ES2233687T3 - REFRACTOMETER WITH INCLUDED BRAGG GRIDS. - Google Patents

REFRACTOMETER WITH INCLUDED BRAGG GRIDS.

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ES2233687T3
ES2233687T3 ES01970073T ES01970073T ES2233687T3 ES 2233687 T3 ES2233687 T3 ES 2233687T3 ES 01970073 T ES01970073 T ES 01970073T ES 01970073 T ES01970073 T ES 01970073T ES 2233687 T3 ES2233687 T3 ES 2233687T3
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spectral
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Guillaume Laffont
Pierre Ferdinand
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    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G02B6/02195Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by means for tuning the grating

Abstract

Sistema para medir el índice de refracción de al menos un medio (18; M2, M2 ... MN) comprendiendo este sistema: una guía (14, 50) de ondas que comprende al menos un transductor (16; R1, R2 ... RN) formado, en la parte de la guía de ondas que se pone en contacto con el medio, mediante una rejilla de Bragg inclinada, cuya respuesta espectral depende del índice de refracción del medio por medio de un acoplamiento de energía entre el modo guiado y los modos de revestimiento y/o un continuo de modos de radiación, una fuente (20, 28) de luz acoplada ópticamente a la guía de ondas con objeto de dirigir esta luz a la misma y para hacerla interactuar con la red de difracción, medios (22, 30, 44, 52) de análisis espectral provistos para analizar la luz que ha interactuado con la rejilla y para proporcionar un espectro correspondiente a esta rejilla, medios (24, 32, 46, 54) de adquisición provistos para recuperar este espectro, y medios (26, 34, 48, 56) de procesamiento electrónico provistos para correlacionar a partir del espectro así recuperado, la respuesta espectral de la rejilla con un valor de índice de refracción del medio y para proporcionar este valor.System for measuring the refractive index of at least one medium (18; M2, M2 ... MN) comprising this system: a waveguide (14, 50) comprising at least one transducer (16; R1, R2 .. RN) formed, in the part of the waveguide that contacts the medium, by means of an inclined Bragg grating, whose spectral response depends on the refractive index of the medium by means of an energy coupling between the guided mode and the coating modes and / or a continuum of radiation modes, a light source (20, 28) optically coupled to the waveguide in order to direct this light thereto and to make it interact with the diffraction network, spectral analysis means (22, 30, 44, 52) provided to analyze the light that has interacted with the grid and to provide a spectrum corresponding to this grid, acquisition means (24, 32, 46, 54) provided to recover this spectrum, and means (26, 34, 48, 56) of electronic processing provided to correlate from the spectrum thus recovered, the spectral response of the grid with a refractive index value of the medium and to provide this value.

Description

Refractómetro con rejillas de Bragg inclinadas.Bragg grating refractometer inclined

Campo técnicoTechnical field

La presente invención se refiere a un refractómetro, es decir, a un sistema para medir índices de refracción. Este es especialmente aplicable para medir el índice de refracción de un líquido o de un gas o de cualquier otro producto o compuesto químico que está en contacto con una guía de ondas, en particular depositado sobre esta guía de ondas. Esta última puede ser por ejemplo una fibra óptica.The present invention relates to a refractometer, that is, a system to measure indices of refraction. This is especially applicable to measure the rate of refraction of a liquid or a gas or any other product or chemical compound that is in contact with a waveguide, in particular deposited on this waveguide. The latter can be for example an optical fiber.

El refractómetro comprende uno o más transductores de rejilla de Bragg formados sobre tal guía de ondas.The refractometer comprises one or more Bragg grid transducers formed on such a guide waves.

Descripción de la técnica anteriorDescription of the prior art

Una rejilla de Bragg, fotograbada en una fibra óptica, es una estructura periódica formada modulando el índice de refracción del núcleo de la fibra.A Bragg grating, photogravured in a fiber optics, is a periodic structure formed by modulating the index of fiber core refraction.

Esta estructura se comporta en la práctica como un espejo para una banda espectral muy estrecha alrededor de una longitud de onda característica \lambda_{b} (longitud de onda para la que existe una coincidencia de fase entre las reflexiones múltiples dentro de la rejilla) y permanece transparente para todas las otras longitudes de onda. Esto es porque, debido a que las múltiples ondas reflejadas a estas otras longitudes de onda no están en fase, éstas interfieren destructivamente y son por consiguiente trasmitidas por la conservación de la energía.This structure behaves in practice as a mirror for a very narrow spectral band around a characteristic wavelength \ lambda_ {b} (wavelength for which there is a phase match between the reflections multiple within the grid) and remains transparent to all The other wavelengths. This is because, because the multiple waves reflected at these other wavelengths are not in phase, these interfere destructively and are therefore transmitted by the conservation of energy.

La longitud de onda característica, llamada la "longitud de onda de Bragg", está definida mediante la ecuación
\lambda_{B} = 2 x n_{eff} x \Lambda donde \Lambda es el tamaño de rejilla de la rejilla de Bragg (alrededor de 0,5 \mum para una rejilla convencional) y n_{eff} es el índice efectivo del modo guiado fundamental que incide sobre la rejilla.
The characteristic wavelength, called the "Bragg wavelength," is defined by the equation.
\ lambda_ {B} = 2 x n_ {eff} x \ Lambda where \ Lambda is the grid size of the Bragg grid (about 0.5 µm for a conventional grid) and n_ {eff} is the effective index in the fundamental guided way that affects the grid.

Las rejillas de Bragg de fibras de periodo largo (LPFG) están formadas también mediante una modulación periódica del índice de refracción del núcleo de una fibra óptica generalmente monomodo. No obstante, el valor del periodo \Lambda de esta modulación es entonces típicamente mayor que 100 \mum.Bragg gratings of long period fibers (LPFG) are also formed by periodic modulation of the core refractive index of an optical fiber generally single mode However, the value of the \ Lambda period of this modulation is then typically greater than 100 µm.

Cuando la luz de una fuente de banda ancha se inyecta en una fibra que contiene tal rejilla, se observa cierto número de bandas de resonancia, con anchuras a la mitad del máximo que son mucho mayores que las de una rejilla de Bragg convencional (varios nanómetros en vez de unos pocos cientos de picómetros). Cada una de estas bandas de resonancia se corresponde con un acoplamiento entre la onda de luz guiada que incide sobre la rejilla y un modo llamado "modo de revestimiento" que se está copropagando (también llamado codireccional),estándose propagando dicho modo en la misma dirección que la onda incidente.When the light from a broadband source is injected into a fiber that contains such a grid, certain number of resonance bands, with widths at half maximum which are much larger than those of a conventional Bragg grid (several nanometers instead of a few hundred picometers). Every one of these resonance bands corresponds to a coupling between the guided light wave that strikes the grid and a mode called "cladding mode" that is co-propagating (also called codirectional), said mode being propagated in The same direction as the incident wave.

La energía contenida en estos modos disminuye rápidamente durante la propagación a través de la fibra, debido a las altas pérdidas en la interfaz entre el revestimiento óptico y el recubrimiento que protege esta fibra.The energy contained in these modes decreases quickly during the propagation through the fiber, due to high losses in the interface between the optical coating and the coating that protects this fiber.

Ya que el acoplamiento tiene lugar en los modos codireccionales, las bandas de resonancia aparecen solamente en la forma de bandas de absorción en el espectro de transmisión de manera que no se observa ninguna energía en la reflexión.Since the coupling takes place in the modes codirectional, the resonance bands appear only in the shape of absorption bands in the transmission spectrum so that no energy is observed in the reflection.

