ES2665144T3 - Sensor de presión completamente óptico - Google Patents

Abstract

Un sensor de presión óptico que comprende una guía de ondas (1) que comprende - al menos un núcleo (2) para confinar y guiar luz, - al menos un reflector de Bragg distribuido (3) situado en dicho al menos un núcleo, y - al menos un elemento deflector interior (5) que forma al menos una parte del núcleo y que forma un costado de la guía de ondas, caracterizado porque el sensor de presión además comprende una carcasa y al menos una membrana exterior incorporada en una superficie de la carcasa, y en el que la guía de ondas está sujeta dentro de la carcasa, el sensor de presión está configurado de modo que la al menos una membrana exterior (7) y el al menos un elemento deflector interior formen dos elementos deflectores separados, y en el que el sensor de presión está configurado de modo que dicho al menos un elemento deflector interior esté conectado a la al menos una membrana exterior de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo cambie cuando la al menos una membrana exterior se someta a presión, o en el que el sensor de presión está configurado de modo que se pueda establecer una conexión entre dicho al menos un elemento deflector interior y dicha al menos una membrana exterior de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo cambie cuando la al menos una membrana exterior se someta a un nivel de presión predefinido.

Description

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DESCRIPCION

Sensor de presión completamente óptico

La presente invención se refiere a un sensor de presión completamente óptico que comprende una guía de ondas que alberga un reflector de Bragg distribuido. Por tanto, es posible proporcionar detección de presión utilizando modulación de índice efectivo de la guía ondas y detección de un cambio de longitud de onda de luz reflejada desde el reflector de Bragg. También se puede ofrecer detección de sonido, disponiendo de este modo de un micrófono completamente óptico.

Antecedentes de la invención

Un sensor es un dispositivo que detecta una magnitud física específica perteneciente al entorno del sensor, por medio de uno o más mecanismos de detección que convierten la magnitud física en una señal de salida específica de sensor. Los ejemplos conocidos de sensores más utilizados incluyen termómetros, velocímetros, voltímetros, radares y sismógrafos. La gran mayoría de los sensores mecánicos modernos se fabrican utilizando tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS), puesto que con la tecnología MEMS se consiguen sensores de pequeña escala fabricados en serie y a bajo coste. Con el desarrollo de la tecnología MEMS y la aparición de tecnologías de detección microópticas, el término ampliado sistemas microoptoelectromecánicos (MOEMS) ha sido aceptado de forma general. Los MOEMS permiten conseguir diseños de sensores mucho más versátiles y detectar magnitudes en entornos de más difícil acceso en comparación con las tecnologías anteriores.

Los sensores completamente ópticos ofrecen diversas ventajas de interés para una mayor variedad de aplicaciones como, por ejemplo, la baja pérdida de transmisión en fibras ópticas, lo cual permite detección remota. En términos generales, el método de detección de los sensores completamente ópticos puede dividirse en detección con modulación de amplitud (AM) y con modulación de frecuencia (FM). La modulación de frecuencia se refiere al hecho de que los cambios en la longitud de onda de la luz reflejada se utilizan para determinar la magnitud física medida, en vez de la amplitud de la luz reflejada como sucede en la modulación de amplitud. Si bien con los sensores basados en AM se pueden conseguir sensibilidades extremadamente elevadas debido a las características de encendido/apagado de la señal, la señal es esencialmente vulnerable a pérdida de transmisión y ruido y no se integran de forma fácil en agrupamientos de sensores puesto que cada sensor requiere su propia línea de transmisión. Por otra parte, los sensores basados en FM no tienen casi la misma sensibilidad que los sensores basados en AM; no obstante, son mucho más resistentes al ruido y se integran fácilmente en sistemas de sensores distribuidos de gran tamaño puesto que múltiples sensores pueden compartir una misma línea de transmisión. El sensor completamente óptico dominante en la actualidad es el sensor de red de Bragg en fibra (FBG, por su sigla en inglés) basado en modulación de frecuencia y en el cual la deformación de una red de Bragg se utiliza para modular la señal.

Los sensores ópticos tienen cuatro ventajas principales: Muestran inmunidad a interferencia electromagnética, son resistentes a entornos hostiles, simplifican el proceso de medir magnitudes físicas distribuidas, por ejemplo, presión, temperatura y tensión, y son capaces de multiplexarse. No obstante, en comparación con la gran cantidad de sensores optoeléctricos y eléctricos disponibles en la actualidad, los sensores completamente ópticos representan un nicho pequeño, puesto que la mayor parte de los sensores completamente ópticos, en general, no pueden competir con sus homólogos eléctricos en cuanto a sensibilidad, margen dinámico o precio.

Resumen de la invención

La presente invención se refiere, en general, a un sensor de presión completamente óptico y, en particular, la presente invención se refiere a un micrófono completamente óptico. El sonido es una onda mecánica que constituye una oscilación de presión, o una secuencia de ondas de presión, transmitidas a través de un medio compresible tal como sólido, líquido o gaseoso, y está compuesto por frecuencias dentro del intervalo de la audibilidad. Un micrófono de audio es un sensor de sonido y un micrófono de audio está, por lo tanto, normalmente adaptado para detectar ondas de presión en el aire. Un micrófono normalmente está compuesto por una membrana (también denominada «diafragma» en terminología de micrófonos) y una cámara posterior que está aislada acústicamente del entorno para evitar cortocircuitos acústicos. Proporcionar una cámara posterior es necesario para la funcionalidad de un micrófono; no obstante, en general, dicha cámara no es necesaria para un sensor de presión.

Los micrófonos completamente ópticos se conocen desde hace años. Los autores de la presente invención presentaron en el pasado un micrófono completamente óptico altamente sensible y fabricado con tecnología MEMS. El mecanismo de detección se basaba en modificar el índice de refracción efectivo de una guía de ondas óptica

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reflectante antirresonante (ARROW, por su sigla en inglés) de núcleo hueco incorporando una rejilla de Bragg. Al modificar el índice de refracción efectivo en lugar del periodo de red se obtenía una sensibilidad altamente mejorada. Este micrófono completamente óptico se describe en detalle en una tesis doctoral deKasper Reck: "MEMS Optical Sensor Systems" (20l1) y en una tesis de maestría de Christian 0stergaard: "MEMS Optical Strain Sensors Based on Hollow Core Waveguides with Integrated Bragg Gratings" (2011) y enReck K y col.: "Hollow core MOEMS Bragg grating microphone for distributed and remote sensing", 16th international solid-state sensors, actuators and microsystems conference (16a conferencia internacional sobre sensores de estado sólido, actuadores y microsistemas), Pekín, China, 5-9 junio 2011, pág. 586-589. En estas publicaciones se pueden encontrar detalles sobre los antecedentes teóricos, diseño y fabricación de guías de ondas de sensor óptico, los cuales, por tanto, se incorporan en su totalidad como referencia.

Para obtener la sensibilidad deseada del sensor de presión para el micrófono completamente óptico se desarrolló un diseño de guías de ondas ARROW altamente sofisticado en el cual la cámara posterior de micrófono estaba incorporada en la guía de ondas. No obstante, aun con tecnología MEMS estos diseños de guía de ondas eran difíciles de llevar a la práctica. En la publicación internacional WO2013182643 titulada "MEMS optical sensor" los autores de la presente invención abandonaron el concepto de un micrófono completamente óptico e introdujeron sensores ópticos utilizando diseños de guías de ondas nuevos y más sencillos en combinación con propagación de modo de orden superior y detección de la luz, aumentando, de este modo, la sensibilidad de los sensores ópticos MEMS.

Los diseños simplistas de guías de ondas descritos en la publicación internacional WO2013182643 ofrecen ventajas importantes en el proceso de fabricación, lo cual permite abaratar la producción de guías de ondas ópticas de núcleo hueco. Pero estos diseños simples no están optimizados para detección de presión y, en particular, para detección de sonido. Por lo tanto, un propósito de la presente invención es diseñar un sensor de presión completamente óptico que pueda llevarse a la práctica. Por consiguiente, un primer aspecto de la invención se refiere a un sensor de presión óptico de acuerdo con la reivindicación 1.

Una realización adicional de la presente descripción se refiere a un sensor de presión óptico que comprende una carcasa, al menos una membrana exterior, y una guía de ondas sujeta dentro de la carcasa, comprendiendo la guía de ondas al menos un núcleo para confinar y guiar luz, al menos un reflector Bragg distribuido ubicado en dicho al menos un núcleo, y al menos un elemento deflector que forma al menos una parte del núcleo, en donde el sensor de presión está configurado de modo que dicho al menos un elemento deflector interior esté conectado a la al menos una membrana exterior de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo varíe cuando la al menos una membrana exterior se someta a presión, o donde el sensor de presión está configurado de modo que se puede establecer una conexión entre dicho al menos un elemento deflector interior y dicha al menos una membrana exterior de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo varíe cuando la al menos una membrana exterior se someta a un nivel de presión predefinido.

El elemento deflector interior puede estar conectado a la al menos una membrana exterior. Sin embargo, el sensor de presión puede estar configurado de modo que se pueda establecer una conexión entre dicho al menos un elemento deflector interior y dicha al menos una membrana exterior. Es posible que el sensor de presión esté configurado de modo que se pueda establecer una conexión entre dicho al menos un elemento deflector interior y dicha al menos una membrana exterior a y por encima de una cantidad predefinida de presión ejercida sobre la membrana exterior. Es decir, el sensor de presión puede estar configurado de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo varíe cuando la al menos una membrana exterior esté a y por encima de una cantidad predefinida de presión a la que se somete la membrana exterior. Por consiguiente, el sensor de presión puede adaptarse de modo que exista una presión límite, en el que no se proporciona señal desde el sensor debajo de este límite pero sí se proporciona por encima de este límite de presión.

Como resultado de la variación en la dimensión y/o geometría del núcleo se altera el índice efectivo del núcleo. El elemento deflector interior puede adoptar forma de membrana por lo que habría dos membranas, es decir, la membrana interior y la exterior. El sensor de presión puede ser un sensor de presión estático. La presente descripción además se refiere a un micrófono óptico que comprende una cámara posterior, al menos una membrana exterior y una guía de ondas, comprendiendo la guía de ondas al menos un núcleo para confinar y guiar luz, al menos un reflector Bragg distribuido ubicado en dicho al menos un núcleo, y al menos un elemento deflector interior conectado a la al menos una membrana exterior y formando al menos una parte del núcleo, en el que el micrófono está configurado de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo varíe cuando la al menos una membrana exterior sea sometida a sonido. La guía de ondas puede, por ejemplo, estar sujeta dentro de la cámara posterior.

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Se puede proporcionar detección de presión (y por consiguiente detección de sonido en este micrófono) enviando luz dentro del núcleo de la guía de ondas y utilizando modulación de índice efectivo de la guía de ondas detectando el cambio de longitud de onda de luz reflejada desde el reflector de Bragg.

