ES2336466T3 - Sensores opticos de multiples longitudes de onda. - Google Patents

Abstract

Aparato que comprende: una fuente de luz (18); y un sensor óptico (10) que comprende: un sustrato (12); por lo menos dos rejillas (14) de Bragg planas definidas dentro de una o más guías de ondas (26) ópticas en el sustrato, presentando cada rejilla de Bragg una respuesta de filtración de longitudes de onda que varía con un índice modal efectivo experimentado por la luz que se propaga en la rejilla de Bragg y que tiene una longitud de onda de Bragg característica diferente a las longitudes de onda de Bragg de las otras rejillas de Bragg; y una ventana (16) de muestras común superpuesta sobre y asociada a las rejillas de Bragg y dispuesta para recibir una muestra de fluido (58) de tal manera que la presencia de una muestra de fluido afecta al índice modal efectivo experimentado por luz que se propaga en las rejillas de Bragg asociadas y, por lo tanto, modifica la respuesta de filtración de longitudes de onda de las rejillas de Bragg; estando dispuestas las rejillas de Bragg para recibir luz de la fuente de luz (18), filtrar la luz, y dar salida a la luz filtrada para su detección por parte de un detector óptico de resolución espectral o un detector de potencia óptica; comprendiendo además el aparato un detector óptico (32) de resolución espectral o un detector de potencia óptica dispuesto para detectar luz reflejada de las rejillas de Bragg, y un procesador que se puede hacer funcionar para recibir resultados de un análisis espectral del detector óptico y para determinar la dispersión de una muestra a partir del mismo.

Description

Sensores ópticos de múltiples longitudes de onda.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a unos sensores ópticos basados en rejillas de guías de ondas planas para detectar el índice de refracción de muestras de fluido y parámetros y características relacionados con las mismas.

La medición del índice de refracción óptico de fluidos es importante en campos que incluyen el bioanálisis y la biodetección. Diferentes fluidos, o concentraciones del mismo fluido, tienen índices de refracción diferentes de manera que los fluidos se pueden identificar o diferenciar a partir de mediciones del índice de refracción. El índice de refracción o cambio del índice de refracción de un fluido se puede usar para determinar muchos mensurandos biológicamente importantes tales como concentraciones de proteínas y niveles de glucosa. En otros campos, las mediciones del índice de refracción se usan en aplicaciones tan diversas como el control de procesos y la detección de explosivos [1].

Se conocen varios dispositivos y técnicas para medir el índice de refracción. Los mismos incluyen el refractómetro de tipo Abbe, y sensores basados en la resonancia del plasmón superficial. También se pueden usar guías de ondas ópticas. La presencia de un líquido adyacente a una guía de ondas óptica puede modificar el índice modal efectivo de la luz que se propaga dentro de la guía de ondas. Esta modificación del índice se puede medir usando técnicas que son sensibles a cambios en la longitud del trayecto óptico. Por ejemplo, se han usado estructuras de interferómetros para medir cambios del índice y, por lo tanto, detectar la presencia de proteínas [2].

Una alternativa a la medición interferométrica es el uso de rejillas de guías de ondas ópticas, en las que las propiedades de reflexión de una rejilla, que dependen del índice de refracción, son modificadas por el índice de un líquido en contacto con la guía de ondas. Uno de los primeros dispositivos de este tipo usaba guías de ondas ópticas planas con rejillas de relieves superficiales, en las que la adsorción y la desorción de gas sobre la superficie de la guía de ondas cambiaba el índice de refracción y permitía la detección del gas [3]; se han propuesto otras configuraciones de rejillas planas para sensores ópticos integrados biológicos y químicos [4]. Otros dispositivos basados en rejillas han usado rejillas de Bragg de fibra [5]. Las propuestas han incluido la reducción del espesor de la fibra con ataque químico en húmedo para incrementar la sensibilidad [6], y el uso de rejillas de periodo largo en fibra D, de las que se ha observado que son más sensibles que rejillas en fibra de telecomunicaciones convencional [7], No obstante, el uso de rejillas de fibra requiere un procesado tedioso de la fibra para dejar al descubierto el núcleo de guiado de las ondas al líquido, por ejemplo mediante ataque químico, que resulta difícil de controlar en la geometría de una fibras, o montando la fibra en un bloque y rebajándola por pulido hasta acceder al núcleo. Son preferibles implementaciones de guías de ondas planas ya que típicamente resulta más sencillo obtener acceso al modo óptico de propagación.

Schroeder et al, en "A fibre Bragg grating refractometer" (Measurement Science and Technology, vol., 12, págs. 757 a 764, 2001), describen un sensor de rejilla de Bragg contenido en una fibra para la medición de índices de refracción en líquidos, que hace uso del pulido lateral de la fibra. En una zona pulida en la que el revestimiento de la fibra se ha eliminado parcialmente, la rejilla queda expuesta a un analito líquido a través de la interacción de campo evanescente del modo de fibra guiado. La longitud de onda de Bragg de la rejilla se obtiene en términos de su dependencia con respecto al índice de refracción del analito. Se puede usar una segunda rejilla situada en una parte no pulida de la fibra para compensar efectos de la temperatura. La sensibilidad se puede modificar aplicando un recubrimiento de índice elevado a la rejilla. Si se requiere medir una amplia gama de índices de refracción de analitos, se sugiere el multiplexado de un conjunto de sensores de diferente sensibilidad.

Veldhuis et al, en "An integrated optical Bragg-reflector used as an chemo-optical sensor" (Puré and Applied Optics, vol. 7, págs. L23 a L26, 1998), describen el uso de un reflector de Bragg óptico integrado como sensor químico-óptico, que convierte un cambio en la concentración de analito en un cambio del índice de refracción, detectable mediante la detección de un cambio en la longitud de onda reflejada por el reflector de Bragg.

El documento EP 1154269 describe un aparato de diagnóstico por ultrasonidos que tiene múltiples rejillas de Bragg con diferentes longitudes de onda de Bragg características. Se mide la respuesta de las rejillas de Bragg a ondas acústicas.

Sumario de la invención

La invención está definida por el objeto de la reivindicación 1.

Un sensor que incorpora varias rejillas en un único sustrato resulta ventajoso por cuanto se pueden poner en práctica muchas configuraciones de sensor, ofreciendo pruebas simultáneas de múltiples muestras o pruebas bajo diferentes parámetros, con las diferentes longitudes de onda de Bragg proporcionando un elemento espectral para mediciones realizadas con el sensor, que pueden producir información detallada sobre fluidos y permitir la discriminación de diferentes fluidos. Además, el uso de longitudes de onda diferentes permite un acceso exclusivo a las diferentes rejillas simplemente usando luz de una longitud de onda adecuada, de manera que el acoplamiento de luz hacia y fuera de las rejillas y el posterior análisis de la luz detectada pueden resultar muy directos. La salida de luz del sensor se puede usar para medir el índice de refracción y la dispersión, para determinar parámetros relacionados con el índice de refracción, para investigar capas dentro de una muestra de fluido o la distribución espacial del fluido a lo largo de la ventana de la muestra, y/o para identificar tipos de fluido, entre otras aplicaciones. El posicionamiento de las rejillas en un sustrato significa que las mismas disponen de entornos más similares de manera que la salida del sensor queda menos sujeta a errores provocados por perturbaciones, ya que todas las rejillas experimentan perturbaciones de forma equitativa de modo que sus salidas relativas no se ven afectadas. La fabricación y la estructura del sensor pueden ser sencillas; se pueden usar técnicas directas de grabación ultravioleta para definir los componentes del sensor completo en una única etapa de procesado. Las rejillas de guías de ondas planas constituyen una forma particularmente conveniente de proporcionar elementos reflectantes con las respuestas requeridas de filtración de longitudes de onda, ya que las mismas son compactas y robustas, y se pueden fabricar de forma precisa con una gama amplia de respuestas, particularmente por medio de grabación ultravioleta.

En la invención, dicha por lo menos una ventana de muestras está asociada a cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg, de manera que a la totalidad de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg se les puede proporcionar una muestra de fluido. Esto permite que, si se desea, cada rejilla se use para pruebas y medición de fluidos. Dicha por lo menos una ventana de muestras puede comprender una única ventana de muestras compartida por la totalidad de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg de manera que una muestra de fluido recibida por la ventana de muestras influya en el índice modal efectivo de propagación de la luz en la totalidad de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg. De este modo, cada rejilla se usa para hacer indagaciones sobre una única muestra de fluido, de manera que se puede determinar de la forma más sencilla posible información espectral detallada sobre propiedades de los fluidos. Alternativamente, fuera del alcance de la invención, dicha por lo menos una ventana de muestras puede comprender una ventana de muestras independiente asociada a cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg, de manera que a cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg se le puede proporcionar una muestra de fluido independiente. Esto permite considerar simultáneamente varias muestras diferentes, y también puede resultar relevante en casos en los que las dimensiones de la ventana sean significativas, por ejemplo, si las muestras de fluido disponibles son muy pequeñas.

Dichas por lo menos dos rejillas de Bragg pueden comprender uno o más pares de rejillas de Bragg, comprendiendo cada par de rejillas de Bragg una rejilla de detección que tiene una ventana de muestras asociada y una rejilla de referencia, presentando la rejilla de detección y la rejilla de referencia longitudes de onda de Bragg con una separación suficientemente reducida de manera que las rejillas tengan sustancialmente el mismo confinamiento modal. Por ejemplo, la rejilla de detección y la rejilla de referencia pueden tener longitudes de onda de Bragg separadas en una magnitud en el intervalo de entre 2 y 10 nm. El uso de rejillas de referencia permite realizar una compensación de la variación térmica y otras perturbaciones que pueden inducir errores. La comparación de las respuestas de las rejillas de referencia y de detección permite aislar cambios de índices inducidos por una muestra de fluido aplicada a la rejilla de detección con respecto a cambios que surjan por perturbaciones no relacionadas. Esto resulta particularmente preciso ya que las rejillas están en el mismo sustrato, de manera que los entornos de las rejillas de referencia y de detección son lo más similares posible excepto por la muestra de fluido. Para comparar adicionalmente los entornos de las rejillas de referencia y de detección, la rejilla de referencia puede tener una ventana de muestras asociada, independiente con respecto a la ventana de muestras asociada a la rejilla de detección. A la rejilla de referencia se le puede aplicar un fluido de referencia, para proporcionar a las dos rejillas una respuesta similar, por ejemplo, a cambios de temperatura. Además, la rejilla de referencia y la rejilla de detección se pueden definir dentro de una única guía de ondas.

