ES2575452T3 - Espectrómetro de onda contrapropagante - Google Patents

Abstract

Espectrómetro que comprende: - una guía de onda (10) provista de dos accesos (10a, 10b, 12); - un medio de inyección de dos ondas guiadas contrapropagantes por cada uno de dichos accesos de modo que se cree una interferencia espacial en el interior de dicha guía, caracterizado por que comprende, además: - un medio de detección (19, 20, 14, 16) de la onda evanescente del campo guiado procedente de la interferencia de dichas ondas contrapropagantes que comprende: - bien al menos una guía plana (14, 14a, 14b) situada cerca de dicha guía y en la que la onda evanescente del campo guiado procedente de la interferencia de las ondas contrapropagantes se convierte en una onda propagante; y al menos un fotodetector (16, 16a, 16b) previsto para detectar de forma deslocalizada dicha onda propagante en la salida de dicha guía plana, - o bien al menos una punta difusora (20), fija o móvil, situada en la superficie de la guía; y al menos un fotodetector.

Description

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DESCRIPCION

Espectrometro de onda contrapropagante La presente invencion se refiere al campo de la optica.

La presente invencion se refiere de manera mas particular a un espectrometro con transformada de Fourier en optica guiada que utiliza unas ondas contrapropagantes.

Es habitual que unas ondas contrapropagantes en una guia de onda creen interferencias como lo muestra la publicacion de Labeyrie y otros (Labeyrie, A., Huignard, J.P. y Loiseaux, B., Optical data storage in microfibers, Optics Letters, 23, pags. 301-303 (1998)). El interferograma obtenido lo determina la diferencia de camino optico recorrido por cada una de las ondas, y el analisis de este interferograma permite obtener informacion sobre las fuentes luminosas y/o sobre los medios atravesados por estas ondas.

Sin embargo, cuando las ondas contrapropagantes interfieren en el interior de una guia de onda, el interferograma obtenido se mantiene confinado dentro de la guia y no es accesible para unas mediciones espectrometricas.

La tecnica anterior conoce tambien un espectrometro por ondas contrapropagantes descrito en la publicacion de Froggat y Erdogan (Froggat, M. y Erdogan, T., All-fiber wavemeter and Fourier-transform spectrometer, Optics Letters, 24, pags. 942-944 (1999)). Se obtiene un interferograma haciendo que interfieran dos ondas contrapropagantes extraidas de la guia mediante una red de Bragg presente en el interior de la guia. La luz se extrae de la guia con un angulo que depende de la relacion entre la longitud de onda A y el paso de la red de Bragg A : sin(a) = neff-A/A (pag. 943, col., 116-24).

En este sistema, la utilizacion en el interior de la guia de una red periodica es absolutamente necesaria. El paso del interferograma como se ha registrado en el detector depende de este angulo y del paso de la red de Bragg. Por ejemplo, para una onda monocromatica Froggat obtiene un periodo de las franjas: PFrogatt = 1/2(neff-A/A). Por el contrario, el interferograma obtenido en la publicacion de Labeyrie mencionada con anterioridad depende unicamente de la diferencia de desplazamiento de las ondas desde su punto de division. Por ejemplo, en el caso de una onda monocromatica, PLabeyrie = 1/2neff.

En este sistema, se crea una onda propagante asociada a la serial inyectada. Esta onda propagante es distinta del campo de interferencia y no da un acceso directo al interferograma situado en la guia.

Por otra parte, el sistema y, en particular, la estructura periodica de Bragg, altera sin embargo la onda en el interior de la guia.

Por otra parte, el sistema anterior solo ensena la inyeccion de una unica onda que se refleja en una onda contrapropagante. Esto plantea el inconveniente de no permitir el acceso a una franja central de eventuales interferencias.

La invencion pretende, en particular, resolver estos inconvenientes.

La presente invencion pretende, por lo tanto, permitir un acceso a este interferograma para unas ondas contrapropagantes guiadas.

El acceso al interferograma por interferencia de ondas contrapropagantes tiene tambien la ventaja de no necesitar ninguna parte movil para la observacion, como es por ejemplo el caso en un interferometro clasico de tipo Michelson.

Para ello, la presente invencion se refiere a un espectrometro 11 que comprende una guia de onda 10 provista de dos accesos, un medio de inyeccion de dos ondas guiadas contrapropagantes por cada uno de dichos accesos de modo que se cree una interferencia espacial en el interior de dicha guia, un medio de deteccion de la energia de la onda evanescente del campo guiado procedente de la interferencia de dichas ondas contrapropagantes.