Por lo tanto, el principio de detección sobre el cual se basa el sensor de presión que se reivindica en la presente, con modulación de índice de refracción de una guía de ondas que comprende un reflector de Bragg distribuido no es nuevo. Pero los micrófonos MEMS ópticos de la técnica anterior utilizaban solo una membrana, es decir, solo un elemento deflector. Esta membrana formaba un costado de la guía de ondas y se sometía directamente a presión de sonido cuando se utilizaba el micrófono. Un aspecto clave del presente sensor de presión completamente óptico es que se proporciona un elemento deflector adicional: la membrana exterior. La membrana exterior está en contacto (o puede ponerse en contacto) con el elemento deflector interior, que forma un costado de la guía de ondas (o al menos una parte de dicho costado). En este nuevo diseño de micrófono es la membrana exterior la que se somete a presión de sonido. En los micrófonos MEMS ópticos de la técnica anterior el elemento deflector único tenía que cumplir con una serie de restricciones de diseño para que el micrófono funcione correctamente para detectar presión. En primer lugar, el elemento deflector único tenía que tener forma de membrana para detectar ondas de presión, en particular sonido. Además, la cámara posterior tenía que ser parte del chip de guía de ondas. Al tener dos elementos deflectores el diseño del sensor de presión es mucho menos limitado. Es posible optimizar el funcionamiento del elemento deflector interior en la guía de ondas y el funcionamiento de la membrana exterior como receptora de ondas de presión en la cámara posterior. Con la aparición de una membrana exterior y una cámara posterior, posiblemente externa a la guía de ondas, se ha ampliado de manera significativa el espaciado de la cámara posterior en comparación con los micrófonos MEMS de la técnica anterior. Un mayor espaciado de la cámara posterior puede mejorar la sensibilidad y resolver problemas de ruido del micrófono, por ejemplo, distorsión. Se muestran realizaciones de micrófono según la presente descripción en las figuras 3a y 3b, donde la conexión entre las dos membranas se proporciona mediante una varilla de conexión.

Una variación en la geometría y/o dimensión del núcleo es, en la mayor parte de los casos, una consecuencia de una variación en la geometría y/o dimensión de la guía de ondas. Por ejemplo, el elemento deflector interior forma parte de la guía de ondas y, cuando el elemento deflector interior se mueve, varía la geometría y/o dimensión de la guía de ondas. Por ende, en la presente se puede utilizar la variación en geometría y/o dimensión de la guía de ondas o núcleo de manera intercambiable. La guía de ondas mencionada en la presente comprende uno o más núcleos, normalmente un núcleo. El confinamiento de luz en una guía de ondas normalmente se proporciona en el núcleo, por lo que la propagación de la luz en una guía de ondas implica, de manera implícita, que la luz se propaga en el núcleo. Por lo tanto, en la presente, la propagación de luz en la guía de ondas y en el núcleo se usan de manera intercambiable. Dentro del núcleo de la guía de ondas la luz puede tener una dirección principal de propagación, normalmente a lo largo de la dirección longitudinal de la guía de ondas.

Descripción de los dibujos

A continuación, la invención se describirá con más detalle con referencia a los dibujos, en los cuales

La figura 1a ilustra el principio de una rejilla de Bragg en fibra (FGB),

la figura 1b ilustra el principio de una rejilla de Bragg en una guía de ondas hueca,

la figura 1c muestra el cambio de longitud de onda de Bragg como resultado de la variación de dimensión del núcleo de la guía de ondas de la figura 1b,

la figura 1d es una ilustración en perspectiva de una guía de ondas de placas que alberga una rejilla de Bragg en un núcleo hueco,

la figura 2 muestra micrófonos ópticos MEMS de la técnica anterior con una única membrana,

la figura 3a es una vista transversal lateral de una realización del micrófono óptico de acuerdo con la presente

invención,

la figura 3b es una vista transversal en perspectiva del micrófono óptico de la figura 3a,

la figura 3c es una foto de un ejemplo de un micrófono óptico de acuerdo con la presente invención,

las figuras 4a-b muestran diseños de rejilla normal e invertido, respectivamente,

la figura 4c muestra un ejemplo de un elemento deflector corrugado,

la figura 4d muestra una vista transversal de la guía de ondas de la figura 5e,

las figuras 5a-d muestran distintos diseños de rejilla ejemplares,

la figura 6 muestra una perspectiva de una guía de ondas de placas simple con una rejilla y un elemento deflector, las figuras 7a-b muestran la multiplexación de una pluralidad de sensores ópticos,

la figura 8a ilustra ejemplos de confinamiento espacial del modo fundamental y una propagación de modo de orden superior en una guía de ondas que incorpora una rejilla de Bragg,

la figura 8b muestra un ejemplo del espectro de reflexión de una guía de ondas de sensor óptico multimodal,

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la figura 9a muestra la sensibilidad del prototipo de micrófono óptico de la figura 3c, y

la figura 9b muestra la densidad espectral de potencia del prototipo de micrófono de la figura 3c,

las figuras 10a-b muestran rejillas apodizadas obtenidas mediante superficies de fondo curvo de la guía de ondas.

La figura 11 es una ilustración en perspectiva de un chip de guía de ondas donde el acoplamiento al núcleo se proporciona mediante guías de ondas de núcleo macizo guiadas por índice.

La figura 12 es una ilustración en perspectiva de un chip de guía de ondas donde el acoplamiento al núcleo se proporciona mediante una capa de guiado de luz maciza.

Las figuras 13a-b son ilustraciones en perspectiva de núcleos de guía de ondas con una rejilla de Bragg y un reborde macizo central que se extiende en la dirección de la propagación de la luz. El reborde está ubicado o bien en el mismo plano que la rejilla de Bragg o en el plano opuesto (la membrana) o en ambos.

Las figuras 14-16 son ilustraciones en primer plano ejemplares de diversas realizaciones de un núcleo de guía de ondas con una rejilla de Bragg y un reborde macizo.

La figura 17 muestra un posible conjunto de una realización del sensor de presión descrito en la presente que comprende un chip de guía de ondas para incorporarse en una carcasa donde la membrana exterior está incorporada en la tapa de la carcasa.

Las figuras 18a-d muestran ilustraciones en perspectiva ejemplares de un chip de guía de ondas para unirse a una superficie superior, por ejemplo, de una carcasa, que incorpora una membrana exterior.

Las figuras 19a-c muestran ilustraciones transversales de diversas realizaciones del sensor de presión descrito en la presente donde un chip de guía de ondas se une a la superficie interior superior de una carcasa y donde la membrana exterior se incorpora en la superficie superior.

Las figuras 20a-c son similares a las figuras 19 pero con una realización diferente de la membrana exterior y conexión entre las membranas interior y exterior.

Las figuras 21a-c son similares a las figuras 19 y 20, pero con una membrana exterior de grosor reducido y distintas opciones de cámara posterior produciendo de esta manera un sensor de presión adecuado para medir presión de sonido, por ejemplo, un micrófono.

La figura 22a es similar a la figura 20c, pero la altura de la conexión de cilindro entre la membrana interior y la membrana exterior es ligeramente reducida.

La figura 22b es similar a las figuras 19 y 20 pero con una realización de conexión entre las membranas interior y exterior diferente; en este caso la conexión se proporciona mediante un fluido incompresible.

La figura 22c es similar a la figura 22b donde la conexión entre las membranas exterior e interior se proporciona mediante un fluido incompresible, aunque, en comparación con la figura 22b, el volumen del fluido incompresible es mayor.

Descripción detallada de la invención

En la realización preferida de la invención el sensor de presión es completamente óptico, es decir, la luz es el único parámetro físico necesario para detectar presión, tal como cambios de presión, tal como sonido, por lo que no se necesitan cables eléctricos, campos magnéticos u otros medios de detección o de lectura de señales. La tecnología de los sistemas micro-electromecánicos (MEMS) se puede utilizar para fabricar la guía de ondas para el sensor de presión completamente óptico de la presente invención, proporcionando de este modo un sensor de presión óptico basado en MEMS. En la mayor parte de las guías de ondas ópticas la luz está confinada dentro de un núcleo con un índice de refracción más alto que el medio circundante, denominado revestimiento. Este método para confinar luz se denomina reflexión interna total. Si el núcleo tiene un índice de refracción inferior que el revestimiento, como por ejemplo en una guía de ondas de núcleo hueco, la guía de ondas se denomina guía de ondas «con fugas».

El principio de detección del sensor de presión de la presente invención está preferiblemente basado en detectar un cambio en el índice de refracción efectivo, en lugar de un cambio en el periodo de Bragg que se utiliza en sensores FBG convencionales para modular la longitud de onda de Bragg. La sensibilidad del mecanismo de detección básico puede definirse como el cambio en longitud de onda de Bragg debido al cambio en el índice efectivo. Teóricamente es posible mostrar que la sensibilidad solo depende de la longitud de onda de Bragg, la altura total del núcleo de la guía de ondas y el índice de refracción del material del núcleo.

Cuando está conectada, la membrana exterior y el elemento deflector interior trabajan juntos como una especie de transductor concebido para interconvertir fielmente movimiento mecánico y cambio en presión, por ejemplo, debido a sonido. La presión de aire variable de las ondas de presión imparte vibraciones en la membrana exterior que luego se transfieren al elemento deflector interior mediante la conexión entre ellos y por ende modulan la dimensión y/o geometría del núcleo de la guía de ondas. En consecuencia, el índice efectivo de la guía de ondas se modula mediante una presión oscilante que emana en la membrana exterior.

Consideremos dos regiones, una con un solo material de núcleo y otra con material de núcleo y de reflector de

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Bragg. En la región con solo material de núcleo, el índice efectivo se modula simplemente cambiando la geometría de núcleo de la guía de ondas. Un confinamiento espacial bajo (equivalente a un núcleo grande) de la luz aumentará el índice efectivo mientras que un confinamiento espacial alto (equivalente a un núcleo pequeño) disminuirá el índice efectivo. En las regiones con material de núcleo y de rejilla intervienen dos efectos; como antes, el índice cambiará en la parte del núcleo debido al confinamiento espacial más alto o más bajo, pero el índice efectivo de la región entera también dependerá de cuán grande es una fracción del modo de guía de ondas que se encuentra en la parte de rejilla de la región y cuán grande es una parte que se encuentra en la parte del núcleo. Si el modo de guía de ondas entero está en la parte del núcleo, la situación es equivalente al primer caso donde no hay material de rejilla. Pero si el modo se solapa con una parte creciente de la rejilla el índice efectivo de la región entera tenderá hacia el índice efectivo de la parte de rejilla. La modulación de índice efectivo puede darse a lo largo de uno o múltiples ejes.