En algunas formas de realización, dichas por lo menos dos rejillas de Bragg pueden comprender una pluralidad de rejillas de Bragg divididas en grupos de rejillas de Bragg, presentando las rejillas de Bragg dentro de cada grupo longitudes de onda de Bragg separadas por una primera separación, y presentando cada grupo una longitud de onda de Bragg media separada con respecto a longitudes de onda de Bragg medias de otros grupos por una segunda separación mayor que la primera separación. La segunda separación puede ser, por ejemplo, por lo menos diez veces mayor que la primera separación. La primera separación se puede encontrar en el intervalo de entre 2 y 10 nm.

Ventajosamente, la guía o guías de ondas ópticas se pueden configurar para una propagación de la luz de unimodal.

Por lo menos una de dicha por lo menos una ventana de muestras puede comprender una parte de una capa de revestimiento superpuesta sobre un núcleo de la guía de ondas óptica en la que se define la rejilla de Bragg asociada, de tal manera que una muestra de fluido recibida por la ventana de muestras esté en contacto con la capa de revestimiento. Además, el sensor puede comprender dos o más ventanas de muestras en cada una de las cuales la parte de la capa de revestimiento tenga un espesor diferente. De forma adicional o alternativa, por lo menos una de dicha por lo menos una ventana de muestras puede comprender una parte expuesta de un núcleo de la guía de ondas óptica en la que se define la rejilla de Bragg asociada, de tal manera que una muestra de fluido recibida por la ventana de muestras esté en contacto con el núcleo. Estas opciones se pueden usar para seleccionar la sensibilidad de la rejilla al fluido, habiendo disponible una mayor flexibilidad en la primera opción mediante la selección del espesor de la capa de revestimiento para determinar la proximidad del fluido al núcleo. En la última opción, la parte expuesta del núcleo puede tener un espesor menor que un espesor del núcleo en partes adyacentes de la guía de ondas óptica en la que se define la rejilla de Bragg asociada. Esta disposición se puede usar para proporcionar un guiado de ondas unimodal a través de la rejilla con el fin de superar la perturbación modal que puede surgir por el cambio de la estructura de la guía de ondas en los bordes de la ventana de muestras.

Cada rejilla de Bragg que tiene una ventana de muestras asociada se puede definir en una guía de ondas óptica que tenga un núcleo que presente una variación de reducción progresiva en el índice de refracción a todo lo largo del mismo, con el fin de reducir cambios bruscos del índice modal efectivo en los bordes de la ventana de muestras. Una guía de ondas estructurada de esta manera ayuda además a superar perturbaciones modales en los límites de la ventana, reduciendo reflexiones que se pueden producir en un límite estructural brusco. De modo similar, dicha por lo menos una ventana de muestras puede tener uno o más bordes que estén en ángulo con respecto a una dirección de propagación de la luz en la guía de ondas óptica en la que se defina la rejilla de Bragg asociada, con el fin de reducir reflexiones de luz que se propague en la rejilla de Bragg.

La guía o guías de ondas ópticas pueden comprender una o más capas que modifiquen propiedades del guiado de ondas de la guía o guías de ondas ópticas. Se pueden usar capas adicionales para aproximar o alejar el campo óptico de la luz que se propaga en la guía de ondas con respecto a la ventana de la muestra, permitiendo una personalización de la sensibilidad del sensor al fluido recibido en la ventana.

Estos sensores se pueden usar para realizar mediciones directas del índice de refracción, o para medir o detectar características del fluido que varíen con el índice de refracción. Este planteamiento se puede ampliar mediante modificaciones sencillas en el sensor. Por ejemplo, fuera del alcance de la presente invención, por lo menos una de dicha por lo menos una ventana de muestras puede estar provista de un recubrimiento superficial de un material químicamente selectivo que pueda actuar para unirse con moléculas que puedan estar presentes en una muestra de fluido que vaya a ser recibida por la ventana de muestras, provocando la unión una modificación del índice modal efectivo de luz que se propaga en la rejilla de Bragg asociada. De esta manera, se pueden detectar sustancias química y bioquímicamente reactivas, por ejemplo, en pruebas para la presencia de anticuerpos particulares en muestras biológicas. Además, por lo menos una de dicha por lo menos una ventana de muestras puede estar provista de una capa superficial de un metal que tenga un plasmón de superficie que pueda ser modificado por una muestra de fluido que vaya a ser recibida por la ventana de muestras, provocando la modificación en el plasmón de superficie una modificación del índice modal efectivo de la luz que se propaga en la rejilla de Bragg asociada.

El sensor puede comprender además un dispositivo de calentamiento o enfriamiento que puede funcionar para modificar la temperatura del sustrato de tal manera que cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg tenga sustancialmente la misma temperatura. Se pueden realizar mediciones a diferentes temperaturas del fluido calentando las rejillas y la(s) muestra(s) de fluido. El hecho de que todas las rejillas, incluyendo cualesquiera rejillas de referencia, estén todas ellas en el mismo sustrato significa que se calientan de forma similar, lo cual elimina errores que podrían surgir por la dependencia, con respecto a la temperatura, de las respuestas de la filtración de longitudes de onda en el caso de un calentamiento desigual.

El sensor óptico puede comprender rejillas según los ejemplos y formas de realización anteriores a las que un usuario puede conectar fuentes de luz y detectores de potencia óptica según se requiera. No obstante, otras formas de realización pueden incluir adicionalmente estos componentes, quizás montados en un único sustrato con los elementos de detección y análisis. En algunas formas de realización, el sensor óptico puede comprender además una o más fuentes de luz que pueden funcionar para entregar luz a dichas por lo menos dos rejillas de Bragg de tal manera que cada rejilla de Bragg reciba luz con un ancho de banda espectral que abarque por lo menos parte de su respuesta de filtración de longitudes de onda. Además, el sensor puede comprender además un detector óptico de resolución espectral que pueda funcionar para detectar y resolver espectralmente la luz a la salida de cada una de las rejillas de Bragg.

Otras formas de realización de la presente invención se refieren a un sistema de control de procesos según la reivindicación 20.

Otras formas de realización de la presente invención se refieren a una red de sensores ópticos según la reivindicación 21.

Breve descripción de los dibujos

Para una mejor comprensión de la invención y para mostrar cómo se puede llevar a cabo la misma, a continuación se hace referencia, a título de ejemplo, a los dibujos adjuntos en los que:

la Figura 1 muestra una representación esquemática de un sensor óptico que comprende dos rejillas de Bragg;

la Figura 2 muestra una respuesta de ejemplo de la filtración de longitudes de onda de rejillas incluidas en el sensor óptico de la Figura 1, mostrando claramente el funcionamiento del sensor;

la Figura 3 muestra una representación esquemática de un sensor óptico según una forma de realización, que comprende una pluralidad de rejillas de Bragg;

la Figura 4 muestra la representación esquemática de un sensor óptico que comprende una pluralidad de rejillas de Bragg en una única guía de ondas;

las Figuras 5A, 5B y 5D muestran representaciones esquemáticas de sensores ópticos que comprenden una o más rejillas de referencia;

\newpage

la Figura 5C muestra una representación esquemática de un sensor óptico según una forma de realización que comprende una o más rejillas de referencia;

la Figura 6 muestra una representación esquemática de un sensor óptico según otra forma de realización que incluye un elemento de calentamiento o enfriamiento;

la Figura 7 muestra una representación esquemática de un ejemplo de una ventana de detección superpuesta sobre una rejilla de Bragg;

la Figura 8 muestra una representación esquemática en sección transversal de parte de un sensor óptico según una forma de realización con una primera configuración de una ventana de muestras;

la Figura 9 muestra una representación esquemática en sección transversal de parte de un sensor óptico según una forma de realización con una segunda configuración de una ventana de muestras;

la Figura 10 muestra una representación esquemática en sección transversal de parte de un sensor óptico según una forma de realización que utiliza una estructura de guía de ondas por capas;

la Figura 11 muestra una representación esquemática en sección transversal de parte de un sensor óptico según una forma de realización con una tercera configuración de una ventana de muestras;

la Figura 12 muestra una representación esquemática en sección transversal de parte de un sensor óptico según una forma de realización que incorpora ventanas de muestras de sensibilidad variable; y

la Figura 13 muestra una representación esquemática de un sistema de control de procesos que incorpora sensores ópticos según formas de realización de la invención.

Descripción detallada

Una rejilla de reflexión óptica tal como una rejilla de Bragg comprende una modificación periódica del índice de refracción dentro de una estructura de guía de ondas óptica, en la que la estructura de guiado de ondas comprende un núcleo rodeado por material de revestimiento de un índice de refracción menor que el núcleo. Esta estructura guía ondas ópticas por reflexión interna total en el límite entre los dos índices de refracción. La rejilla refleja luz que se propaga a lo largo de la guía de ondas de longitudes de onda que caen dentro de un ancho de banda definido por la magnitud y dimensiones de la modificación periódica del índice de refracción, y transmite luz de otras longitudes de onda.

Si una región del núcleo de la guía de ondas queda al descubierto o casi al descubierto eliminando la totalidad o parte de una parte del revestimiento, y se aplica un fluido a la región de manera que el campo óptico de la luz que se propaga en la guía de ondas se extiende hacia el fluido, el índice de refracción del fluido modifica el índice modal efectivo experimentado por la luz que se propaga. Esto a su vez modifica las propiedades de reflectividad de la rejilla, que pueden ser medidas. A partir de esta medición, se puede determinar el índice de refracción del fluido, lo cual permite o bien la realización de mediciones directas del índice de refracción, o bien la determinación de otras propiedades del fluido si se conoce la relación entre estas propiedades y el índice de refracción.

Una rejilla de Bragg tiene un pico de reflectividad en una longitud de onda de Bragg \lambda_{Bragg}. Esto se define mediante la relación de Bragg

n_{ef} = \lambda_{Bragg}/2\Lambda

en la que n_{ef} es el índice modal efectivo y \Lambda es el periodo de la rejilla. De este modo, si se conoce el periodo de la rejilla y se mide la longitud de onda reflejada de pico, se puede calcular el índice modal efectivo usando la relación de Bragg. A partir de esto, se puede averiguar el índice de refracción del fluido mediante cálculo o mediante referencia a las propiedades medidas de líquidos estándar calibrados.

