capilar de un diámetro interior ligeramente superior al del diámetro exterior de las fibras, y se colocan enfrentadas entre sí a una distancia igual a la longitud requerida de la cavidad. Cuando se quiere asegurar la alineación precisa de las fibras, la técnica anteriormente mencionada resulta difícil de establecer a causa de las pequeñas tolerancias implicadas. Además, mientras se permite que las dos fibras se separen según las dimensiones de la cavidad, la conexión entre el tubo capilar y las fibras es débil, y puede producir inestabilidad de la cavidad debido a un movimiento axial indeseado de las fibras durante la medición.

Otra técnica conocida emplea un tubo capilar similar dentro del cual se dispone el extremo de una de las dos fibras; y el extremo de la segunda fibra se inserta dentro del otro extremo del tubo, se separa según se precise con respecto a la primera fibra, y después se fija al tubo utilizando una resina epoxi. Sin embargo, en este caso se presentan dificultades al alinear la segunda fibra con la primera; una eventual degradación y la sensibilidad a las altas temperaturas de la resina epoxi impiden ocasionalmente la estabilidad de la conexión; y este proceso, en conjunto, es más complicado que el primero.

En otra técnica conocida, entre los extremos opuestos de las dos fibras se interpone un tubo capilar del mismo diámetro exterior que las fibras y de una longitud igual a la longitud requerida de la cavidad; y los bordes extremos del tubo capilar se fusionan con los de las fibras adyacentes para formar una cavidad que es inaccesible desde el exterior. El inconveniente de esta técnica reside en la precisión de alineación implicada.

Además, todas las técnicas mencionadas anteriormente dan como resultado una cavidad cerrada, lo que impide la metalización de los extremos de las fibras (para variar las características de respuesta del interferómetro) y la inserción dentro de la cavidad de los elementos o sustancias ópticos requeridos para realizar cierto tipos de mediciones.

La patente US nº 4.830.451 describe un elemento óptico en el cual una fibra óptica que define una cavidad se fija a una varilla de soporte mediante cierto número de puntos de adhesivo.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento para conectar con estabilidad los extremos de dos fibras que definen una cavidad resonante de un interferómetro, y diseñado para superar los inconvenientes mencionados anteriormente.

Según la presente invención, se proporciona un procedimiento para producir un elemento óptico, en particular un sensor interferométrico, tal como se describe en la reivindicación 1.

La presente invención se refiere asimismo a un elemento óptico producido utilizando el procedimiento mencionado anteriormente.

Según la presente invención, se proporciona un elemento óptico tal como se describe en la reivindicación 13.

A título de ejemplo, a continuación se describe una forma de realización preferida pero no limitativa de la presente invención, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

la figura 1 representa esquemáticamente una primera etapa del procedimiento según la presente invención;

la figura 2 representa una parte del elemento óptico según la invención en el extremo de una etapa intermedia en el procedimiento según la invención;

la figura 3 presenta esquemáticamente y con partes separadas, en aras de la claridad, otra etapa en el procedimiento según la invención;

la figura 4 representa esquemáticamente y con partes separadas, en aras de la claridad, una variante de la etapa de la figura 3;

la figura 5 representa un elemento óptico acabado según la invención;

la figura 6 representa esquemáticamente un interferómetro óptico de Fabry-Perot que comporta el elemento óptico según la invención.

El procedimiento según la presente invención está destinado a producir un elemento óptico, que puede utilizarse ventajosamente como componente principal de un interferómetro óptico, particularmente uno del tipo Fabry-Perot.

Como se indica en la figura 1, el elemento óptico de la presente invención se produce a partir de una primera fibra óptica 1 realizada de vidrio (p.ej. una fibra de un único modo de un diámetro exterior de 125 \mum) para transportar luz a un interferómetro Fabry-Perot, y desde una segunda fibra óptica 2, hecha también de vidrio, de diámetro mayor que el de la primera fibra, y para definir simplemente un soporte estructural para dicha fibra 1.