El cambio en las dimensiones de núcleo de la guía de ondas está limitado por la flexibilidad del material de guía de ondas. Se obtiene alta flexibilidad utilizando un núcleo no macizo, por ejemplo, un núcleo relleno de líquido o un núcleo hueco. No obstante, la mayor flexibilidad posible probablemente se obtiene utilizando una guía de ondas de núcleo hueco, es decir, un núcleo que comprende sustancialmente al menos en parte un gas, tal como aire. Por ende, en una realización de la invención el núcleo es no macizo, preferiblemente el núcleo es hueco. En la técnica se conocen varios diseños de guías de ondas de núcleo hueco, que incluyen cristal fotónico, rejilla de Bragg distribuida y guías de ondas ópticas reflectantes antirresonantes (ARROW).

Una guía de ondas de núcleo hueco es fácil de expandir/comprimir puesto que la flexibilidad del núcleo es mucho mayor que si el núcleo está relleno de líquido o sólido. Una alta flexibilidad significa una alta sensibilidad a fuerzas de deformación física. Un núcleo macizo es más sencillo que un núcleo hueco típico en cuanto a fabricación y funcionamiento, puesto que puede utilizar reflexión interna total para confinar la luz. Normalmente esto no es posible con guías de ondas de núcleo hueco puesto que el índice de refracción de gases (por ejemplo, aire) es relativamente bajo. Las guías de ondas de núcleo líquido pueden tener mayor o menor flexibilidad que las guías de ondas de núcleo macizo y pueden utilizar reflexión interna total para confinar la luz. Las guías de ondas de núcleo líquido son beneficiosas si una sustancia, por ejemplo, partículas o ADN, se ha de transportar a lo largo del núcleo. Otros ejemplos de métodos para confinar luz en una guía de ondas que no sean reflexión interna total incluyen cristales fotónicos, guías de ondas ARROW, guías de ondas ranuradas, guías de ondas metálicas, guías de ondas de reflector de Bragg distribuido y guías de ondas plasmónicas.

En la realización preferida de la invención el reflector de Bragg distribuido está ubicado en el núcleo de la guía de ondas.

Un micrófono de núcleo hueco MEMS completamente óptico de la técnica anterior, es decir un ejemplo de un sensor de presión óptico de la técnica anterior, se ilustra en las figuras 2b-d con una vista transversal en perspectiva en la figura 2b, una vista desde arriba en la figura 2c y una vista transversal lateral en la figura 2d. Este micrófono de la técnica anterior está compuesto por una oblea inferior y otra superior unidas entre sí. En la oblea inferior se encuentra una guía de ondas ARROW rectangular que está conectada a un acoplamiento de ranura de fibra de entrada y salida en cada extremo. La luz está confinada al núcleo de la guía de ondas debido a la estructura de ARROW que la rodea. Sin embargo, para que el sensor ARROW funcione como un micrófono debería tener una cámara de aire, es decir, una cámara posterior, debajo de la membrana para compensar las pérdidas viscosas en el sistema y contribuir a la rigidez de membrana efectiva. Por lo tanto, se sitúa una cámara de aire a cada lado de la guía de ondas. En la oblea superior se graba una membrana y se sitúa una rejilla de Bragg en la parte central de esta membrana. Cuando la membrana se curva, las dimensiones del núcleo ARROW que está debajo cambian. Las obleas superiores comprenden los acoplamientos de fibra. La luz entra en el micrófono a través de una fibra óptica que está conectada a la guía de ondas a través de los acoplamientos. Otro diseño de guía de ondas de la técnica anterior que se puede utilizar en un micrófono se ilustra en la figura 2a donde la cámara posterior es parte del diseño de guía de ondas. Cuando la luz traspasa la membrana con la rejilla, parte de ella se reflejará, tal y como se puede observar en la parte superior de la figura 1b que ilustra el principio de detección. La luz entrante entra en la guía de ondas de izquierda a derecha y cuando traspasa la rejilla de Bragg parte de la luz se refleja desde la rejilla y se propaga de derecha a izquierda en la figura 1b. La membrana se curvará cuando se aplique una presión que cambie la altura de la guía de ondas de w1 a w2. Esta deflexión modifica la longitud de onda reflejada tal y como se puede observar en la parte inferior de la figura 1b. Analizando la señal reflejada es posible determinar la deflexión de la membrana y, por consiguiente, la presión. La figura 1c muestra cómo una señal puede cambiar cuando la luz reflejada cambia (línea punteada a línea continua). También se puede observar el cambio en longitud de onda reflejada.

La guía de ondas del presente sensor de presión óptico puede tener una geometría simple plana o de tiras distinguiendo de este modo, en gran medida, el sensor de presión óptico descrito en la presente de los sensores de

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presión ópticos de la técnica anterior con diseños de guías de ondas más complicados. Como ejemplos de diseños simples la guía de ondas de la presente invención puede tener únicamente una geometría plana o únicamente una geometría de tiras. Otras realizaciones del sensor de presión óptico de acuerdo con la presente invención pueden proporcionarse con guías de ondas con geometría de estría o de estrías múltiples.

Cuando se consideran los cambios en geometría y/o dimensiones del núcleo de la guía de ondas, los términos cambio en geometría y cambio en dimensiones incluyen un cambio de forma (por ejemplo, de circular a rectangular) y un escalamiento en la geometría (por ejemplo, incrementando el tamaño de una geometría rectangular a, por ejemplo, dos veces su tamaño inicial).

La guía de ondas de la presente invención puede ser, por ejemplo, una guía de ondas de placas, una guía de ondas de tiras (tal como una guía de ondas rectangular, una guía de ondas circular o semi-circular) o una guía de ondas de estría o de estrías múltiples. La sección transversal del núcleo puede ser rectangular, poligonal o circular, semicircular, elíptica, semi-elíptica o cualquier combinación de estas. De manera similar, el confinamiento del núcleo puede ser sustancialmente rectangular, poligonal o circular, semi-circular, elíptico, semi-elíptico o cualquier combinación de dichas formas.

La guía de ondas de placas es fácil de implementar, pero solo confinará luz en una dirección, por lo que la propagación y las pérdidas por acoplamiento (especialmente para la señal transmitida) podrían ser grandes. Las guías de ondas de tiras y de estrías confinan luz en dos direcciones y en ellas se producirán menos pérdidas por acoplamiento puesto que la luz puede guiarse a un punto específico de acoplamiento de entrada/salida. Esto puede resultar esencial en cuanto a capacidades de multiplexación, donde las pérdidas por acoplamiento deberían minimizarse. Puesto que una guía de ondas de estrías puede considerarse una combinación de una guía de ondas de placas y una guía de ondas rectangular, es posible conseguir una alta modulación de índice efectivo puesto que el modo se extrae de la parte de placas/rectangular de la guía de ondas hacia la parte rectangular/de placas de la guía de ondas. Esto se debe a la gran diferencia en confinamiento (uni o bi-dimensional) entre las dos situaciones. Por lo tanto, se obtiene una modulación de índice efectivo mayor en, por ejemplo, geometrías de guías de ondas de estrías que en geometrías de guías de ondas de placas simples. En una realización de la presente descripción el ancho máximo de la guía de ondas es, al menos, 10 veces la altura máxima de la guía de ondas, o al menos, 20 veces, o al menos 30 veces, o al menos 40 veces, o al menos 50 veces, o al menos 60 veces, o al menos 70 veces, o al menos 80 veces, o al menos 90 veces, o al menos 100 veces, o al menos 500 veces, o al menos 1.000 veces, o al menos 1.500 veces, o al menos 2.000 veces, o al menos 2.500 veces, o al menos 3.000 veces, o al menos 5.000 veces, o al menos 10.000 veces la altura máxima de la guía de ondas.

La guía de ondas puede fabricarse a partir de dos sustratos unidos, tales como sustratos de silicona o pírex o sílice o sílice fundida. Además, el núcleo de la guía de ondas puede formarse como un rebaje en un sustrato de silicona, tal como un sustrato de silicona o pírex o sílice o sílice fundida. Los sustratos pueden unirse mediante, por ejemplo, soldadura, por ejemplo, soldadura por rayo láser, encolado, ligazón por fusión, unión anódica o unión eutéctica para formar un chip de guía de ondas.

La guía de ondas, por ejemplo, en forma de chip de guía de ondas, puede fabricarse utilizando tecnología MEMS. Cuando se trata de propagación óptica, el material más simple de utilizar es la silicona. Sin embargo, (el chip de) la guía de ondas también puede fabricarse, al menos en parte, a partir de metales, polímeros, cerámica o cualquier combinación de estos, incluyendo también silicona.

Elemento deflector interior y membrana exterior

Las capacidades de detección del micrófono de la presente invención se relacionan con la configuración del elemento deflector interior y el elemento deflector exterior, es decir, la membrana exterior. La elección del material, así como también la geometría, grosor y dimensión de los elementos deflectores, influyen en la funcionalidad y características del sensor de presión, por ejemplo, se puede obtener mayor sensibilidad con materiales blandos, es decir, materiales con un módulo de Young bajo, por ende, mayor será la sensibilidad cuando el módulo de Young sea menor. Pero la mayor sensibilidad se obtendrá debido a una resonancia inferior, por ejemplo, cuando el sensor de presión sea un micrófono. Por lo tanto, existe un intercambio entre sensibilidad y resonancia cuando se diseñan los elementos deflectores.

Las dimensiones de las guías de ondas pueden modularse mediante el elemento deflector interior que o bien produce un cambio en la geometría del núcleo de la guía de ondas o modifica la distribución de material alrededor del núcleo. También puede inducirse directamente comprimiendo/expandiendo el núcleo. Uno o ambos elementos deflectores pueden formarse como un voladizo, viga, membrana, placa o una construcción deflectable similar. La

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forma de uno o ambos elementos deflectores puede ser circular, elíptica, poligonal o una combinación de dichas formas. Un diseño de voladizo puede constituir una ventaja para el sensor de presión óptico de la presente invención puesto que permite una ventilación efectiva de la guía de ondas. Por ejemplo, el elemento deflector interior forma un costado de la guía de ondas, pero solo está sujeto en un costado de la guía de ondas formando de este modo un voladizo, como un trampolín de piscina. Con forma de voladizo el elemento deflector interior se sujeta al resto de la guía de ondas y aun así se puede mover. La ventilación de la guía de ondas puede ayudar a evitar un amortiguamiento viscoso producido por el aire que se comprime en el núcleo de la guía de ondas cuando el elemento deflector interior de mueve hacia abajo. Esto resulta particularmente importante en aplicaciones de presión de sonido con variación de alta frecuencia de los elementos deflectores.

