ES2332340A1 - Inmterferometro de fibra optica. - Google Patents
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Abstract
Interferómetro de fibra óptica.
Un interferómetro compacto y estable que se
construye fácilmente sólo con empalmes por fusión. El espectro de
transmisión es sinusoidal y de una sola frecuencia, lo cual indica
interferencia predominante entre el modo fundamental del núcleo (7)
y un modo de revestimiento (6). Se puede observar un espectro de
interferencia regular desde 650 nm hasta 1600 nm con visibilidad de
franjas que alcanza el 80%. La separación entre las franjas es
inversamente proporcional a la distancia entre los empalmes. Este
comportamiento tiene un impacto significativo en dispositivos
sensores ópticos y en las comunicaciones y por lo tanto el
interferómetro se puede aplicar como sensor de tensión. El
dispositivo comprende dos empalmes (5) en una fibra óptica
micro-estructurada (1), separadas una longitud (L)
a lo largo de la cual se excitan los dos modos referidos, los
empalmes (5) determinan dos regiones en las cuales los agujeros de
aire (4) se colapsan.
Description
Interferómetro de fibra óptica.
La presente invención se refiere en general a la
fabricación de dispositivos basados en fibra óptica y, más
particularmente, a un interferómetro basado en fibras ópticas
micro-estructuradas que se puede usar en un
elemento sensor aplicable para medir diversos parámetros físicos
que se convierten en cambios en la interferencia de salida.
En óptica, los interferómetros fabricados
totalmente con fibra óptica son dispositivos importantes puesto que
son útiles en diversas aplicaciones; metrología de ultra alta
resolución y modulación de la luz son sólo dos ejemplos. Los
interferómetros de fibra óptica también pueden ser dispositivos
clave en instrumentos modernos tales como giróscopos.
Un número diverso de enfoques se han propuesto
para construir interferómetros con fibras ópticas
convencionales.
Con la llegada de las denominadas fibras ópticas
micro-estructuradas (MOF, del inglés
microsctructured optical fibers) se abren muchas otras
alternativas para la construcción de interferómetros que pueden ser
útiles en amplias áreas de aplicación.
Una fibra óptica microestructurada (MOF),
también conocida como fibra de cristal fotónico (PCF, del inglés
photonic crystal fiber), es una nueva clase de fibra óptica
que tiene una sección transversal microestructurada (normalmente
uniforme a lo largo de la longitud de la fibra) a partir de dos o
más materiales, más comúnmente con una disposición periódica sobre
gran parte de la sección transversal, normalmente como un
revestimiento que envuelve un núcleo (o diversos núcleos) donde se
confina la luz. De hecho, en la bibliografía se conocen dos tipos
de MOF, dependiendo del mecanismo físico responsable del
confinamiento y del guiado de la luz óptica. Uno de estos tipos de
MOF se caracteriza porque la luz se guía por reflexión total
interna (TIR, del inglés total internal reflection). En el
caso TIR, el núcleo está hecho de un material de índice de
refracción alto rodeado por un revestimiento hecho de una
disposición adecuada de regiones de índice de refracción alto y
bajo, típicamente un patrón de agujeros microscópicos de aire en el
plano transversal a lo largo de toda la longitud de la fibra. Por
este motivo, este tipo de MOF se denomina también "fibra
agujerada".
A diferencia de las fibras ópticas
convencionales, las MOF pueden ser monomodo desde el visible hasta
el infrarrojo cercano. Además, se pueden diseñar MOFs con
múltiples núcleos o con agujeros de aire de diferentes formas
(véase "Photonic Crystal Fibers" de Philip Russell,
SCIENCE, vol. 299, pp. 358-362, 17 enero de
2003).
Se han construido nuevos interferómetros modales
poniendo en cascada dos rejillas de periodo largo idénticas (véase
"Mach-Zehnder interferometer formed in a photonic
crystal fiber based on a pair of long-period
gratings" de Jong H. Lim et al., OPTICS LETTERS, vol. 29,
No. 4, pp. 346-348, 15 Febrero de 2004) o usando
una MOF con agujeros de aire de diferentes diámetros (véase
"Two-mode photonic crystal fibers" de J. Ju
et al., OPTICS EXPRESS, vol. 13, No. 6, pp.