Las longitudes de onda para las que tiene lugar el fenómeno de acoplamiento de los modos de revestimiento dependen del periodo \Lambda de la rejilla de periodo largo, de la amplitud de la modulación fotoinducida, denotada como \Deltan y de las características opto-geométricas de la fibra óptica. Estas vienen dadas por la condición llamada acoplamiento de fase, según:The wavelengths for which it takes place the coupling phenomenon of the coating modes depend of the period \ Lambda of the long period grid, of the amplitude of the photoinduced modulation, denoted as \ Deltan and of the opto-geometric characteristics of the optical fiber. These are given by the condition called phase coupling, according:

\beta_{01}-\beta_{revest} = \frac{2\pi}{\Lambda}\ beta_ {01} - \ beta_ {coated} = \ frac {2 \ pi} {\ Lambda}

donde \beta_{01} y \beta_{revest} representan las constantes de propagación del modo guiado fundamental y de un modo de revestimiento, respectivamente. Esta ecuación puede rescribirse sustituyendo los índices efectivos de los modos:where \ beta_ {01} and β Coated represent the propagation constants of the fundamental guided mode and a cladding mode, respectively. This equation can be rewritten by substituting effective indices of modes:

\frac{2\pi}{\lambda_{rejilla}} \ n^{eff}_{01} - \frac{2\pi}{\lambda_{rejilla}} \ n^{eff}_{revest} = \frac{2\pi}{\Lambda}\ frac {2 \ pi} {\ lambda_ {grid}} \ n ^ {eff} _ {01} - \ frac {2 \ pi} {\ lambda_ {grid}} \ n ^ {eff} _ {cover} = \ frac {2 \ pi} {\ Lambda}

\lambda_{rejilla}=\left(n^{eff}_{01}-n^{eff}_{revest}\right)\cdot\Lambda\ lambda_ {grid} = \ left (n ^ {eff} _ {01} -n ^ {eff} _ {cover} \ right) \ cdot \ Lambda

donde \lambda_{rejilla} denota la longitud de onda central de la banda de resonancia.where \ lambda_ {grid} denotes the central wavelength of the band of resonance.

Las rejillas de Bragg, llamadas "rejillas de Bragg de fibras inclinadas, ladeadas, u oblicuas", resultan de una modulación fotoinducida del índice, cuyo periodo es también de alrededor de 0,5 \mum. Sin embargo, esta modulación tiene la característica específica de estar inclinada con respecto al eje longitudinal de la fibra óptica, en un ángulo \theta que se denominada "ángulo de inclinación".Bragg gratings, called "gratings of Bragg inclined, tilted, or oblique fibers ", result from a photo-induced modulation of the index, whose period is also of about 0.5 µm. However, this modulation has the specific feature of being inclined with respect to the axis length of the optical fiber, at an angle? which is called "angle of inclination".

Esta periodicidad y la inclinación de la modulación del índice constituyen los dos parámetros clave que hacen posible explicar la respuesta espectral muy particular de estos componentes y las diferencias considerables entre las últimas y las rejillas de Bragg convencionales junto con las rejillas de Bragg de período largo.This periodicity and the inclination of the index modulation constitute the two key parameters that make possible to explain the very particular spectral response of these components and considerable differences between the last and the conventional Bragg gratings along with the Bragg gratings of long period

La figura 1 representa esquemáticamente una rejilla 2 de Bragg inclinada inscrita en el núcleo 4 de una fibra óptica 6, cuyo revestimiento óptico tiene la referencia 7. Un modo guiado 8 que incide sobre la rejilla puede estar acoplado bien a un conjunto discreto de modos 10 de revestimiento que se están propagando en sentido contrario, o a lo que se llama un continuo de modos 12 de radiación o tanto a estos modos de revestimiento como a este continúo de modos de radiación.Figure 1 schematically represents a inclined Bragg grid 2 inscribed in the core 4 of a fiber optical 6, whose optical coating has the reference 7. A mode guided 8 that strikes the grid may be well coupled to a discrete set of coating modes 10 that are being propagating in the opposite direction, or what is called a continuum of radiation modes 12 or both at these coating modes and at This continuum of radiation modes.

La discretización del acoplamiento de los modos de revestimiento que se propagan en sentido contrario está condicionada por las dimensiones transversales finitas del revestimiento de la fibra óptica. Desde el punto de vista espectral, el resultado de la misma es una sucesión de bandas de resonancia que tienen anchuras en la mitad del máximo similares a las de una rejilla de Bragg convencional (anchura a la mitad del máximo de alrededor de 200 pm) y están típicamente espaciadas alrededor de un nanómetro.Discretization of coupling of modes of lining that propagate in the opposite direction is conditioned by the finite transverse dimensions of the fiber optic coating. From the spectral point of view, the result of it is a succession of resonance bands that have widths in half of the maximum similar to those of a conventional Bragg grid (half width of maximum around 200 pm) and are typically spaced around a nanometer

Estas bandas de resonancia están presentes en un rango espectral estrecho (unas pocas decenas de nanómetros) que depende del ángulo de inclinación y de las características opto-geométricas de la fibra y de la rejilla (periodo de modulación y amplitud). El acoplamiento a los modos de radiación sólo puede tener lugar si el revestimiento de la fibra óptica es muy grande comparado con la longitud de onda.These resonance bands are present in a narrow spectral range (a few tens of nanometers) that depends on the angle of inclination and the characteristics opto-geometric fiber and grid (period of modulation and amplitude). The coupling to the modes of radiation can only take place if the fiber coating Optics is very large compared to wavelength.

Esta configuración se puede simular utilizando un líquido de igualación de índice que se deposita alrededor de la fibra y cuyo índice de refracción es virtualmente idéntico al del revestimiento óptico.This configuration can be simulated using a index equalization fluid that is deposited around the fiber and whose refractive index is virtually identical to that of optical coating

La figura 2 muestra un espectro de transmisión de una rejilla de Bragg inclinada, que tiene 8 mm de longitud con un ángulo de inclinación de 16º, cuando esta rejilla está en el aire con un índice n_{ext} de refracción de 1,0 (curva I) y cuando está en un líquido de igualación de índice para el que el valor de n_{ext} es 1,43 a 1.550 nm (curva II). La longitud de onda \lambda (en nm) se dibuja sobre el eje x y la transmisión normalizada TN sobre el eje y. Cuando el acoplamiento es con los modos de revestimiento, se observa principalmente acoplamiento con las familias de modos denominados LP_{0n} y LP_{1n}.Figure 2 shows a transmission spectrum of an inclined Bragg grating, which is 8 mm long with a tilt angle of 16º, when this grid is in the air with a refractive index n_ {ext} of 1.0 (curve I) and when in an index equalizing liquid for which the value of n_ {ext} is 1.43 at 1550 nm (curve II). Wavelength λ (in nm) is drawn on the x-axis and the transmission TN standardized on the y axis. When the coupling is with the Coating modes, mainly coupling with mode families named LP_ {0n} and LP_ {1n}.

Para las rejillas inclinadas, la condición de igualación de fase que da el valor de las distintas longitudes de onda de resonancia toma la forma de:For slants, the condition of phase equalization that gives the value of the different lengths of resonance wave takes the form of:

\lambda_{rejilla}=\left(n^{eff}_{01}+n^{eff}_{revest}\right)\cdot\frac{\Lambda}{cos \ \theta}\ lambda_ {grid} = \ left (n ^ {eff} _ {01} + n ^ {eff} _ {cover} \ right) \ cdot \ frac {\ Lambda} {cos \ \ theta}

donde \lambda_{rejilla} denota una longitud de onda de resonancia, \Lambda el periodo de modulación, \theta el ángulo de inclinación, n^{eff}_{01} y n^{eff}_{revest} el índice efectivo del modo guiado y el índice efectivo de un modo de revestimiento, respectivamente. El símbolo + surge del hecho de que están involucrados modos que se propagan en la dirección contraria en vez de modos codireccionales.where \ lambda_ {grid} denotes a resonance wavelength, λ the period of modulation, el the angle of inclination, n eff {01} and n eff eff the effective index of the guided mode and the effective index of a coating mode, respectively. He + symbol arises from the fact that modes are involved propagate in the opposite direction instead of modes codirectional

A continuación se consideran sensores intrínsecos de fibra óptica (OFS), sensores para los que una o más propiedades ópticas de la fibra dependen directamente, por ejemplo, de fenómenos químicos y/o bioquímicos que se desean determinar. La fibra óptica constituye entonces el elemento transductor del sensor.Next they are considered intrinsic sensors fiber optic (OFS), sensors for which one or more properties fiber optics depend directly, for example, on phenomena Chemicals and / or biochemicals to be determined. Fiber optic it then constitutes the sensor transducer element.

En particular, son bien conocidos los sensores intrínsecos de onda evanescente y sensores de superficie de plasmón.In particular, sensors are well known. intrinsic evanescent wave and surface sensors plasmon

También se conocen dispositivos que utilizan rejillas de Bragg convencionales que están fotograbadas en las fibras ópticas monomodo para el propósito de aplicaciones para la refractometría.Devices that use are also known conventional Bragg gratings that are photographed on the single mode optical fibers for the purpose of applications for refractometry

Asimismo, también se conocen sistemas de refractometría que utilizan rejillas de Bragg de periodo largo. Para tales rejillas, la longitud de onda de resonancia asociada con un modo de revestimiento dado depende del índice de refracción del medio que está situado más allá del revestimiento óptico de la fibra en el cual se forman estas rejillas. Cualquier cambio en este índice de refracción resulta en una variación de la frecuencia de onda de resonancia.Also, systems of refractometry using long period Bragg gratings. For such grids, the resonance wavelength associated with a given coating mode depends on the refractive index of the medium that is located beyond the fiber optic coating in which these grids are formed. Any change in this index of refraction results in a variation of the wave frequency of resonance.