Para lograr esto, es necesario realizar mediciones precisas de la longitud de onda de luz reflejada desde o transmitida por la rejilla, para ver cuánto se ha desplazado la longitud de onda de Bragg por la presencia del fluido. De este modo, se usa un dispositivo de fotodetección con una resolución espectral adecuada, tal como un analizador de espectros ópticos (OSA), un espectrómetro, o usando luz de una fuente de luz sintonizable con la que se realiza un barrido en longitud de onda a través del ancho de banda de reflectividad de la rejilla y registrando la intensidad reflejada en cada longitud de onda. La medición resultante permite averiguar las propiedades del fluido en la longitud de onda de la medición.

La presente invención amplía este concepto proporcionando un sensor para determinar propiedades de fluidos que incorpora varias rejillas en un único sustrato, presentando cada rejilla una respuesta de reflectividad con una longitud de onda de Bragg diferente. La aplicación de fluidos a las diversas rejillas permite determinar el índice de refracción y otras propiedades de los fluidos a longitudes de onda diferentes con un único dispositivo, de manera que se pueden medir propiedades de dispersión (variación con la longitud de onda). Además, se puede acceder de forma exclusiva a las diversas rejillas debido a sus diferentes longitudes de onda, de manera que se pueden distinguir fácilmente resultados de rejillas diferentes, permitiendo medir al mismo tiempo una pluralidad de muestras de fluido. Además, la colocación de varias rejillas en el mismo sustrato mejora los resultados ya que cada una de las rejillas experimenta las mismas o similares perturbaciones del entorno, tales como tensiones o cambios de temperatura, que pueden modificar los periodos de las rejillas y las longitudes de onda de Bragg y, por lo tanto, proporcionar resultados erróneos. En la presente invención, cada rejilla se ve sometida a la misma modificación de manera que los desplazamientos relativos son los mismos.

La Figura 1 muestra una representación esquemática de una vista en planta de un ejemplo de un primer sensor óptico, sencillo, que resulta útil para entender la presente invención. El sensor óptico 10 se forma en un único sustrato 12, en el que se graban dos rejillas de guías de ondas planas y las guías de ondas asociadas. La primera rejilla 14A, grabada en una guía de ondas óptica, tiene sobre ella una ventana 16A de muestras, que es una región del sustrato en la que parte o la totalidad del revestimiento que define las propiedades del guiado de ondas se ha eliminado. De este modo, se puede aplicar una muestra de fluido a la rejilla 14A colocándola en la ventana 16A de muestras. La rejilla 14A tiene una longitud de onda de Bragg de 1,3 \mum. De forma similar, la segunda rejilla 14B, grabada en una guía de ondas paralela, tiene sobre ella una ventana 16B de muestras, y tiene una longitud de onda de Bragg de 1,5 \mum.

La longitud de onda de Bragg de cada rejilla es un pico en una función de reflectividad/transmisividad que permite que las rejillas funcionen como filtros ópticos de banda estrecha, reflejando únicamente luz con longitudes de onda que cumplen la relación de Bragg. Estas funciones se pueden considerar como respuestas de filtración de longitudes de onda. La Figura 2 muestra la respuesta de una rejilla 14 como una representación de la longitud de onda \lambda con respecto a la intensidad reflejada I_{R}; esta es la luz que se reflejará desde la rejilla si la misma es iluminada por luz con un ancho de banda suficientemente amplio como para cubrir el ancho de banda del pico de la respuesta. De este modo, es necesario suministrarle al sensor luz de un ancho de banda espectral apropiado. Puede resultar adecuado un diodo emisor de luz. También se puede usar una fuente de banda amplia general. Dependiendo de la gama de longitudes de onda de rejillas presentes en un único sustrato, se pueden combinar varias fuentes para cubrir todas las rejillas. El funcionamiento del sensor depende del desplazamiento de las longitudes de onda de Bragg de las rejillas 14, de manera que la luz de entrada también debería tener un ancho de banda que abarque la magnitud del desplazamiento esperado; esto dependerá de la gama de fluidos a detectar por el sensor.

Tal como se ha explicado, cada rejilla 14 tiene eliminada parte o la totalidad de su revestimiento superpuesto para permitir que el índice modal efectivo se vea afectado, o modificado, por la presencia de una muestra de fluido recibida por la ventana 16 de muestras. Dependiendo de la dirección del cambio del índice modal efectivo, la longitud de onda de Bragg de la rejilla se desplaza, según se indica mediante la flecha de la Figura 2. La magnitud del desplazamiento depende de la magnitud del cambio del índice, lo cual depende del índice de refracción de la muestra de fluido. Un fluido con un índice elevado hará que aumente el índice modal y también la longitud de onda de Bragg de manera que el pico de la respuesta se mueve hacia la derecha en la Figura 2; un fluido con un índice pequeño tiene el efecto opuesto y hace que el pico se mueva hacia la izquierda.

Para hacer funcionar el sensor 10, la luz se dirige a lo largo de las guías de ondas hacia las rejillas 14 desde una fuente óptica 18, que se puede hacer funcionar para generar luz a 1,3 \mum y 1,5 \mum. Para lograr esto se pueden combinar dos fuentes de banda ancha, con el fin de adaptarse tanto al ancho de banda de las rejillas 14 como también a los desplazamientos anticipados máximos de las longitudes de onda de Bragg. La salida de la fuente óptica 18 pasa a lo largo de una primera fibra óptica 20, y hacia un circulador óptico 22 que traslada la luz hacia una segunda fibra óptica 24 que está acoplada a una guía 26 de ondas de entrada grabada en el sustrato 12. La guía de ondas de entrada está acoplada a un divisor integrado 28 de longitudes de onda grabado de modo similar en el sustrato, el cual divide la luz en sus dos componentes de longitud de onda y traslada cada componente hacia la guía de ondas en la que está grabada la rejilla 14 pertinente. No obstante, para dividir la luz entre las dos guías de ondas se puede usar cualquier dispositivo de acoplamiento y división de la luz. Las diferentes longitudes de onda de Bragg consiguen que las rejillas 14 sean autoselectivas con respecto a la longitud de onda, de manera que las mismas reflejarán en sus propias longitudes de onda y rechazarán (transmitirán) luz en otras longitudes de onda. Por lo tanto, la luz en longitudes de onda que no sean la longitud de onda de Bragg pertinente se puede alimentar a una rejilla en particular sin perjuicio de manera que no es necesario separar espectralmente la luz antes de distribuirla entre las rejillas.

La luz reflejada por las rejillas 14 se traslada de vuelta a lo largo de las guías de ondas hacia el divisor 28, en el que se combina y se acopla de nuevo a la guía 26 de ondas de entrada, la segunda fibra óptica 24, y el circulador 22, que traslada la luz reflejada hacia una tercera fibra óptica 30. Esta alimenta la luz hacia un analizador de espectros ópticos (OSA) 32 para la detección y la resolución/análisis espectrales. El OSA resuelve espectralmente la luz que recibe para proporcionar una lectura de la intensidad de la luz con respecto a la longitud de onda. En este caso, la lectura muestra dos picos, una de cada rejilla 14. El desplazamiento de la longitud de onda de Bragg provocado por la presencia de muestras de fluido en las ventanas 16 de muestras se puede medir a partir de la lectura, a partir de lo cual se pueden determinar el índice de refracción y propiedades relacionadas de las muestras de fluido.

La presencia de dos rejillas con longitudes de onda de Bragg diferentes combinadas con ventanas de muestras independientes para cada rejilla ofrece varios usos del sensor. Se pueden aplicar fluidos diferentes a cada rejilla al mismo tiempo, y se puede realizar una única medición con luz que abarque ambas respuestas de filtración. Las diferentes longitudes de onda reflejadas presentes en el resultado medido se pueden usar para diferenciar entre las rejillas y, por lo tanto, las muestras de fluido, de manera que se pueden realizar simultáneamente la medición y detección de dos muestras diferentes. Naturalmente, si se desea, las rejillas también se pueden usar de forma independiente. Además, si a ambas rejillas se les aplican muestras del mismo fluido, se pueden obtener mediciones en dos longitudes de onda diferentes. Esto resulta útil ya que el índice de refracción típicamente varía con la longitud de onda (dispersión, dn/d\lambda), de manera que, en la presente invención, se usan mediciones a más de una longitud de onda para determinar esta variación, o para tenerla en cuenta si la misma es conocida previamente y se está interesado en propiedades del fluido relacionadas con el índice de refracción. Además, se pueden diferenciar o identificar diferentes fluidos sobre la base de mediciones de la variación del índice, ya que los fluidos pueden tener el mismo índice en una única longitud de onda aunque presentar dispersiones diferentes. Los datos de índices obtenidos a partir del sensor se pueden ajustar a representaciones del índice de refracción del tipo series de potencias (ecuaciones de Sellmeier).

Este concepto se puede ampliar para cubrir muchas rejillas, de manera que se pueda obtener información espectral detallada, o para permitir las pruebas de muchas muestras de fluido usando la longitud de onda para su discriminación mutua. Para lograr esto, es necesario proporcionar luz de una fuente de luz o combinación de fuentes de luz que abarquen los anchos de banda y desplazamientos de todas las rejillas, para acoplar la luz a cada rejilla y captarla después de la filtración para el análisis espectral. Para lograr esto se puede usar cualquier combinación adecuada de fibras ópticas, guías de ondas grabadas en el sustrato, acopladores, divisores y circuladores. Además, se pueden usar fuentes ópticas individuales, con sus salidas respectivas acopladas directamente a rejillas individuales. Adicionalmente, se pueden añadir otros componentes para seleccionar una única polarización de la luz que entra en el sensor; esto reduce los efectos sobre las respuestas de birrefringencia medidas de las rejillas en las guías de ondas y las rejillas del sensor.

Si un sensor está destinado a pruebas para muchas muestras diferentes, cada rejilla debería estar provista de una ventana de muestras independiente (fuera del alcance de la presente invención), tal como en el ejemplo de la Figura 1. No obstante, si se pretende realizar pruebas sobre un único fluido a múltiples longitudes de onda tal como en la presente invención, el sensor se puede simplificar proporcionando una única ventana de muestras que se extienda cruzando algunas o la totalidad de las rejillas, de manera que se pueda aplicar una muestra a cada rejilla debajo de la ventana.

La Figura 3 muestra una representación esquemática de .un ejemplo de dicho sensor según una forma de realización de la invención. El sensor 10 en este caso comprende siete rejillas 14A a 14G, que tienen cada una de ellas una longitud de onda de Bragg diferente, fabricadas en guías de ondas paralelas grabadas sobre un único sustrato 12. Una ventana 16 de muestras abarca la totalidad de las rejillas. Las guías de ondas paralelas están acopladas a una única guía 26 de ondas de entrada/salida que está conectada, a través de una fibra óptica 24, a un circulador 22 que entrega luz entrante de una fuente de luz a las rejillas, y, a continuación, dirige luz reflejada de las rejillas hacia un detector óptico de resolución espectral para el análisis espectral. En la Figura, la conexión entre las guías de ondas se muestra como un acoplador directo en estrella I:n convergente/divergente (en el que n es 7 en este ejemplo), aunque se puede usar cualquier disposición de acoplamiento equivalente, tal como una cascada de divisores en y (acopladores 1:2).