De acuerdo con la invencion, se accede al interferograma situado dentro de la guia por medio de la onda evanescente del campo guiado, lo que da un acceso real a este interferograma.

Por el contrario, en la publicacion de Froggat mencionada con anterioridad, es una red periodica situada en el nucleo de la guia la que extrae cada una de las dos ondas para hacer que interfieran en el detector lo que constituye un interferograma diferente.

De preferencia, dicho medio de deteccion comprende al menos una guia plana (14, 14a, 14b) situada cerca de dicha guia y al menos un fotodetector dispuesto para detectar una onda en la salida de dicha guia plana.

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De manera ventajosa, dicho medio de deteccion comprende una multitud de detectores locales distribuidos entre los dos accesos de dicha guia.

De manera ventajosa, dicho medio de deteccion comprende al menos una punta difusora fija o movil y al menos un fotodetector.

De acuerdo con una forma de realizacion, dicho medio de inyeccion de las dos ondas es un separador de onda dispuesto de modo que dirija las dos partes de una misma onda segun los dos accesos de dicha guia.

La invencion se refiere tambien a un sistema de formacion de imagenes espectroscopicas que comprende una multitud de espectrometros de acuerdo con la invencion, dispuestos en una matriz, estando los medios de inyeccion en el plano focal de una optica de entrada.

Se entendera mejor la invencion por medio de la descripcion, hecha a continuacion a titulo meramente explicativo, de una forma de realizacion de la invencion, en referencia a las figuras adjuntas:

- la figura 1 ilustra una primera forma de realizacion de la invencion en el caso de un espectrometro contrapropagante cerrado en bucle;

- la figura 2 ilustra una segunda forma de realizacion de la invencion con deteccion en un plano inclinado;

- la figura 3 ilustra una forma de realizacion de la invencion con dos prismas;

- la figura 4 ilustra una forma de realizacion de la invencion para una guia con dos entradas;

- la figura 5 ilustra una forma de realizacion de la invencion en el que la deteccion se realiza mediante una multitud

de detectores locales situados en el campo evanescente;

- la figura 6 ilustra una forma de realizacion de la invencion en el que la deteccion se realiza mediante una punta difusora;

- la figura 7 ilustra una forma de realizacion de la invencion que comprende un medio de variacion de la fase de las senales;

- la figura 8 ilustra una forma de realizacion de la invencion en la que se utiliza una guia en bucle y una multitud de detectores locales;

- la figura 9 ilustra otra forma de realizacion de la invencion para un bucle cerrado y un medio de variacion de la fase.

De acuerdo con una primera forma de realizacion ilustrada en la figura 1, la luz que hay que analizar se introduce dentro del dispositivo 11 en el extremo de la guia de onda 10 bien mediante la conectorizacion de una fibra optica, bien mediante una inyeccion por medio de un dispositivo de optica de volumen o cualquier otro sistema de inyeccion de la luz guiada o no.

La luz se propaga hasta el componente 12 que separa la onda en dos partes. El interferograma se construye alrededor de la zona 13 que garantiza un desacoplamiento por onda evanescente de la luz de la guia curva. El componente 12 garantiza el paso de las ondas por dos medios de acceso distintos de la guia 10 a la altura de la zona 13. La funcion oscilante ilustrada en la figura 1 a la altura de la zona 13 representa el interferograma presente en la zona de interferencia 13.

La zona 13 esta situada a la misma distancia de la zona de separacion 12 de la onda segun los dos caminos que las unen.

El dispositivo 11 comprende tambien una zona 14 de guia plana de forma que la luz presente dentro de la guia curva puede salir en la zona 14 de manera radial aunque la parte del interferograma que estaba presente dentro de la guia curva se encuentre guiada en la direccion vertical perpendicular al plano de la figura (es decir en el espesor del componente) hasta el borde del soporte 17 estando ampliada geometricamente en el plano del sistema mediante la relacion R(x)/r en la que x es la coordenada a lo largo del borde, r es el radio de curvatura de la guia y R(x) es la distancia radial que separa el punto de coordenada x en el centro de curvatura de la parte de la guia que le corresponde.

En esta forma de realizacion, el paso de las franjas se puede ajustar en funcion de la relacion de distancia R/r de la arista en el centro de curvatura del bucle lo que permite muestrear correctamente en el sentido de Shannon el interferograma con un detector cuya dimension de los pixeles seria mas grande que la cuarta parte de la longitud de onda al contrario que en el espectrometro de la publicacion de Froggat mencionada con anterioridad para el cual el periodo de las franjas depende unicamente de la eleccion del paso de la red que entonces solo da acceso a un rango espectral estrecho A2/(4neff.p) alrededor de A/2.