Los sensores o sistemas conocidos, mencionados anteriormente, tienen desventajas.The known sensors or systems, mentioned previously, they have disadvantages.

Con respecto a los sensores de onda evanescente, se apuntarán principalmente las siguientes:With respect to evanescent wave sensors, mainly the following will be noted:

el envejecimiento y el deterioro de la parte sensible de tales sensores, formados por ejemplo por el agente mediador depositado en la fibra óptica de estos sensores, que necesita frecuentes recalibraciones del mismo, la dificultad para desarrollar métodos para compensar la degradación del rendimiento de estos sensores, la medida de intensidad sobre la que se basa el uso de este último y que es, por lo tanto, sensible a cualquier fluctuación de intensidad de la fuente de luz asociada y a la modificación de las condiciones de inyección de la luz en la fibra, por consiguiente, un deterioro en la resolución y en la precisión de las medidas y la necesidad de extracción mecánica o química del revestimiento de la fibra óptica con objeto de tener suficiente acceso al campo evanescente, que es una operación compleja, es difícil de controlar y que debilita la fibra óptica.aging and deterioration of the part sensitive of such sensors, formed for example by the agent mediator deposited in the fiber optic of these sensors, which you need frequent recalibrations of the same, the difficulty to develop methods to compensate for performance degradation of these sensors, the intensity measurement on which the use is based of the latter and that is, therefore, sensitive to any intensity fluctuation of the associated light source and the modification of the light injection conditions in the fiber, consequently, a deterioration in the resolution and accuracy of the measures and the need for mechanical or chemical extraction of fiber optic coating in order to have enough access to the evanescent field, which is a complex operation, is difficult to control and weakens the optical fiber.

Entre las desventajas de los sensores de superficie de plasmón se pueden mencionar:Among the disadvantages of sensors Plasmon surface can be mentioned:

la dificultad para formar sistemas miniaturizados puramente de fibras ya que los sistemas que utilizan tales sensores generalmente emplean componentes voluminosos sobre una arquitectura que es difícil de convertir en un sistema industrial y de la necesidad de controlar perfectamente el perfil (principalmente el grosor) de la película de metal utilizada en tales sensores y la unión de esta película.the difficulty of forming miniaturized systems purely of fibers since the systems that use such sensors they generally use bulky components on an architecture which is difficult to turn into an industrial system and of the need to perfectly control the profile (mainly the thickness) of the metal film used in such sensors and the union of this movie.

Entre las desventajas de los dispositivos que utilizan rejillas de Bragg convencionales, se encuentran problemas similares a aquellos presentados para los sensores de ondas evanescentes, a saber:Among the disadvantages of the devices that they use conventional Bragg gratings, problems are found similar to those presented for wave sensors evanescent, namely:

la necesidad de atacar química o mecánicamente el revestimiento de la fibra óptica durante la medición de la rejilla de Bragg, un problema de selectividad, puesto que el pico de Bragg es sensible a otros parámetros además del índice del medio externo (por ejemplo la temperatura y tensión), que requiere el uso de técnicas de compensación y corrección que emplean, por ejemplo, sensores de referencia, la debilidad relativa de la cabeza final de medida, la dificultad para producir el transductor, que requiere que el revestimiento óptico sea atacado y una sensibilidad relativamente baja.the need to chemically or mechanically attack the fiber optic lining during grid measurement of Bragg, a problem of selectivity, since the peak of Bragg It is sensitive to other parameters besides the external media index (for example temperature and voltage), which requires the use of compensation and correction techniques that employ, for example, reference sensors, the relative weakness of the final head of measure, the difficulty in producing the transducer, which requires that the optical coating is attacked and a relatively sensitive low.

Con respecto a los sistemas de refractometría que utilizan rejillas de Bragg de periodo largo, las desventajas principales son las siguientes:With respect to refractometry systems that use long period Bragg gratings, the disadvantages Main ones are as follows:

la gran sensibilidad la rejilla de resonancia de periodo largo a otros parámetros además del índice de refracción (por ejemplo la temperatura y deformaciones), la consiguiente necesidad de utilizar técnicas de compensación y corrección, la alta no linealidad de la sensibilidad del transductor, capacidades extremadamente limitadas de multiplexión puesto que un sensor muy sensible monopoliza un amplio rango espectral, de al menos 100 nm y una larga anchura de la banda de resonancia, que hace difícil determinar de forma precisa el pico de esta última.the great sensitivity the resonance grid of long period to other parameters in addition to the refractive index (for example the temperature and deformations), the consequent need to use compensation and correction techniques, the high nonlinearity of transducer sensitivity, capabilities extremely limited multiplexing since a very sensor sensitive monopolizes a wide spectral range of at least 100 nm and a long width of the resonance band, which makes it difficult accurately determine the latter's peak.

V. Bhatia y colegas, Proc. of the SPIE, SPIE, volumen 2718, 26 de febrero de 1996, páginas 110-121, comparan las propiedades y rendimiento de sensores de temperatura, tensión e índice de refracción de rejillas convencionales de Bragg de periodo largo basadas en fibras ópticas.V. Bhatia and colleagues, Proc. of the SPIE, SPIE, volume 2718, February 26, 1996, pages 110-121, compare the properties and performance of temperature, voltage and grid refractive index sensors conventional long-term fiber-based Bragg Optical

El documento US-A-5 380 995 describe sistemas de sensores de rejillas de fibras ópticas para percibir efectos ambientales.The document US-A-5 380 995 describes systems of fiber optic grating sensors to perceive effects environmental.

Sumario de la invenciónSummary of the invention

El propósito de la presente invención es superar las desventajas anteriormente mencionadas.The purpose of the present invention is to overcome The above mentioned disadvantages.

El objeto de la invención es un sistema para medir el índice de refracción de al menos un medio, estando este sistema caracterizado porque comprende:The object of the invention is a system for measure the refractive index of at least one medium, this being system characterized by comprising:

una guía de ondas que comprende al menos un transductor formado, en la parte de la guía de ondas que se pone en contacto con el medio, por una rejilla de Bragg inclinada, cuya respuesta espectral depende del índice de refracción del medio por medio del acoplamiento de energía entre el modo guiado y los modos de revestimiento y/o un continuo de modos de radiación, una fuente de luz acoplada ópticamente a la guía de ondas con objeto de dirigir esta luz hacia la misma y hacerla interactuar con la rejilla, medios de análisis espectral provistos para analizar la luz que ha interactuado con la rejilla y para proporcionar un espectro correspondiente a esta rejilla,a waveguide comprising at least one formed transducer, in the part of the waveguide that is put in contact with the middle, by an inclined Bragg grid, whose spectral response depends on the refractive index of the medium by power coupling medium between guided mode and modes of coating and / or a continuum of radiation modes, a source of light optically coupled to the waveguide in order to direct this light towards it and make it interact with the grid, means of spectral analysis provided to analyze the light that has interacted with the grid and to provide a spectrum corresponding to this grid,

medios de adquisición provistos para recuperar este espectro, yacquisition means provided to recover this spectrum, and

medios electrónicos de procesamiento provistos para correlacionar, a partir del espectro así recuperado, la respuesta espectral de la rejilla con un valor del índice de refracción del medio y para proporcionar este valor.electronic processing means provided to correlate, from the spectrum thus recovered, the grid spectral response with an index value of refraction of the medium and to provide this value.

De acuerdo con una primera realización preferida del sistema que es el objeto de esta invención, los medios electrónicos de procesamiento están provistos con objeto de determinar las curvas envolventes inferior y superior del espectro normalizado y el área normalizada entre estas dos curvas.According to a first preferred embodiment of the system that is the object of this invention, the means processing electronics are provided for the purpose of determine the lower and upper envelope curves of the spectrum normalized and the normalized area between these two curves.