Inicialmente, el procedimiento comprende la etapa de fijar las dos fibras 1 y 2 a un dispositivo 3 conocido de soporte y tracción para situar las fibras 1 y 2 paralelas y en contacto entre sí a lo largo de una parte recta de longitud predeterminada. Más particularmente, las fibras 1 y 2 se colocan en contacto entre sí, de manera que las secciones transversales circulares de las fibras son tangentes entre sí a lo largo de una parte de contacto Z.

Un dispositivo 3 de soporte y tracción comprende dos carros 4 de tipo conocido (representados esquemáticamente) dispuestos sobre una superficie horizontal 5, que de manera controlada se deslizan aproximándose uno al otro a lo largo de la superficie 5; y las fibras 1 y 2 están sujetas de manera conocida (no representada) a los carros 4 de modo que las respectivas partes adyacentes 1a y 2a se extienden en direcciones rectas y paralelas entre los carros 4.

Entre los carros 4 se dispone un quemador 7 de gas butano que emite una llama 8 y que se mueve de manera controlada entre dichos carros para calentar las partes adyacentes 1a y 2a con la llama 8 hasta una temperatura predeterminada y así fundir las superficies de las partes 1a y 2a a lo largo de la parte Z en contacto. Dicho tratamiento térmico se controla en cuanto a duración, temperatura de la llama 8 y desplazamiento del quemador 7; las partes 1a y 2a se funden sólo superficialmente para impedir alterar de manera importante el núcleo, y por ello las propiedades transmisoras de la luz de la fibra 1; y, siguiendo con el tratamiento térmico, las fibras 1 y 2 se fijan de manera estable entre sí a lo largo de la parte Z en contacto.

Simultáneamente con el proceso de fusión, las partes 1a y 2a también pueden someterse a un proceso de disminución de diámetro, que comprende desplazar los carros 4 separándose uno del otro para ejercer una tracción controlada sobre las partes 1a y 2a a medida que dichas partes van siendo calentadas, y así estrechar las parte 1a y 2a axialmente para formas una parte central 9 de sección transversal pequeña (figura 2). El proceso de disminución del diámetro sirve para variar las características mecánicas y de conducción de la luz de la fibra 1, como se describe más adelante.

Siguiendo con la fusión y disminución del diámetro (si existe) de las fibras 1 y 2, se forma una cavidad ópticamente transparente que define una cavidad resonante óptica a lo largo de la parte 1a usando una de las dos técnicas descritas a continuación.

En una primera técnica, representada en la figura 3, se efectúa una incisión 10 superficial en la parte 1a con un útil afilado 11 para debilitar la fibra 1 en la zona de la incisión; las partes 1a y 2a se curvan alrededor de la incisión, como se indica con línea de trazos, para deformar las fibras 1 y 2, romper la fibra 1 sólo en la incisión 10, y formar así una cavidad 12 muy pequeña (aprox. de sólo una micra de anchura, tal como se representa con la línea de trazos y más claramente en el detalle ampliado), incisión definida por dos planos no pertenecientes a superficies 13 y 14 perfectamente paralelas (formando un ángulo de una fracción de grado). El tamaño de la cavidad 12 puede ajustarse dentro de un estrecho margen aumentando o disminuyendo la medida en que las fibras 1 y 2 se curvan, y puede estabilizarse mediante un proceso de recocido en el que las partes 1a y 2a se calientan mediante la llama 8 a una temperatura inferior a la de fusión para estabilizar las posiciones mutuas de las superficies planas 13 y 14, que también son sensiblemente perpendiculares al eje de la parte 1a de la fibra 1.

En una segunda técnica representada en la figura 4, la cavidad se forma en la parte 1a utilizando una sierra circular 16 (sólo representada parcialmente) con una hoja plana 17 giratoria de espesor constante. La hoja 17 se dispone con su eje paralelo a los ejes de las fibras 1 y 2, y se desplaza hacia la fibra 1 de manera que se tenga la seguridad de que se mantiene perpendicular al eje de la fibra 1, para cortar la parte 1a transversalmente y formar así una cavidad 18 de la misma dimensión que el espesor de la hoja 17 y definida por dos superficies planas y paralelas (no representadas) enfrentadas entre sí y perpendiculares al eje de la parte 1a.