La zona 14 corresponde, por ejemplo, a una guia plana yuxtapuesta a la guia curva que sirve para controlar el indice de fuga de la luz procedente de la guia curva y para guiar la luz hasta la arista del componente 17. Se entiende que para una guia no curvada, el prisma 14 tambien se puede utilizar para deslocalizar la deteccion.

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En el interior del prisma 14, la onda evanescente del campo guiado procedente de la interferencia de las ondas contrapropagantes se convierte en una onda propagante que permite deslocalizar la deteccion.

Un medio de deteccion fotosensible 16 esta ajustado a lo largo de la zona tangente del soporte de forma que detecte la parte del interferograma extraida de la guia.

La reconstruccion de la serial debe tener en cuenta la transformacion geometrica que proyecta la abscisa curvilinea a lo largo de la guia hacia la coordenada x. Esta geometria hace que para un detector que tiene unos pixeles regularmente separados, la ley de muestreo del interferograma es tal que 5 = arctan(xlR).r, 5 es la abscisa curvilinea de las diferencias de desplazamiento consideradas a partir del lugar de la franja central para unos caminos opticos iguales a partir de la zona de separacion 12. x representa la distancia geometrica de proyeccion del interferograma en la arista del componente.

La cantidad de luz extraida de la guia en la zona de desacoplamiento 13 de la guia 10 depende de una adaptacion geometrica o de indice de refraccion entre la guia curva y la guia plana. De este modo, se puede modular la cantidad de luz que debe salir en cada lugar de 13, lo que permite de este modo actuar sobre la apodizacion del interferograma muestreado en el borde del soporte 17. De este modo, una adaptacion constante del indice de fuga conducira a una distribucion exponencial decreciente de la luz a lo largo de la guia curva en la zona 13 que depende del sentido de llegada de la onda en esta parte. La dimension del sistema depende de la distancia entre los elementos de imagen del detector (pixel). El dimensionamiento se hace, por ejemplo, de la siguiente manera:

Se parte de las caracteristicas del detector 16, siendo dx la dimension del pixel y N el numero de pixeles en la barra. La longitud del detector 16 es entonces L = N.dx. En la gama de frecuencias que se quiere analizar, es preciso que el detector sea sensible y que las guias de ondas sean monomodo y propagantes. Se define entonces el intervalo de longitudes de onda de funcionamiento mediante Amm y Amax. El muestreo en el centro del interferograma debe permitir situar dos pixeles para una distancia que corresponde a la interfranja en la longitud de onda Amm/4 en el medio con un indice n multiplicado por el aumento G causado por la guia 14 plana en virtud del teorema de Shannon de banda ancha. Este aumento en el centro del interferograma es G = R/r, tal que:

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El angulo de apertura A del prisma 14 debe corresponder a la longitud del detector anadido en el centro de curvatura del bucle de la guia contrapropagante.

A=2arctan(L/2R).

Por ultimo, la curvatura r de la guia asi como la forma exacta de la guia 14 plana se determina mediante un calculo electromagnetico conocido, por ejemplo en la publicacion de K. R. Hiremath y otros (K. R. Hiremath, M. Hammer, R. Stoffer, L. Prkna, J. Ctyroky, Analytical approach to dielectric optical bent slab waveguides Optical and Quantum Electronics 37(1-3), pags. 37-61 (2005)) en funcion del indice de fuga que se desea dar.

De acuerdo con una segunda forma de realizacion de la invencion ilustrada en la figura 2, la zona de guiado 14 tiene una forma disimetrica de modo que se pueda registrar de manera asimetrica un interferograma con respecto a la franja central. Por otra parte, seccionando el plano 17 de forma oblicua con respecto a la simetria del sistema, las franjas que corresponden al centro del interferograma que son mas ricos en informacion sobre el espectro se muestrearan mejor en detrimento del muestreo de las altas frecuencias que presentan a veces un interes menor.

De manera similar, tambien se puede alargar uno de los brazos del interferometro en una configuracion tal como se ilustra en la figura 1. De este modo, el interferograma se encontrara desplazado en la barra del fotodetector en la direccion en la que se ha alargado el bucle de la guia 10.

Como se ilustra en la figura 3, el espectrometro de acuerdo con la invencion tambien puede comprender una multitud de prismas 14a, 14b, asociados a una multitud de detectores 16a, 16b, con el fin de muestrear varias partes distintas del interferograma.