La guía de ondas, por ejemplo una fibra óptica, puede comprender una única rejilla de Bragg inclinada o, por el contrario una pluralidad de tales rejillas. En el último caso, los medios de análisis espectral están provistos con objeto de analizar la luz que ha interactuado con las rejillas y para proporcionar el espectro que corresponde respectivamente a estas rejillas; los medios de adquisición que están provistos con objeto de desmultiplexar, de una manera óptica o digital, el espectro así provisto y para discriminar las respectivas respuestas espectrales de las rejillas y los medios electrónicos de procesamiento que están provistos con objeto de correlacionar la respuesta espectral de cada rejilla con el valor del índice de refracción del medio correspondiente a esta rejilla.The waveguide, for example an optical fiber, can comprise a single inclined Bragg grating or, by the on the contrary a plurality of such grids. In the latter case, the means of spectral analysis are provided in order to analyze the light that has interacted with the grilles and to provide the spectrum corresponding to these grids respectively; the means of acquisition that are provided for the purpose of demultiplex, in an optical or digital way, the spectrum like this provided and to discriminate the respective spectral responses of the grilles and the electronic processing means that are provided in order to correlate the spectral response of each grid with the value of the refractive index of the medium corresponding to this grid.

En todos los casos, la fuente de luz puede ser una fuente de banda ancha. No obstante, también es posible utilizar una fuente de espectro estrecho, cuya longitud de onda puede ser ajustada, y los medios de análisis espectral pueden comprender entonces un único fotodetector.In all cases, the light source can be A broadband source. However, it is also possible to use a narrow spectrum source, whose wavelength can be adjusted, and the means of spectral analysis can comprise Then a single photodetector.

De acuerdo con una primera realización particular del sistema que es el objeto de la invención, la fuente de luz está acoplada ópticamente a un primer extremo de la guía de ondas y los medios de análisis espectral están acoplados ópticamente a un segundo extremo de esta guía de ondas, con el propósito de medir el índice de refracción por transmisión.According to a first particular embodiment of the system that is the object of the invention, the light source is optically coupled to a first end of the waveguide and the spectral analysis media are optically coupled to a second end of this waveguide, with the purpose of measuring the refractive index per transmission.

De acuerdo con una segunda realización particular, la fuente de luz y los medios de análisis espectral están ópticamente acoplados a un primer extremo de la guía de ondas y están provistos medios de reflexión de la luz en el segundo extremo de la guía de ondas, con el propósito de medir el índice de refracción por reflexión.According to a second embodiment particular, the light source and the means of spectral analysis are optically coupled to a first end of the waveguide and light reflection means are provided in the second end of the waveguide, with the purpose of measuring the index of Refraction by reflection.

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

La presente invención será mejor entendida con la lectura de la descripción de las realizaciones ejemplarizantes dadas a continuación únicamente a modo de ejemplo y no limitativas en modo alguno, con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:The present invention will be better understood with the reading the description of the exemplary embodiments given then only by way of example and not limiting in mode some, with reference to the attached drawings in which:

La figura 1 es una vista esquemática de una rejilla de Bragg inclinada y ya ha sido anteriormente descrita,Figure 1 is a schematic view of a inclined Bragg grid and has already been described above,

La figura 2 muestra un espectro de transmisión de una rejilla de Bragg inclinada y ya ha sido descrita, yFigure 2 shows a transmission spectrum of an inclined Bragg grid and has already been described, and

Las figuras 3 a 6 son vistas esquemáticas de varias realizaciones particulares del sistema para medir índices de refracción, que es el objeto de la invención.Figures 3 to 6 are schematic views of several particular embodiments of the system for measuring indices of refraction, which is the object of the invention.

Sumario detallado de realizaciones particularesDetailed summary of particular embodiments

En primer lugar, se considerarán los transductores utilizados en la presente invención para medir los índices de refracción, es decir las rejillas de Bragg inclinadas, por ejemplo fotograbadas en el núcleo de fibras ópticas y se empieza estudiando la sensibilidad espectral de una de tales rejillas con cualquier modificación del índice de refracción mediante un medio externo con el que la guía de ondas que comprende esta rejilla está en contacto.First, the transducers used in the present invention to measure the refractive indexes, i.e. inclined Bragg gratings, for example photogravure in the fiber optic core and start studying the spectral sensitivity of one such grid with any modification of the refractive index by means external with which the waveguide comprising this grid is in contact.

Se considera, por ello, una fibra óptica o cualquier otra guía de ondas, en la que se ha grabado una rejilla de Bragg inclinada. Esta rejilla puede haber sido formada de acuerdo con cualquiera de los métodos de fotograbación conocidos, por ejemplo técnicas de "máscara de fase" o "espejo de Lloyd".It is considered, therefore, an optical fiber or any other waveguide, in which a grid of Inclined bragg. This grid may have been formed according with any of the known photo recording methods, by technical examples of "phase mask" or "mirror of Lloyd. "

En el resto de la presente descripción, los valores numéricos se dan únicamente a modo de ilustración y no son limitativos en ningún caso. Se refieren a una fibra óptica monomodo que tiene las siguientes características: índices de núcleo y revestimiento que tienen los valores de 1,462 y 1,457, respectivamente, a 1.550 nm, radios de núcleo y revestimiento que tienen valores de 4,125 \mum y 62,5 \mum respectivamente.In the rest of this description, the numerical values are given by way of illustration only and are not limiting in any case. They refer to a single mode fiber optic which has the following characteristics: core indices and coating that have the values of 1,462 and 1,457, respectively, at 1,550 nm, core and sheath radii that they have values of 4,125 µm and 62.5 µm respectively.

Cuando se inyecta luz en una de tales guías de onda, interactúa con la rejilla inclinada. Se acopla entonces a un cierto número de modos de revestimiento. Este acoplamiento sólo tiene lugar para las longitudes de onda incidentes que cumplen con una condición llamada igualación de fase entre el modo guiado y uno cualquiera de los modos de revestimiento.When light is injected into one of such guides wave, interact with the slanted grid. It is then coupled to a certain number of coating modes. This link only takes place for incident wavelengths that meet a condition called phase matching between guided mode and one Any of the coating modes.

Esta condición es sólo cumplida por un número discreto de longitudes de onda, lo que resulta en la existencia de bandas de resonancia discretas.This condition is only met by a number discrete wavelengths, resulting in the existence of discrete resonance bands.

La localización y amplitud de estos distintos resonantes espectrales no depende únicamente de los parámetros opto-geométricos de la guía (especialmente los índices y dimensiones del núcleo y del revestimiento óptico), sino también del índice de refracción del medio externo, un medio que rodea el revestimiento óptico de la guía.The location and extent of these different Spectral resonators does not depend solely on the parameters opto-geometric guide (especially the indices and dimensions of the core and optical coating), but also of the index of refraction of the external medium, a medium that surrounds the optical coating of the guide.

Cuando se modifica este índice de refracción, las distintas bandas de resonancia se desplazan espectralmente y cambian de amplitud.When this index of refraction is modified, the different resonance bands move spectrally and change of amplitude.

Se toma el caso de una rejilla que tiene un ángulo de inclinación \theta de 16º. Cuando el índice n_{ext} de refracción del medio externo cambia desde 1,0 (índice del aire) a 1,3, las bandas espectrales de resonancia se desplazan hacia longitudes de onda largas, con una media de 200 pm, sin cambio significativo en su atenuación.It takes the case of a grid that has a tilt angle? of 16 °. When the index n_ {ext} of External medium refraction changes from 1.0 (air index) to 1,3, the resonance spectral bands move towards long wavelengths, with an average of 200 pm, without change significant in its attenuation.

En contraste, cuando n_{ext} va desde 1,3 a 1,43, se observa un fenómeno de desaparición progresiva de las bandas de resonancia junto con un ligero desplazamiento espectral, hasta que se obtiene un espectro de pérdidas perfectamente uniforme y continuo.In contrast, when n_ {ext} goes from 1.3 to 1.43, a phenomenon of progressive disappearance of the resonance bands along with a slight spectral shift, until a perfectly uniform loss spectrum is obtained and continued.

La figura 2 ya descrita muestra el espectro de una de tales rejillas en el aire y en un medio de índice 1,43.Figure 2 already described shows the spectrum of one of such grids in the air and in an index medium 1.43.

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El fenómeno anteriormente mencionado puede explicarse como sigue. A cada longitud de onda de resonancia \lambda_{i} es posible asociar un modo de revestimiento de índice efectivo n_{eff,i}, que decrece con \lambda_{i}.The aforementioned phenomenon may Explain as follows. At each resonance wavelength \ lambda_ {i} it is possible to associate a cladding mode of effective index n_ {eff, i}, which decreases with \ lambda_ {i}.