Además, no es necesario posicionar las rejillas en guías de ondas independientes. En su lugar, dos o más rejillas se pueden disponer secuencialmente a lo largo de una única guía de ondas. La reflectividad autoselectiva de las rejillas individuales significa que la guía de ondas única puede transportar luz con un ancho de banda que abarque las respuestas de todas las rejillas. La primera rejilla refleja luz con longitudes de onda dentro de su respuesta, y transmite la totalidad del resto de longitudes de onda sobre las siguientes rejillas, en las que la segunda rejilla refleja sus longitudes de onda, y así sucesivamente.

La Figura 4 muestra una representación esquemática de un sensor de este diseño que resulta útil para entender la presente invención. El sensor 10 presenta cuatro rejillas 14A a 14D, presentando cada una de ellas una longitud de onda de Bragg diferente, fabricadas una tras otra a todo lo largo de una única guía 26 de ondas grabada en un sustrato 12. La luz entrante se acopla directamente a la guía 26 de ondas para su transmisión hacia las rejillas, y la luz reflejada es captada para la medición espectral a medida que es emitida desde la guía 26 de ondas.

Otras formas de realización de la invención incluyen una o más rejillas usadas como rejillas de referencia. Tal como anteriormente, cada una de estas rejillas tiene una longitud de onda de Bragg diferente con respecto a las otras rejillas en el sensor. La finalidad de una rejilla de referencia es permitir la compensación de perturbaciones del entorno y otras perturbaciones que puedan alterar el rendimiento de rejillas que estén siendo usadas para medir fluidos (que se pueden considerar como rejillas de detección). Estas incluyen cambios de temperatura, o tensiones que estén siendo aplicadas al sustrato. Dichas perturbaciones son susceptibles de modificar temporalmente las estructuras de las rejillas y producir un desplazamiento en la longitud de onda de Bragg que no esté relacionado con el provocado por una muestra de fluido aplicada aunque no se puede diferenciar del mismo en el espectro medido. Para hacer frente a esto, se puede proporcionar una rejilla de referencia a la que no se aplique ninguna muestra de fluido. Ningún desplazamiento en el espectro de luz reflejada desde la rejilla de referencia puede ser provocado por la muestra de fluido, y, por lo tanto, el mismo se puede atribuir a una perturbación no deseada. De este modo, no solamente se puede detectar una perturbación, sino que se puede medir su efecto. Así, se pueden realizar ajustes adecuados a la medición de la rejilla de detección para compensar la perturbación.

La disposición de todas las rejillas en un único sustrato, según la presente invención, facilita particularmente el uso de rejillas de referencia, ya que la rejilla de referencia y la rejilla de detección experimentarán el mismo entorno y, por lo tanto, estarán sometidas a las mismas perturbaciones. Para garantizar adicionalmente que la rejilla de referencia se ve perturbada de la misma manera que la rejilla de detección y, por lo tanto, mejorar la precisión, el entorno de las dos rejillas se puede armonizar adicionalmente proporcionando una ventana de muestras para la rejilla de referencia así como para la rejilla de detección. A continuación, a la rejilla de referencia se le puede aplicar un fluido de referencia, tal como un fluido acuoso, con propiedades conocidas y un efecto conocido sobre la respuesta de la rejilla, mientras que a la rejilla de detección se le aplica una muestra de fluido en la que realizar las pruebas. No obstante, en otras formas de realización, la rejilla de referencia no tiene ventana.

Preferentemente, la rejilla de referencia tiene una longitud de onda de Bragg separada muy poco con respecto a la longitud de onda de Bragg de la rejilla de detección. Esto permite una discriminación espectral entre las dos rejillas, aunque también proporciona propiedades modales similares a las dos rejillas de manera que sus respuestas y comportamiento están adaptados de la mejor manera posible. Por ejemplo, la rejilla de referencia y la rejilla de detección pueden tener longitudes de onda de Bragg separadas por 10 nm, por ejemplo, una rejilla de referencia a 1.540 nm y una rejilla de detección a 1.550 nm. No obstante, son útiles separaciones más reducidas de hasta aproximadamente 2 nm. La rejilla de referencia se puede proporcionar en una guía de ondas independiente con respecto a la de la rejilla de detección, tal como en la Figura 1, o se puede proporcionar en la misma guía de ondas que la rejilla de detección, tal como en la Figura 4. Para un sensor con una pluralidad de rejillas, se puede proporcionar una rejilla de referencia para cada rejilla de detección. Alternativamente, puede resultar adecuado proporcionar una única rejilla de referencia para una pluralidad de rejillas de detección o para el sensor completo, tal vez en el caso de que se requiera detectar una perturbación aunque no compensar la misma. En sensores que tengan más de una rejilla de referencia, se puede usar una única ventana sobre la totalidad de las rejillas de referencia para la aplicación de un único fluido de referencia a todas las rejillas de referencia.

Las Figuras 5A a 5D muestran representaciones esquemáticas de varios ejemplos de sensores que incluyen rejillas de referencia. No obstante, resultará evidente a partir del párrafo anterior que son posibles muchas otras permutaciones. La Figura 5A muestra un sensor sencillo 10 de dos rejillas, en el que en la misma guía 26 de ondas sobre un sustrato 12 se definen una rejilla 34 de referencia sin ventana y una rejilla 14 de detección con una ventana 16 de muestras. La Figura 5B muestra un sensor 10 con la misma disposición de dos rejillas, pero en el que la rejilla 34 de referencia está provista de una ventana 36 para recibir un fluido de referencia. La Figura 5C muestra un sensor mayor 10 que tiene tres rejillas 14A a 14C de detección grabadas en tres guías de ondas independientes, aunque compartiendo una ventana común 16 de muestras. Cada rejilla 14A a 14C de detección tiene una rejilla asociada 34A a 34C de referencia grabada en la misma guía de ondas que la rejilla de detección. Las tres rejillas 34 de referencia comparten una ventana común 36 para la aplicación de un fluido de referencia. Finalmente, la Figura 5D muestra un sensor 10 que tiene tres rejillas 14A a 14D de detección cada una de ellas con su propia ventana 16A a 16D de muestras, y cada una de ellas grabada en una guía de ondas independiente. Se proporcionan también tres rejillas 34A a 34C de referencia, aunque las mismas se definen de forma similar cada una de ellas en guías de ondas independientes, en cada caso adyacentes a una rejilla de detección a la que las mismas estén asociadas (por ejemplo, por presentar la separación apropiada de la longitud de onda de Bragg).

Un sensor según la invención puede comprender un número cualquiera de rejillas, dependiendo del número de longitudes de onda que interesen, el número de muestras de fluido a someter a prueba cada vez, y cualquier requisito para las rejillas de referencia. Tal como se ha descrito, las rejillas tienen cada una de ellas una longitud de onda de Bragg diferente; las longitudes de onda individuales y el intervalo total de longitudes de onda se pueden seleccionar con respecto a los fluidos y las propiedades de fluidos a investigar con el sensor. Las longitudes de ondas se pueden espaciar de forma regular o irregular a través del intervalo, según se desee. Además, las rejillas se pueden proporcionar en grupos según la longitud de onda, en los que las rejillas dentro de un grupo presentan longitudes de onda poco separadas, y los grupos tienen longitudes de onda separadas más ampliamente. Se puede considerar que la longitud de onda de un grupo es la longitud de onda media de todas las rejillas en el grupo. Por ejemplo, un grupo puede tener una serie de rejillas con longitudes de onda separadas por separaciones de longitud de onda en el intervalo de entre 2 y 10 nm, mientras que cada grupo está separado de los otros grupos por una separación de longitud de onda de, por ejemplo, 50 nm, 100 nm, ó 200 nm. De este modo, los grupos pueden tener longitudes de onda medias de 1.100 nm, 1.200 nm, 1.300 nm, 1.400 nm, 1.500 nm y 1.600 nm, comprendiendo un primer grupo tres rejillas en 1.098 nm, 1.100 nm y 1.102 nm, y comprendiendo un segundo grupo tres rejillas en 1.198 nm, 1.200 nm y 1.202 nm, etcétera. La poca separación dentro de un grupo proporciona propiedades modales sustancialmente similares a las guías de ondas, de manera que en muestras de fluidos se pueden detectar, por ejemplo, las mismas capas o las mismas especies moleculares, siendo aún diferenciables las rejillas por la longitud de onda, y la amplia separación entre grupos puede producir información espectralmente útil. Además, el concepto de grupo se amplía a sensores que incluyan rejillas de referencia, de manera que cada grupo comprende una rejilla de detección y una rejilla de referencia, de modo que estas dos últimas presentan longitudes de onda con una separación más pequeña que las de las diversas rejillas de detección en el sustrato.

Además, con respecto a perturbaciones externas, es posible introducir la temperatura como variable deseable en las mediciones de los índices. Al sensor óptico se le puede acoplar térmicamente un dispositivo que haga variar la temperatura tal como un elemento de calentamiento o un dispositivo de enfriamiento. Se puede aplicar (o quitar) calor para cambiar la temperatura de la(s) muestra(s) de fluido. La(s) rejilla(s) de detección y cualquiera (cualesquiera) rejilla(s) de referencia experimentan también un cambio de temperatura, que afecta a los periodos de las rejillas y las longitudes de onda de Bragg, aunque, como las rejillas están en el mismo sustrato acopladas al dispositivo que hace variar la temperatura, cada una de ellas experimenta sustancialmente el mismo cambio de temperatura y el mismo desplazamiento en la respuesta de filtración de la longitud de onda. De este modo, la rejilla de referencia se puede usar para identificar desplazamientos directos inducidos por la temperatura en la rejilla de detección, de manera que los cambios del índice de refracción inducidos por la temperatura en el fluido se pueden diferenciar con respecto a los primeros, y los mismos se pueden medir. El índice de refracción varía típicamente con la temperatura, de manera que la(s) muestra(s) de fluido se puede(n) calentar o enfriar a una selección de temperaturas conocidas o a través de un ciclo de temperaturas mientras se realizan mediciones del índice, para generar la velocidad de cambio del índice con la temperatura, dn/dT. Adicionalmente, la aplicación del mismo fluido a varias rejillas de detección con longitudes de onda de Bragg diferentes añade una dimensión espectral, de manera que se pueden realizar mediciones de d(dn/dT)/d\lambda y d(dn/d\lambda)/dT. Además, se pueden distinguir fluidos diferentes, ya que incluso si los mismos tienen índices de refracción idénticos a una o más temperaturas, es improbable que tengan la misma dependencia del índice con respecto a la temperatura. Además, se pueden identificar fases particulares térmicamente dependientes en reacciones químicas y biológicas.