De acuerdo con otra forma de realizacion ilustrada en la figura 4, se puede dividir la onda de forma previa antes de la inyeccion en los dos accesos de la guia 10a y 10b. Esta configuracion esta especialmente optimizada para medir la fase del interferograma. La simetria del sistema garantiza una perfecta acromaticidad, por lo tanto una insensibilidad de la medicion de la fase en la fluctuacion de las longitudes de onda en la senal que hay que medir. Por otra parte, se puede modificar el camino optico en uno de los canales en el propio componente 21, bien por un efecto electro-optico que modifica el indice del medio como es el caso para el niobato de litio, o bien por un efecto elasto-optico o acusto-optico y cualquier otro procedimiento. Externamente, esta variacion del camino optico puede hacerse un sistema separador de onda y de linea de retardo como un montaje de Michelson por ejemplo. Esta variacion permite registrar otras partes del interferograma y aumentar de este modo la resolucion espectral del sistema o mejorar el muestreo del interferograma.

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De acuerdo con otra variante de la invencion, ilustrada en la figura 5, la onda dividida de forma previa se inyecta en el componente en 10a y en 10b por los dos accesos de una gufa de onda 10, la onda interfiere dentro de la gufa y, unos detectores, unos puntos difusores o unos bolometros 19 se instalan en la superficie de la gufa y, por lo tanto, son sensibles a una fraccion del campo presente en el interior de la gufa.

Por lo tanto, se colocan por ejemplo una multitud de detectores locales fijos 19 en el exterior de la gufa 10. Para realizar estos detectores locales, se puede por ejemplo utilizar un material sensible a las ondas evanescentes procedentes de la gufa 10. Los detectores 19 muestrean entonces la intensidad de las ondas evanescentes.

El experto en la materia entendera que si se desea detectar una longitud de onda A, los detectores estan separados por una distancia sustancialmente igual a A/4, con el fin de reconstruir la serial correspondiente.

Para la deteccion de un espectro policromatico de banda ancha, esta distancia debe ser la cuarta parte de la longitud de onda mas corta del espectro estudiado. Las longitudes de onda inferiores se detectarfan entonces con una eficacia menor e incluso no contribuir nada en absoluto en los sistemas de interferencia.

Por el contrario, para la deteccion de un espectro policromatico de banda estrecha, se pueden situar unos detectores a unas distancias superiores a A/4 en virtud del teorema de Shannon de banda estrecha si estos detectores presentan una dimension inferior a la cuarta parte de la longitud de onda mas corta del espectro estudiado.

La capa detectora 19 comprende, por lo tanto, por ejemplo una multitud de detectores locales equidistantes prestando atencion a que una distribucion regular puede provocar una perturbacion de la transmision de la onda por un efecto de red de Bragg.

Para solucionar este problema, se puede eventualmente colocar un medio fotosensible continuo entre la gufa de onda y los detectores locales regularmente separados, o bien colocar los detectores locales de una manera aperiodica como, por ejemplo, una serie de espaciamiento que se definirfa por la secuencia de los numeros primos.

Hay que senalar que estos detectores pueden ser de diferentes formas sin limitacion del alcance de la invencion.

Son, por ejemplo, unas uniones pn fotoconductoras realizadas sobre un sustrato semiconductor adelgazado que consta de unos fotodiodos y de unos electrodos para recoger una corriente en los bornes de los fotodiodos. Este sustrato es adyacente a la gufa de onda 10 bien mediante adhesion molecular, o bien mediante encolado.

Los detectores tambien pueden ser unos microbolometros por hilos supraconductores que forman una red distribuida entre los dos accesos opuestos de la gufa de onda 10.

Tambien se puede considerar utilizar unas microantenas, unos fotoconductores de tipo Selenio o unos fotodetectores con efecto Josephson.

De manera similar, como se ilustra en la figura 6, el interferograma generado en el interior de la gufa 10 es muy sensible al desfase existente entre las dos ondas en las entradas 10a y 10b opuestas de la estructura: el interferograma se desplaza a lo largo de la gufa en funcion de este desfase. Por lo tanto, se puede registrar el interferograma durante su desplazamiento por medio de un detector o de un punto difusor unico y fijo o movil 20 situado sobre la gufa.

Tambien se pueden sustituir los fotodetectores en el campo evanescente por uno o varios puntos difusores con una dimension mas pequena que la cuarta parte de la longitud de onda mas corta en el sentido de propagacion con el fin de convertir el campo evanescente y hacer que se propague hacia una detector situado fuera de la zona evanescente lo que hace posible el empleo de detectores mas grandes que la longitud de onda como los pfxeles de un CCD, por ejemplo.