El elemento deflector interior puede estar separado de la membrana exterior, preferiblemente a una distancia predefinida. Además, el elemento deflector interior puede proporcionarse de un material distinto del material de la membrana exterior. Asimismo, la flexibilidad y/o rigidez del elemento deflector interior puede ser distinta de la flexibilidad y/o rigidez de la membrana exterior, por ejemplo, el módulo de Young de los dos puede ser diferente. Por ejemplo, si el grosor del elemento deflector interior es distinto del grosor de la membrana exterior. Por consiguiente, el grosor del elemento deflector interior puede ser inferior al grosor de la membrana exterior, tal como inferior al 90%, inferior al 80%, inferior al 70%, inferior al 60%, inferior al 50%, inferior al 40%, inferior al 30%, inferior al 20%, inferior al 10%, inferior al 5%, inferior al 3%, inferior al 2%, o inferior al 1% del grosor de la membrana exterior. Por ejemplo, para soportar presiones altas la membrana exterior puede proporcionarse como una placa rígida gruesa en comparación con el elemento deflector interior. Por ende, la membrana exterior puede ser más rígida que el elemento deflector interior, por ejemplo, rígido entendido como menos deflectable, por ejemplo, la membrana exterior tiene un módulo de Young superior.

Un elemento deflector formado como una placa delgada con un grosor uniforme, tal como una membrana, normalmente se curvará, teniendo el centro de la placa la mayor deflexión. Por lo tanto, en una realización adicional de la presente descripción el grosor de uno o ambos elementos deflectores no es constante. Por ejemplo, el grosor es variable en toda la longitud y/o ancho de uno o ambos elementos deflectores. Por ejemplo, uno o ambos elementos deflectores pueden comprender una o más corrugaciones, por ejemplo, para obtener una deflexión más uniforme en la ubicación de la rejilla.

Los elementos deflectores interior y/o exterior pueden proporcionarse, por ejemplo, de metal, preferiblemente un metal ligero tal como aluminio o titanio, o de una aleación de metales, o de plástico, o de cerámica o de materiales blandos como el caucho. Por ende, el material de elemento deflector puede seleccionarse del grupo de: fibra de celulosa, polipropileno (PP), policarbonato (PC), Mylar (PET), seda, fibra de vidrio, fibra de carbono, titanio, aluminio, aleación aluminio-magnesio, níquel y berilio. El uno o más elementos deflectores se pueden proporcionar como una lámina, por ejemplo, una lámina metálica.

Se puede proporcionar una cubierta protectora, tal como algún tipo de red, para proteger la membrana exterior dejando que las ondas de presión penetren la cubierta protectora. La cámara posterior se puede proporcionar o formar en una envoltura o carcasa, preferiblemente de un material rígido y ligero, por ejemplo, un metal tal como aluminio o titanio, o una aleación de metales, o un polímero.

Reflector de Bragg distribuido

En la realización preferida de la presente descripción el al menos un reflector de Bragg distribuido es una rejilla. La altura del reflector de Bragg afecta la sensibilidad del sensor de presión óptico. Esto se relaciona con la modulación de índice efectivo que es en parte debido a cambios en el solapamiento modo/rejilla. Si la altura de rejilla es igual a o mayor que la altura de núcleo, no habrá cambio en el solapamiento de modo/rejilla en el núcleo puesto que las dimensiones de núcleo son moduladas (el modo siempre se solapa con la rejilla por completo). Por consiguiente, la modulación de índice efectivo debido a cambio en solapamiento de modo es insignificante. Si la altura de rejilla es menor que la altura total de núcleo, la modulación de índice efectivo debido a modulación de dimensión de núcleo ya no es insignificante.

Una altura de rejilla determinada afectará los distintos modos de guía de ondas de manera diferente. Esto se debe a las distintas distribuciones espaciales de los modos de guía de ondas. Por ende, en una realización de la presente descripción la altura máxima del reflector de Bragg distribuido es inferior al 50% de la altura máxima del núcleo de la guía de ondas, o inferior al 40%, o inferior al 30%, o inferior al 25%, o inferior al 20%, o inferior al 15%, o inferior al 10%, o inferior al 5% de la altura máxima del núcleo de la guía de ondas.

Si se aumenta el confinamiento espacial en la guía de ondas (por ejemplo, debido a dimensiones de guía de ondas

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más reducidas), el índice efectivo de una región de solo núcleo disminuirá. Sin embargo, en regiones con material de núcleo y material de rejilla (donde el solapamiento modo/rejilla ha de tenerse en cuenta), el índice efectivo podría aumentar si el índice de refracción de la rejilla es mayor que el índice de refracción del núcleo. Esto sucederá cuando la disminución de índice efectivo en la región de núcleo sea menor que el aumento de índice efectivo debido a un mayor solapamiento entre el modo y la rejilla de índice de refracción elevado. Por lo tanto, al determinar la altura de rejilla óptima, deberían tenerse en cuenta los modos reales utilizados para detección. Puesto que las rejillas muy altas harán que el ancho de banda del pico de reflexión aumente, y al mismo tiempo limitarán el movimiento del elemento deflector, las alturas de rejilla normales son aproximadamente inferiores al 25% de la altura total de núcleo de la guía de ondas.

En una realización de la presente descripción el al menos un reflector de Bragg distribuido está formado como una pluralidad de estructuras en una superficie de la guía de ondas. Estas estructuras pueden ser protrusiones o rebajes o una combinación de ambos. La forma, altura y periodo del reflector de Bragg distribuido podría no ser constante a lo largo de la rejilla. Variar la altura y forma de elementos de rejilla individuales así como el periodo puede utilizarse para crear espectros de reflexión específicos. Para modulaciones de índice bajo, se sabe que el espectro de reflexión está relacionado con la distribución espacial del índice de refracción de rejilla mediante una transformada de Fourier (y la transformada de Fourier inversa). Por ende, en una realización de la presente descripción la altura y/o ancho de dichas estructuras varían de forma periódica. Además, la distancia entre dichas estructuras puede variar de forma periódica. Asimismo, las estructuras pueden ser rectas o curvas, tales como con curva sinusoidal, curva en forma de arco o curva en forma de parábola. Un diseño podría utilizar un reflector de Bragg apodizado para, por ejemplo, suprimir lóbulos laterales. Otra posibilidad es utilizar un reflector de Bragg con modulación de frecuencia.

La apodización también se puede obtener disponiendo el reflector de Bragg distribuido en una superficie no plana. Por ejemplo, la superficie inferior del núcleo de la guía de ondas puede ser convexa, es decir, curvada hacia afuera (figura 10a), o cóncava, es decir, curvada hacia adentro (figura 10b). Por ende, las protrusiones de una rejilla de Bragg pueden tener la misma altura, pero cuando están distribuidas en una superficie curva el resultado es una rejilla de Bragg con una altura variable a lo largo del núcleo de la guía de ondas, es decir, en la dirección de propagación de la luz, en la cual el índice de refracción es variable a lo largo del núcleo de la guía de ondas. Se muestran ejemplos en la figura 10.

En una realización de la presente descripción el sensor de presión comprende dos o más reflectores de Bragg distribuidos. Estos reflectores de Bragg distribuidos pueden ser idénticos o diferentes. Un sensor de presión óptico que comprende dos reflectores de Bragg distribuidos puede utilizarse para detectar distintos «eventos» puesto que, por lo general, las reflexiones de cada reflector de Bragg serán distinguibles.

Existen numerosas posibilidades para situar uno o varios reflectores de Bragg en la guía de ondas. Un reflector de Bragg distribuido puede, por ejemplo, estar situado en el elemento deflector interior. Otra posibilidad es que un reflector de Bragg distribuido se sitúe en una superficie de la guía de ondas frente al elemento deflector interior.

Conexión entre el elemento deflector interior y la membrana exterior

La conexión entre el elemento deflector interior y la membrana exterior es importante para la funcionalidad del sensor de presión óptico de la presente invención. La conexión se puede proporcionar mediante al menos una varilla de conexión, tal como más de una varilla de conexión. La varilla puede ser rígida de modo que las ondas de presión que van a actuar de forma inminente sobre la membrana exterior sean «directamente» transmitidas al elemento deflector interior. Por lo tanto, es preferible que la varilla de conexión tenga un peso ligero, y es preferible que la varilla de conexión sea de un material ligero y rígido, tal como metal, tal como aluminio o titanio, o un polímero, tal como plástico, o un material compuesto de carbono. La varilla de conexión puede ser hueca, tal como un tubo hueco, para reducir el peso de la varilla. Si el objetivo es reducir el peso de la varilla, la longitud de la varilla debería ser, preferiblemente, tan reducida como sea posible en la práctica, por ejemplo, para el diseño determinado del micrófono óptico, puesto que de esta forma se ayudaría a reducir el peso de la varilla. Sin embargo, una varilla más larga también puede resultar ventajosa porque una varilla más larga puede estar diseñada para doblarse a alta presión, por ejemplo, para proteger la guía de ondas de cualquier daño. Para distribuir la transferencia de fuerza entre la varilla de conexión y los elementos deflectores, la interfaz entre la varilla de conexión y el elemento deflector interior y/o la membrana exterior puede ser mayor que la superficie transversal de la varilla, es decir, la varilla puede proporcionarse con una base en uno o ambos extremos. En algunos casos puede ser ventajoso que la varilla de conexión sea flexible y/o deformable. En estos casos la varilla de conexión puede tener la función de un filtro de frecuencia, por ejemplo, un filtro de paso bajo, un filtro de paso alto o un filtro de paso de banda. Esto se puede proporcionar si la varilla de conexión es flexible, elástica, por ejemplo, en forma de elasticidad no lineal, y/o

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viscoelástica. La varilla de conexión está normalmente sujeta a uno o ambos elementos deflectores, por ejemplo, mediante encolado o soldadura. La varilla de conexión también puede estar sujeta a uno o ambos elementos deflectores a través de un orificio o abertura en dicha membrana.

Reborde macizo en el núcleo

En una realización adicional del sensor de presión descrito en la presente invención, el núcleo de la guía de ondas comprende al menos un reborde macizo que se extiende en la dirección de propagación de la luz. El reborde o varios rebordes preferiblemente se proporcionan de un material de guiado ligero. El reborde o varios rebordes se pueden proporcionar para reducir la pérdida en la guía de ondas y/o aumentar la sensibilidad del sensor de presión. Esto puede proporcionarse porque el sensor de presión óptico y/o uno o varios rebordes macizos pueden configurarse de modo que la luz que se propaga en el núcleo de la guía de ondas esté confinada dentro y alrededor de dicho uno o varios rebordes macizos. Si el reborde macizo se proporciona de un material de guiado ligero, la luz que se propaga en el núcleo tenderá a estar dentro y alrededor del reborde, es decir, la luz se solapará con el reborde, por ejemplo, se generará un campo evanescente alrededor del reborde. Se muestran ejemplos de rebordes macizos en las figuras 13-16.

En una realización adicional el uno o varios rebordes macizos están situados en la parte central del núcleo de la guía de ondas, como se ilustra, por ejemplo, en las figuras 13-16. Un reborde central puede ayudar a confinar la luz en una parte central del núcleo de la guía de ondas. Como también se ilustra en las figuras 13-16, el uno o varios rebordes macizos pueden proporcionarse como uno o varios rebordes macizos rectos. Por ejemplo, tal y como se ilustra en las figuras 13a y 16 que muestran dos rebordes macizos rectos, donde un reborde macizo está contiguo a uno o varios deflectores de Bragg distribuidos a cada lado de dicho uno o varios deflectores de Bragg distribuidos.