2082-2088, 21 de marzo de 2005). Sin embargo, estos
enfoques padecen diversas limitaciones de construcción.
En resumen, los interferómetros
Mach-Zehnder basados en un par de rejillas de
periodo largo formadas en fibras monomodo convencionales han sido
ampliamente estudiados. Sin embargo, a diferencia de las fibras
monomodo convencionales, es bastante difícil formar un par de
rejillas de periodo largo 3-dB idénticas en una PCF.
Mientras que el modo de revestimiento correspondiente a una fibra
monomodo está completamente estudiado y comprendido, en una PCF el
modo de revestimiento no está bien definido. Aunque la inducción
mecánica de dos rejillas de periodo largo idénticas en una PCF con
el fin de realizar un interferómetro Mach-Zehnder
totalmente de fibra óptica, como proponen Jong H. Lim et
al., ayuda a estudiar las propiedades de los modos del
revestimiento guiados a lo largo de la PCF, no se consigue tenerlas
controladas y hace el comportamiento de guiado modal dependiente
restrictivamente de los severos requisitos de construcción del par
de rejillas de periodo largo en la PCF.
Respecto de las PCF de dos modos descritas por
J. Ju et al., estas fibras se caracterizan por: requerir
condiciones críticas de inyección y polarización de la fuente de
luz a la fibra, inestabilidad y fuerte dependencia de la
temperatura (como se demuestra en "Temperature sensitivity of a
two-mode photonic crystal fiber interferometric
sensor", J. Jian et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY
LETTERS, vol. 18, No. 20, pp. 2168-2170, 15 de
octubre de 2006). Además de estas restricciones, la excitación de
los dos modos es posible exclusivamente una PCF construida bajo
parámetros muy específicos: dimensión de agujeros de aire y
distancia de separación entre agujeros de aire determinados.
Otra manera de construcción de interferómetros
compactos descrita recientemente consiste en combinar la MOF con
tecnología de adelgazamiento (como en "Compact modal
interferometer built with tapered micro-structured
optical fiber" de J. Villatoro et al., IEEE PHOTONICS
TECHNOLOGY LETTERS, vol. 18, No. 11, pp. 305-307, 1
de junio de 2006). La fibra se adelgaza al estirarla suavemente
mientras una zona de longitud Lo se calienta con un soplete
oscilante de alta temperatura. Con este procedimiento de
adelgazamiento "lento y caliente", se logra una cintura
uniforme de ancho \rho_{0} en la MOF adelgazada en la cual los
agujeros de aire se colapsan y se transforma así en una región
sólida multimodal sin revestimiento. El modo fundamental HE_{11}
de la fibra agujerada se acopla a los modos HE_{1m} de la fibra
sólida. Las zonas de contracción y expansión son equivalentes a los
acopladores en un interferómetro Mach-Zehnder de
fibra óptica, mientras que los modos de la sección sólida son
equivalentes a los brazos. La mejora introducida por esta solución
es la posibilidad de ajustar los parámetros geométricos durante la
fabricación del dispositivo interferométrico. Sin embargo, la
desventaja de este interferómetro es un patrón oscilatorio
irregular e impredecible.
Todas estas técnicas y otras más descritas hasta
ahora para la fabricación de interferómetros basados en MOF
presentan severos retos en términos de complejidad y/o
fabricación.
Con la presente invención se pretenden resolver
los problemas señalados anteriormente dada la necesidad actual de
simplificar la fabricación de dispositivos sensores e
interferométricos integrados de fibra usando fibras de cristal
fotónico o fibras ópticas micro-estructuradas
(MOF).
Un objetivo de la presente invención es
conseguir un interferómetro estable mediante empalme por fusión de
una fibra óptica micro-estructurada.
