MX2010002977A

MX2010002977A - Dispositivo de fibra optica con campo evanescente.

Info

Publication number: MX2010002977A
Application number: MX2010002977A
Authority: MX
Inventors: Eric Weynant; Alex Fraser
Original assignee: Phasoptx Inc
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-11-12
Also published as: CA2699698A1; EP2198330A1; JP2010539494A; WO2009036567A1; RU2010115192A; US20100296771A1; KR20100075928A; AU2008301191A1

Abstract

La presente invención esta dirigida a un dispositivo de fibra óptica con campo evanescente que comprende una ó más fibras ópticas y un soporte que asegura la resistencia mecánica de la fibra óptica, en donde una ó más ranuras han sido maquinadas en el soporte y en el recubrimiento de la una ó mas fibras ópticas fin de ganar acceso al campo evanescente. La invención también se extiende al uso de un soporte en la remoción mecánica o química del recubrimiento de una fibra óptica y a un método de ganar acceso al campo evanescente de un dispositivo de fibra óptica.

Description

DISPOSITIVO DE FIBRA OPTICA CON CAMPO EVANESCENTE Campo de la Invención La presente invención se refiere a dispositivos de fibra óptica con campo evanescente, incluyendo sensores de fibr¡a óptica.

Antecedente de la Invención Los sensores a base de fibra óptica evanescente han recibido considerable atención en los años pasados debidos a sus extensas aplicaciones en diferentes mediciones de parámetros tal como temperaturas, presiones y de materiales bio ógicos y químicos que pueden estar presentes en un ambiente o muestras de interés Varias técnicas, bien conocidas en la técnica, han sido desarrolladas para acceder al campo evanescente de una fibra óptica. Por ej emplo, una fibra óptica puede ser ahusada estirándola mientras es calentada, e.g. sobre una llama. Otra técnica es mediante el acoplamiento refinado en un bloque de vidrio para protéger la fibra óptica durante las etapas de rectificado y pulido. Una1 tercera técnica implica el retiro de una porción del revestimiento por medios mecánicos o químicos. Sin embargo, cuando una porción del revestimiento de una fibra óptica se retira para acceder al campo evanescente, la fibra ya de diámetro pequeño se vuelve en forma incrementada más frágil y delicada. Aunque la tercera técnica se puede realizar en circunstancias muy especializadas tales como en , un laboratorio, es muy difícil de fabricar y de usar.

Por lo tanto, existe una necesidad por [técnicas mejoradas para usarse en fibras ópticas como componentes dé sensores ópticos y que tales sensores tengan buena resistencia mecánica y, por supuesto, que sean fácil de usar y de fabricar. Tal necesidad también existe por técnic •as me -j.oradas para usarse en fi .bras ópt1i1c" as de componentes de sistemas que utilizan fibras ópticas, tales como sistemas de comunicaciones de fibra óptica, incluyendo acopladores, divisores, repetidores, conmutadores, amplificadores, atenuadores, aisladores y similares. Una aproximación para los sensores ópticos esta descrita en la solicitud de patente de E.U.A. 2004/01 79765 , erí la cual una fibra óptica es acoplada o conectada a una guía de ondas óptica mayor en la cual una porción del revestimiento, y opcionalmente el núcleo, se ha removido usando cualquier técnica conocida adecuada en' la técnica, para permitir el acceso al campo evanescente. Sin embar go, para ser puesto en práctica, este tipo de dispositivo de detección requiere una alineación o acoplamiento axial de dos ó más fibras ópticas con una guía de ondas óptica separada de un diámetro mucho mayor . Esta etapa es no sólo compleja sino también requiere una alineación muy precisa a fin de minimizar la pérdida de energía luminosa. Por consiguiente, se desea mej orar los Isensores a base de fibra óptica evanescente, que tengan una buena resistencia mecánica con durabilidad mejorada y facilidad de ensamble y uso.