Cuando el índice de refracción del medio externo aumenta hasta alcanzar el valor n_{eff,i}, el modo de revestimiento está progresivamente menos guiado por el descenso en el solapamiento integral entre el modo de núcleo guiado y este modo de revestimiento. El resultado de esto es una reducción en la amplitud de la correspondiente banda de resonancia.When the refractive index of the external environment increases to n_ {eff, i}, the mode of lining is progressively less guided by the descent into the integral overlap between the guided core mode and this mode Coating. The result of this is a reduction in amplitude of the corresponding resonance band.

Cuando n_{ext} es igual a n_{eff,i}, el modo de revestimiento deja de estar guiado; no obstante, el acoplamiento tiene lugar con el continuo de modos de radiación.When n_ {ext} is equal to n_ {eff, i}, the mode of coating is no longer guided; however, the coupling It takes place with the continuum of radiation modes.

En la presente invención, con objeto de beneficiarse de este fenómeno, se utiliza una técnica de análisis que consiste en determinar la envolvente inferior \varepsilon_{1} del espectro de pérdidas normalizado de la rejilla transductora de Bragg inclinada (que pasa a través del máximo del espectro) y la envolvente superior \varepsilon_{u} del mismo espectro (que pasa a través del mínimo del espectro) entonces el área normalizada A entre estas dos envolventes.In the present invention, in order to Benefit from this phenomenon, an analysis technique is used which consists in determining the lower envelope ε1 of the normalized loss spectrum of the inclined Bragg transducer grid (passing through the maximum spectrum) and the upper envelope \ varepsilon_ {u} of the same spectrum (which passes through the minimum of the spectrum) then the normalized area A between these two envelopes.

La determinación de las envolventes tiene lugar, por ejemplo, mediante la determinación de los picos y valles de las distintas bandas de resonancia o, lo que es equivalente, a través de la determinación de los máximos y mínimos del espectro de transmisión.The determination of the envelopes takes place, for example, by determining the peaks and valleys of the different resonance bands or, which is equivalent, through the determination of the maximum and minimum of the spectrum of transmission.

Estos máximos y mínimos pueden ser localizados mediante un método directo de detección extrema o utilizando una operación de derivación, que conduce a la curva derivada, y detectando entonces los ceros de esta curva. Finalmente, la envolvente inferior se obtiene mediante interpolación del conjunto de máximos, por ejemplo utilizando funciones de ajuste.These maximums and minimums can be located by a direct method of extreme detection or by using a bypass operation, which leads to the derived curve, and then detecting the zeros of this curve. Finally the lower envelope is obtained by interpolation of the set of maximums, for example using adjustment functions.

La envolvente superior es obtenida también mediante interpolación, utilizando dichas funciones, del conjunto de mínimos.The upper envelope is also obtained by interpolation, using these functions, of the set of minima.

En vez de medir la variación del índice de refracción del medio externo en la forma de un desplazamiento en la longitud de onda de una banda de resonancia, se sigue el cambio en el área normalizada A, que se define como
sigue:
Instead of measuring the variation of the index of refraction of the external medium in the form of a shift in the wavelength of a resonance band, the change in the normalized area A is followed, which is defined as
follow:

A = \frac{\int^{\lambda_{max}}_{\lambda_{min}} \left[\varepsilon_{\mu} (\lambda) - \varepsilon_{1} (\lambda)\right] \partial\lambda}{\int^{\lambda_{max}}_{\lambda_{min}} \left[\varepsilon^{n_{ref}}{}_{\mu} (\lambda) - \varepsilon^{n_{ret}}{}_{1} (\lambda)\right] \partial\lambda}A = \ frac {\ int ^ {\ lambda_ {max}} _ {\ lambda_ {min}} \ left [\ varepsilon _ {\ mu} (\ lambda) - \ varepsilon_ {1} (\ lambda) \ right] \ partial \ lambda} {\ int ^ {\ lambda_ {max}} _ {\ lambda_ {min}} \ left [\ varepsilon ^ {n_ {ref}} {} _ {\ mu} (\ lambda) - \ varepsilon ^ {n_ {ret}} {} _ {1} (\ lambda) \ right] \ partial \ lambda}

donde \varepsilon_{u}(\lambda) y \varepsilon_{1}(\lambda) son respectivamente las envolventes superior e inferior del espectro de pérdidas normalizado de la rejilla transductora de Bragg inclinada, \lambda_{min} y \lambda_{max} son los límites de la ventana espectral que comprende todas las resonancias espectrales de la rejilla (aquí, 1495 nm y 1575 nm respectivamente). \varepsilon^{n}_{ret} y \varepsilon^{n}_{ref} son dos envolventes que se toman como referencia y que corresponden al espectro de rejilla inclinada situada en un medio externo del índice de refracción más allá del cual sólo se puede observar un desplazamiento espectral (aquí, n_{ref}= n_{ext} = 1,296).where \ varepsilon_ {u} (\ lambda) and \ varepsilon_ {1} (\ lambda) are respectively upper and lower envelopes of the normalized loss spectrum of the inclined Bragg transducer grid, \ lambda_ {min} and \ lambda_ {max} are the limits of the spectral window that understand all the spectral resonances of the grid (here, 1495 nm and 1575 nm respectively). ε n ret and ? n ref are two envelopes that are taken as reference and corresponding to the slanting grid spectrum located in an external medium of the index of refraction beyond which can only be observed a spectral shift (here, n_ {ref} = n_ {ext} = 1,296).

Cuando el índice de refracción del medio externo aumenta más allá de 1,3, el suavizado progresivo del espectro es equivalente a acercar progresivamente las dos envolventes y, consecuentemente, a un descenso en el área normalizada A.When the refractive index of the external environment increases beyond 1.3, progressive smoothing of the spectrum is equivalent to gradually approaching the two envelopes and, consequently, to a decrease in the normalized area A.

El beneficio de la anterior definición de A es hacer la medida independiente de cualquier fluctuación en intensidad de la fuente que emite la luz inyectada en la guía de ondas. Esto es importante para cualquier aplicación industrial de la invención.The benefit of the previous definition of A is make the measurement independent of any fluctuation in intensity of the source that emits the light injected into the waveguide. This is important for any industrial application of the invention.

Se especifica que la resolución y la capacidad de repetición de las medidas realizadas con las rejillas de Bragg inclinadas y la técnica de análisis descrita anteriormente tienen un valor de alrededor de 10^{-5}, queriendo decir que es posible repetir las medidas de los índices de refracción cuyo espaciado es igual a alrededor de 10^{-5}.It is specified that the resolution and the ability to repetition of measurements made with Bragg gratings inclined and the analysis technique described above have a value of about 10-5, meaning that it is possible repeat the refractive index measurements whose spacing is equal to about 10-5.

En la invención, se utiliza al menos una rejilla de Bragg inclinada, por consiguiente, con objeto de medir el índice de refracción n_{ext} de un medio en contacto con la fibra óptica en la que está fotograbada esta rejilla. La sensibilidad de una de tales rejillas al índice de refracción del medio resulta en un suavizado progresivo del conjunto de bandas de resonancia presentes en el espectro de transmisión cuando n_{ext} aumenta. El método de análisis de este espectro puede consistir en seguir el cambio en el área entre la envolvente que pasa a través del mínimo de las bandas de resonancia y la envolvente que pasa a través de los máximos de estas bandas. Es posible así, llevar a cabo medidas con una resolución y repetición de alrededor de 10^{-5}. Además es posible adaptar la dinámica de las medidas alterando el ángulo \theta de inclinación. Un valor de alrededor de 16º para la red hace posible cubrir el rango de índices de refracción desde 1,32 hasta 1,42 (valores dados para una longitud de onda de 1.550 nm).In the invention, at least one grid is used of Bragg inclined, therefore, in order to measure the index of refraction n_ {ext} of a medium in contact with the optical fiber in which this grid is photographed. The sensitivity of one of such grids at the refractive index of the medium results in a progressive smoothing of the set of resonance bands present in the transmission spectrum when n_ {ext} increases. The method of analysis of this spectrum may consist of following the change in the area between the envelope that passes through the minimum of the bands of resonance and the envelope that passes through the maximums of these bands. It is thus possible to carry out measures with a resolution and repetition of about 10-5. It is also possible adapt the dynamics of the measurements by altering the angle? of inclination. A value of around 16º for the network makes possible cover the range of refractive indices from 1.32 to 1.42 (values given for a wavelength of 1,550 nm).

En lo sucesivo, el espectro de transmisión de rejillas inclinadas se ha utilizado con objeto de llevar a cabo refractometría. De hecho, es posible trabajar en reflexión. Con objeto de hacer esto, se coloca en el extremo de la fibra un espejo que devuelve la luz en la dirección contraria.Hereinafter, the transmission spectrum of inclined grilles has been used in order to carry out refractometry In fact, it is possible to work in reflection. With In order to do this, a mirror is placed at the end of the fiber which returns the light in the opposite direction.