Según una variante no representada, usando alguna de las técnicas mencionadas anteriormente, pueden formarse cavidades mayores, formando en la parte 1a dos interrupciones (roturas o cortes, según sea la técnica) separadas por una distancia predeterminada, y eliminando la parte de fibra óptica entre las dos interrupciones.

Al final de los procesos anteriores, las partes 1a y 2a se cortan (de manera no representada) para obtener un elemento óptico 20 según se representa en la figura 5, y que comprende una primera parte 21 de fibra óptica definida por un fragmento de la parte 1a de longitud predeterminada (p.ej. varios centímetros), y una segunda parte 22 de fibra óptica definida por una parte de la parte 2a de longitud predeterminada, pero más corta y soportando la primera parte 21 (p.ej. aprox. de un centímetro). La primera parte 21 comprende una cavidad 26 formada usando alguna de las técnicas mencionadas anteriormente y las dos partes extremas 24, 25, siendo la primera más larga que la segunda para permitir realizar conexiones; la cavidad 26 se define por superficies planas enfrentadas 27 y 28 prácticamente paralelas entre sí y perpendiculares al eje de la primera parte 21; y las superficies 27, 28 pueden recibir un revestimiento 29 de un metal semirreflector para variar las características de respuesta del elemento óptico 20.

Como se representa en la figura 6, el elemento óptico 20 puede utilizarse para formar un interferómetro óptico Fabry-Perot 30 conocido, que por lo tanto sólo se describe brevemente aquí. El interferómetro 30 comprende una fuente de luz 31 (p.ej. un diodo láser); un fotodetector 32; un elemento óptico 20 del tipo descrito más arriba; una fibra óptica 33 que conecta el elemento óptico 20 a la fuente 31 (no representado), y otra fibra óptica 34 conectada a la fibra óptica 33 mediante un acoplador óptico 35 para definir un camino óptico entre el elemento 20 y el fotodetector 32.

El interferómetro 30 funciona como sigue. La fuente 31 genera un haz de luz R, que se envía al elemento 20 por la fibra óptica 33; el haz R entra en la parte 21 de la fibra óptica e incide sobre la superficie 27 por la cual es parcialmente reflejado (haz R1) y parcialmente transmitido para definir un haz transmitido (no representado) a través de la cavidad 26; y el haz transmitido es a su vez en parte transmitido y en parte reflejado por la superficie 28 para definir un haz reflejado R2, que se desplaza en parte hacia atrás a través de la superficie 27 y fuera del elemento óptico 20 al fotodetector 32 junto con el haz R1. Junto con los haces R1 y R2, el fotodetector 32 también recibe otros haces (no representados) definidos por fracciones del haz R sometidos a múltiples reflexiones entre las superficies 27 y 28. Inversamente, otras fracciones del haz R son transmitidas más allá de la superficie 28 y dispersadas.

El fotodetector 32 percibe cualquier interferencia entre los haces R1 y R2. Mientras que la fase del haz R1 es constante, la fase del haz R2 es afectada por cualquier variación en la longitud de la cavidad 26 (p.ej. debida a la expansión térmica o vibración mecánica), y por cualquier variación en el índice de refracción en la cavidad 26 (p.ej. debida a la interposición de un elemento óptico con un índice de refracción diferente del aire), de manera que la cavidad que se mide pueda determinarse midiendo la interferencia de los haces R1 y R2.

Además de utilizarse como interferómetro, el elemento óptico 20 puede usarse también como modulador luminoso para variar el tamaño de la cavidad 26 en respuesta a una señal moduladora de entrada, y variar así las propiedades de la luz que se desplaza a través de ella.

Metalizando las superficies 27 y 28, pueden regularse el margen de respuesta dinámica y la proporción de variación en la intensidad luminosa en función del tamaño de la cavidad 26; mientras que la disminución de diámetro de las partes de fibra 1a y 2a sirve para mejorar la respuesta mecánica a los esfuerzos de un elemento óptico 20 y reducir las pérdidas en la cavidad 26. Dicha reducción en las pérdidas se debe, particularmente, al estrechamiento del núcleo de la fibra, que proporciona un ensanchamiento de la mancha del haz R, reduciendo así la divergencia de la fracción del haz R transmitida a la cavidad 26, y aumentando el porcentaje de luz recapturada por la fibra 21, y transmitida al fotodetector 32. Análogamente, para una cantidad dada de luz recapturada por la fibra 21, pueden formarse cavidades mayores y reducirse las tolerancias de fabricación.