La Figura 6 muestra una representación de una vista en planta esquemática de un sensor óptico 10 que se ha mejorado con un dispositivo 40 de calentamiento o enfriamiento según la manera anterior. El sensor comprende tres rejillas 14 de detección que tienen longitudes de onda de Bragg diferentes y definidas en guías de ondas diferentes, aunque compartiendo una ventana común 16 de muestras. Para lograr buenos resultados usando esta técnica, el dispositivo 40 de calentamiento o enfriamiento se debería acoplar al sensor óptico 10 con el fin de proporcionar el mismo efecto de calentamiento o enfriamiento a todas las rejillas (por ejemplo, mediante el uso de un medio 42 de acoplamiento térmico), y preferentemente al sustrato completo 12, para eliminar cualquier variación de temperatura entre las rejillas que pudiera afectar a las mediciones del índice.

Cuando se diseña un sensor según la presente invención, se debería considerar preferentemente una serie de factores. Los mismos incluyen la longitud de onda operativa, el índice de refracción y las dimensiones de las diversas capas de guiado de las ondas, y las respuestas de las rejillas de filtración de las longitudes de onda. La sensibilidad del sensor a la diferencia del índice de refracción de muestras de fluidos depende de cuánto se ve afectado el índice modal efectivo de una rejilla por el índice del fluido, que, a su vez, depende de la magnitud en la que el modo óptico de la luz que se propaga en la rejilla se extiende fuera de las capas de la guía de ondas de la rejilla y hacia el fluido. De este modo, el control de la proximidad del fluido al modo de la guía de ondas modifica la sensibilidad, y también la pérdida del modo óptico debida a la absorción en el fluido. La penetración de luz en un área de un índice menor depende de la diferencia del índice (entre la guía de ondas y el líquido), y de la longitud de onda de la luz. En general, longitudes de onda mayores penetrarán más en el fluido, y, por lo tanto, pueden proporcionar una mayor sensibilidad. No obstante, longitudes de onda mayores también pueden conducir a una pérdida superior en algunos casos. Por ejemplo, una luz con una longitud de onda en torno a 1,3 \mum puede ser preferible a 1,5 \mum para ser usada con muestras de fluido basadas en agua debido a la absorción considerablemente menor a la longitud de onda más corta.

El diseño también debería tener en cuenta el índice o intervalo de índices del fluido o fluidos que se pretende medir con el sensor. Típicamente, se puede esperar que una guía de ondas tenga un índice mayor que un fluido de manera que el modo óptico se verá confinado al núcleo y se producirá una penetración pequeña en el fluido. A medida que el índice de refracción del fluido se aproxima al del núcleo, la profundidad de penetración del modo aumentará, y también lo hará la sensibilidad del sensor al índice del fluido. Para una sensibilidad elevada, puede que incluso resulte apropiado realizar la guía de ondas de la rejilla con un material con un índice menor que el del fluido. Esto conducirá a un modo con pérdidas pero será muy sensible al índice del fluido.

En otra forma de realización, se pueden usar guías de ondas de índice graduado. La ventana de muestras comprende una región en la que la guía de ondas que contiene la rejilla asociada se modifica para llevar el fluido recibido por la ventana a una mayor proximidad con el campo evanescente de luz que se propaga en la guía de ondas, eliminando parte o la totalidad del revestimiento de la guía de ondas y posiblemente parte también del núcleo de la guía de ondas (esto se describirá posteriormente de forma más detallada). De este modo, la sección de la ventana de la guía de ondas tiene un índice modal diferente con respecto a las partes adyacentes de la guía de ondas, particularmente si el revestimiento se elimina completamente para dejar al descubierto el núcleo. El cambio en el índice modal es brusco, lo cual da como resultado unas franjas fuertes del tipo Fabry-Perot en la respuesta de la rejilla, que perturban la salida del sensor. Se puede hacer frente a esto variando el índice de refracción de la guía de ondas durante la totalidad o parte de la longitud de la rejilla, para proporcionar una estructura de índice de refracción graduado o de reducción progresiva. Esto hace que se modifique el índice modal y, si se posiciona adecuadamente con respecto a la ventana, puede compensar el cambio brusco en el índice modal provocado por la ventana, o bien de forma completa o bien haciendo que el cambio sea más gradual de manera que las franjas sean menos significativas. Por ejemplo, la reducción progresiva se puede extender durante una distancia de cientos de mieras hasta unos pocos milímetros según se requiera, dependiendo del tamaño de la ventana, la profundidad del revestimiento eliminado y los valores de índice de refracción del revestimiento y el núcleo.

Un planteamiento alternativo o adicional consiste en reducir las retrorreflexiones situando la ventana de muestras en ángulo con respecto a la guía de ondas subyacente. De este modo, por lo menos el primer borde de la ventana (con respecto a la dirección de propagación de la luz entrante en la guía de ondas), y preferentemente el segundo borde (especialmente si se proporciona más de una rejilla a lo largo de la guía de ondas), se posicionan alejados de la normal a la dirección de propagación de la luz. De este modo, cualquier luz reflejada en las interfases en las que comienza y finaliza la ventana no se ve dirigida de vuelta a lo largo de la guía de ondas. Resulta típicamente adecuado un ángulo de unos pocos grados. La Figura 7 muestra una representación esquemática de una ventana 16 con bordes 44 situados en ángulo de esta manera con respecto a una guía 26 de ondas que contiene una rejilla 14.

Además, resulta beneficiosa la optimización de la estructura del guiado de ondas para permitir un funcionamiento unimodal de la rejilla. En general, las guías de onda unimodales (que permiten posiblemente dos polarizaciones ortogonales) proporcionarán picos de reflexión o descensos de transmisión más claramente definidos en las respuestas de las longitudes de onda de una rejilla. Por lo tanto, es preferible que las guías de ondas del sensor soporten un funcionamiento unimodal, particularmente cuando las guías de ondas entran en las ventanas de muestras. La muestra de fluido en la ventana puede tener un índice de refracción considerablemente menor que el material de revestimiento que se ha eliminado para formar la ventana, lo cual puede permitir que la guía de ondas se convierta en multimodal en la región de la ventana.

Se puede usar cualquier configuración de guía de ondas que ofrezca un funcionamiento unimodal. En la Figura 8 se ilustra un sistema de diseño para hacer frente a esta cuestión. La misma muestra una representación esquemática de parte de un sensor, en sección transversal a través de la longitud de una rejilla con una ventana de muestras. El sensor se forma a partir de un sustrato 12 que comprende una capa 50 de base que sustenta una capa 52 de revestimiento inferior por debajo de una capa 54 de núcleo por debajo de una capa 56 de revestimiento superior. La rejilla 14 se define en la capa 54 de núcleo. La ventana 16 de muestras se sitúa sobre la rejilla 14, y se forma mediante eliminación parcial de la capa 56 de revestimiento superior superpuesta sobre la rejilla 14 de manera que la capa de revestimiento es más delgada en esta región que partes adyacentes de la capa de revestimiento. A la ventana 16 de muestras se le ha aplicado una muestra de fluido 58. No obstante, la parte de revestimiento en la ventana de muestras se ha dejado relativamente gruesa de manera que el fluido se mantenga relativamente alejado del núcleo. Esto significa que solamente una parte pequeña del campo evanescente 60 de la luz que se propaga penetra en el fluido 58, de manera que el fluido tiene un impacto reducido sobre el perfil modal y se mantiene el funcionamiento unimodal.

En la Figura 9, se muestra un sistema de diseño alternativo. Dicha figura muestra nuevamente una representación esquemática de un sensor en sección transversal a través de la dimensión longitudinal de una rejilla con una ventana, formándose el sensor en un sustrato 12 que tiene la misma estructura que la mostrada en la Figura 8. No obstante, en este caso, la ventana 16 de muestras se forma mediante la eliminación total de la capa 56 de revestimiento superior en la región de la ventana y también mediante eliminación parcial del núcleo 54, de manera que el núcleo 54 tiene un espesor reducido en la región de la ventana en comparación con partes adyacentes del núcleo. Este cambio en el espesor del núcleo mantiene un funcionamiento unimodal, y proporciona un dispositivo más sensible que el de la Figura 8. No obstante, las pérdidas superiores por absorción y dispersión son debidas probablemente a la mayor proparte del campo evanescente 60 que se extiende hacia el fluido 58.

En otras formas de realización, se puede formar una ventana de muestras mediante eliminación completa solamente de la capa de revestimiento superior, dejando intacto el núcleo y con un espesor uniforme.

La cantidad de penetración del campo óptico en el fluido también se puede modificar mediante el uso de una o más capas adicionales en la estructura de la guía de ondas con el fin de personalizar las propiedades modales de las guías de ondas. Por ejemplo, se puede usar una capa de índice elevado añadida al revestimiento para acercar el campo óptico al líquido con el fin de mejorar la sensibilidad. Para esto el óxido de indio estaño es un material adecuado [8], aunque no se excluyen otros materiales de índice elevado. La Figura 10 muestra una representación esquemática de un sensor de ejemplo diseñado de esta manera, representado nuevamente en forma de una sección transversal a través de la dimensión longitudinal de una rejilla con una ventana superpuesta. El sensor se fabrica sobre un sustrato que tiene una estructura por capas tal como se ha descrito previamente en referencia a la Figura 8, con una ventana 16 de muestras formada mediante eliminación parcial de la capa 56 de revestimiento superior, aunque incluyendo además una capa 62 de revestimiento superior, adicional, que distorsiona el campo evanescente 60 hacia el fluido 58.

