SENSORES DE

FIBRA ÓPTICA MODULADOS

EN INTENSIDAD

MAURO LOMER

SenSoreS de fibra

óptica moduladoS

en intenSidad;

primera edición digital

noviembre, 2012

lima - perú

© mauro lomer

proYecto libro diGital

pld 0632

editor: Víctor lópez Guzmán

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proYecto libro diGital (pld)

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lima - perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

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Sensores de fibra óptica modulados en intensidad

Optical fiber sensors based on intensity modulation Mauro LomerUniversidad de Cantabria, Av. de los Castros s.n., 39005, Santander, España

RESUMEN

Este documento presenta dos sensores de fibra óptica basados en la modulación de intensidad óptica capaces de medir, respectivamente, el nivel de líquidos y el desplazamiento. El primer sensor utiliza las pérdidas por curvaturas y logra una mejor sensibilidad eliminando parte del núcleo de la fibra mediante el pulido lateral. Los cambios de índice de refracción con el medio que lo rodea inducen a una variación de la transmitancia generando una señal. Reproduciendo este mismo efecto sobre una fibra de N espiras se obtiene una medida distribuida del líquido. En el segundo sensor se utiliza una red de difracción en la salida de la fibra multimodo para separar espacialmente dos órdenes de difracción y realizar una medida autocompensada, insensible a las variaciones de potencia óptica de la fuente o perturbaciones en la fibra. Se incrementa el rendimiento de difracción cortando en ángulo el extremo de salida de la fibra, logrando reducir los modos propagados y aumentando la cantidad de periodos disponibles en la superficie. La técnica de modulación de intensidad permite simplificar el sistema sensor, es fácil de fabricar y reduce los costos de fabricación usando fibras ópticas de plástico de 1 mm y componentes optoelectrónicos comerciales.Descriptores: sensores de fibra óptica, modulación de intensidad, fibra en espira, redes de difracción

ABSTRACT

This document presents two optical fiber sensors, based on optical intensity modulation, capable of measuring liquid levels and displacement respectively. The first sensor is a flexible quasi-distributed liquid level based on the changes in the light transmittance in a plastic optical fiber (POF) cable is proposed. The measurement points are formed by small areas created by side-polishing on a curved fiber and the removal of a portion of the core. These points are distributed on each full-turn of a coil fiber built on a cylindrical tube vertically positioned in a tank. The changes between the refractive indices of air and liquid generate a signal power proportional to the position and level of the liquid. The sensor system has been successfully demonstrated in the laboratory. In the second sensor a self-compensated displacement sensor has been developed by placing a diffraction lattice at the end of a plastic optical fiber, the method serving for any highly multimode optical fiber. By measuring the output powers of the diffraction angles corresponding to two different diffraction orders, a simple way to cancel out the fluctuations of the light source and other disturbances have been achieved. The intensity modulation technique simplifies the sensor system and makes it easy to manufacture, as well as it reduces costs by using POF of 1 mm and commercial optoelectronic components. Keywords: fiber optics sensor, intensity modulation, coil fiber probe, diffraction grating

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INTRODUCCIÓN

En 1966, Kao propuso el uso de fibras de vidrio como medio de comunicación de datos utilizando la luz en lugar de los electrones, pero a condición de que las pérdidas de transmisión producidas por el material de base (sílice (SiO2)) sean reducidas drásticamente [1]. Entonces las pérdidas eran superiores a 100 dB/km. Algunos años después, las pérdidas se redujeron a 20 dB/km, que con las mejoras introducidas en el proceso de fabricación, lograron reducirlas casi a su mínimo valor actual de 0.15 dB/km a la longitud de onda de 1550 nm. Simultáneamente a estos avances, se fabricaron las primeras fuentes de luz semiconductoras a base de arseniuro de galio (GaAs). En los años 80, se inicia el desarrollo e implantación industrial de los sistemas de comunicaciones ópticas y el remplazo de los cables de cobre de los sistemas convencionales por fibras ópticas obteniéndose un mayor rendimiento, enlaces más fiables, aumento del ancho de banda y reducción permanente de costos.