Breve Resumen de la Invención La presente invención reduce las dificultades y las desventaj as del arte previo reforzando una fibra óptica por sí misma sin, por ejemplo, la necesidad de conectar esta última a otra guía de ondas óptica, La presente intención se refiere a un di ¿í positivo de fibra óptica con campo evanescente que comprende unas ó más fibras ópticas en donde una porción de dicha una o más fibras est¡á sin revestimiento, y un soporte que se proporciona para la integridad m II;ecánica de la una o más fibras ópticas y para el acceso del campo evanescente sin perj udicar la fibra óptica. Más particularmente, la presente inv ención proporciona un dispositivo a base de fibra óptica evanescente que comprende unas o más fibras ópticas como se indica anteriormente, y un soporte que asegura la resistencia mecánica de la fibra óptica en donde unas o más ranuras han sido maquinadas en el soporte y en una porción de revestimiento de una o más fibras ópticas a fin ¡de ganar acceso al campo evanescente. En una modalidad adicional, la presente invención se refiere al uso de un soporte en la remoción mecánica o q uímica del revestimiento de una fibra óptica para el uso en un dispositi ¡vo a base de fibra óptica evanescente. Otra modalidad es el método dé usar el soporte para la remoción mecánica o química del revestimiento de una fi¡ bra óptica para uso en un dispositivo a base de fibra óptica evanescente. fibra óptica y en donde una capa delgada de sustrato ha sido aplicada en la porción de revestimiento expuesta; La figura 6 es una vista en isométrico d'el sensor de fibra óptica evanescente que tiene una fibra óptica, 1 soporte y una ranura maquinada en el soporte y en una porción de revestimiento de la fibra óptica y en donde capas delgadas de metal y de sustrato han sido. aplicadas en la porción' de revestimiento expuesta; La figura 7 es una vista en isométrico de un sensor de fibra óptica con campo evanescente que incluye una capa sensible entre dos porciones de revestimiento expuestas de los senjsores de fibra óptica con campo evanescente de la presente invención; La figura 8 es una vista en corte transversal de la figura 7; La figura 9 es una vista en planta superior del sensor de fibra óptica con campo evanescente que comprende ||dos fibras ópticas en un soporte y una guía plasmónica; La figura 10 es una vista lateral de la figura 9; La figura 1 1 es una vista lateral de la figu IIr'a 9; La figura 1 2 es una vista lateral de un sjensor de fibra óptica con campo evanescente en base al diseño de reflexión; La figura 1 3 es una vista lateral de un sjinsor de fibra óptica con campo evanescente en base al diseño de transmisión; Figura 14 es una vista lateral de un , sensor de fibra óptica con campo evanescente en base al diseño de re flexión con la rej illa de Bragg; y como se describe anteriormente para un mejor||uso como un soporte tal como se define en la presente. El soporte de la presente invención se puede hacer de cualquier material diferente dependiendo de su uso y en ambiente particular el cual el soporte es utilizado. Por ejemplo, él soporte de la presente invención se puede hacer de un material de tipjo con memoria de forma. Para los propósitos de la presente solicitud, con' respecto al material del tipo con memoria de form/a (SMM), se puede hacer a la norma AFNOR "Alliages á mémore de former - Vocabulaire et Mesures" A 5 1080- 1990, Los materiales, que son1 adecuados para el soporte de la presente invención, mostrarán un módulo de Young muy bajo (módulo elástico) y/o efecto pseudo elástico. El efecto pseudo jelástico se encuentra en SMM. Referente al efecto de memoria de forma, cuando el material está por debajo de una temperatura (Mf), que es . una propiedad dependiente de SMM particular, es posible tensar (deformar) el material desde aproximadamente algunas décimas de un porcentaje a más de aproximadamente ocho porciento, dependien' ¡dc o del SMM particular utilizado. Cuando el SMM es calentado por arriba de una segunda temperatura (AF), que es también dependiente del SMM particular así como el esfuerzo aplicado, el SMM tenderá a recuperar su forma asignada. Si no existe esfuerzo, el SMM tenderá hacia la recuperación total de su forma original. Si se mantiene un ejsfuerzo, el SMM tenderá particularmente a recuperar su forma original. Referente al efecto pseudo elástico, cuando el SMM está a una temperatura mayor que su (AF), éste puede ser deformado a velocidade particularmente mayores, es decir exhibiendo elasticidad no-utilizada, aumentando las propiedades de MEMORIA de forma. Inicialmente, en el S M cuando es tensado la deformación aumentará en forma lineal, como en un material elástico ^ utilizado. Sin embargo, en una cantidad de esfuerzo, que es dependiente 5 del SMM particular y la temperatura, la relación de tensión a esfuerzo no es ya más lineal, la tensión se incrementa a una velocidad mayor conforme la tensión se incrementa a una velocidad mayor. A un nivel de tensión mayor particular, el incremento en la tensión tenderá a volverse más pequeño. Este efecto no lineal exhibido por ; SMM a una temperatura 10 por arriba de (Ap) puede manifestarse por si mismo como un efecto similar de histéresis, en donde la liberación o reducción del esfuerzo y la reducción en la tensión seguirán una curva diferente de la que una manifiesta conforme la tensión se incrementa, en la manera de un bucle similar a la histéresis. ¦?