Se pueden usar sensores según la presente invención tal como se ha descrito anteriormente para medir el índice de refracción en masa de muestras de fluido, o bien como un parámetro relevante por sí mismo o bien como un indicador de otra característica, tal como la concentración. No obstante, en otras formas de realización no pertenecientes a la invención, se puede usar un tratamiento superficial para permitir una especificidad con respecto a una molécula particular de un agente biológico. Para lograr esto, a una ventana de muestras se le aplica un recubrimiento superficial de un material químicamente selectivo. El material químicamente selectivo es tal que contiene receptores que se unen a especies moleculares específicas que puedan estar presentes en una muestra de fluido. El proceso de unión provoca un cambio específico en el índice modal efectivo, que se puede medir según se ha descrito anteriormente. De este modo, una muestra que contenga las especies moleculares proporcionará una salida particular desde la rejilla, mientras que una muestra que carezca de las especies moleculares no se unirá al material químicamente selectivo y, por lo tanto, no modificará el índice según la manera requerida, proporcionando de este modo una salida diferente. Esta técnica se puede usar para pruebas y detección químicas y bioquímicas de muestras. Por ejemplo, los receptores pueden ser moléculas que unan ligandos presentes en la muestra, o los receptores pueden ser anticuerpos que unan antígenos de la muestra, o viceversa [9]. Según varios ejemplos, una, algunas o la totalidad de las ventanas de muestras asociadas a rejillas de detección en un sensor pueden estar provistas de una capa de material químicamente selectivo. Además, varias ventanas de muestras pueden tener diferentes materiales químicamente selectivos.

En otra forma de realización, a una ventana de muestras se le puede aplicar una película metálica en forma de una capa o recubrimiento superficial. Esto proporciona una rejilla que funciona como sensor de plasmón de superficie, en el que la capa metálica sustenta un plasmón de superficie que es modificado por la presencia de un fluido en la ventana de muestras. Esta modificación produce un cambio correspondiente en el índice modal efectivo, que se puede medir según se ha descrito anteriormente debido al cambio resultante en la longitud de onda de Bragg de la rejilla de detección. Se puede usar cualquier metal que sustente plasmones de superficie, tal como oro, plata, aluminio y platino. El oro resulta particularmente adecuado para realizar pruebas de muestras de fluido biológicas ya que es biológicamente compatible. Además, se espera que el oro incremente la sensibilidad de la rejilla. Según varias formas de realización de la invención, una, algunas o la totalidad de las ventanas de muestras asociadas a rejillas de detección en un sensor pueden estar provistas de una capa metálica, y ventanas de muestras diferentes pueden tener metales diferentes.

La Figura 11 muestra una representación esquemática de parte de un sensor de ejemplo que tiene una estructura para detección químicamente selectiva o detección de plasmón de superficie, representada nuevamente en forma de una sección transversal a través de la dimensión longitudinal de una rejilla de detección. El sensor se fabrica sobre un sustrato que tiene una estructura por capas tal como se ha descrito previamente en referencia a la Figura 8. No obstante, en este caso, sobre la ventana de muestras se aplica un recubrimiento o capa superficial 64, de manera que, encima del recubrimiento, se asienta una muestra 58 de fluido. El recubrimiento 64 es un material químicamente selectivo capaz de unirse con moléculas en la muestra 58 de fluido en el caso de un sensor químicamente selectivo, o una película metálica en el caso de un sensor de plasmón de superficie. En el primer caso, la onda evanescente 60A queda sustancialmente no distorsionada en comparación con la no presencia de recubrimiento. En el último caso, la onda 60B tiene un pico secundario en la película metálica debido al plasmón de superficie; esto hace que aumente la sensibilidad debido a una mayor proparte del campo óptico que está muy próximo al fluido.

Existen muchas configuraciones posibles para un sensor de múltiples longitudes de onda según la presente invención. Cualquiera o la totalidad de las formas de realización anteriores se puede integrar en un único sensor. Se puede proporcionar una gama de combinaciones de diferentes longitudes de onda de rejilla y ventanas de muestras, por ejemplo, configuraciones con sensibilidades diferentes, o ventanas con recubrimientos químicamente selectivos diferentes (para realizar pruebas de una única muestra biológica, por ejemplo, para compuestos diferentes), o ventanas con películas metálicas de plasmón de superficie diferentes, o cualquier combinación de las mismas. Además, se puede obtener información analizando los cambios de las respuestas de las rejillas a partir de moléculas en las muestras, ya que la capacidad de registrar información en múltiples longitudes de onda se puede usar para obtener información de especies moleculares presentes en un fluido. Por ejemplo, la adición de agua a otro líquido puede provocar cambios mayores de los enlaces OH a 1.400 nm y 1.500 nm que a 1.100 nm y 1.200 nm. De forma similar, se podría detectar la presencia de enlaces C-H y enlaces dobles C=C a longitudes de onda diferentes para generar información sobre líquidos multifásicos y multicomponente. Estos cambios son típicamente el resultado tanto de la absorción adicional como del índice de refracción modificado en regiones espectrales en las que se producen resonancias moleculares fuertes. Dicha información encuentra aplicación en la detección de contaminación en sistemas industriales.

La sensibilidad se puede variar de una rejilla a otra cambiando el espesor de la capa de revestimiento en las ventanas de muestras para proporcionar profundidades de penetración diferentes del campo óptico en la muestra del fluido. Al mismo tiempo que se obtienen sensibilidades diferentes, las profundidades de penetración diferentes permiten indagar sobre profundidades diferentes en una muestra de fluido para investigar capas dentro de una muestra. Por ejemplo, puede suceder que el fluido se adhiera a la superficie de la ventana (tal vez si se incluye un recubrimiento químicamente selectivo) y proporcione un índice diferente a la masa de la muestra de fluido. Las rejillas podrían tener longitudes de onda ampliamente separadas, o alternativamente, se podría usar una selección de rejillas diferentes de longitud de onda con muy poca separación (por ejemplo, una separación de 2 nm), cada una con un espesor de revestimiento diferente, para obtener información sobre la acumulación de especies moleculares. Las longitudes de onda con poca separación presentan sustancialmente el mismo confinamiento modal y, por lo tanto, profundidad de penetración del campo y pueden "ver" las mismas especies moleculares, pero se pueden diferenciar en la detección para permitir analizar por separado cada rejilla. Se pueden proporcionar otros grupos de rejillas con longitudes de onda poco separadas en torno a una longitud de onda más ampliamente separada con respecto al primer grupo para proporcionar una dimensión espectral a las mediciones.

La Figura 12 muestra una sección transversal esquemática a través de parte de un sensor que tiene rejillas con ventanas de diferente espesor de revestimiento. El sensor se forma sobre un sustrato organizado por capas que tiene la misma estructura que el descrito en referencia a la Figura 8. En este ejemplo, se proporcionan tres rejillas 14A a 14C, grabadas secuencialmente a lo largo del núcleo 54 de una única guía 26 de ondas. Cada rejilla tiene una longitud de onda de Bragg diferente, seleccionada para proporcionar respuestas apropiadamente independientes, en particular de manera que la propagación a través de las primeras rejillas no afecte materialmente a las respuestas de las rejillas. Cada rejilla 14 tiene una ventana 16 de muestras; la ventana 16A de la izquierda está formada mediante eliminación total de la capa 56 de revestimiento superior, y las ventanas 16B y 16C están formadas mediante eliminación parcial de la capa 56 de revestimiento superior, usándose una parte más delgada de revestimiento para la ventana central 16B que para la ventana 16C de la derecha. Esto significa que la onda evanescente de luz que se propaga en la guía de ondas y las rejillas penetra en el fluido 58 recibido en la ventana correspondiente a la rejilla 14A de la derecha más que para la rejilla central 14B, que a su vez presenta una profundidad de penetración mayor que para la rejilla 14C de la derecha. La mayor profundidad de penetración del campo da como resultado una mayor sensibilidad al índice del fluido, y, si la capa de fluido en el fondo de las ventanas es diferente a la de la masa del fluido (por ejemplo, si una capa biológica se adhiere preferentemente a las superficies de la ventana), se puede obtener información adicional sobre la estructura del fluido.

En todas las formas de realización, se puede medir, detectar o monitorizar una amplia gama de fluidos. Medios adecuados incluyen líquidos, líquidos bifásicos, coloides, transiciones de fase líquida-sólida, gases supercríticos, emulsiones y muestras biológicas. Por ejemplo, una aplicación potencial de las mediciones de múltiples longitudes de onda que se puede obtener se encuentra en un sensor de formación de hielo en el que se puede monitorizar la transición de fase de agua a hielo para revelar la acumulación de hielo en un avión.

De forma adicional, o alternativa, a la medición de las longitudes de onda de Bragg centrales de las rejillas, se pueden medir los anchos de banda de las rejillas (posiblemente en anchos diferentes, tales como 3 dB y 10 dB) y la forma de la línea de las respuestas de las rejillas para obtener información adicional sobre muestras de fluidos. Por ejemplo, un fluido fuertemente absorbente limitará la longitud efectiva de la rejilla provocando un pico espectral más ancho en la respuesta de la rejilla. La variación del fluido a lo largo de la dimensión longitudinal de la rejilla (tal como ocurriría si moléculas grandes se fijaran a la superficie de la ventana, o si hubiera presente un líquido bifásico) provocará un índice variable de la guía de ondas a lo largo de la rejilla, observado como una modificación en la forma de la línea de la rejilla. Un análisis más complejo puede incluir el ajuste de un modelo a la salida espectral medida reflejada por una rejilla que incluye la pérdida y la variación aleatoria del índice a lo largo de la rejilla, y posiblemente en otras ubicaciones dentro del sensor a través de las cuales se ha propagado la luz detectada.

Se pueden usar sensores ópticos según la presente invención en cualquier situación en la que sea necesario determinar el índice de refracción de uno o más fluidos o muestras del fluido, o para determinar propiedades características de un fluido que varíen con el índice de refracción, o para identificar un fluido o diferenciar entre fluidos. Son posibles, en su totalidad, aplicaciones en campos que incluyen física, química, biología, medicina, farmacia y ciencia de la alimentación. Como aplicación de ejemplo, se puede usar un sensor en el control de un proceso industrial o de fabricación. Un fluido o fluidos usados en o realizados por el proceso se pueden someter a prueba repetidamente usando uno o más sensores, y los resultados se pueden usar para controlar fases posteriores del proceso, quizás enviando órdenes de software al aparato del proceso. Por ejemplo, se puede determinar el punto final de un proceso, o se pueden detectar acontecimientos no deseados tales como una contaminación. Las mediciones pueden comprender parte de un bucle de realimentación, por ejemplo, para proporcionar una monitorización constante de una composición fluídica en un proceso de fabricación. Se pueden usar sensores de esta manera para automatizar un proceso, o mejorar la precisión.