El uno o varios rebordes macizos se pueden extender a lo largo del núcleo por encima del uno o varios deflectores de Bragg distribuidos, por ejemplo, como se ilustra en la figura 13b. El uno o varios rebordes macizos se pueden extender, de forma alternativa, a lo largo del núcleo a través del uno o varios deflectores de Bragg distribuidos, por ejemplo, como se ilustra en las figuras 14b, 15a y 15b. La altura del uno o varios rebordes macizos puede ser inferior o igual a la altura del uno o varios deflectores de Bragg distribuidos, por ejemplo, como se ilustra en las figuras 13a, 14a, 14b y 15a. Como alternativa, la altura del uno o varios rebordes macizos puede ser mayor que la altura del uno o varios deflectores de Bragg distribuidos, por ejemplo, como se ilustra en las figuras 15b y 16.

Tal y como se ilustra en las figuras 11-13, el ancho del uno o varios rebordes macizos puede ser inferior o igual al ancho del uno o varios deflectores de Bragg distribuidos. Como alternativa, el ancho del uno o varios rebordes macizos puede ser mayor que el ancho del uno o varios deflectores de Bragg distribuidos.

En una realización adicional la altura máxima del uno o varios rebordes macizos es inferior al 50% de la altura máxima del núcleo de la guía de ondas, o inferior al 40%, o inferior al 30%, o inferior al 25%, o inferior al 20%, o inferior al 15%, o inferior al 10%, o inferior al 5% de la altura máxima del núcleo de la guía de ondas.

En una realización adicional el ancho máximo del uno o varios rebordes macizos es inferior al 50% del ancho máximo del núcleo de la guía de ondas, o inferior al 40%, o inferior al 30%, o inferior al 25%, o inferior al 20%, o inferior al 15%, o inferior al 10%, o inferior al 5%, o inferior al 3%, o inferior al 2%, o inferior al 1% del ancho máximo del núcleo de la guía de ondas.

En una realización adicional la altura máxima del uno o varios rebordes macizos es inferior al 90% de la altura máxima del reflector de Bragg distribuido, o inferior al 80%, o inferior al 70%, o inferior al 60%, o inferior al 50%, o inferior al 40%, o inferior al 40%, o inferior al 30%, o inferior al 25%, o inferior al 20%, o inferior al 15%, o inferior al 10%, o inferior al 5% de la altura máxima del reflector de Bragg distribuido.

En una realización adicional la altura máxima del uno o varios rebordes macizos es al menos 105% de la altura máxima del reflector de Bragg distribuido, o mayor al 110%, o mayor al 120%, o mayor al 130%, o mayor al 140%, o mayor al 150%, o mayor al 200%, o mayor al 250%, o mayor al 300%, o mayor al 400%, o mayor al 500% de la altura máxima del reflector de Bragg distribuido.

En una realización adicional el ancho máximo del uno o varios rebordes macizos es inferior al 90% del ancho máximo del reflector de Bragg distribuido, o inferior al 80%, o inferior al 70%, o inferior al 60%, o inferior al 50%, o inferior al 40%, o inferior al 40%, o inferior al 30%, o inferior al 25%, o inferior al 20%, o inferior al 15%, o inferior al 10%, o inferior al 5% del ancho máximo del reflector de Bragg distribuido.

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Carcasa

El sensor de presión se puede proporcionar en una carcasa, por ejemplo, para proteger la guía de ondas. El sensor de presión óptico descrito en la presente invención puede estar diseñado y utilizarse para medir presiones de varios miles de bares (por ejemplo, en pozos petrolíferos) y se puede utilizar para detectar presión de sonido, que puede corresponder a 10-3 bares o incluso 10-6 bares. En cuanto a frecuencia, se puede adaptar para presión casi constante, es decir, variación de presión a bajas frecuencias, hasta frecuencias de variación de presión en intervalos de kHz o MHz. La adaptación del sensor de presión a las distintas aplicaciones está, en cierta medida, determinada por las propiedades y dimensión de la guía de ondas. No obstante, la amplia variedad de aplicaciones del sensor descrito en la presente invención se debe principalmente al tipo de carcasa que se utiliza para el sensor de presión. La guía de ondas puede estar configurada para proporcionar variaciones de la membrana interior en el orden de nanómetros, tal vez hasta micrómetros. Por ende, la carcasa y la membrana exterior pueden estar configuradas para proporcionar estas variaciones / tolerancias específicas de la membrana interior, mediante la selección de materiales y grosor de la carcasa, la membrana exterior y la conexión entre las membranas interior y exterior. Es decir, para un sensor de presión configurado para medir y soportar presiones elevadas de decenas, centenas y miles de bares, la carcasa se puede proporcionar en un diseño resistente, por ejemplo, en acero inoxidable (o similar) con un grosor de superficie exterior de varios mm, por ejemplo, 4-6 mm, y un grosor de la membrana exterior (de acero inoxidable) del orden de 0,4-1 mm. Mientras que para un micrófono (como se muestra en el ejemplo 1), la membrana exterior puede ser una lámina metálica delgada de modo que se pueden detectar diferencias de presión de sonido pequeñas.

Las figuras 17-21 ilustran distintas realizaciones de soluciones de carcasa para el sensor de presión descrito en la presente invención. Por consiguiente, el sensor de presión descrito en la presente invención puede comprender una carcasa en la que se incorpora la guía de ondas. La carcasa puede tener una superficie que incorpora la membrana exterior. La carcasa puede proporcionarse en un material rígido y ligero, por ejemplo, un metal tal como aluminio o titanio, o una aleación de metales, acero inoxidable, un material cerámico, óxido de aluminio, o un polímero.

En una realización la membrana exterior y/o la conexión entre la membrana exterior y la membrana interior se incorpora en una superficie de la carcasa. La membrana exterior puede ser parte de una superficie de la carcasa, por ejemplo, la membrana exterior y/o la conexión entre la membrana exterior y la membrana interior se pueden proporcionar como uno o más rebajes en una superficie de la carcasa. La guía de ondas está preferiblemente sujeta a una superficie de la carcasa que incorpora la membrana exterior. La guía de ondas se puede sujetar a una superficie interior de la carcasa y donde al menos una parte de dicha superficie interior está pulida.

Se ilustran distintas soluciones de carcasa en las figuras 17-21. En la figura 17 se ilustra una envoltura sencilla con una superficie superior (tapa) que incorpora la membrana exterior formada como un rebaje circular en la superficie. La guía de ondas está sujeta a la superficie interior de la tapa de modo que la membrana interior de la guía de ondas esté contigua a la superficie interior superior de la tapa como se ilustra en las figuras 18a y 18b. En la figura 18a la superficie exterior de la tapa es visible y muestra el rebaje circular. La superficie interior de la tapa se muestra en la figura 18b donde la superficie interior / inferior de la membrana exterior circular está marcada, la forma de la membrana exterior puede estar adaptada a la forma circular de la membrana interior del chip de guía de ondas.

Otra solución se ilustra en la figura 18c que muestra un chip de guía de ondas y la superficie interior de una tapa donde los alrededores de la guía de ondas se marcan como un rectángulo y donde la membrana exterior está formada como un rebaje de la superficie interior de la tapa, de este modo, posiblemente proporcionando un plano y una superficie exterior suave de la carcasa. Por lo tanto, la membrana exterior es parte de la superficie exterior de la tapa y la conexión entre la membrana interior del chip de guía de ondas y la membrana exterior se proporciona mediante una varilla / cilindro de conexión que se forma directamente como parte del rebaje en la superficie / tapa de la carcasa. La figura 18d corresponde a la figura 18c; sin embargo, la superficie interior de la superficie / tapa de la carcasa está pulida con el fin de proporcionar una superficie completamente plana para conectar con el chip de guía de ondas.

La figura 19a muestra una sección transversal de una carcasa donde un chip de guía de ondas está por sujetarse a la superficie superior interior de la carcasa. La membrana exterior está formada como un rebaje en la superficie de la carcasa y el chip de guía de ondas está montado directamente debajo de la membrana exterior de modo que las membranas interior y exterior sean contiguas entre sí. En la figura 19c se ilustra una «presión» ejercida sobre la membrana exterior proporcionando una deflexión que se suministra a la membrana interior y que se puede detectar como un cambio en la señal óptica reflejada mediante la guía óptica que conecta el chip de guía de ondas hacia afuera y hacia la izquierda de la carcasa.

En la figura 20 se ilustra una solución correspondiente donde la membrana exterior está formada como un rebaje de

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la superficie interior de la carcasa, de modo que la superficie exterior de la carcasa sea plana. La conexión entre las membranas interior y exterior se proporciona mediante una varilla / cilindro de conexión que se forma como parte del rebaje. La figura 20c ilustra que el chip de guía de ondas puede estar sujeto a la superficie de la carcasa mediante un adhesivo. El resto de la carcasa (es decir, el espacio «vacío») es simplemente para proteger la guía de ondas / chip y se puede hacer más pequeño, por ejemplo, reduciendo el volumen vacío. La varilla / pilar / cilindro de conexión puede tener una altura reducida como se ilustra en la figura 22a, donde hay un hueco entre la varilla de conexión y el elemento deflector interior de la guía de ondas. Es decir, durante una condición estacionaria en baja presión y variaciones de baja presión no se produce detección en la guía de ondas. Por lo tanto, reducir la altura de la varilla de conexión permite que sea posible apuntar a un intervalo dinámico deseable para el sensor. Reducir la altura de la varilla / pilar de conexión cambiará el límite inferior del intervalo del sensor a presiones más altas, es decir, un límite más alto, puesto que la guía de ondas que contiene la membrana interior ya no detectará deflexiones pequeñas de la membrana exterior Únicamente se producirá una detección de presión por parte del chip de guía de ondas cuando la varilla / pilar en la membrana exterior toque la membrana interior y la curve, es decir a y por encima de determinada presión predefinida aplicada a la membrana exterior. Esto puede resultar ventajoso cuando el sensor de presión se utiliza a una presión elevada constante y, por lo tanto, solo se pueden detectar variaciones en esta presión elevada.

La figura 21 corresponde a las figuras 19 y 20, pero con configuraciones para presiones mucho más bajas. El chip de guía de ondas es el mismo en las figuras 19-21, pero el grosor de la membrana exterior es mucho menor en la figura 21. Asimismo, el grosor de la varilla de conexión es menor en la figura 21. En la figura 21a el grosor de la superficie de la carcasa superior también es menor que lo que se observa en las figuras 19 y 20. El grosor reducido de la membrana exterior hace que la membrana exterior sea menos rígida, es decir, que se curve más fácilmente con una presión específica, y de este modo es más sensible a la presión. En la figura 21 también se proporciona una cámara posterior, haciendo de este modo que el sensor de presión de la figura 21 sea apropiado como micrófono. La cámara posterior se proporciona como el volumen entre las membranas exterior e interior, es decir, la cámara posterior se sitúa y/o incorpora en una pared de la carcasa. En la figura 21c se ilustra que el volumen de la cámara posterior se puede incrementar mediante depresiones adicionales en la pared de la carcasa. También se proporciona un canal de conexión desde el volumen debajo de la membrana exterior hasta el volumen mayor de la carcasa, de modo que este volumen mayor pueda funcionar como parte de la cámara posterior.