·5 Un ejemplo de tal material anterior puéj dc e ser una aleación con memoria de forma (SMA). Los ejemplos referjentes a la activación del elemento con memoria de forma en un SMA se incluyen en D.E. Muntges et al., "Proceedings of SPIE", volumen 4327 (2001 ), páginas 193 -200 y Byong-Ho Park , et al., "Proceedings of SPIE", volumen 4327 20 (2001 ), páginas 79-87. Los componentes miniaturizados de SMA pueden ser fabricados mediante procesamiento de radiación por láser. Ver por ej emplo, H. Hafer Kamp et al. , "Láser Zentrum Hannover e.v.", Hannover, Alemania [publicación] . El soporte de la presente invención pued'e, por ej emplo, ser hecho 25 de un material polimérico tal como polibuteno isostático, cerámicas de conocida en el arte como, por ej emplo, mecánicamente o por medios químicos, la resistencia mecánica de la fibra óptica es ahora asegurada adecuadamente. Existen varias maneras de utilizar el soporte de la presente 5 invención en la relación con una fibra óptica á fin de tener acceso al campo evanescente, para usar un sensor óptico jde campo evanescente y para la fabricación de tal sensor óptico de campo evanescente. Por ej emplo, como se muestra en las figuras 2 y 3 , es posible maquinar, mediante cualquier técnica apropiada conocida ¡en el arte, una ranura en ,1.0 el soporte antes o déspués de la inserción de una fibra óptica. Si la ranura en el soporte es maquinada antes de la inserción de una fibra óptica, entonces, la fibra óptica será ademe s maquinada utilizando cualquier técnica apropiada conocida en el arte para acceder revestimiento de la fibra óptica dentro de la ranura del soporte. 15 entenderá además que una porción del revestimiento puede ser retirada por cualquier otro medio conocido, incluyendo los medios químicos. Se apreciará que la presente invención no requiere remover todo el espesor del revestimiento de una porción de la fibra. En la práctica, solamente una porción del espesor del revestimiento puedlj lser retirada y solamente una parte de ella ser retenida en la porción expuesta. Además, la ranura puede también ser formada axialmente como se , ;muestra en la figura. 4. Además, a fin de obtener un sensor de alta cali idad, la porción retirada del revestimiento de la fibra óptica mantenida por el soporte puede además ser pulida por cualquier técnica apropiada conocida en el arte núcleos^ la dilatación y la modificación del índice de refracción del sustrato, podrían alterar el acoplamiento e ¦ntre lo IsI' cuatro núcleos. En una modalidad adicional ilustrada en las figuras. 9 a 1 1 , se propone el acoplamiento de dos fibras ópticas mediante la adición de una guía plasmónica. En esta modalidad, fibras ópticas son insertadas dentro de un mismo soporte, los extremos de las fibras ópticas 'no se tocan entre sí.' La adición de una ¡capa delgada de metal y de un sustrato entre los extremos de las dos fibras, según lo ilustrado, permitirá la absorción de la energía de la primera fibra óptica mediante la guía plasmónica y ' el acoplamiento de esta energía hacia la segunda fibra óptica. En elegir un sustrato que responda con el parámetro que esta siendo estudiado, el análisis de éste acoplamiento permitirá la cuantificación de los parámetros estudiados. Regresando ahora a las figuras 12 y 13 , allí se muestran modalidades adicionales con respecto al diseño de un sensor a base de fibra óptica evanescente. Más particularmente, las figuras. 12 y 1 3 representan el diseño de sensor a base fibra óptica evanescente de la presente invención que confía en , 1a reflexión o la transmisión, I respectivamente. En primer lugar, para el diseño basado en la reflexión (figura. 12), la señal de excitación' llega por una fibra óptica ' pasa a través del sensor basado en fibra óptica evanescente, se reflej a cuando alcanza la interfaz fibra-aire, regresa por el sensor y la fibra para, ser además analizados. La señal de excitación se debe separar de la señal de análisis. Esto se puede hacer mediante cualquier técnica conocida- en el arte tal como, por ejemplo, la inserción de un cubo de separación. En segundo lugar, con respecto al diseño basado en la transmisión, es posible conectar, varios sensores de fi bl ra óptica con campo evanescente, en series, a lo largo de una sola ibra óptica para obtener diferente información de cada uno de los sensores. Además, la adición de la rejilla de Brag 1g I d'entro de - la fibra antes y después la zona activa permite que un aumento significativo de la sensibilidad del dispositivo a fin de obtener , valores utilizables. La rejilla de Bragg refleja longitudes de onda particulares de la luz y transmisión de otros. Esto se ilustra claramente en las figuras. 14 y 15 que muestran un diseño en la reflexión y un dise IIñ' o en la transmisión. La luz policromática viaja dentro de uJa fibra óptica como una señal de excitación. La variación en la absorció||i de la onda evanescente es generada por la variación del parámetro estudiado. Esta absorción depende fuertemente de la longitud de onda de la señal de excitación, es decir la detección de un cierto parámetro jes relacionada con una longitud de onda específica mientras que la detección de otro parámetro requiere otra longitud de onda. La rejilla de Bragg permite la longitud de onda deseada a ser reflejada de acuerdo a las condiciones de Bragg mientras que permite a la otra longitud de onda continuar como transmitida en la fibra incluyendo otros sensores. El valor de interés a ser medido por cada sensor individual es capturado y recuperado por el análisis de la longitud de onda correspondierite||al valor asociado con un sensor particular.