De este modo, un aspecto de la presente
invención se refiere a un interferómetro de fibra óptica, como se
define en la reivindicación 1, que comprende una fibra óptica
micro-estructurada monomodo de guiado de índice que
tiene sus agujeros de aire colapsados en dos regiones separadas
por un fragmento de dicha fibra óptica
micro-estructurada a lo largo de la cual se excitan
dos modos. Para obtener estas dos regiones, tal fragmento o
longitud de la fibra óptica micro-estructurada
(MOF) se empalma, con una empalmadora de fusión estándar, con dos
fibras ópticas respectivas, que también pueden ser MOF o fibras
ópticas convencionales.
Cuando se empalman dos MOF, o una MOF y una
fibra óptica convencional, los agujeros de aire del fragmento de
MOF se colapsan completamente en las inmediaciones del empalme. El
colapso de los agujeros en una región pequeña de la MOF no es un
inconveniente serio de los empalmes por fusión, ya que puede
introducir mínimas pérdidas cuando se reducen convenientemente
(aproximadamente un 50%) el tiempo de calentamiento y la corriente
eléctrica del procedimiento convencional de empalme por fusión por
descarga eléctrica. El colapso de los agujeros de aire transforma
una zona de la MOF en una fibra óptica multimodo sólida. Además, el
colapso de los agujeros microscópicos de aire se explota para
sellar herméticamente el extremo de las MOF lo cual simplifica su
conectorización e incrementa su eficiencia de acoplamiento. Los
procedimientos de corte y empalme duran sólo unos pocos minutos y
se pueden llevar a cabo con equipos estándar de manipulación de
fibras ópticas.
Mientras que en la mayoría de los trabajos con
MOFs que se han realizado en el estado de la técnica, se intenta
evitar el colapso de los agujeros de aire a toda costa, aquí
precisamente es el colapso de dichos agujeros lo que de manera
"inesperada" permite la creación de este nuevo dispositivo
interferométrico construido totalmente de fibra óptica.
El colapso de los agujeros de aire, canales de
aire o huecos de la MOF en una región pequeña hace que el modo
fundamental de la MOF se ensanche cuando éste alcanza el primer
empalme. Gracias a este fenómeno, es posible excitar el modo
fundamental y modos de orden superior de la MOF (aquí se hace
referencia a los modos del núcleo y los modos del revestimiento,
respectivamente, por similitud con las fibras convencionales) en el
fragmento de MOF entre los empalmes por fusión. De hecho, para ser
más precisos, los modos de orden superior en las MOF (denominados
modos del revestimiento) están bien confinados dentro del límite
entre la estructura y el aire, mientras que en las fibras
convencionales, los modos de revestimiento alcanzan el límite
exterior con el aire. De todas formas cabe mencionar que los modos
de orden superior en las MOF se convierten en modos de
revestimiento "verdaderos" cuando la sección transversal de la
fibra se reduce (como en "Compact modal interferometer built with
tapered micro-structured optical fiber" de J.
Villatoro et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 18,
No. 11, pp. 305-307, 1 de junio de 2006), haciendo
así la estructura e interferómetros relacionados más sensibles a
cualquier cambio de índice de refracción del medio que la rodea
(por ejemplo, gas, líquido, etc...).
Los modos excitados se recombinan en el segundo
empalme. En este interferómetro, los dos modos desempeñan el papel
de brazos y las regiones colapsadas (empalmes) desempeñan la
función de acopladores o divisores, siendo una realización
preferida de la invención un interferómetro
Mach-Zehnder totalmente de MOF. Los modos de núcleo
y revestimiento tienen constantes de propagación diferentes y
acumulan una diferencia de fase al propagarse sobre la longitud de
la MOF entre los empalmes. Las constantes de propagación y la
diferencia de fase acumulada dependen de la longitud de onda. Por
lo tanto, si uno lanza luz al interferómetro de una fuente de luz
de espectro amplio y la luz de salida se envía a un analizador de
espectros ópticos, el espectro resultante puede ser modulado por la
diferencia de fase de los modos.
De esta manera, en el interferómetro
(totalmente) de fibra óptica construido con estos dos empalmes por
fusión, la potencia óptica transmitida presenta máximos en ciertas
longitudes de onda y mínimos en otras. El periodo del patrón de
intensidad es inversamente proporcional a la longitud de MOF entre
los dos empalmes. Este interferómetro exhibe espectros de
interferencia verdaderamente sinusoidales y estables que se
observan en un intervalo ancho de longitudes de onda (con ancho de
banda de aproximadamente 800 nanómetros). Dada la naturaleza de una
sola frecuencia del patrón, solamente se excitan dos modos (el
modo fundamental y un modo de orden superior) en un intervalo de
longitud de onda desde 650 hasta 1600 nanómetros aproximadamente.