En este caso, la luz, que se propaga a través del núcleo de la fibra, interactúa dos veces con la rejilla transductora. Este espectro resultante, que se puede observar en la entrada por medio de un acoplador óptico, corresponde simplemente al cuadrado del espectro de transmisión.In this case, the light, which propagates through the fiber core, interacts twice with the grid transducer This resulting spectrum, which can be observed in the input by means of an optical coupler, corresponds simply to the square of the transmission spectrum.

El método de análisis explicado anteriormente para la operación en transmisión es estríctamente idéntico a cuando se opera en reflexión, excepto porque todo el procesamiento se lleva a cabo sobre el cuadrado del espectro de transmisión.The analysis method explained above for the operation in transmission is strictly identical to when it is operated in reflection, except that all the processing takes out on the square of the transmission spectrum.

A continuación, se considerarán ejemplos de un sistema para medir el índice de refracción de acuerdo con la invención, que utiliza al menos una rejilla de Bragg inclinada que opera en transmisión. Es necesario obtener el espectro a través de esta rejilla transductora. Dada la anchura de las bandas de resonancia y su respectivo espaciado espectral, es entonces necesario obtener estos espectros con la suficiente resolución si se desea optimizar la resolución de las medidas del índice de refracción.Next, examples of a system to measure the refractive index according to the invention, which uses at least one inclined Bragg grating that It operates in transmission. It is necessary to obtain the spectrum through This transducer grid. Given the width of the bands of resonance and its respective spectral spacing, is then it is necessary to obtain these spectra with sufficient resolution if you want to optimize the resolution of the index measures refraction.

Con objeto de ser capaces de detectar variaciones del índice de alrededor de 10^{-5}, es necesario adquirir espectros con tamaños de rejilla de longitud de onda de alrededor de 10 picometros. Con espectros de menor resolución (por ejemplo con tamaños de rejilla de unas pocas decenas de picometros) la resolución de las medidas no sería tan buena.In order to be able to detect variations of the index of around 10-5, it is necessary to acquire spectra with wavelength grid sizes of around 10 picometers With lower resolution spectra (for example with grid sizes of a few tens of picometers) the Resolution of the measures would not be so good.

Se especifica que el rango espectral que se desea analizar puede variar desde unos pocos nanometros hasta varias decenas de nanometros. Esto depende principalmente de las dinámicas de medida que se desean obtener.It is specified that the desired spectral range analyze can vary from a few nanometers to several tens of nanometers. This depends mainly on the dynamics as they wish to obtain.

Un primer ejemplo del sistema de medida del índice de refracción que es el objeto de la invención, se muestra esquemáticamente en la figura 3 y comprende una fibra óptica 14 en la que se forma una rejilla 16 de Bragg inclinada que constituye un transductor.A first example of the measurement system of refractive index that is the object of the invention, is shown schematically in figure 3 and comprises an optical fiber 14 in which forms an inclined Bragg grid 16 which constitutes a transducer

No se muestra el revestimiento protector de la fibra sino que se ha retirado sobre la porción de la fibra donde se forma la rejilla 16 de difracción. Esta porción de la fibra se coloca en el medio, cuyo índice de refracción se desea medir y que se simboliza mediante la curva 18.The protective coating of the fiber but has been removed over the portion of the fiber where it form the diffraction grid 16. This portion of the fiber is placed in the middle, whose refractive index you want to measure and that It is symbolized by curve 18.

El sistema también comprende una fuente óptica 20 de espectro ancho, cuya luz se inyecta en un extremo de la fibra óptica. Esta fuente puede ser puramente de fibras o no. Cuando no es puramente de fibras, se proporcionan unos medios de inyección de luz en la fibra.The system also comprises an optical source 20 wide spectrum, whose light is injected at one end of the fiber optics. This source can be purely fiber or not. When it is not purely fiber, light injection means are provided in the fiber

En el otro extremo de la última, está conectado un analizador 22 de espectro que coincide con el rango espectral cubierto por la fuente 20 y la rejilla transductora 16.On the other end of the last one, it's connected a spectrum analyzer 22 that matches the spectral range covered by source 20 and transducer grid 16.

Este analizador 22 de espectro está conectado a un dispositivo 24 de adquisición digital destinado a convertir las señales analógicas provistas por el analizador de espectros en señales digitales explotables por un dispositivo electrónico 26 de procesamiento (ordenador).This spectrum analyzer 22 is connected to a digital acquisition device 24 intended to convert the analog signals provided by the spectrum analyzer in digital signals exploitable by an electronic device 26 of processing (computer).

La técnica de análisis descrita anteriormente está implementada (en la forma de equipos lógicos) en el dispositivo 26 de procesamiento electrónico el cual, además, está equipado con medios (no mostrados) para mostrar los resultados proporcionados por el ordenador.The analysis technique described above is implemented (in the form of logical equipment) in the device 26 electronic processing which, in addition, is equipped with means (not shown) to show the results provided by the computer.

Otro ejemplo del sistema que es el objeto de la invención se ilustra esquemáticamente en la figura 4. En este otro ejemplo, la fuente 20 de espectro ancho se reemplaza con una fuente láser 28 con un espectro muy estrecho, y que puede ser ajustada espectralmente.Another example of the system that is the object of the invention is schematically illustrated in figure 4. In this other example, the broad spectrum source 20 is replaced with a source laser 28 with a very narrow spectrum, and that can be adjusted spectrally.

En este caso, ya no es necesario colocar un analizador espectral a la salida de la fibra 14: es suficiente utilizar un único fotodetector 30.In this case, it is no longer necessary to place a spectral analyzer at the exit of fiber 14: it is enough use a single photodetector 30.

De nuevo, se emplea la técnica de análisis mencionada anteriormente, por medio de un dispositivo 32 de adquisición conectado al fotodetector 30 y un ordenador 34 conectado al dispositivo 32 y provisto para emplear la técnica de analizar la respuesta de las rejillas inclinadas al índice de refracción del medio externo.Again, the analysis technique is used mentioned above, by means of a device 32 of acquisition connected to photodetector 30 and a computer 34 connected to device 32 and provided to employ the technique of analyzing the response of the inclined gratings to the refractive index of the external medium

Otro ejemplo del sistema que es el objeto de la invención se ilustra esquemáticamente en la figura 5. A diferencia de los sistemas de las figuras 3 y 4 que operan en transmisión, el sistema de la figura 5 opera en reflexión. Con objeto de hacer esto, se coloca un espejo 36 en uno de los extremos de la fibra 14.Another example of the system that is the object of the invention is schematically illustrated in figure 5. Unlike of the systems of figures 3 and 4 operating in transmission, the Figure 5 system operates in reflection. In order to do this, a mirror 36 is placed on one of the ends of the fiber 14.

Ventajosamente, este espejo 36 se obtiene colocando un metal o un recubrimiento dieléctrico en este extremo. Las características de este recubrimiento dependen de la región espectral en la que tiene lugar la operación.Advantageously, this mirror 36 is obtained placing a metal or a dielectric coating on this end. The characteristics of this coating depend on the region spectral in which the operation takes place.

Un acoplador óptico 38 del tipo 1 x 2 está conectado al otro extremo de la fibra 14 y, según puede verse, conectado a través de una fibra óptica 40 a la fuente 20 de luz de espectro ancho y, a través de otra fibra óptica 42, a una unidad para procesar señales luminosas de forma sucesiva que comprende un analizador 44 de espectro, un dispositivo 46 de adquisición y un ordenador 48.An optical coupler 38 of type 1 x 2 is connected to the other end of the fiber 14 and, as can be seen, connected through an optical fiber 40 to the light source 20 of broad spectrum and, through another optical fiber 42, to a unit to process light signals successively comprising a spectrum analyzer 44, an acquisition device 46 and a computer 48.

La luz emitida por la fuente 20 pasa sucesivamente a través de la fibra 40, del acoplador 38 y de la fibra 14, se refleja en el espejo 36, regresa entonces a través de la fibra 14, después a través de la fibra 42 después de haber cruzado el acoplador 38.The light emitted by source 20 passes successively through fiber 40, coupler 38 and the fiber 14, is reflected in mirror 36, then returns through fiber 14, then through fiber 42 after having crossed the coupler 38.