En otra modalidad, un dispositivo tal exorno el mostrado en la figura. 6, puede ser utilizado para la polarización de la luz que viaja dentro de una fibra óptica al absorber toda la energía que está en un estado de polarización. La aplicación de un control activo del índice de refracción mediante una manera específica permitirá el control activo de la polarización que viaja dentro de la fibra óptica. Además, a fin de rápida y fácilmente controlar la potencia transmitida dentro de una fibra óptica, se ¡podría apreciar que el dispositivo de la presente solicitud podría tambil 'én ser utilizado como un 40 . atenuador a fin de atenuar la señal de viaje dentro de la fibra. Semejantemente, podría también ser utilizado como un conmutador Se entenderá por una persona diestra en a técnica, que el número de ranuras, la dimensión y el tamaño de las mismas y la orientación espacial y el espaciamiento entre las ranuras,! una de otra, puede ser 15 complementado por medios mecánicos y químicjós conocidos. La persona diestra en la técnica podría saber como selejcciona los componentes apropiados (fibras ópticas, sustrato, rejilla de Bragg, longitud de onda, material de soporte, etc) para el propósito de' poner la invención en práctica, como se describe en la presente. 20 También se apreciará que estos tipos de sensores a base de fibra r.. óptica evanescente que comprende un soporte, con fibra óptica, todo como se describe en la presente, pueden sil fabricados para tener utilidad en condiciones extremas tales como una corriente fluida agresiva o bajo otras condiciones físicas agrelivas, por ejemplo en la 25 medición de corrientes fraccionadas en el pjitróleo o procesamiento químico; extracciones de mineral; aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales y aplicaciones militares incluyendo la detección de químicos peligroso y agentes biológicos. Además, se apreciará a partir de la descripción anterior que la presente invención pueda incluir todas las clasejs de dispositivos de fibra óptica tales como acopladores, divisores, repetidores, conmutadores, amplificadores, atenuadores, aisladores y similares. Aunque la descripción anterior constituye las modalidades preferidas, se apreciará que la presente invjención es susceptible a modificaciones y cambios sin apartarse significado justo de las reivindicaciones asociadas.