Además, la visibilidad del patrón de intensidad que se puede
conseguir (superior al 80%) indica una interferencia casi perfecta
entre los dos modos.
El interferómetro de dos modos descrito en la
presenta memoria descriptiva es más sencillo que los descritos en
las técnicas anteriores, los basados en rejillas de periodo largo
idénticas o en MOF de dos modos, incluso teniendo en común que los
brazos de los interferómetros son típicamente dos modos, porque en
la presente invención hay la posibilidad de controlar su
construcción ajustando sólo un parámetro geométrico del fragmento
de MOF (su longitud) y no hay dependencias de temperatura,
lanzamiento de luz y polarización que requieran un control exterior
de la luz por medios ópticos o mecánicos.
Cualquier pequeña variación en la longitud de
camino óptico experimentada por los dos modos que se propagan en
la parte central del dispositivo, que podría ser por ejemplo debida
a la modificación de la longitud física L o a cambios en el índice
de refracción, modifica la diferencia de fase entre los modos que
interfieren y hace que el espectro de interferencias se desplace.
Si, por ejemplo, el interferómetro se somete a una tensión
longitudinal, el patrón de interferencia se desplaza a longitudes
de onda más cortas. En consecuencia, el dispositivo se puede
utilizar como sensor de esfuerzos.
Obsérvese que una tensión longitudinal aplicada
al interferómetro totalmente de fibra óptica se considera uno de
los posibles parámetros para establecer un ejemplo de aplicación de
la invención en el campo de sensores, pero hay otros parámetros que
pueden afectar la diferencia de índice de refracción en el
interferómetro totalmente de fibra óptica, no solo la longitud
física, y aún traducirse en movimiento del patrón de franjas. La
clave para sensar con este interferómetro totalmente de fibra
óptica es cambiar la diferencia de camino óptico entre los dos
modos excitados en la longitud de MOF, donde camino óptico
significa el producto de la longitud física y el índice de
refracción efectivo experimentado por cada modo. Debido al hecho de
que el modo de orden superior está más extendido espacialmente que
el modo fundamental, cualquier líquido sobre la fibra, por ejemplo,
podría afectar su índice de refracción más que el del fundamental,
a causa de la mayor cercanía del líquido a intensidad guiada.
Comúnmente, si los dos índices de refracción varían de una manera
diferente como consecuencia de cualquier parámetro a sensar
entonces la interferencia se moverá y se producirá la
detección.
Por lo tanto, se puede prever la detección de
otros parámetros, puesto que cualquier parámetro físico tal como
sonido, vibración, temperatura, presión, etc. se pueden trasladar a
cambios en la diferencia de camino óptico entre los dos modos
excitados y, en particular, a cambios de tensión. Las
modificaciones en el medio circundante de la fibra óptica como la
presencia de líquidos, gases, inmunorreacciones, etc., también
pueden dar como resultado cambios en esta longitud óptica, que a su
vez crean cambios en la señal de interferencia de salida. Los
interferómetros construidos con fibras
micro-estructuradas son muy atractivos puesto que
pueden tener un impacto significativo en sensores ópticos y en
comunicaciones ópticas. Las aplicaciones potenciales del
interferómetro totalmente de MOF presentados en la presente memoria
son sólo algunos ejemplos e incluyen también la posibilidad del
filtraje modal o de longitud de onda, o la fabricación de
atenuadores.
Según otro aspecto de la invención, se
proporciona un dispositivo interferométrico para el sensado de
tensión que comprende el interferómetro totalmente de fibra óptica
descrito previamente y al menos un elemento de movimiento lineal
fijado a al menos un punto de dicho interferómetro totalmente de
fibra óptica para enderezar al menos el fragmento de MOF y para
introducir micro alargamientos en la longitud de dicha MOF.