Las ventajas del dispositivo y del procedimiento según la invención se describen a continuación.

El elemento óptico 20, que, como se ha dicho, define el elemento sensible del interferómetro 30, es mecánicamente estable en virtud de disponer de un soporte 2 para la fibra óptica 1. Realizándose después del proceso de fusión, el procedimiento de formación de la cavidad es especialmente sencillo, y permite minimizar errores y tolerancias de fabricación, así como eliminar los problemas de alineación transversal y angular de las técnicas que requieren alinear dos fibras ópticas para formar la cavidad. El elemento óptico 20 también puede aislarse encerrándolo en un contenedor cerrado y llenando el contenedor con un gas inerte. Alternativamente, la cavidad 26 puede llenarse con un material estabilizador.

El elemento óptico 20 es fácil de producir y sólo comprende un reducido número de componentes de baja tolerancia, y se simplifican los procesos de afinado, calibrado y control de calidad durante la formación de la cavidad.

El proceso de fabricación del elemento 20 puede modificarse fácilmente para adaptar las propiedades ópticas y mecánicas del elemento 20 a las exigencias de las diferentes aplicaciones.

El elemento óptico 20 es robusto y económico de producir, puede miniaturizarse según convenga, es compatible con todos los componentes optoelectrónicos normalizados y también puede utilizarse ventajosamente en otros tipos de dispositivos totalmente ópticos.

Las características de respuesta del elemento óptico 20, tales como margen dinámico y sensibilidad, pueden modificarse fácilmente durante la fabricación depositando un revestimiento metálico 29 sobre las superficies 27 y 28.

Finalmente, incluso el elemento óptico 20 acabado puede reconfigurarse en cierta medida por un nuevo tratamiento térmico.

Está claro que pueden introducirse cambios en el procedimiento y en el elemento óptico descrito y representado sin, no obstante, apartarse del alcance de la presente invención.

En particular, la fibra óptica 1 puede ser de un único modo, lo que es preferible en caso de una fuente de luz coherente, o multimodo, que es preferible en caso de una fuente de luz no coherente; y el sustrato puede comprender un elemento diferente del de la fibra óptica, puede tener una sección diferente de la circular, y puede doparse o recubrirse adecuadamente para mejorar la sensibilidad del elemento óptico 20.

La fibra óptica 2 puede sustituirse por un elemento de soporte de forma diferente, realizado de vidrio.

Además, en contraposición a la técnica de la llama descrita, la fibra óptica 1 puede fundirse en superficie al sustrato usando un arco eléctrico o un haz de láser.

En el elemento óptico 20 acabado pueden insertarse retículas de Bragg de manera conocida para mejorar su sensibilidad, o para multiplicar diferentes longitudes de onda en caso de dispositivos ópticos que comprenden un cierto número de elementos ópticos del tipo descrito.

Pueden utilizarse las mismas técnicas descritas para formar elementos ópticos más complejos, p.ej interferómetros Mach Zehnder con las piezas de fibra óptica fundidas al sustrato.

Además, las mismas técnicas descritas pueden emplearse para formar un cierto número de cavidades en serie para realizar mediciones simultáneas utilizando técnicas multiplicadoras de tiempo, longitud de onda u otras magnitudes. También, formando dos o más cavidades, puede formarse un sistema de demodulación pasivo de fase de cuadratura regulando simultáneamente el tamaño de las cavidades para llegar a la condición de cuadratura curvando y calentando (recocido) la fibra óptica y el sustrato.