Bien se impone una variacion de fase conocida y esto permite registrar el interferograma (mediciones espectrometricas), bien se mide el desplazamiento del interferograma y esto permite determinar el desfase entre las dos ondas (metrologfa), o bien por ultimo se desplaza el punto difusor de manera conocida para registrar el interferograma.

En la figura 7 se representa un medio para hacer que vane la fase en el interior del componente, en el caso abierto por accion sobre el camino optico 21, la separacion de la onda es externa y se inyecta en 10a y 10b. La deteccion del interferograma se realiza mediante la punta o el defecto difusor 20.

Como se ilustra en la figura 8, se puede utilizar una gufa cerrada con separacion de la onda provista de unos detectores locales descritos en referencia a la figura 5. En este caso, aunque la gufa no este curvada, tambien se puede colocar un prisma como en la figura 1 para observar la figura de interferencia en el borde del dispositivo sin aumento.

De la misma forma, se puede utilizar un elemento difusor en combinacion con una division interna de la onda como se ilustra en la figura 9.

Por ultimo, la invencion se refiere tambien a un sistema de formacion de imagenes espectrometricas que comprende 5 una multitud de espectrometros como se ha descrito con anterioridad, dispuestos en matriz. En este caso, el sistema obtenido esta compuesto por dos lentes lo que permite adaptar la onda a una guia monomodo. Se instala una coleccion de detectores en el campo evanescente de la guia. Se obtiene por ejemplo un conjunto de detectores CCD que debe tener un paso inferior a la cuarta parte de la longitud de onda teniendo en cuenta el indice del medio en el que se fabrica la guia monomodo. Se debe utilizar un mosaico compuesto por dichos elementos en un sistema 10 optico que divide el frente de onda y forma la imagen de forma simultanea en las dos caras de este mosaico.

La invencion que proporciona un espectrometro con deteccion in situ se puede aplicar en numerosos campos que utilizan mediciones espectrograficas como los giroscopios de laser, la metrologia o el TCO (Tomografia de Coherencia Optica) o incluso la sensorica (deteccion y analisis quimico y bioquimico).

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Claims (8)

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   REIVINDICACIONES

   1. Espectrometro que comprende:

   - una guia de onda (10) provista de dos accesos (10a, 10b, 12);

   - un medio de inyeccion de dos ondas guiadas contrapropagantes por cada uno de dichos accesos de modo que se cree una interferencia espacial en el interior de dicha guia,

   caracterizado por que comprende, ademas:

   - un medio de deteccion (19, 20, 14, 16) de la onda evanescente del campo guiado procedente de la interferencia de dichas ondas contrapropagantes que comprende:

   - bien al menos una guia plana (14, 14a, 14b) situada cerca de dicha guia y en la que la onda evanescente del campo guiado procedente de la interferencia de las ondas contrapropagantes se convierte en una onda propagante; y al menos un fotodetector (16, 16a, 16b) previsto para detectar de forma deslocalizada dicha onda propagante en la salida de dicha guia plana,

   - o bien al menos una punta difusora (20), fija o movil, situada en la superficie de la guia; y al menos un fotodetector.
2. 2. Espectrometro de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que dicho medio de deteccion comprende una multitud de detectores locales distribuidos entre los dos accesos de dicha guia.
3. 3. Espectrometro de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que dichos detectores locales tienen una dimension inferior a la cuarta parte de la longitud de onda de dichas ondas.
4. 4. Espectrometro de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el medio de deteccion comprende al menos una punta difusora y en el que dicha punta difusora tiene una dimension inferior a la cuarta parte de la longitud de onda de dichas ondas.
5. 5. Espectrometro de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que dicho medio de inyeccion de las dos ondas es un separador de onda dispuesto de modo que dirige las dos partes de una misma onda segun los dos accesos de dicha guia.
6. 6. Espectrometro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio de deteccion comprende al menos una guia plana (14) que tiene una forma disimetrica de forma que se pueda registrar de manera asimetrica un interferograma con respecto a la franja central.
7. 7. Espectrometro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio de deteccion comprende una multitud de prismas (14a, 14b) asociados a una multitud de detectores (16a, 16b) con el fin de muestrear varias partes distintas del interferograma.
8. 8. Sistema de formacion de imagenes espectroscopicas caracterizado por que comprende una multitud de espectrometros de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, dispuestos en una matriz, estando los medios de inyeccion en el plano focal de una optica de entrada.