La construcción de dichos dispositivos definidos
en la presente memoria, que comprenden solamente dos empalmes en
una MOF separados por unas pocas decenas de milímetros (la longitud
de MOF en la cual están acoplados los modos de núcleo y del
revestimiento puede alcanzar 10 centímetros), es simple y rápida
puesto que solamente se requiere cortar la fibra y empalmarla por
fusión. Otro aspecto de la presente invención se refiere a un
procedimiento para la construcción de un interferómetro totalmente
de fibra óptica, que comprende los siguientes pasos:
- cortar una fibra
micro-estructurada de guiado de índice que
comprende al menos cuatro anillos de agujeros de aire y dos fibras
ópticas monomodo, que pueden ser fibras ópticas convencionales o
micro-estructuradas;
- empalmar por fusión la fibra óptica
micro-estructura de guiado de índice con las dos
fibras ópticas monomodo con una separación centro a centro entre
los dos empalmes de una longitud no superior a 10 centímetros;
- aplicar un tiempo de calentamiento y una
corriente eléctrica para cada uno de los dos empalmes por fusión de
manera que se permita el estrechamiento de los agujeros de aire de
la longitud de MOF hasta un colapso total.
En este documento, el término "comprende" y
sus derivaciones (tal como "comprender", etc.) no deberán ser
entendidas en un sentido excluyente, es decir, estos términos no
deberán ser interpretados como excluyentes de la posibilidad de que
lo descrito y definido pueda incluir otros elementos, otros pasos,
etc.
En el contexto de la presente invención, el
término "aproximadamente" y los términos de su familia (tales
como "aproximado", etc.) deberán entenderse como valores
indicativos muy cercanos a los que acompañan el término
anteriormente mencionado. Es decir, una desviación dentro de
límites razonables de un valor exacto deberá ser aceptada, porque
un experto en la técnica entenderá que tal desviación de los
valores indicados es inevitable debido a imprecisiones de medición,
etc. Lo mismo se aplica al término "alrededor de".
Las ventajas y características adicionales de la
invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción
detallada.
Con el fin de proporcionar una mejor comprensión
de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos, que no
deberán ser interpretados como limitativos del alcance de la
invención, sino solamente como un ejemplo de cómo la invención
puede ser realizada. Los dibujos comprenden las siguientes
figuras:
En la figura 1 se muestra una sección
transversal de una fibra óptica micro estructurada empleada para
construir el diseño preferido de la presente invención.
En la figura 2 se muestra una microfotografía de
uno de los dos empalmes formados en la fibra óptica
micro-estructurada previamente descrita, según el
objeto de la invención.
En la figura 3 se muestra una representación
esquemática del interferómetro totalmente de fibra óptica
micro-estructurada, los empalmes se ilustran como
áreas blancas y las líneas horizontales corresponden a la región
agujerada de las fibras ópticas
micro-estructuradas.
En la figura 4 se muestra un espectro de
transmisión normalizado del interferómetro totalmente de fibra
óptica micro-estructurada con una longitud de onda
central alrededor de 850 nm, según una posible realización de esta
invención con una longitud de fibra óptica
micro-estructurada L = 6.35 cm.
En la figura 5 se muestra una representación
gráfica del periodo promedio del interferómetro totalmente de fibra
óptica micro-estructurada en función de la longitud
L, medida en centímetros, de la fibra óptica
micro-estructurada entre los empalmes, siendo los
puntos valores experimentales y la línea continua un ajuste
exponencial de dichos valores.
En la figura 6 se muestra la representación
gráfica de la potencia transmitida normalizada del interferómetro
totalmente fibra óptica micro-estructurada con una
longitud L = 7.5 cm, según otra posible realización de esta
invención, en función de la longitud de onda expresada en
nanómetros.
En la figura 7 se muestran los espectros de
interferencias normalizados de un sensor interferométrico de
tensión basado en el interferómetro totalmente de fibra óptica
micro-estructurada con una longitud L = 8.6 cm,
según otro ejemplo de realización de la invención, sometido a
micro-alargamiento de 0 (línea sólida) y a 750
\mu\varepsilon (línea punteada), refiriéndose la unidad
\mu\varepsilon a microesfuerzo definida como 10^{-6} veces el
cambio de longitud por unidad de longitud, es decir, 1
\mu\varepsilon = 10^{-6} \deltaL/L.