En el caso de que se use más de un sensor, los sensores se pueden combinar en una red para proporcionar un sistema de control para el proceso. Se pueden desplegar remotamente varios sensores por todo el aparato del proceso, y los mismos se pueden conectar a un concentrador de control central. El concentrador contiene una o más fuentes ópticas para generar luz que contiene longitudes de onda que abarcan los anchos de banda de cada rejilla del sensor en el sistema de control, y un detector tal como un OSA para recibir y analizar espectralmente luz reflejada de las rejillas. Además, se incluye un dispositivo de encaminamiento óptico para captar luz de la(s) fuente(s) óptica(s) y dirigir la misma hacia los sensores, y para recibir luz reflejada de los sensores y dirigirla hacia el OSA. Se pueden usar fibras ópticas para conectar los diversos componentes al concentrador de control central. El OSA, tal vez en combinación con una unidad de procesado central o un dispositivo de procesado equivalente, analiza la luz reflejada, determina la propiedad del fluido que se está monitorizando, y da salida a una o más señales de control hacia el aparato del proceso basándose en el valor de la propiedad del fluido que se ha determinado.

El dispositivo de encaminamiento óptico se puede configurar de cualquier manera apropiada para gestionar las diversas longitudes de onda de luz y la serie de sensores. Un primer ejemplo es un conmutador óptico de fibra configurado para direccionar individualmente cada uno de los sensores (secuencialmente o, alternativamente, según se requiera) realizando una conexión óptica entre la fuente óptica y un sensor en particular. En este caso, cada uno de los sensores puede ser idéntico con respecto a sus longitudes de onda de Bragg de la rejilla ya que el conmutador proporciona un direccionamiento exclusivo. Un segundo ejemplo es una serie de divisores ópticos que dividen la luz proveniente de la fuente de luz según la longitud de onda y la dirigen hacia los sensores apropiados, en los que los sensores tienen cada uno de ellos rejillas con longitudes de onda de Bragg diferentes. Los divisores funcionan de manera inversa para volver a combinar la luz reflejada. No obstante, la división y recombinación dará como resultado una pérdida de potencia óptica. Si la misma no es aceptable, un planteamiento alternativo para sensores con longitudes de onda de Bragg diferentes es usar un componente de demultiplexado de longitudes de onda tal como una rejilla de agrupación de guías de ondas para adaptar de forma exclusiva longitudes de onda a sensores.

La Figura 13 muestra una representación esquemática simplificada de un sistema de control de procesos según una forma de realización de la presente invención. El sistema 70 de control comprende cuatro sensores 72A a 72D según cualquiera de las formas de realización previamente descritas de la invención, desplegados, según resulte apropiado, por todo el aparato que puede funcionar para llevar a cabo el proceso. Cada sensor está conectado a un único concentrador 74 de control central mediante una fibra óptica 76A a 76D. El concentrador comprende una fuente óptica 78, un detector óptico 80 de resolución espectral, y un dispositivo 82 de encaminamiento óptico. El concentrador 74 de control central está representado mediante una línea de trazos, y puede comprender o no una caja o receptáculo para agrupar los diversos componentes. El dispositivo 82 de encaminamiento óptico recibe luz de la fuente óptica 78, la dirige hacia los sensores 72 a través de las fibras ópticas 76 (o bien mediante conmutación para conectarse a un sensor particular o bien dividiendo la luz según la longitud de onda, de acuerdo con los ejemplos del párrafo anterior), recibe luz devuelta de los sensores 72 a través de las fibras ópticas 76, y la dirige hacia el detector 80. El detector analiza la luz devuelta para determinar una propiedad de muestras de fluido sometidas a prueba por uno o más de los sensores y genera una señal de control correspondiente, que se suministra al aparato a través de una línea 84 de control.

Aunque se puede poner en práctica un sistema de control de procesos usando un único sensor, se puede aplicar ampliamente el concepto de conexión de varios sensores a través de un dispositivo de encaminamiento óptico. De este modo, la presente invención se amplía adicionalmente a redes de sensores ópticos, en las que una pluralidad de sensores (que pueden ser idénticos o diferentes) se conecta a un dispositivo de encaminamiento óptico que recibe luz de una fuente óptica y la distribuye hacia los sensores relevantes y capta luz reflejada de las rejillas de los sensores y la entrega para su análisis espectral. Los resultados del análisis se pueden proporcionar a un procesador, tal como un procesador de ordenador, que esté programado para determinar propiedades de fluidos sometidos a prueba por los sensores a partir de los desplazamientos de longitudes de onda de Bragg que se ponen de manifiesto por el análisis espectral. Una red de este tipo se puede usar para integrar un número elevado de rejillas con longitudes de onda diferentes y tipos de ventana diferentes en el caso de que no resulte práctico alojar todas las rejillas en un sustrato sensor, y/o para proporcionar un funcionamiento centralizado de varios sensores que necesiten ser desplegados en posiciones diversas.

Se pueden utilizar cualesquiera técnicas de fabricación adecuadas para realizar rejillas y guías de ondas y conectarlas según la manera requerida, con el fin de fabricar sensores ópticos según la invención descrita hasta el momento. Por ejemplo, se puede usar la litografía y el ataque químico. Una técnica particularmente adecuada es la de la grabación ultravioleta (UV) directa, usando radiación láser UV para incrementar el índice de refracción de la sílice con el fin de grabar tanto guías de ondas de canales como rejillas en un único sustrato [10].

La técnica de fabricación por grabación UV directa resulta particularmente ventajosa ya que permite la grabación de rejillas planas y largas de alta calidad. Esto proporciona rejillas con una anchura de línea muy estrecha, lo cual conduce a sensores con una alta sensibilidad. El ancho de banda \Delta\lambda de una rejilla de Bragg de longitud de onda de Bragg \lambda_{Bragg} viene dado por [11]:

\Delta\lambda = \lambda^{2}_{Bragg}/2n_{ef}L(\pi^{2} + (\kappaL)^{2})^{1/2}

en la que \kappa es el coeficiente de acoplamiento definido por

\kappa = \pin\deltan\eta/\lambda_{Bragg}n_{ef}

y n es el índice de refracción del revestimiento de la guía de ondas, n_{ef} es el índice modal efectivo, \deltan es la magnitud de la modulación del índice en las rejillas, \eta es la integral de solapamiento entre modos de propagación de avance y retroceso, y L es la longitud de la rejilla. De este modo, el ancho de banda depende de la longitud de la rejilla para rejillas débiles y de la modulación del índice para rejillas más fuertes. La resolución del sensor óptico al cambio del índice de refracción del fluido está relacionada con el mínimo desplazamiento de longitud de onda resoluble, y, por lo tanto, es deseable usar rejillas largas con anchos de banda espectrales estrechos (respuesta de la filtración de longitudes de onda).

Por ejemplo, se pueden fabricar sensores usando la técnica de grabación UV directa para grabar guías de ondas de canales y rejillas en una oblea de tres capas de sílice sobre silicio. La misma tiene una base de oblea de silicio subyacente que proporciona un soporte robusto para la posterior deposición de óxido de silicio dopado (sílice dopada) con el fin de formar las diversas capas de guiado de las ondas. El silicio es compatible con el procesado para el crecimiento y el recocido de capas de óxido. Adicionalmente, es posible incorporar otros elementos en la oblea de silicio, tales como estructuras MEMS para el control de flujos, la dosificación y el calentamiento de muestras de fluido, y para mediciones integradas adicionales tales como mediciones térmicas in situ. Además, una oblea de silicio tiene un coeficiente de dilatación térmica menor que la sílice, de manera que, después del recocido, las capas de sílice se encuentran bajo un esfuerzo de compresión a temperatura ambiente, lo cual ayuda a conseguir que las capas sean robustas. No obstante, es posible desarrollar las capas de sílice sobre materiales que no sean silicio, incluyendo, entre otros, sílice.

Las capas se pueden desarrollar mediante varias técnicas. El punto de partida es la base de silicio que se oxida térmicamente de forma convencional en un entorno con vapor para desarrollar una capa de óxido de estaño sobre su superficie. Esta primera capa ayuda al crecimiento y consolidación de las últimas capas de óxido, más gruesas. Estas capas se pueden depositar usando técnicas tales como deposición por hidrólisis con llama (FHD), deposición química en fase de vapor a baja presión (LPCVD), deposición química en fase de vapor asistida por plasma (PECVD), enlaces directos o intercambio iónico. Para la grabación UV directa, se requiere una capa fotosensible. Esta se puede lograr con una estructura de tres capas en la que las capas superior e inferior son capas de revestimiento y la capa central es una capa del núcleo que se dopa con un material para fomentar la sensibilidad tal como óxido de germanio. Cualquiera de las capas también puede incluir dopantes adicionales para controlar el índice de refracción, la temperatura de fabricación, etcétera. Comúnmente, en la sílice se dopan fósforo, boro, estaño y titanio. Además, se puede usar el dopaje de las capas con deuterio a presión elevada durante varios días para incrementar la respuesta fotosensible. El hidrógeno es un fotosensibilizador alternativo. Alternativamente, se puede utilizar un procesado térmico rápido para incrementar la fotosensibilidad.

A continuación, en el sustrato por capas se graban unas guías de onda de canales. Para la grabación UV directa, un sustrato se traslada bajo un punto enfocado de radiación láser UV, presentando el punto unas dimensiones aproximadamente relacionadas con las dimensiones deseadas del canal. Preferentemente, los canales se diseñan para ser unimodales con el fin de proporcionar una respuesta de rejilla de Bragg fuerte. Las rejillas se definen usando un punto con un patrón de interferencia intrínseco. La intensidad del láser se modula en posiciones controladas de forma precisa, permitiendo que una rejilla se grabe simultáneamente con la guía de ondas que la contiene. El control por ordenador del aparato de grabación permite un control preciso del periodo de la longitud de la rejilla (y, por lo tanto, la longitud de onda de Bragg y el ancho de banda) y de la forma de la guía de ondas óptica. De este modo, con un único proceso de fabricación se pueden grabar sensores ópticos de un solo sustrato que comprendan dos o más rejillas conectadas mediante guías de ondas de canales tales como las descritas anteriormente.