El analizador 44 de espectro, el dispositivo 46 de adquisición y el ordenador 48 cooperan con objeto de proporcionar medidas del índice de refracción del medio 18 que rodea la porción de fibra que contiene la rejilla 16 mientras tienen en cuenta el hecho de que, en este caso, la operación tiene lugar en reflexión.The spectrum analyzer 44, the device 46 acquisition and computer 48 cooperate in order to provide measures of the index of refraction of the medium 18 surrounding the portion of fiber containing grid 16 while taking into account the fact that, in this case, the operation takes place in reflection.

La persona experta en la técnica puede adaptar el ejemplo de la figura 5 al caso en el que se utiliza la fuente láser 28 de la figura 4, con un espectro muy estrecho y que puede ser afinado espectralmente, en vez de la fuente 20 de espectro ancho.The person skilled in the art can adapt the example of figure 5 to the case in which the laser source is used 28 of Figure 4, with a very narrow spectrum and that can be spectrally tuned, instead of spectrum source 20 width.

Los ejemplos de las figuras 3 a 5 comprenden únicamente una única rejilla transductora. La figura 6 ilustra esquemáticamente otro sistema de acuerdo con la invención, que opera en transmisión, en el cual se forma una pluralidad de rejillas inclinadas transductoras, por ejemplo N rejillas R1, R2, ..., RN, respectivamente, en porciones de la misma fibra óptica 50. Se dispensa revestimiento protector en estas porciones y se colocan en los medios M1, M2, ..., MN, respectivamente, cuyos índices de refracción se desean medir.The examples of figures 3 to 5 comprise only a single transducer grid. Figure 6 illustrates schematically another system according to the invention, which operates in transmission, in which a plurality of gratings is formed inclined transducers, for example N grids R1, R2, ..., RN, respectively, in portions of the same 50 optical fiber. Dispenses protective coating on these portions and placed in means M1, M2, ..., MN, respectively, whose indices of Refraction you want to measure.

La fuente luminosa 20 de espectro ancho se utiliza de nuevo en el ejemplo de la figura 6 y su luz se inyecta en la fibra 50.The broad spectrum light source 20 is used again in the example of figure 6 and its light is injected into 50 fiber

Tal configuración corresponde a un sistema multiplexado. Una región espectral \Delta\lambda_{i} (1=i=n) o canal está situada específicamente en cada rejilla transductora R_{i}. Estos distintos canales son desmultiplexados (mediante un método electrónico, óptico o puramente digital) y se determina el índice de refracción del medio que rodea cada una de las rejillas.Such configuration corresponds to a system multiplexed A spectral region \ Delta \ lambda_ {i} (1 = i = n) or channel is located specifically on each transducer grid R_ {i}. These different channels are demultiplexed (by means of a electronic, optical or purely digital method) and the refractive index of the environment surrounding each of the grilles

Con objeto de hacer esto, en el ejemplo de la figura 6, la fibra 50 se conecta de nuevo a un analizador 52 de espectro provisto con objeto de adquirir el espectro de transmisión del conjunto de rejillas transductoras R_{i}.In order to do this, in the example of the Figure 6, the fiber 50 is connected again to an analyzer 52 of spectrum provided in order to acquire the transmission spectrum of the set of transducer grids R_ {i}.

Este analizador 52 de espectros está conectado a un dispositivo 54 de adquisición y desmultiplexión provisto con objeto de transformar las señales análogicas provistas por el analizador 52 de espectros en señales digitales y para aislar la región espectral correspondiente a cada rejilla transductora.This spectrum analyzer 52 is connected to an acquisition and demultiplexing device 54 provided with object of transforming the analog signals provided by the spectra analyzer 52 in digital signals and to isolate the spectral region corresponding to each transducer grid.

Este dispositivo 54 de adquisición y desmultiplexión está conectado a un ordenador 56 que está equipado con medios de visualización (no mostrados) y que está provisto para emplear la técnica de análisis sobre cada una de las distintas regiones espectrales separadas por el dispositivo 54 de adquisición y desmultiplexión.This acquisition device 54 and demultiplexing is connected to a computer 56 that is equipped with display media (not shown) and that is provided for use the analysis technique on each of the different spectral regions separated by the acquisition device 54 and demultiplexion.

La persona experta en la técnica puede adaptar el ejemplo de la figura 6 a la operación en reflexión, a partir por ejemplo de la figura 5.The person skilled in the art can adapt the example of figure 6 to the operation in reflection, starting with example of figure 5.

El uso de rejillas inclinadas para refractometría tiene las siguientes ventajas:The use of inclined gratings for refractometry It has the following advantages:

una muy baja sensibilidad a la temperatura y tensión (por ejemplo mucho menor que la de las rejillas de periodo largo),a very low temperature sensitivity and voltage (for example much less than that of period gratings long),

una capacidad de multiplexión adecuada,adequate multiplexing capacity,

un tiempo de respuesta de alrededor de un segundo, limitado únicamente por el tiempo de cálculo del ordenador y no por la rejilla transductora,a response time of about a second, limited only by the computation time of the computer and not by the transducer grid,

la posibilidad de adaptar las dinámicas de medida y la sensibilidad eligiendo los parámetros de rejilla, en particular el ángulo de inclinación,the possibility of adapting measurement dynamics and the sensitivity by choosing the grid parameters, in particular the angle of inclination,

la posibilidad de obtener resoluciones de alrededor de 10^{-5}, ythe possibility of obtaining resolutions of around 10-5, and

la posibilidad de hacer que la pieza transductora opere en reflexión.the possibility of making the transducer piece Operate in reflection.

Además, se debería apreciar que la técnica de análisis espectral de las rejillas inclinadas, explicada anteriormente, hace posible superar problemas de fluctuación de potencia de las fuentes luminosas o fuentes ópticas, de todas las pérdidas accidentales en el sensor de rejilla inclinada y de la sensibilidad de este sensor, es decir que toda la intensidad transforma el funcionamiento del sistema de medida. Este es un problema al que deben enfrentarse las técnicas de la técnica anterior, que están basadas en una medida de la intensidad. Es, por lo tanto una ventaja determinante sobre las técnicas de refractometría que utilizan ondas evanescentes.In addition, it should be appreciated that the technique of spectral analysis of the inclined gratings, explained previously, it makes it possible to overcome fluctuation problems of power of light sources or optical sources, of all accidental losses in the inclined grid sensor and the sensitivity of this sensor, that is to say that all the intensity Transforms the operation of the measurement system. This is a problem that technique techniques must face above, which are based on a measure of intensity. Is by therefore a decisive advantage over the techniques of refractometry that use evanescent waves.

Asimismo, no es necesario atacar, química o mecánicamente, la estructura inicial de la guía de ondas con objeto de obtener sensibilidades satisfactorias. Es de hecho difícil controlar la capacidad de reproducción de tales procesos que además tienen la principal desventaja de debilitar la guía de ondas.It is also not necessary to attack, chemical or mechanically, the initial structure of the waveguide in order to obtain satisfactory sensitivities. It is indeed difficult control the reproducibility of such processes that also They have the main disadvantage of weakening the waveguide.

Este último punto es también una ventaja para el prestigio de la presente invención con respecto a sistemas que utilizan rejillas de Bragg convencionales. Estos últimos sistemas tienen asimismo un rendimiento metrológico más débil (en particular resoluciones).This last point is also an advantage for the prestige of the present invention with respect to systems that They use conventional Bragg gratings. These last systems they also have a weaker metrological performance (in particular resolutions).

Comparado con los sensores de superficie de plasmón, el uso de rejillas inclinadas permite el uso más simple de sensores puramente de fibras. Esto se debe a que el fabricante de un sensor de superficie de plasmón en una fibra óptica requiere producir un recubrimiento de metal (típicamente hecho de plata) directamente en el núcleo de la fibra. Es por ello, necesario retirar de antemano el revestimiento óptico de la fibra y depositar a continuación un recubrimiento homogéneo justo alrededor del último. Asimismo, a menudo se encuentran dificultades en unir la capa de plata a la sílice (de la cual está generalmente hecho el núcleo de la fibra).Compared to the surface sensors of plasmon, the use of inclined gratings allows the simplest use of purely fiber sensors. This is because the manufacturer of a Plasmon surface sensor in an optical fiber requires produce a metal coating (typically made of silver) directly in the fiber core. It is therefore necessary remove the fiber optic coating beforehand and deposit then a homogeneous coating just around the latest. Also, there are often difficulties in joining the silver layer to silica (which is usually made of fiber core).