En una realización adicional del sensor de presión descrito en la presente, la conexión entre la membrana exterior y el elemento deflector interior se proporciona por medio de un fluido, tal como un fluido incompresible, tal como un líquido incompresible, tal como aceite. El líquido es preferiblemente incompresible y, adaptado de este modo, transfiere la presión de la membrana exterior a la membrana interior. La membrana exterior y el elemento deflector interior pueden estar separados y esta separación posiblemente forma un volumen, preferiblemente un volumen cerrado. Este volumen puede llenarse con un fluido incompresible, tal como líquido incompresible, tal como aceite. Por lo tanto, el sensor de presión puede configurarse de modo que una variación de presión ejercida en la membrana exterior se transfiera al elemento deflector interior a través de un fluido o líquido incompresible, tal como aceite, separando la membrana exterior y el elemento deflector interior. Es preferible que este líquido sea inerte. La carcasa puede estar rellena, por ejemplo, de un fluido incompresible, y este fluido incompresible está configurado para transferir movimiento de la membrana exterior al elemento deflector interior. Se ilustran ejemplos en las figuras 22b y 22c. En la figura 22b el volumen formado en la pared de la carcasa entre las membranas exterior e interior se rellena con un líquido incompresible que transfiere la variación de presión proporcionada a la membrana exterior al chip de guía de ondas montado dentro de la carcasa. En la figura 22c el chip de guía de ondas está montado en el fondo de la carcasa y el volumen entero de la carcasa se rellena con un líquido incompresible. Por ende, la membrana exterior puede estar constituida por la superficie superior entera de la carcasa, por lo que es posible que aumente el área de la membrana exterior. En consecuencia, la sensibilidad del sensor de presión puede depender de la viscosidad del líquido.

Cámara posterior

Como se indicó anteriormente los micrófonos normalmente están compuestos por una membrana y una cámara posterior que está aislada acústicamente del entorno para evitar cortocircuitos acústicos. A medida que varía el volumen de la cámara posterior con la deflexión de la membrana, también varía la presión en la cámara posterior. Por consiguiente, la flexibilidad resultante de la cámara posterior afecta la sensibilidad del sensor de presión. Por ejemplo, el amortiguamiento viscoso producido por el aire que se comprime en la cámara posterior cuando la membrana exterior se mueve hacia abajo puede tener un efecto sobre la respuesta del sensor de presión. En algunos casos este efecto puede ser negativo; no obstante, en otros casos el efecto del amortiguamiento viscoso puede ser positivo si el objetivo es aumentar la banda de frecuencia puesto que el amortiguamiento viscoso puede ayudar a reducir la resonancia del sensor de presión.

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Acoplamiento

En una realización de la presente descripción el sensor de presión además comprende un elemento de acoplamiento para acoplar luz dentro y/o fuera de la guía de ondas. La optimización del acoplamiento es importante para minimizar la pérdida por acoplamiento. La pérdida de potencia en el acoplamiento de luz en la guía de ondas puede reducirse mejorando el solapamiento de modos entre un modo de fibra y los modos de guía de ondas. Con una guía de ondas multimodal el acoplamiento entre una fuente luminosa externa y la guía de ondas puede ser incluso más importante. Por ejemplo, la amplitud de picos de reflexión de Bragg de modo de orden superior se puede incrementar ajustando el ángulo entre una entrada de luz en forma de fibra óptica y la guía de ondas y el posicionamiento de la fibra respecto de la guía de ondas. Esto puede ser ventajoso puesto que hace más fácil medir la señal para modos de orden superior. Con un ángulo cero (es decir, la fibra es paralela a la guía de ondas) el modo fundamental por lo general tendrá la mayor amplitud. Cuando el ángulo deje de ser cero, la amplitud del modo de segundo orden aumentará, mientras que la amplitud del modo de primer orden disminuirá. Con ángulo todavía mayores la amplitud de modos de orden incluso superior aumentará y a expensas de la amplitud de modos de orden inferior. De forma similar, el posicionamiento de la fibra óptica respecto de la guía de ondas modificará la amplitud de los picos individuales, así como también la cantidad de picos. Si la fibra óptica está alineada con el centro de la guía de ondas, el modo fundamental tendrá normalmente la mayor amplitud. En posiciones fuera de eje las amplitudes de modo de orden superior aumentarán. Por consiguiente, en una realización de la presente descripción el elemento de acoplamiento está adaptado de modo que la luz se acople dentro de la guía de ondas sobre el eje/simétricamente respecto del núcleo. En una realización adicional el elemento de acoplamiento está adaptado de modo que la luz se acople dentro de la guía de ondas fuera del eje / asimétricamente respecto del núcleo. Además, el elemento de acoplamiento puede estar adaptado de modo que la luz se acople dentro de la guía de ondas a un ángulo que no sea cero respecto del núcleo.

Normalmente la dimensión de la guía de ondas se modula en la ubicación de la rejilla de Bragg. Por consiguiente, un acoplamiento de entrada directa a esta región produciría variaciones en la pérdida por acoplamiento. En consecuencia, una sección de guía de ondas de entrada directa con dimensiones no variables podría estar posicionada delante de la ubicación de detección real. Asimismo, se podría utilizar una sección cónica o estructura de acoplamiento similar entre la guía de ondas y la fibra óptica para aumentar el solapamiento de modos y reducir la pérdida por acoplamiento.

Se puede proporcionar una estructura de acoplamiento con una o más estructuras de núcleo macizo como parte de un chip de guía de ondas. Por ejemplo, la guía de ondas de núcleo hueco está integrada en un chip y una o más estructuras de núcleo macizo proporcionan la conexión óptica hacia adentro y/o hacia afuera de la guía de ondas de núcleo hueco. Esta estructura de núcleo macizo puede ser cónica, de modo que la dimensión en un extremo se adapte a una fibra óptica y en el otro extremo se adapte al núcleo hueco. Además, la transmisión óptica en la estructura de núcleo macizo puede ser guiada mediante índice o por medio de un cristal fotónico o similar. Se ilustran ejemplos en las figuras 10a, 10b, 11 y 12. En las figuras 10a y 10b se proporcionan guías de ondas de núcleo macizo a cada lado de la guía de ondas de núcleo hueco (aire). El elemento deflector interior en forma de membrana está sujeto a las estructuras de núcleo macizo.

El chip de sensor de guía de ondas de la figura 11 comprende una guía de ondas de núcleo hueco con un elemento deflector circular en forma de membrana y una rejilla de Bragg en el núcleo hueco debajo de la membrana. La luz se acopla dentro y fuera de la guía de ondas de núcleo hueco mediante dos estructuras de núcleo macizo en forma de dos guías de ondas guiadas por índice a cada lado del núcleo hueco. Por consiguiente, las guías de ondas de núcleo macizo están adaptadas para funcionar como elementos de acoplamiento para acoplar luz dentro y/o fuera del núcleo no macizo de la guía de ondas de núcleo no macizo. Las guías de ondas guiadas por índice tienen forma de embudo en cada extremo para proporcionar un afinamiento progresivo hacia el acoplamiento de salida a, por ejemplo, una fibra óptica pero también un afinamiento progresivo hacia el núcleo hueco. La luz está confinada verticalmente en estas guías de ondas de núcleo macizo guiadas por índice al tener una capa horizontal de guiado de luz en el chip rodeada de capas de revestimiento, teniendo la capa de guiado de luz un índice de refracción mayor que las capas de revestimiento, y horizontalmente al tener cuatro depresiones / orificios en el chip como se observa en la figura 11, donde el índice de refracción inferior del aire en las depresiones / orificios proporcionan confinamiento de la luz en los núcleos de las guías de ondas de núcleo macizo guiadas por índice. La forma de estas depresiones / orificios forma las secciones cónicas de las secciones de guía de ondas de núcleo macizo guiadas por índice. El chip de sensor ilustrado en la figura 11 puede proporcionar un acoplamiento con pérdida baja a las fibras ópticas a cada lado del chip puesto que el núcleo macizo de la fibra óptica puede acoplarse a las estructuras de núcleo macizo en los extremos del chip de sensor. Los términos «verticalmente» y «horizontalmente» han de ser interpretados con referencia a los dibujos, puesto que, en funcionamiento, el sensor de presión descrito

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en la presente invención no tiene que estar orientado en determinada posición para funcionar.

El principio general ilustrado en la figura 11 puede simplificarse como se ilustra en la figura 12 que muestra un chip de sensor de guía de ondas que comprende una guía de ondas de núcleo hueco con un elemento deflector circular en forma de membrana y una rejilla de Bragg en el núcleo hueco debajo de la membrana. Lo que tiene en común con el principio ilustrado en la figura 11 es que una estructura de núcleo macizo rodea el núcleo no macizo y estas estructuras de núcleo macizo funcionan como elemento de acoplamiento para acoplar luz dentro y fuera de la guía de ondas de núcleo no macizo. Pero en el principio de la figura 12 se omiten las capas de revestimiento para confinar la luz en la dirección vertical y las depresiones para confinar la luz en la dirección horizontal. Puede ser difícil para una única capa concebida para contener la luz proporcionar un acoplamiento efectivo de la luz dentro y fuera del núcleo, estando esta capa rodeada (por ejemplo, intercalada verticalmente como se observa en la figura 12) por capas de confinamiento de luz, por ejemplo, en forma de capas ARROW.

Longitudes de onda

El sensor de presión óptico de la presente invención puede estar adaptado para propagar luz con una longitud de onda en torno al espectro de telecomunicaciones de 1.550 nm, por ejemplo, de 1.500 a 1.620 nm, haciendo posible, de este modo, utilizar componentes ópticos de telecomunicaciones estándar de pérdida y coste bajos. Para aprovechar los sistemas de control de interrogación de bajo coste, en una realización adicional, el micrófono óptico puede estar adaptado para propagar luz con una longitud de onda de aproximadamente 850 nm.

Sistema de sensores de presión

Un aspecto adicional de la invención está dirigido a un sistema de sensores de presión que incorpora uno o más de los sensores de presión ópticos descritos en la presente y que además comprende al menos una fuente luminosa, tal como una fuente luminosa de banda ancha, al menos una guía de ondas óptica de transmisión para guiar luz desde dicha al menos una fuente luminosa dentro (del núcleo) del sensor de presión óptico, un detector para medir la luz reflejada del reflector de Bragg, y un procesador de datos adaptado para analizar variaciones en una o más longitudes de onda de Bragg de la luz reflejada. Dicha al menos una guía de ondas óptica de transmisión normalmente también funciona como el trayecto óptico para la señal reflejada desde la guía de ondas y hacia el detector. Por consiguiente, la presente descripción también se relaciona con sistemas de micrófonos que incorporan uno o más de los micrófonos ópticos descritos en la presente.