Paralelamente, gracias a la investigación y mejoras en fibras ópticas y en dispositivos optoelectrónicos surge la tecnología de sensores de fibra óptica. En efecto, el uso de las fibras en metrología tiene ventajas significativas con relación a los sistemas convencionales basados en principios eléctricos: inmunidad a las interferencias electromagnéticas, poco peso, flexibilidad, aislamiento eléctrico, pequeñas dimensiones, alta sensibilidad, gran ancho de banda, seguridad intrínseca y posibilidad de medir a distancia y en lugares explosivos o contaminantes. Estos pueden ser realizados con fibras de vidrio, plásticos u otro material transparente, de tipo monomodo o multimodo. Desde los años 80, numerosos trabajos han sido reportados en conferencias internacionales, en revistas científicas y se han editado varios libros [2-4]. Estos sensores pueden ser modulados en fase, intensidad, polarización, longitud de onda, frecuencia, tiempo de vuelo, etc. Los sensores basados en la modulación de intensidad óptica son los más populares, fáciles de construir y de bajo costo.

En este artículo se presentan dos sensores de fibra óptica modulados en intensidad utilizando fibras ópticas de plástico (POF) de tipo multimodo y de 1 mm de diámetro. Una porción de las fibras ópticas

es modificada y preparada con el objetivo de que sea más sensible a los parámetros a medir (nivel de líquido o distancia) y haga de transductor o cabeza sensora. La modulación de intensidad es obtenida ya sea por variación del índice de refracción del medio que lo rodea o por reflexión de la luz por un objetivo que se desplaza. Se presentan los principios de funcionamiento, los métodos de realización y los resultados obtenidos. Las soluciones propuestas son de bajo costo y pueden ser muy competitivas en aplicaciones industriales.

Sensores de fibra óptica

Una fibra óptica es una estructura cilíndrica sólida compuesta de un núcleo de índice de refracción n1 y rodeada de otro medio de índice n2, llamada cubierta. Estos medios están protegidos del medio exterior por una capa y no tiene ninguna función óptica (fig. 1(a)). En una fibra óptica multimodo y de índice de refracción homogéneo, la luz se propaga por reflexiones totales internas (RTI) por lo que es necesario que n1>n2. En estas condiciones cada fibra óptica estará definida por su apertura numérica (A.N.), dado por AN=(n1

2-n2

2)1/2=SenΘ, donde Θ es el semi-ángulo del cono de aceptancia de la fibra. Así, cuando se trata de inyectar luz en una fibra óptica no todos los rayos serán guiados por la fibra. De los rayos presentes en la entrada de la fibra, aquellos rayos cuyos ángulos de incidencia sean igual o menor que Θ serán guiados (fig. 1 (b)). Los otros rayos serán radiados por la cubierta (2) o por el aire (1). Los rayos guiados por el núcleo pueden seguir diferentes caminos ópticos; se llaman modos de orden alto (3), aquellos que se propagan cerca del ángulo crítico θc, dado por θc=sen-1(n2/n1); modos de orden bajo (4), aquellos que hacen un ángulo de inclinación débil con el eje de la fibra, y modo de orden cero los rayos paralelos al eje de la fibra, es decir un solo camino óptico (5). La fibra óptica de plástico utilizada en el presente trabajo es de material polimetilmetacrilato (PMMA) de 1 mm de diámetro, donde n1=1.492 y n2=1.402 y de AN=0.5. El diámetro del núcleo es de 0.98 mm y la cubierta tiene un espesor de 10 micrones.

Aplicados en sensores, la fibra óptica puede ser utilizada como elemento pasivo (extrínseco) o como elemento activo (intrínseco) (fig. 2). En

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el primer caso, la fibra es simplemente un canal de luz que transmite la variación de uno o varios parámetros que lo afectan. Tiene la ventaja que puede hacer estas medidas a distancia, en lugares inaccesibles, contaminantes o explosivos. En el segundo caso, los parámetros de propagación de la luz son afectados dentro de la fibra óptica, y las posibilidades son múltiples. Por ejemplo, deformación, curvaturas, torsión, inmersión en líquidos, realizar modificaciones de la estructura geométrica mediante deposición de películas finas, aplicar una fuerza mecánica, doparla con partículas fluorescentes, utilizar el campo evanescente o grabar una red de difracción. De esta forma se pueden diseñar sensores de fibra óptica que sean sensibles a la temperatura, vibración, presión, humedad o a parámetros biológicos.