La técnica más próxima a la presente invención es la que utiliza rejillas de Bragg de periodo largo o LPFG. No obstante, los dos tipos de rejillas son muy diferentes. A pesar de que ambos producen acoplamiento de los modos de revestimiento de una guía de ondas, las rejillas inclinadas producen un acoplamiento en la dirección contraria, conectado a periodos de rejilla mucho menores que los de las LPFG.The closest technique to the present invention is the one that uses long period Bragg gratings or LPFG. Do not However, the two types of grilles are very different. In spite of which both produce coupling of the lining modes of a waveguide, inclined gratings produce a coupling in the opposite direction, connected to grid periods a lot lower than those of the LPFG.

Asimismo, en vez de analizar una única resonancia la presente invención utiliza todas las resonancias presentadas en el espectro de transmisión de las rejillas inclinadas.Also, instead of analyzing a single resonance The present invention uses all the resonances presented in the transmission spectrum of the inclined gratings.

Asimismo, la última es claramente menos sensible a otros parámetros físicos del medio externo, tales como la temperatura y tensión. Esto hace posible evitar recurrir a técnicas de compensación.Also, the last one is clearly less sensitive to other physical parameters of the external environment, such as the temperature and tension This makes it possible to avoid resorting to techniques of compensation.

Asimismo, ocupan un rango espectral menor, lo que mejora las capacidades de multiplexión del sistema de medida.They also occupy a smaller spectral range, which improves the multiplexing capabilities of the measurement system.

Finalmente, las longitudes de las rejillas inclinadas son menores que las de las rejillas de periodo largo, a saber estas son de alrededor de unos pocos milímetros comparadas con los 20 a 30 mm para las LPFG. Esto hace posible realizar medidas cuasi discretas.Finally, the lengths of the grilles inclined are smaller than those of long period grids, to know these are around a few millimeters compared to 20 to 30 mm for LPFG. This makes it possible to make measurements Quasi discrete.

Preferiblemente, se proporcionan los medios de adquisición y análisis espectral utilizados en la invención con objeto de adquirir cada espectro, con un tamaño de rejilla de longitud de onda tan pequeño como sea permitido por la técnica de análisis anteriormente mencionada.Preferably, the means of acquisition and spectral analysis used in the invention with object of acquiring each spectrum, with a grid size of wavelength as small as allowed by the technique of analysis mentioned above.

Además, la invención puede implementarse con otras guías de ondas distintas a fibras ópticas, por ejemplo con una o más guías planas de ondas.In addition, the invention can be implemented with other waveguides other than optical fibers, for example with a or more flat wave guides.

Claims (11)

1. Sistema para medir el índice de refracción de al menos un medio (18; M2, M2 ... MN) comprendiendo este sistema:1. System to measure the refractive index of at least one medium (18; M2, M2 ... MN) comprising this system:
una guía (14,50) de ondas que comprende al menos un transductor (16; R1, R2 ... RN) formado, en la parte de la guía de ondas que se pone en contacto con el medio, mediante una rejilla de Bragg inclinada, cuya respuesta espectral depende del índice de refracción del medio por medio de un acoplamiento de energía entre el modo guiado y los modos de revestimiento y/o un continuo de modos de radiación,a guide (14.50) of waves comprising at least one transducer (16; R1, R2 ... RN) formed, in the part of the waveguide that contacts the middle, by means of an inclined Bragg grid, whose response spectral depends on the refractive index of the medium by means of a power coupling between guided mode and modes coating and / or a continuum of radiation modes,
una fuente (20, 28) de luz acoplada ópticamente a la guía de ondas con objeto de dirigir esta luz a la misma y para hacerla interactuar con la red de difracción,a fountain (20, 28) of light optically coupled to the waveguide in order to direct this light to it and to make it interact with the network of diffraction,
medios (22, 30, 44, 52) de análisis espectral provistos para analizar la luz que ha interactuado con la rejilla y para proporcionar un espectro correspondiente a esta rejilla,media (22, 30, 44, 52) of spectral analysis provided to analyze the light that has interacted with the grid and to provide a spectrum corresponding to this grid,
medios (24, 32, 46, 54) de adquisición provistos para recuperar este espectro, ymedia (24, 32, 46, 54) acquisition provided to recover this spectrum, Y
medios (26, 34, 48, 56) de procesamiento electrónico provistos para correlacionar a partir del espectro así recuperado, la respuesta espectral de la rejilla con un valor de índice de refracción del medio y para proporcionar este valor.media (26, 34, 48, 56) electronic processing provided to correlate to from the spectrum thus recovered, the spectral response of the grid with a refractive index value of the medium and for Provide this value.
2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los medios de procesamiento electrónicos están provistos con objeto de determinar las curvas envolventes superior e inferior del espectro normalizado y el área normalizada entre estas dos curvas.2. System according to claim 1, in which electronic processing means are provided with in order to determine the upper and lower envelope curves of the normalized spectrum and the normalized area between these two curves 3. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el cual la guía (14) de ondas comprende una única rejilla (16) de Bragg inclinada.3. System according to any of the claims 1 and 2, wherein the waveguide (14) comprises a single slanted Bragg rack (16). 4. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el cual la guía (50) de ondas comprende una pluralidad de rejillas (R1, R2 ... RN) de Bragg inclinadas, estando los medios (52) de análisis espectral provistos con objeto de analizar la luz que ha interactuado con las rejillas y para proporcionar el espectro correspondiente respectivamente a estas rejillas, estando provistos los medios (54) de adquisición con objeto de desmultiplexar, de una manera óptica o digital, el espectro así provisto y para discriminar las respuestas espectrales respectivas de las rejillas y estando dispuestos los medios (56) de procesamiento electrónico para correlacionar la respuesta espectral de cada rejilla con un valor de índice de refracción del medio (M1, M2 ... MN) correspondiente a esta rejilla.4. System according to any of the claims 1 and 2, wherein the waveguide (50) comprises a plurality of slats (R1, R2 ... RN) of inclined Bragg, the means (52) of spectral analysis being provided for the purpose to analyze the light that has interacted with the grilles and to provide the corresponding spectrum respectively to these grilles, the acquisition means (54) being provided with object of demultiplexing, in an optical or digital way, the spectrum thus provided and to discriminate spectral responses of the grilles and the means (56) of electronic processing to correlate the spectral response of each grid with a refractive index value of the medium (M1, M2 ... MN) corresponding to this grid. 5. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual la fuente (20) es una fuente de espectro ancho.5. System according to any of the claims 1 to 4, wherein the source (20) is a source of broad spectrum 6. Sistema de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual la fuente de luz es una fuente (28) de espectro estrecho, cuya longitud de onda puede ser ajustada, y los medios de análisis espectral comprenden un fotodetector (30).6. System according to claim 3, in which the light source is a narrow spectrum source (28), whose wavelength can be adjusted, and the means of analysis spectral comprise a photodetector (30). 7. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual la fuente (20) de luz está acoplada a un primer extremo de la guía (14) de ondas y los medios (22, 30, 52) de análisis espectral están acoplados ópticamente a un segundo extremo de esta guía de ondas, para el propósito de medir el índice de refracción por transmisión.7. System according to any of the claims 1 to 6, wherein the light source (20) is coupled to a first end of the waveguide (14) and the means (22, 30, 52) spectral analysis are optically coupled to a second end of this waveguide, for the purpose of measuring the refractive index per transmission. 8. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual la fuente (20) de luz y los medios (44) de análisis espectral están acoplados ópticamente a un primer extremo de la guía (14) de ondas y están provistos medios (36) de reflexión de la luz en el segundo extremo de la guía de ondas, con el propósito de medir el índice de refracción por reflexión.8. System according to any of the claims 1 to 6, wherein the light source (20) and the spectral analysis means (44) are optically coupled to a first end of the waveguide (14) and means are provided (36) of light reflection at the second end of the guide waves, with the purpose of measuring the refractive index by reflection. 9. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual los medios de adquisición y análisis espectral están provistos con objeto de adquirir cada espectro, con un tamaño de rejilla de longitud de onda tan pequeño como sea permitido por la técnica de análisis.9. System according to any of the claims 1 to 8, wherein the means of acquisition and spectral analysis are provided in order to acquire each spectrum, with such a small wavelength grid size as allowed by the analysis technique. 10. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual la guía de ondas es una fibra óptica (14, 50).10. System according to any of the claims 1 to 9, wherein the waveguide is a fiber optics (14, 50). 11. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual la guía de ondas es una guía de ondas plana.11. System according to any of the claims 1 to 9, wherein the waveguide is a guide of flat waves
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