En una realización adicional el sistema de sensores de presión además comprende uno o más elementos de acoplamiento para acoplar la luz de dicha al menos una guía de ondas óptica de transmisión dentro de la guía de ondas del micrófono óptico. El procesador de datos puede estar adaptado para modular la frecuencia de la señal reflejada. La fuente luminosa puede ser una fuente luminosa de banda ancha y/o una fuente luminosa multimodal y/o una fuente luminosa unimodal.

El sistema de sensores de presión de acuerdo con la invención puede comprender una pluralidad de sensores de presión ópticos multiplexados, y de este modo posiblemente se forme un sistema de sensores de presión distribuidos. Estos sensores de presión ópticos pueden multiplexarse con una configuración o bien en serie, o paralela, o en serie/paralela. La conexión entre cada sensor de presión puede ser o bien mediante fibra óptica o guías de ondas en chips. Se puede utilizar la multiplexación por tiempo de la señal reflejada y de este modo se evita la necesidad de una única reflexión desde cada sensor de presión.

Por tanto, el sistema de micrófonos de acuerdo con la presente descripción puede comprender una pluralidad de micrófonos ópticos multiplexados, y de este modo posiblemente se forme un sistema de micrófonos distribuidos. Estos micrófonos ópticos pueden multiplexarse con una configuración o bien en serie, o paralela, o en serie/paralela. La conexión entre cada micrófono puede ser o bien mediante fibra óptica o guías de ondas en chips. Se puede utilizar la multiplexación por tiempo de la señal reflejada y de este modo se evita la necesidad de una única reflexión desde cada micrófono.

En una realización de la presente descripción dicha al menos una guía de ondas óptica de transmisión es una fibra óptica. Puede resultar ventajoso poder controlar la polarización de la luz; en una realización adicional de la presente descripción la al menos una guía de ondas óptica de transmisión es una fibra óptica que mantiene la polarización, tal como una fibra PM de tipo Panda. La señal reflejada normalmente se propagará de vuelta a través de la misma fibra óptica que está llevando la fuente luminosa. Por ende, se puede proporcionar un circulador para acoplar la luz reflejada dentro del detector.

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Como se indicó anteriormente, dicha una o más guías de ondas ópticas de sensor pueden ser guías de ondas multimodales apropiadas para guiar una pluralidad de modos de luz, incluyendo el modo fundamental. En consecuencia, el procesador de datos puede estar adaptado para analizar variaciones en la longitud de onda de Bragg de una pluralidad de modos de la luz reflejada, incluyendo el modo fundamental.

El sensor de presión descrito en la presente invención se puede utilizar para controlar las características de fluido, por ejemplo, de un flujo de fluido. A modo de ejemplo, esto se puede proporcionar controlando la respuesta acústica de un fluido que fluye en, por ejemplo, una tubería, por ejemplo, montando el sensor de presión en la parte exterior de la tubería. Por ende, la presencia y/o contenido de objetos extraños como arena, óxido, suciedad, etc. en fluidos como aceite, agua, etc. puede controlarse analizando variaciones en la respuesta acústica del flujo de fluido.

También se podrían realizar estudios sísmicos con el sensor de presión óptico descrito en la presente, tanto sobre tierra como debajo del agua. El sensor puede configurarse para ser receptor de ondas acústicas (sísmicas) que después de emitirse desde un emisor se han reflejado desde las distintas capas en la tierra o lecho marino.

Descripción detallada de los dibujos

La figura 1a ilustra el principio de una FBG con luz de banda ancha propagándose a través del núcleo de la fibra, de izquierda a derecha. Un reflector de Bragg distribuido en forma de una rejilla con un periodo constante A se hace cambiando periódicamente el índice de refracción de un núcleo de guía de ondas, en este caso el núcleo de la fibra. En la figura 1b el principio se ilustra en una guía de ondas de núcleo hueco. La variación en índice de refracción actúa como un espejo que es selectivo para una longitud de onda específica. Con cada cambio de índice de refracción se producirá una reflexión de la onda que se propaga hacia adelante. Por ende, para longitudes de onda específicas las reflexiones se sumarán de manera constructiva puesto que cada reflexión está en fase con la siguiente proporcionando, de este modo, un pico en el espectro reflejado en la longitud de onda de Bragg Ab de acuerdo con

donde nf es el índice de refracción medio y A es el periodo de rejilla. Si se estira la fibra de la figura 1a y se modifica el periodo A de la rejilla de Bragg, variará la longitud de onda de Bragg. La fórmula simple también muestra que la longitud de onda de Bragg se puede modificar variando el índice efectivo nf de una guía de ondas como se ilustra en las figuras 1b y 1c.

La figura 1d es una ilustración en perspectiva de una realización ejemplar de una guía de ondas para el sensor de presión óptico de la presente invención. Esta guía de ondas de tiras se forma como un rebaje en un sustrato e incorpora un reflector de Bragg distribuido. El elemento deflector está formado por otro sustrato que descansa sobre el rebaje formando, de este modo, un costado de la guía de ondas. Cuando se incorpora dentro de un sensor de presión óptico, este elemento deflector se transforma en el elemento deflector interior. Cuando se ejerce una fuerza sobre el elemento deflector, esta curvará y de este modo alterará la dimensión de la guía de ondas y, en consecuencia, el índice efectivo de la guía de ondas puesto que el índice efectivo nf se determina mediante

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donde nc es el índice de refracción de núcleo y dc es la altura de núcleo.

En la figura 3 se ilustra una realización ejemplar del sensor de presión óptico de la presente invención en forma de micrófono óptico. La figura 3a muestra una vista transversal donde la guía de ondas 1 comprende un sustrato inferior 4, un elemento deflector interior 5 y una rejilla de Bragg 3 situada en el sustrato inferior. El núcleo hueco 2 de guía de ondas está formado por el espacio entre el elemento deflector interior 5 y el sustrato inferior 4, que por ende contiene la rejilla de Bragg 3. La guía de ondas 1 está situada dentro de una cámara posterior 8 con la membrana exterior 7. La guía de ondas 1 está sujeta al fondo de la cámara posterior 8 mediante un embalaje de conexión 9. El elemento deflector interior 5 está conectado a la membrana exterior 7 mediante una varilla de conexión 6. La guía de ondas 1 está ventilada de modo que el aire, que se comprime cuando el elemento deflector interior se mueve hacia abajo, pueda escapar. Esta ventilación se ilustra por medio de la flecha 10.

En la figura 3b se proporciona una ilustración en perspectiva del micrófono de la figura 3a. El chip 1 de guía de

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ondas es visible en el fondo de la cámara posterior 8 situada en la envoltura exterior. La varilla de conexión 6 se ve proporcionando la conexión entre el elemento deflector interior 5 en el chip 1 de guía de ondas y la membrana exterior redonda 7. Una entrada de fibra a través de la envoltura exterior proporciona acoplamiento de luz dentro del núcleo 2 de guía de ondas. Este micrófono óptico ha sido fabricado y se muestra una foto en la figura 3c - véase ejemplo 1.

La figura 6 muestra una guía de ondas de placas sencilla con una configuración de voladizo, es decir, el elemento deflector (el elemento deflector interior) se forma como un voladizo. Se sitúa una rejilla de Bragg en la parte inferior de la guía de ondas. Un diseño de voladizo puede constituir una ventaja para el micrófono óptico de la presente invención puesto que permite una ventilación efectiva de la guía de ondas.

Para asegurar una deflexión más uniforme del elemento deflector interior, este se puede proporcionar con corrugaciones como se ilustra en la figura 4c.

Existen muchas formas de diseñar la guía de ondas para el micrófono óptico de la presente invención, por ejemplo, en cuanto a geometría de guía de ondas y núcleo, y diseño, tipo, ubicación y cantidad de rejillas. A continuación, se proponen varios diseños.

Las rejillas pueden implementarse como rejillas «normales» formadas como protrusiones desde una superficie como se ilustra en la figura 4a o como rebajes en una superficie como se ilustra en la figura 4b. Las rejillas pueden estar diseñadas de diversas formas para ajustarse a necesidades específicas en cuanto a espectro de longitud de onda, sensibilidad, etc. Las rejillas con altura y espaciado variables se muestran en las ilustraciones de vista lateral de las figuras 5a y 5b, respectivamente. Las rejillas con distintas curvaturas se muestran en las ilustraciones en perspectiva de la figura 5d (rejillas rectas) y 5c (rejillas curvas).

La figura 7b muestra cómo se pueden multiplexar (frecuencia) una pluralidad de sensores ópticos (por ejemplo, sensores de presión ópticos) a lo largo de la misma línea de transmisión para formar un sistema de sensores de presión ópticos distribuidos. El mismo principio se ilustra en la figura 7a con una fuente luminosa de banda ancha alimentando los distintos chips de guía de ondas de los sensores de presión distribuidos. Cada guía de ondas está diseñada para reflejar una longitud de onda de Bragg determinada y el intérprete (por ejemplo, un analizador de espectro) puede analizar la señal desde cada sensor de presión de forma separada puesto que las longitudes de onda de Bragg de las guías de ondas están espectralmente separadas como se ilustra en las inserciones del dibujo.

Los autores de la presente invención han comprendido que los modos de orden superior pueden ser deseables para aplicaciones de detección. Esto se describe con mayor detalle en el documento PCT/EP2013/061701. En general, los modos de orden superior tienen una mayor variación espacial que los modos de orden inferior, en particular mayor que el modo fundamental. En las guías de ondas multimodales que incorporan una rejilla de Bragg y donde se propaga luz de distintos modos, se reflejarán varios picos distintos desde la rejilla debido a la reflexión de cada modo y el acoplamiento entre los modos. Puesto que las formas de modo individual difieren en su distribución espacial, en general, su solapamiento con la rejilla diferirá. La diferencia de solapamiento modo-rejilla para los distintos modos se observa en el cambio de longitud de onda de Bragg de los modos individuales puesto que las dimensiones de guía de ondas cambian, es decir, la sensibilidad de longitud de onda a dimensiones de guía de ondas depende del modo. Al comprender que los modos de orden superior se pueden utilizar ventajosamente para aplicaciones de detección, los autores de la invención además descubrieron que se puede obtener una sensibilidad elevada solo con diseños de guía de ondas sencillos. Puesto que la detección puede estar basada en propagación y reflexión de modo de orden superior, la guía de ondas puede tener una geometría plana o de tiras simple, marcando de este modo una gran diferencia entre este sensor óptico y los diseños más complicados conocidos.