Las condiciones ideales de propagación de la luz en la fibra óptica son: una fibra recta, sumergida en el aire, estable; interfaces de núcleo/cubierta perfectas; cortes rectos de las interfaces de entrada y salida de la fibra; índice de refracción homogéneo y sin perturbación mecánica exterior. Cualquier modificación a estas condiciones ideales convierte a la fibra óptica en un posible sensor; por supuesto, a condición de caracterizar correctamente la causa que le dio origen. Nosotros mostraremos aquí algunas de estas posibilidades y sus posibles aplicaciones.

Figura 1: (a) Estructura de una fibra óptica. (b) Diferentes tipos de rayos propagados en el núcleo de una fibra multimodo, (1) rayos no guiados, (2) rayos radiados por la cubierta, (3) modos de orden alto, (4) modos de orden bajo, y (5) modo de orden cero.

Figura 2: Diferentes posibilidades de utilizar las fibras ópticas como elemento sensor.

Sensores modulados en intensidad

A. Sensor cuasi-distribuido de nivel de líquido

Los sensores de nivel de líquidos se dividen en dos grupos: sensores para medida puntual y sensores para medidas continuas. En el primer grupo, la fibra es utilizada como dispositivo transductor o como canal de transmisión de la señal óptica. En estos casos, una sección de la fibra es preparada (con curvaturas, pulido lateral o deposición de películas) para detectar las variaciones de intensidad óptica de acuerdo a los cambios en el índice de refracción que rodea el medio, o utilizando fibras con dispositivo adicional (lente o prisma) unido en la extremidad con el objetivo de modificar las condiciones de propagación de la luz ante la presencia o ausencia de líquido. Todos estos métodos necesitan sofisticados montajes ópticos y componentes adicionales, así como un tratamiento específico de la señal para deducir el nivel de líquido. Un sensor de nivel de líquido basado en los cambios de transmitancia de la luz en la fibra multimodo con varios puntos de medida creados por pulidos lateral ha sido presentado en la referencia [5]. La ventaja de esta solución propuesta reside en su fácil fabricación. El pulido lateral genera una superficie elíptica sobre una fibra curvada donde parte del núcleo es eliminada. La medida puntual es distribuida a lo largo de una fibra en forma de espira de N vueltas. Un cambio en el índice de refracción con el medio en contacto

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produce variaciones de la transmitancia. Estos cambios son detectados en la extremidad de salida de la fibra en forma de variaciones de intensidad. El pulido lateral produce pérdidas moderadas, por lo que se pueden crear varios puntos de medida con una única fibra. A continuación presentamos el funcionamiento, la construcción y los resultados experimentales.

El principio de funcionamiento sobre una vuelta completa se muestra en la figura 3. El pulido lateral es realizado con la finalidad de eliminar parte de la protección mecánica, la cubierta y el núcleo de la fibra, y hacer más sensible a los cambios de índice de refracción. Esta región pulida del núcleo de la fibra, de superficie elíptica, está en contacto con el medio exterior de índice no. La superficie elíptica, de varios milímetros cuadrados, es suficiente para generar una señal cuando el índice de refracción de este medio cambia. Así, cuando los rayos propagados en la fibra recta encuentran la región curvada, cambian sus condiciones de propagación, por lo que algunos rayos se refractarán por la cubierta en la zona de transición, lugar donde se producen las pérdidas más importantes, pero los rayos que continúan propagándose en la curvatura encuentran la interface núcleo-medio exterior (n1/no), que es muy sensible, por lo que puede producirse unas pérdidas suplementarias si el índice inicialmente del aire (no=1) es remplazado por el agua (no=1,33).