En la figura 8 se muestra una representación
gráfica del desplazamiento que experimenta el espectro de
interferencias del sensor interferométrico de tensión cuando se
aplica un micro-alargamiento de 750
\mu\varepsilon, mostrado en la figura anterior, en función de
la tensión aplicada (cuadrados) o eliminada (cruces), siendo la
línea continua un ajuste lineal de los datos experimentales.
Para la construcción de un interferómetro
Mach-Zehnder se usa una fibra óptica
micro-estructurada de guiado de índice (1) que
consiste en un núcleo sólido (3) rodeado por anillos de agujeros de
aire (4), los cuales pueden estar dispuestos en un patrón
hexagonal, como se muestra en la figura 1. Por ejemplo, es posible
usar MOF disponible comercialmente con un núcleo de 11 \mum de
diámetro, agujeros con un diámetro medio de 2.7 \mum, y una
separación media entre los agujeros de 5.45 .\mum. La fibra tiene
un diámetro exterior de 125 \mum. Este tipo de MOF guía la luz
por el prin-
cipio de reflexión interna total modificada. Esta fibra de guiado de índice es monomodo desde 620 nm hasta 1600 nm.
cipio de reflexión interna total modificada. Esta fibra de guiado de índice es monomodo desde 620 nm hasta 1600 nm.
Este interferómetro totalmente de MOF comprende
dos empalmes (5) en los cuales los agujeros de aire (4) que
determinan la región agujerada (8) de la MOF están totalmente
colapsados, como se muestra en la figura 2. La longitud de la región
colapsada (9) en cada empalme (5) es de aproximadamente 300
micrómetros. El colapso de los agujeros de aire (4) hace que el haz
de luz que se propaga se ensanche, permitiendo el acoplamiento de
dos modos electromagnéticos: el modo del núcleo (7) y el modo del
revestimiento (6), en una longitud (L) de fibra óptica
micro-estructurada (1) entre los empalmes, descritos
en la figura 3 y determinados por la separación centro a centro
entre sus dos regiones colapsadas (9).
Ambos empalmes se llevan a cabo con una
empalmadora por fusión convencional, como por ejemplo una Fitel
S122A o una máquina empalmadora Ericsson. Antes del empalme las
fibras se cortan con un cortador de alta precisión, por ejemplo,
Fitel modelo S325. Para minimizar las pérdidas y obtener empalmes
robustos, el tiempo de calentamiento y la corriente de los
electrodos de la empalmadora se reducen en aproximadamente el 50%
con respecto a los valores usados habitualmente para empalmar fibra
monomodo convencional. Obsérvese en la imagen de la figura 2 que
los agujeros o canales de aire de la MOF -las líneas horizontales
de la micrografía- se estrechan antes de colapsarse completamente.
Obsérvese también que el diámetro exterior de la MOF es
esencialmente uniforme incluso en la región con canales de aire
colapsados.
La fabricación del interferómetro se puede
monitorizar in situ y en tiempo real. Para ello se puede
usar una fuente de luz de baja potencia, tal como un diodo emisor
de luz (LED) con pico de emisión a 850 nm y 50 nm de ancho
espectral, y un espectrómetro óptico de bajo coste para monitorizar
el espectro de interferencias. Se debe señalar que las pérdidas de
cada empalme, a 850 nm son inferiores a 2 dB, y que tales pérdidas
probablemente puedan reducirse aún más con una optimización del
proceso de empalmado.