Después de la formación de las guías de ondas y las rejillas, el sustrato se procesa para formar la ventana o ventanas de muestras. Se puede usar un ataque químico con ácido fluorhídrico para eliminar el material de revestimiento. La región de la ventana se define enmascarando con resina fotorresístente las partes que no son ventana del sustrato, antes del ataque químico. La resina fotorresistente se puede definir usando procesos litográficos que estén en relación con el posicionamiento de las guías de ondas para colocar las ventanas en alineación correcta con las posiciones de las rejillas. Si se requieren varias ventanas con diferentes profundidades de revestimiento, las regiones de las ventanas se pueden atacar químicamente hasta diferentes profundidades usando técnicas tales como la deposición, antes del ataque químico, de capas diferentemente resistentes a este último, la interrupción del ataque químico en periodos de tiempo apropiados y el cubrimiento, con material resistente al ataque químico, de ventanas atacadas químicamente de forma suficiente, la inmersión del sustrato en un líquido de ataque químico por etapas, o el arrastre de una placa de máscara a través del sustrato por etapas en el caso de ataque químico en fase gaseosa.

Referencias

[1] J Bowen, LJ Noe, BP Sullivan, K Morris, V Martin y G Donnelly, "Gas phase detection of trinitrotoluene utilizing a solid-phase antibody immobilized on a gold film by means of surface plasmon resonance spectroscopy", Appl. Spectrosc, 57(8), 906-914, 2003.

[2] RG Heideman, RPH Kooyman y J Greve, "Performance of a highly sensitive optical wave-guide Mach-Zehnder interferometer immunosensor", Sensors and Actuators B-Chemical, 10(3), 209-217, 1993.

[3] K Tiefenthaler y W Kukosz, "Integrated optical switches and gas sensors", Optics Letters, 10(4), 137-139, 1984.

[4] W Lukosz, D Clerc y PhM Nellen, "Input and output grating couplers as integrated optical chemo- and biosensors", Sensors and Acuators A, 25-27, 181-184, 1991.

[5] A Asseh, S Sandgren, H Ahlfeldt, B Sahlgren, R Stubbe y G Edwall, "Fiber optical Bragg grating refractometer", Fiber and Integrated Optics, 17(1), 51-62, 1998.

[6] A ladicicco, A Cusano, A Cutolo, R Bernini y M Giordano, "Thinned fiber Bragg gratings as high sensitivity refractive index sensor", IEEE Photonics Technology Letters, 16(4), 1149-1151, 2004.

[7] X Chen, K Zhou, L Zhang y I Bennion, "Optical chemsensors utilizing long-period fiber gratings UV-inscribed in D-fiber with enhanced sensitivity through cladding etching", IEEE Photonics Technology Letters, 16(5), 1352-1354, 2004.

[8] BJ Luff, JS Wilkinson, G Perrone, "Indium tin oxide overlayered waveguides for sensor applications", Applied Optics, 36(27), 7066-7072, 1997.

[9] W Lukosz, "Integrated optical chemical and biochemical sensors", Sensors and Actuators B, 29, 37-50, 1995.

[10] GB 2 395 797

[11] R Kashyap, "Photosensitive optical fibers: Devices and applications", Optical Fiber Technology, 1, 17-34, 1994.

Claims (22)

1. Aparato que comprende:

una fuente de luz (18); y

un sensor óptico (10) que comprende:

un sustrato (12);

por lo menos dos rejillas (14) de Bragg planas definidas dentro de una o más guías de ondas (26) ópticas en el sustrato, presentando cada rejilla de Bragg una respuesta de filtración de longitudes de onda que varía con un índice modal efectivo experimentado por la luz que se propaga en la rejilla de Bragg y que tiene una longitud de onda de Bragg característica diferente a las longitudes de onda de Bragg de las otras rejillas de Bragg; y

una ventana (16) de muestras común superpuesta sobre y asociada a las rejillas de Bragg y dispuesta para recibir una muestra de fluido (58) de tal manera que la presencia de una muestra de fluido afecta al índice modal efectivo experimentado por luz que se propaga en las rejillas de Bragg asociadas y, por lo tanto, modifica la respuesta de filtración de longitudes de onda de las rejillas de Bragg;

estando dispuestas las rejillas de Bragg para recibir luz de la fuente de luz (18), filtrar la luz, y dar salida a la luz filtrada para su detección por parte de un detector óptico de resolución espectral o un detector de potencia óptica;

comprendiendo además el aparato un detector óptico (32) de resolución espectral o un detector de potencia óptica dispuesto para detectar luz reflejada de las rejillas de Bragg, y un procesador que se puede hacer funcionar para recibir resultados de un análisis espectral del detector óptico y para determinar la dispersión de una muestra a partir del mismo.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que el sensor óptico comprende además unas rejillas (34) de referencia con el fin de proporcionar por lo menos dos pares de rejillas de Bragg, comprendiendo cada par de rejillas de Bragg una rejilla (14) de detección que tiene una ventana (16) de muestras asociada y una rejilla de referencia, presentando la rejilla de detección y la rejilla de referencia longitudes de onda de Bragg con una separación suficientemente reducida de manera que las rejillas presentan sustancialmente el mismo confinamiento modal.

3. Aparato según la reivindicación 2, en el que, para cada par de rejillas, la rejilla de detección y la rejilla de referencia tienen longitudes de onda de Bragg separadas por una magnitud en el intervalo comprendido entre 2 y 10 nm.

4. Aparato según la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en el que, para cada par de rejillas, la rejilla de referencia tiene una ventana (36) de muestras asociada, independiente de la ventana de muestras asociada a la rejilla de detección.

5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que, para cada par de rejillas, la rejilla de referencia y la rejilla de detección están definidas en una única guía (26) de ondas.

6. Aparato según la reivindicación 1, en el que dichas por lo menos dos rejillas de Bragg comprenden una pluralidad de rejillas de Bragg divididas en grupos de rejillas de Bragg, presentando las rejillas de Bragg dentro de cada grupo longitudes de onda de Bragg separadas por una primera separación, y presentando cada grupo una longitud de onda de Bragg media separada con respecto a longitudes de onda de Bragg medias de otros grupos por una segunda separación mayor que la primera separación.

7. Aparato según la reivindicación 6, en el que la segunda separación es por lo menos diez veces mayor que la primera separación.

8. Aparato según la reivindicación 6 ó la reivindicación 7, en el que la primera separación está en el intervalo comprendido entre 2 y 10 nm.

9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una o más guías de ondas ópticas están configuradas para una propagación unimodal de la luz.

10. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la ventana de muestras comprende una parte de una capa (56) de revestimiento superpuesta sobre un núcleo (54) de la guía de ondas óptica en la que está definida la rejilla de Bragg asociada, de tal manera que una muestra de fluido (58) recibida por la ventana de muestras está en contacto con la capa de revestimiento.

11. Aparato según la reivindicación 10, en el que el sensor óptico comprende dos o más ventanas de muestras en cada una de las cuales la parte de la capa de revestimiento tiene un espesor diferente.

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12. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la ventana de muestras comprende una parte al descubierto de un núcleo (54) de la guía de ondas óptica en la que está definida la rejilla de Bragg asociada, de tal manera que una muestra de fluido (58) recibida por la ventana de muestras está en contacto con el núcleo.

13. Aparato según la reivindicación 12, en el que la parte al descubierto del núcleo tiene un espesor menor que un espesor del núcleo en partes adyacentes de la guía de ondas óptica en la que está definida la rejilla de Bragg asociada.

14. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las rejillas de Bragg que tienen una ventana de muestras asociada están definidas en una guía de ondas óptica que tiene un núcleo que presenta una variación de reducción progresiva en el índice de refracción a lo largo del mismo, para reducir cambios bruscos en el índice modal efectivo en bordes de la ventana de muestras.

15. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la ventana de muestras tiene uno o más bordes (44) que están en ángulo con respecto a una dirección de propagación de la luz en la(s) guía(s) de ondas óptica(s)
en la(s) que están definidas las rejillas de Bragg asociadas, para reducir reflexiones de luz que se propaga en las rejillas de Bragg.

16. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una o más guías de ondas ópticas comprenden una o más capas (62) que modifican propiedades de guiado de una o más guías de ondas ópticas.

17. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que la ventana de muestras está provista de una capa superficial de un metal (64) que tiene un plasmón de superficie que se puede modificar por medio de una muestra de fluido que será recibida por la ventana de muestras, provocando la modificación en el plasmón de superficie una modificación del índice modal efectivo de luz que se propaga en las rejillas de Bragg asociadas.

18. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y comprendiendo además el sensor óptico un dispositivo (40) de calentamiento o enfriamiento que se puede hacer funcionar para modificar la temperatura del sustrato de tal manera que cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg tiene sustancialmente la misma temperatura.

19. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y comprendiendo además el sensor óptico una o más fuentes (18) de luz que se pueden hacer funcionar para entregar luz a dichas por lo menos dos rejillas de Bragg, de tal manera que cada rejilla de Bragg recibe luz que tiene un ancho de banda espectral que abarca por lo menos parte de su respuesta de filtración de longitudes de onda.

20. Sistema (70) de control de procesos que se puede hacer funcionar con el fin de controlar un aparato para realizar un proceso, que comprende:

un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en el que el detector óptico (32) de resolución espectral se puede hacer funcionar para recibir y realizar un análisis espectral de luz proveniente de dicho por lo menos un sensor óptico y para

generar una o más señales de control para controlar el aparato con el fin de realizar un proceso en respuesta al análisis; y que comprende además

un dispositivo (82) de encaminamiento óptico conectado a dicho por lo menos un sensor óptico (10), la fuente (18, 78) de luz y el detector óptico (32), y que se puede hacer funcionar para recibir luz de la fuente de luz, distribuir la luz hacia dicho por lo menos un sensor óptico, recibir luz obtenida a la salida de dicho por lo menos un sensor óptico tras la reflexión de las rejillas de Bragg del sensor óptico, y entregar la luz de salida al detector óptico.

21. Red de sensores ópticos, que comprende:

un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, y que comprende además

una pluralidad de sensores ópticos (72) de un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19;

un dispositivo (82) de encaminamiento óptico conectado a cada uno de la pluralidad de sensores ópticos y que se puede hacer funcionar para recibir luz de la fuente (18, 78) de luz, distribuir la luz hacia la pluralidad de sensores ópticos, recibir luz obtenida a la salida de la pluralidad de sensores ópticos, tras la reflexión de las rejillas de Bragg de los sensores ópticos y dar salida a la luz recibida para su análisis espectral.

22. Red de sensores ópticos según la reivindicación 22,

en la que la fuente (78) de luz se puede hacer funcionar para generar luz que abarca las respuestas de filtración de longitudes de onda de las rejillas de Bragg de la pluralidad de sensores ópticos y dispuesta para entregar la luz al dispositivo de encaminamiento óptico; y que comprende además:

un detector óptico (80) de resolución espectral dispuesto para recibir luz obtenida a la salida del dispositivo de encaminamiento óptico, y que se puede hacer funcionar para realizar un análisis espectral de la luz.