Por consiguiente, en una realización de la presente descripción la guía de ondas es apropiada y/o está adaptada para guiar al menos un modo de orden superior de luz. Por lo tanto, la guía de ondas puede ser una guía de ondas multimodal, donde el modo fundamental de la luz se guía con una pluralidad del modo de orden superior. En consecuencia, el espectro reflejado desde dicha guía de ondas multimodal tendrá una pluralidad de picos, y cada pico normalmente representa un modo. La señal del sensor de presión se puede inferir a partir del cambio de longitud de onda de uno o múltiples picos de reflexión, o de la señal de reflexión entera (es decir, la huella espectral). Como alternativa, la guía de ondas es apropiada y/o está adaptada para guiar luz de modo único. Por consiguiente, la guía de ondas puede ser una guía de ondas de modo único, donde se guía el modo fundamental de la luz. Como alternativa, la guía de ondas puede ser una guía de ondas multimodal, sin embargo, en el uso, solo se guía y se utiliza el modo fundamental de la luz.

La figura 8a ilustra el principio básico de una guía de ondas multimodal. La ilustración muestra una sección

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transversal del núcleo con la luz propagándose desde la izquierda. También se ilustra el confinamiento espacial del modo fundamental y de un modo de orden superior. Las protrusiones en el fondo son la rejilla de Bragg. Hay distintas regiones en la guía de ondas que cambian entre regiones con únicamente material de núcleo (ilustradas como A) y regiones con material de núcleo y de rejilla (ilustradas como B). El cambio de confinamiento espacial del modo entre las regiones A y B modifica el índice efectivo de la guía de ondas. El cambio de solapamiento modo- rejilla modifica el índice geométricamente promediado que varía con el orden de modo.

La figura 8b muestra un ejemplo del espectro reflejado desde una guía de ondas de sensor óptico multimodal, Los picos de al menos dos modos son fácilmente identificables (modo fundamental (1.) y un modo de orden superior (2.)). Cada modo que se propaga en la guía de ondas normalmente proporcionará un pico en el espectro reflejado. No obstante, pueden aparecer picos adicionales en el espectro reflejado como resultado de la mezcla de distintos modos.

Ejemplo 1

Un prototipo de sensor de presión óptico en forma de micrófono óptico se ha fabricado en base a la configuración ilustrada en las figuras 3a y 3b. En la figura 3c se muestra una foto del prototipo. La envoltura del micrófono es de aluminio y las medidas del micrófono son aproximadamente 6 x 6 x 1,2 cm con una membrana exterior circular de aproximadamente 3,2 cm de diámetro. La membrana exterior es una lámina metálica que se ajusta a presión en la abertura circular equivalente de la envoltura exterior. El chip de guía de ondas de placas tiene aproximadamente 4 cm de ancho y aproximadamente 6 mm de largo, es decir, 6 mm de largo en la dirección de propagación de la luz. La altura del núcleo es de aproximadamente 10 micrómetros. Las capas de revestimiento que rodean el núcleo son de 360 nm de SiO2 y 220 nm de Si3N4, respectivamente. El elemento deflector interior en forma de membrana tiene 2,5 cm de ancho (por ende, constituye 2,5 cm del ancho de 4 cm), 6 mm de largo y aproximadamente 95 micrómetros de grosor y está centrado en la guía de ondas y forma parte del núcleo. La rejilla está hecha de SiO2 con protrusiones de forma circular / de arco y tiene una altura de 1,1 micrómetros con un periodo de 800 nm. En consecuencia, la altura de la rejilla constituye aproximadamente 10% de la altura del núcleo. La rejilla entera tiene una longitud de 4 mm, es decir, a lo largo de la profundidad de la guía de ondas. La varilla de conexión es un cilindro de acero inoxidable con un diámetro de 0,3 mm y una longitud aproximada de 2 mm. La entrada de fibra es visible como el cable que se extiende desde el borde de la envoltura y esta es la única entrada y salida del micrófono. La red de cubierta protectora protege la membrana exterior a la vez que permite que el sonido penetre la red. Este tipo de micrófono se puede fabricar con una envoltura exterior de tamaño reducido de 2 x 2 x 0,5 cm y, en consecuencia, con una membrana exterior de aproximadamente 1 cm.

También se fabricó una versión con voladizo con el elemento deflector interior sujeto como un voladizo de 6 mm de largo y 95 micrómetros de grosor, con un ancho de 2 cm de los cuales aproximadamente 1,25 cm colgaban mientras que la parte restante de 0,75 cm estaba sujeta al costado de la guía de ondas. La rejilla tenía las mismas dimensiones, es decir, 1,1 micrómetros de altura, 4 mm de longitud y un periodo de 800 nm. No obstante, las protrusiones eran rectas.

El prototipo mostrado en la figura 3c se ha caracterizado como se muestra en las figuras 9a y 9b. La figura 9a muestra la respuesta de frecuencia de este prototipo. La sensibilidad en pm/PA se traza en comparación con la frecuencia cuando el micrófono se excita mediante un ruido rosa. Las cuatro mediciones distintas con ruido rosa y las dos mediciones distintas con ruido rosa + 3dB son casi coincidentes mientras que las dos mediciones distintas con ruido rosa - 10dB están por encima de las otras seis curvas. En un micrófono «perfecto» la respuesta de frecuencia es constante; sin embargo, es inevitable que ocurra alguna variación de frecuencia cuando el micrófono comprende elementos mecánicos como las dos membranas conectadas mediante la varilla de conexión. La figura 9b muestra la densidad espectral de potencia en pm/VHz del prototipo de micrófono óptico medida sobre el espectro de frecuencia entero cuando se somete a 94 dB de 1 kHz (1 medición) y dos mediciones que muestran el ruido de fondo, demostrando, por ende, que del micrófono en sí no proviene ningún ruido indeseado.

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   REIVINDICACIONES

   1. Un sensor de presión óptico que comprende una guía de ondas (1) que comprende

   - al menos un núcleo (2) para confinar y guiar luz,

   - al menos un reflector de Bragg distribuido (3) situado en dicho al menos un núcleo, y

   - al menos un elemento deflector interior (5) que forma al menos una parte del núcleo y que forma un costado de la guía de ondas,

   caracterizado porque el sensor de presión además comprende una carcasa y al menos una membrana exterior incorporada en una superficie de la carcasa, y en el que la guía de ondas está sujeta dentro de la carcasa, el sensor de presión está configurado de modo que la al menos una membrana exterior (7) y el al menos un elemento deflector interior formen dos elementos deflectores separados, y en el que el sensor de presión está configurado de modo que dicho al menos un elemento deflector interior esté conectado a la al menos una membrana exterior de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo cambie cuando la al menos una membrana exterior se someta a presión, o en el que el sensor de presión está configurado de modo que se pueda establecer una conexión entre dicho al menos un elemento deflector interior y dicha al menos una membrana exterior de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo cambie cuando la al menos una membrana exterior se someta a un nivel de presión predefinido.
2. 2. El sensor de presión óptico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el núcleo es hueco.
3. 3. El sensor de presión óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la guía de ondas y/o el núcleo tiene una geometría plana, de tiras, de placas o de estrías, y/o en el que el reflector de Bragg distribuido está situado al menos en parte en el núcleo de la guía de ondas, y/o en el que dicho al menos un reflector de Bragg distribuido está situado en una superficie de la guía de ondas frente al elemento deflector interior.
4. 4. El sensor de presión óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el ancho máximo de la guía de ondas es al menos 10 veces la altura máxima de la guía de ondas, y/o en el que el ancho máximo del núcleo es al menos 100 veces la altura máxima del núcleo, y/o en el que la altura máxima del reflector de Bragg distribuido es inferior a 20% de la altura máxima del núcleo.
5. 5. El sensor de presión óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la al menos una membrana exterior se incorpora en la superficie superior de la carcasa, y/o en el que la conexión entre la membrana exterior y el elemento deflector interior se incorpora en una superficie de la carcasa, y/o en el que la membrana exterior es parte de una superficie de la carcasa, y/o en el que la guía de ondas está sujeta a una superficie interior de la carcasa que incorpora la membrana exterior.
6. 6. El sensor de presión óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la membrana exterior y/o la conexión entre la membrana exterior y el elemento deflector interior se proporciona como uno o más rebajes en una superficie de la carcasa, o en el que la conexión entre la membrana exterior y el elemento deflector interior se proporciona como una varilla incorporada en una superficie de la carcasa.
7. 7. El sensor de presión óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la guía de ondas se fabrica a partir de dos sustratos unidos, tales como sustratos de silicona o pírex o sílice o sílice fundida, y en el que el núcleo se forma como un rebaje en uno de dichos sustratos de silicona.
8. 8. El sensor de presión óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el núcleo es hueco y en el que el sensor además comprende uno o más, preferiblemente dos, guías de ondas de acoplamiento de núcleo macizo adyacentes a la guía de ondas de núcleo hueco.
9. 9. El sensor de presión óptico de acuerdo con la reivindicación 8, en el que una o más guías de ondas de acoplamiento de núcleo macizo se definen mediante al menos una capa de guiado de luz dispuesta sustancialmente paralela a y debajo del elemento deflector interior.
10. 10. El sensor de presión óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el núcleo comprende al menos un reborde macizo que se extiende en la dirección de la propagación de la luz y en el que el sensor de presión óptico está configurado de modo que la luz que se propaga en el núcleo de la guía de ondas esté confinada dentro y alrededor de dicho uno o varios rebordes macizos.

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11. 11. El sensor de presión óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende una cámara posterior situada y/o incorporada en la carcasa, tal como en una pared de la carcasa, o en el que una cámara posterior está formada por un volumen que separa la membrana exterior del elemento deflector interior.
12. 12. El sensor de presión óptico de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el sensor de presión está configurado de modo que la geometría y/o dimensión del al menos un núcleo cambie cuando la al menos una membrana exterior se someta a sonido de modo que el sensor de presión óptico sea un micrófono óptico.
13. 13. Un sistema de sensores de presión que comprende:

    - uno o más sensores de presión ópticos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes,

    - al menos una fuente luminosa, tal como una fuente luminosa de banda ancha,

    - al menos una guía de ondas óptica de transmisión para guiar luz desde dicha al menos una fuente luminosa hacia dentro (del núcleo) del sensor de presión óptico,

    - un detector para medir luz reflejada desde el reflector de Bragg, y

    - un procesador de datos adaptado para analizar variaciones en una o más longitudes de onda de Bragg de la luz reflejada.
14. 14. El sistema de sensores de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 13, en el que dicho procesador de datos está adaptado para analizar modulación de frecuencia de la señal reflejada, y/o en el que la fuente luminosa es una fuente luminosa de banda ancha.
15. 15. Un sistema de sensores de presión distribuidos que comprende una pluralidad de los sensores de presión ópticos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 12, en el que dichos sensores de presión ópticos están multiplexados en serie y/o en paralelo.