En la Figura 3 se ilustra el ensanchamiento del
modo fundamental de la MOF, o modo del núcleo (7), en la zona en
la cual los agujeros de aire se colapsan gradualmente, lo que
permite la excitación de los modos de núcleo (7) y del
revestimiento (6) en la longitud (L) de MOF entre los empalmes. Los
modos se recombinan luego en el segundo empalme. Los dos modos
excitados en la fibra entre los empalmes desempeñan la función de
los brazos del interferómetro y las regiones colapsadas (9)
desempeñan la función de acopladores o divisores en el
interferómetro Mach-Zehnder. Los modos del núcleo
(7) y del revestimiento (6) tienen constantes de propagación
diferentes y acumulan una diferencia de fase a medida que se
propagan sobre la longitud (L) de la MOF. Es importante colapsar
los agujeros de aire (4) en una región corta, de 300 micrómetros o
menos, puesto que el colapso de estos permite el acoplamiento del
modo fundamental (6) a un modo de revestimiento (7). Es fundamental
tener fibra óptica micro-estructurada de guiado de
índice, ya que el ensanchamiento no se produce con una fibra óptica
convencional.
El espectro de interferencias de la figura 4
tiene una envolvente de tipo Gaussiano debido al espectro de salida
del LED. Durante las mediciones, la longitud (L) de fibra entre
los empalmes, se mantiene recta ya que el doblamiento afectada
fuertemente al patrón de interferencia. En este aspecto, el
interferómetro totalmente de MOF que se propone es similar a los
construidos con MOF de dos núcleos. Las franjas de interferencia se
acercan a medida que la longitud (L) se incrementa; esta propiedad
se resume en la figura 5, en la que el periodo promedio (\Delta)
del interferómetro se reduce a medida que la longitud (L) se
incrementa siguiendo la ley: \Delta\cdotL = constante.
El funcionamiento del interferómetro ha sido
demostrado también en longitudes de onda más largas, en la región
del infrarrojo cercano del espectro, hasta 1600 nm, gracias a que
la mayoría de fibras MOF muestran un comportamiento monomodal en un
intervalo muy amplio de longitudes de onda. Con este fin, se usa un
láser sintonizable como fuente de luz y la potencia óptica de
salida se mide con un fotodetector de InGaAs. En la figura 6, se
observan una serie de máximos y mínimos en longitudes de ondas
cercanas a 1510 nm. Este patrón de interferencia sinusoidal de una
sola frecuencia indica que solamente dos modos interfieren, debido
a que sus velocidades de fase y su diferencia de fase son
dependientes de la longitud de onda. La visibilidad de las franjas
se calcula en aproximadamente un 80%. La visibilidad es mejor que
en los ejemplos mostrados más arriba debido a la alta coherencia
del láser de 1500 nm. El periodo medio del espectro de
interferencia que se muestra en la figura 6 es 3.1 nm. Obsérvese en
la figura 4 que el periodo a 850 nm del dispositivo con L = 7.5 cm
es 2.6 nm. Esto indica que el periodo de los interferómetros
totalmente de MOF construidos con empalmes se incrementa con la
longitud de onda.
Gracias al desplazamiento del patrón de
interferencia cuando el interferómetro esta recto y sometido a
tensión longitudinal, el dispositivo también se puede usar como un
sensor de tensión modulado en intensidad, que es una alternativa al
sensor de tensión codificado en longitud de onda. En la figura 7 se
muestra tal desplazamiento del patrón de interferencia de un
interferómetro totalmente de MOF con L = 8.6 cm. Para introducir
microalargamientos al dispositivo, éste se asegura entre dos
monturas mecánicas de desplazamiento separadas una distancia de 8
cm para garantizar que solamente la longitud (L) de MOF entre los
empalmes es sometida a la tensión aplicada. El espectro de
interferencia se desplaza cuando el dispositivo está bajo tensión,
como se muestra en la figura 8. Nótese el comportamiento lineal del
dispositivo así como su reversibilidad.
Para una longitud de onda central (\lambda) de
la fuente de luz, medida en nanómetros, el espaciamiento entre las
franjas del espectro de interferencia es comparable a los mejores
interferómetros existentes, mostrando una separación entre franjas
de aproximadamente \lambda/300. Se pueden detectar desplazamientos
del espectro de interferencia de alrededor de \lambda/4000.
El interferómetro y los dispositivos sensores
que esta invención propone pueden operar en un amplísimo intervalo
de temperatura, desde -40ºC hasta 1000ºC, de manera que la presente
invención es apropiada para entornos de trabajo hostiles. Obsérvese
que las redes de Bragg en fibra óptica empiezan a degradarse cuando
la temperatura ronda los 300ºC. Otra propiedad de robustez de los
dispositivos descritos en esta memoria es la independencia de la
polarización de la luz, de modo que pueden funcionar con una fuente
de luz remota que lance luz desde una gran distancia sin necesidad
de usar fibras que mantienen la polarización, cuyo coste es
elevado.