Claims

5. - El soporte de fibra óptica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el cuerpo les hecho de una aleación con memoria de forma. 6. - El soporte de fibra óptica de conformidad con cualquiera de 5 las reivindicaciones 1 a 5 , en donde la rJnura es ortogonal a la hendidura. 7. - El soporte de fibra óptica de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el cuerpo e|s cilindrico . 8. - El soporte de fibra óptica de conformidad con cualquiera de 10 las reivindicaciones 1 a 7, en donde la hendidura se extiende más haya del conducto de fibra para facilitar la abertura de la hendidura y el conducto de fibra. 9. - Un método para ganar acceso a un1 campo evanescente que emana de una fibra óptica, el método comprehdjé: ?'5 . proporcionar un soporte de fibra óptica que comprende : un cuerpo hecho de un material elásticamente deformable; un conducto de fibra que se extiejjide a lo largo de un ej e longitudinal del cuerpo desde un primer extremo del cuerpo a un segundo extremo del cuerpo ; y 20 una hendidura que se extiende longitudinalmente desde el primer extremo al segundo extremo y trlnsversalmente desde el conducto de fibra a una superficie exterior !del cuerpo, la hendidura permite la expansión del conducto de fibra paral la inserción de una fibra óptica; y cortar un ranura de acceso en el cuerpo, la ranura se extiende desde la superficie exterior del cuerpjp dentro del conducto de fibra. 10.- El método de conformidad con la reivindicación 9, que además comprende colocar la fibra óptica dentro del soporte previo al corte de la ranura de acceso, por lo cual al realizar el corte de la ranura de acceso comprende también el cortar uri revestimiento de la fibra en el soporte. 1 1 .- El método de conformidad con a reivindicación 9, que además comprende colocar la fibra óptica dentro del soporte después de cortar la ranura de acceso y después, subsecuentemente cortar un revestimiento de la fibra óptica soportada en el soporte. 12.- El método de conformidad con cualquiera de una de las reivindicaciones 9 a 1 1 , en donde la ranura corta a una profundidad en donde una distancia entre un fondo de la ranura y un ej e longitudinal central del conducto de fibra sea mayor a un radio de un núcleo de la fibra óptica a ser soportada dentro del soporte dé fibra óptica. 13. - El método de conformidad con cualquiera de una de las reivindicaciones 9 a 12, en donde la ranura se corta en forma ortogonal a la hendidura. ' 14. - El método de conformidad con cualquiera de ,una de las reivindicaciones 9 a 1 3, que además comprende:- adicionar una capa delgada de metal sobrjé una superficie expuesta del revestimiento; y ' aplicar un substrato sobre la capa delgada de metal. 15.- Un sensor de fibra óptica con campo evanescente para detectar un cambio en un campo evanescente ue emana de luz que se propaga a través de una fibra óptica, el |[sensor de fibra óptica comprende: un soporte de fibra óptica que tiene: un cuerpo hecho de un material elásticamente deformable; un conducto de fibra que se extielide a lo largo de un ej e 1 longitudinal del cuerpo desde un primer extremo del cuerpo a un segundo extremo del cuerpo; una hendidura que se extiende longitudinalmente desde el primer extremo al segundo extremo y en forma transversal desde el conducto de fibra a una superficie externa c el cuerpo, la hendidura permite la expansión del conducto de fibra para la inserción de una fibra óptica; y una ranura de ácceso formada ej el cuerpo, la cual se extiende desde la superficie externa del cuerpo ' en el conducto de fibra; y una fibra óptica soportada en el conducto de fibra del soporte de fibra óptica, un revestimiento ' de la fibra se corta para proporcionar acceso al campo evanescente que emana de la fibra óptica, 16.- El sensor de conformidad con la rei ¡vindicación 1 5 , en donde una distancia entre un fondo de la ranura y un ej e central longitudinal del conducto de fibra, es mayor que el radio de un núcleo de la fibra óptica soportada dentro del soporte de fibra óptica 17. - El sensor de conformidad con la reivindicación 15 ó 16, en donde la ranura es ortogonal a la hendidura. 