La medida cuasi-distribuida de nivel de líquido es obtenida puntualmente en cada vuelta de la fibra en forma de espiral dispuesta alrededor de un tubo cilíndrico emplazado verticalmente en un tanque. El esquema del montaje es mostrado en la figura 4. La espira de fibra óptica es construida sobre un tubo cilíndrico de sección constante y el radio de curvatura es de R=5 mm, por lo que el radio de curvatura de la espira es 5,02 mm y la longitud de una vuelta completa de 31,5 mm. En la primera vuelta y sin pulido, las pérdidas de curvatura de la fibra son de 4,4 decibelios (dB), y cuando se realiza el pulido y se elimina un espesor de ε=0,1 mm se produce unas pérdidas adicionales de 3,1 dB. Con una espira de N=15, se obtienen igual puntos experimentales con unas pérdidas totales de 45,3 dB. La medida experimental se inicia llenando el tanque, afectando el primer punto de medida.

Figura 3: Principio de funcionamiento del transductor de una fibra POF pulida lateralmente para una vuelta completa.

Figura 4: Esquema del sensor de nivel de líquido cuasi distribuido con una fibra en forma de espira de N vueltas.

Los resultados experimentales obtenidos son mostrados en la figura 5. Se puede observar que los cambios en las pérdidas por cada punto de medida son de 0,16 dB. Esta variación es detectada por el fotodiodo ubicado en el extremo de la fibra de salida. La precisión de la medida es dada por el diámetro menor de la elipse formada por el pulido de aproximadamente 0,08 mm. Notamos también que las pérdidas disminuyen a medida que aumentan los puntos sumergidos en agua. Aparentemente, este resultado podría ser contradictorio con la teoría. Esto es, si un rayo proveniente de un medio n1

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incide en la interface n1/no, y si n1>no (aire, no=1), el coeficiente de reflexión de Fresnel disminuye cuando el medio no es reemplazado por el agua (no=1,33), por lo que más rayos son radiados hacia fuera de la fibra y, por tanto, aumentan las pérdidas.

Figura 5: Medida experimental de la atenuación cuando la espira de fibra pulida con 15 puntos de medida es sumergida en un tanque de agua.

La explicación a este efecto es que la cubierta de protección de la fibra tiene un espacio de aire, y que en la zona curvada los rayos radiados por la cubierta y en este espacio de aire llegan a la región pulida y encuentran agua, por lo que los rayos perdidos reingresan dentro del núcleo, produciendo un efecto contrario. Esto ha sido explicado y demostrado en Lomer et al. [6]. El prototipo de sensor demostrado aquí puede ser voluminoso para el rango de medidas realizadas, pero el sistema puede ser construido para tanques de mayor capacidad, donde el tamaño del sensor no es una característica limitante. Para tales aplicaciones, el sensor de bajo costo constituye una solución con una alta resolución. Una solución alternativa puede ser la propuesta en Lomer et al. [6], donde los puntos de medida pueden adaptarse a distancias mucho más grandes.

En el presente sensor se han utilizado las pérdidas por curvatura en la fibra óptica con la finalidad de hacer más sensible a la región de la fibra que actúa como transductor. Las pérdidas dependen del radio de curvatura (R) y aumentan cuando R disminuye. En el caso de un cable de fibra POF de 1 mm de diámetro, las pérdidas son más importantes cuando R<10 mm. Nosotros hemos elegido R=5 mm, que genera 4 dB de pérdidas, pero la sensibilidad ante cambios del medio exterior que lo rodea aumentan. En una fibra recta, los cambios del índice de refracción del medio exterior son débiles e imprecisos si se trata de medir esta influencia comparada con una fibra curvada.