Claims (18)

1. Procedimiento para producir un elemento óptico, particularmente un sensor interferométrico, partiendo de una fibra óptica (1) y un elemento de soporte (2), que comprende la etapa de

colocar por lo menos una parte (1a) de dicha fibra óptica 1 en contacto con una parte (2a) de dicho elemento de soporte (2), caracterizado porque comprende además las etapas siguientes

- formar una conexión estable entre dicha parte de la fibra óptica y dicha parte del elemento de soporte fundiendo las superficies de la parte (1a ) de dicha fibra óptica y dicha parte (2a) de dicho elemento de soporte a lo largo de una parte de contacto, no estando recubierta dicha parte de la fibra óptica en la zona del elemento óptico, y

- formar por lo menos una cavidad (12; 18; 26) en dicha parte de la fibra óptica; definiéndose dicha cavidad enfrentando las superficies (13, 14; 27, 28) de dicha fibra óptica, y definiendo una cavidad resonante óptica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha etapa de formar una cavidad comprende las etapas de practicar una incisión superficial (10) en y para debilitar dicha parte de dicha fibra óptica y curvar dicha fibra óptica y dicho elemento de soporte para romper dicha fibra óptica transversalmente a dicha incisión.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha etapa de formar una cavidad comprende las etapas de practicar dos incisiones superficiales en dicha parte de la fibra óptica; curvar dicha fibra óptica y dicho elemento de soporte para romper dicha fibra óptica transversalmente a dichas incisiones; y eliminar la parte de fibra óptica comprendida entre dichas incisiones.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha etapa de formar una cavidad comprende la etapa de practicar un corte transversal en dicha parte de dicha fibra óptica.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha etapa de formar una cavidad comprende la etapa de practicar dos cortes transversales en dicha parte de la fibra óptica, y eliminar la parte de fibra óptica comprendida entre dichos cortes transversales.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende la etapa adicional de someter dicha fibra óptica y dicho elemento de soporte a una tracción durante la fusión de dicha parte de dicha fibra óptica y dicha parte de dicho elemento de soporte, para formar una parte central (9) de pequeña sección transversal de dicha parte de dicha fibra óptica y de dicha parte de dicho elemento de soporte.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho elemento de soporte comprende un elemento cilíndrico de mayor diámetro que el de la fibra óptica.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho elemento de soporte comprende otra fibra óptica.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además la etapa de conformar un recubrimiento (29) por lo menos reflectante en parte sobre dichas superficies enfrentadas.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende la etapa de someter dichas partes (1a, 2a) de dicha fibra óptica (1) y dicho elemento de soporte (2) a un proceso de recocido térmico para definir permanentemente las dimensiones de dicha cavidad.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha etapa de fundir en superficie dicha parte de dicha fibra óptica y dicha parte de dicho elemento de soporte se realiza utilizando una llama, un haz de láser, o un arco eléctrico.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende la etapa de cortar dichas partes de dicha fibra óptica y de dicho elemento de soporte para obtener un elemento óptico (20) que comprende una parte de fibra óptica (21) que tiene dicha cavidad resonante óptica (12; 18; 26), y una parte de elemento de soporte (22) conectada permanentemente a dicha parte de fibra óptica.

13. Procedimiento óptico para un sensor interferométrico, caracterizado porque comprende una parte (21) de fibra óptica fijada de manera estable a un elemento de soporte (22) mediante una parte de contacto (Z) estando las superficies de dicha parte (21) de fibra óptica y dicho elemento de soporte fundidos entre sí y definiendo una cavidad resonante óptica (26) definida por superficies enfrentadas (27, 28) de dicha parte de fibra óptica prácticamente perpendicular al eje de la parte (21) de la fibra óptica.

14. Elemento óptico según la reivindicación 13, caracterizado porque dicho elemento de soporte (22) comprende un elemento cilíndrico (22) de mayor diámetro que dicha parte (21) de la fibra óptica.

15. Elemento óptico según la reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque dicho elemento de soporte (22) es más corto que dicha parte (21) de la fibra óptica.

16. Elemento óptico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 13 a 15, caracterizado porque dichas partes enfrentadas (27, 28) comprenden un recubrimiento (29) reflector, por lo menos en parte.

17. Elemento óptico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 13 a 16, caracterizado porque la parte (21) de dicha fibra óptica comprende una parte central (9) de sección transversal reducida que se extiende alrededor de dicha cavidad (26).

18. Elemento óptico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 13 a 17, caracterizado porque dicha cavidad resonante óptica (26) está rellena de un material estabilizante.