18. - El sensor de conformidad con cualquiera de una de las reivindicaciones 15 a 17, que además comprende: 5 una capa delgada de metal dispuesta sobre una superficie expuesta del revestimiento; y un substrato dispuesto sobre la capa delga'da de metal. 19. - El sensor dé conformidad con cualquiera de una de las reivindicaciones 15 a 17, que además comprende un substrato dispuesto 10 sobre una superficie expuesta del revestimiento, el substrato tiene propiedades ópticas que varían con parámetro1 a ser detectado. 20. - El sensor de conformidad con cu '!alquiera de una de las reivindicaciones 15 a 19, que comprende dos soportes de fibra óptica, cada soporte de fibra óptica soporta una respectiva fibra óptica, cada 15 uno de los dos soportes de fibra óptica tiene una respectiva ranura que se extiende hacia dentro en el cuerpo desde uri jextremo del cuerpo, uno de los dos soportes de fibra óptica esta invertido en relación al otro de uno de los dos soportes de fibra óptica en cua •lq IuI ier lado de un substrato ^~ que se encuentra emparedado entre supercines p I lanas de las ranuras, por 20 lo cual las fibras ópticas soportadas por los soportes están substancialmente alineadas paralelas y en proximidad cercana a la otra, para permitir que la luz se acople desde una fibra óptica en la otra fibra óptica a través del substrato. 21 . - El sensor de conformidad con cualquiera de una de las 25 reivindicaciones 15 a 19, que comprende dos fibras ópticas retenidas substrato, la primera rejilla de Bragg transmite selectivamente la luz de una ó más longitudes de onda predeterminadas á través de la rejilla de Bragg al substrato para permitir ,1a medición de una varianza en las propiedades ópticas del substrato que utiliza la una ó más longitudes de 5 onda predeterminadas, la segunda rej illa de Bragg refleja una o más longitudes de onda predeterminadas de regreso al substrato por lo cual i incrementa una sensibilidad de la medición d las propiedades ópticas "r^ ' del substrato. 26.- Un método para medir parámetros al detectar un campo 10 evanescente que emana desde una fibra óptica, el método comprende: proporcionar un soporte de fibra óptica que comprende: un cuerpo hecho de un material elásticamente deformable; un conducto de fibra que se extiende a lo largo de un eje longitudinal del cuerpo desde un primer extremo del cuerpo a un 15 segundo extremo del cuerpo; y una hendidura que se extiende longitudinalmente desde el primer extremo al segundo extremo y en forma transversal desde el conducto de fibra, a una superficie externa del cuerpo, la hendidura - - . permite, la. expansión clel conducto de fibra para la inserción de una fibra 20 óptica; y una ranura de acceso en el cuerpo, la ranura se extiende desde la superficie externa del cuerpo en el conducto de fibra; colocar una fibra óptica en la ranura; colocar en la ranura un substrato que tiene una propiedad óptica 25 que varía con un parámetro físico a ser medido; medir el parámetro físico mediante la detección de una varianza en el campo. evanescente. 27. - El método dé conformidad con la1! reivindicación 26, que comprende transmitir una señal de excitación bajo una sola fibra que lleva de regreso la señal de análisis reflej ada. 28. - El método de conformidad con la1 reivindicación 26, que comprende transmitir una señal de excitación a lo largo de una primera fibra y propagar una señal' de análisis a lo largo de una segunda fibra. 29 - El método de conformidad con cualquiera de una de las reivindicaciones 26 a 28, que comprende fil iit:rar longitudes de onda utilizando una rej illa de Bragg. 30.- . El método de conformidad con cualquiera de una de las reivindicaciones 26 a 28, que comprende filtrar longitudes de onda utilizando una primera rej illa de Bragg colocada antes de la ranura y el substrato para bloquear no solo todo sino una o más longitudes de onda predeterminadas y una segunda rejilla de Bragg; colocada más haya de la ranura y el substrato, para reflejar la una ó más longitudes de onda predeterminadas de regreso al substrato.