Obviamente la invención no se limita a las
realizaciones específicas descritas en la presente memoria, sino
que también comprende otras variaciones que puedan ser consideradas
por cualquier experto en la técnica (por ejemplo, respecto de la
elección de componentes, configuración, etc.), dentro del alcance
general de la invención como se define en las reivindicaciones
anexas.
Claims (10)
1. Interferómetro de fibra óptica que comprende
al menos una fibra óptica micro-estructurada (1) de
guiado de índice, que a su vez comprende un núcleo sólido (3)
rodeado por un revestimiento con al menos cuatro anillos de
agujeros de aire (4), que se caracteriza porque comprende
dos empalmes (5) de dicha fibra óptica
micro-estructurada (1) con respectivas fibras
ópticas monomodo (2, 2') y dichos empalmes (5) determinan dos
regiones en las cuales los agujeros de aire (4) de la fibra óptica
micro-estructurada (1) se colapsan, siendo la
separación de centro a centro entre dichas dos regiones una
longitud (L) de la fibra óptica micro-estructurada
(1) a lo largo de la cual se excitan dos modos
electromagnéticos.
2. Interferómetro de fibra óptica según la
reivindicación 1, en el cual al menos una de las fibras ópticas
monomodo (2, 2') es una fibra óptica
micro-estructurada.
3. interferómetro de fibra óptica según
cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el que al menos una de
las fibras ópticas monomodo (2, 2') es una fibra óptica
convencional.
4. Interferómetro de fibra óptica según
cualquier reivindicación anterior, en el que los dos modos
electromagnéticos excitados son el modo de revestimiento (6) y el
modo de núcleo (7).
5. Interferómetro de fibra óptica según
cualquier reivindicación anterior, en el que la longitud (L) de la
fibra óptica micro-estructurada (1) a lo largo de la
cual se excitan los dos modos electromagnéticos es de 10
centímetros o menos.
6. Interferómetro de fibra óptica según
cualquier reivindicación anterior, en el que los dos empalmes (5)
de la fibra óptica micro-estructurada (1) se
realizan mediante una máquina empalmadora de fusión estándar.
7. Interferómetro de fibra óptica según
cualquier reivindicación anterior, en el que dicho interferómetro
es un interferómetro Mach-Zehnder.
8. Un dispositivo sensor de tensión
interferométrico que comprende el interferómetro de fibra óptica
definido según cualquier reivindicación anterior y al menos un
elemento de movimiento lineal fijado a al menos un punto de dicho
interferómetro de fibra óptica para enderezar la fibra óptica
micro-estructurada (1) y para la introducción de
micro-alargamientos a la longitud (L) de dicha fibra
óptica micro-estructurada (1).
9. Procedimiento para la construcción de un
interferómetro de fibra óptica, que se caracteriza porque
comprende los siguientes pasos:
- cortar una fibra óptica
micro-estructurada (1) de guiado de índice, que
comprende al menos cuatro anillos de agujeros de aire (4), y dos
fibras ópticas monomodo (2, 2')
- empalmar por fusión la fibra óptica
micro-estructurada (1) con las dos fibras ópticas
monomodo (2, 2'), siendo la separación de centro a centro entre los
dos empalmes (5) de dicha fibra óptica
micro-estructurada (1) una longitud (L) de 10
centímetros o menos;
- en cada uno de los dos empalmes (5), estrechar
los agujeros de aire (4) de dicha fibra óptica micro- estructurada
(1) hasta el colapso total de dichos agujeros de aire (4).
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en
donde se aplican un tiempo de calentamiento y una corriente
eléctrica para el empalmado por fusión de la fibra óptica
micro-estructurada (1) los cuales son
aproximadamente el 50% del tiempo de calentamiento y de la
corriente eléctrica usados convencionalmente para el empalme por
fusión de fibras ópticas.
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