Las pérdidas por curvatura en la fibra se producen por cambios en las condiciones de propagación de la luz cuando pasan de la región recta a la región curvada. Los rayos de luz que se propagan en la región recta de la fibra cumplen las condiciones de RTI. Todos los rayos incidentes en la interface núcleo/cubierta tienen ángulos de incidencia (θ) superiores al ángulo crítico (θc), condición que cambia al pasar a la región curvada. Algunos rayos tendrán un θ≤θc, por lo que dejarán de propagarse por el núcleo y se refractarán hacia la cubierta n2 o en el aire (no), produciéndose las pérdidas. Estas pérdidas son de dos tipos: i) pérdidas de transición, donde se producen las pérdidas más importantes, y ii) pérdidas puras de curvatura, debido al material y la estructura de guiado. Cuándo la curvatura es periódica, tal como la espira de fibra del presente trabajo, con un radio de curvatura constante, las pérdidas más importantes se encuentran en las primeras vueltas, incrementándose lentamente en las siguientes vueltas de la espira de fibra.

El ángulo crítico en la fibra POF utilizada es de θc=70 º. Para hacerla más sensible al medio exterior, además de la curvatura, se elimina parte del núcleo, obteniendo de esta manera una interface de interacción n1/no, donde el ángulo crítico en esta región es de 42 º cuando es el aire, y 63.3 º cuando es el agua. Son estos cambios los que generan la señal del sensor.

Como en una fibra POF de 1 mm se puede propagar entre 2 y 4 millones de modos, los cálculos teóricos se simplifican utilizando los argumentos de la óptica geométrica [7]. Los rayos que pasan de la región recta hacia la región curvada pueden ser calculados utilizando los rayos meridianos, es decir los rayos que al propagarse por RTI pasan por el eje de la fibra. Por lo que cada rayo tendrá una posición en la entrada de la zona curvada, y el nuevo ángulo de incidencia, en la interface superior como inferior de la curvatura, dependerá del radio R y los índices de refracción n1 y n2. Los rayos que llegan a la zona de interacción lo pueden hacer con una o más reflexiones. El cálculo para los rayos no meridianos muestra que su influencia es débil en las pérdidas por curvatura.

Existen otras posibilidades de utilizar las curvaturas de las fibras en sensores. Por ejemplo, se puede

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construir una espira de fibra donde el periodo de las espiras puede ser modulable por efecto de la presión o por la aplicación de una fuerza en posición normal a la sección, similar a un muelle mecánico. Si la sección se mantiene constante, el radio de la espira cambia, por lo tanto cambia también las pérdidas de curvatura por efecto de la fuerza aplicada. Asociando la fuerza aplicada a las pérdidas de curvaturas, se tiene un sensor de este parámetro. Este concepto puede ser aplicado a los sistemas de medida de masa de grandes dimensiones, camiones o vagones de trenes.

B. Sensor de desplazamiento autocompensado utilizando redes de difracción

Desde los años 60 se han reportado numerosos montajes y esquemas de sensores de desplazamiento utilizando fibras ópticas [4]. El desplazamiento es un parámetro de interés básico en la industria. Generalmente, se utilizan dos métodos para medir el desplazamiento: el sensor interferométrico con fibras monomodo o el sensor basado en la modulación de intensidad. En el primer caso, se obtienen medidas con una alta precisión y resolución, pero el proceso de demodulación requiere un tratamiento y acondicionamiento de la señal muy complejo. En el segundo caso, se requiere únicamente la variación de intensidad óptica asociada con el desplazamiento, por lo que el procesado de señal es más simple. Además, el sensor de intensidad puede utilizar fibras ópticas multimodo. Sin embargo, cuando la medida es obtenida directamente de la intensidad, la señal de salida del sensor puede ser afectada por las fluctuaciones de potencia óptica de la fuente de luz, temperatura, curvaturas en la fibra, mezcla de modos y otros factores indeseables. Para resolver estos problemas, se han propuesto varios métodos para compensar la incertidumbre de las medidas experimentales. Por ejemplo, Lagakos propuso un sensor de desplazamiento con dos fibras ópticas, donde una sirve de referencia para compensar las variaciones de la fuente del luz [8]. Con este mismo propósito, Spillman utilizó una red de difracción como componente dispersivo en el sensor de desplazamiento con fibras ópticas [9].

Estudios más recientes se han dedicado a eliminar éste problema. En efecto, Wang y Das reportan el uso de varias longitudes de onda propagadas por la misma fibra [10,11]. En este caso, la luz reflejada

por la superficie reflejante contiene las longitudes de onda que son reinyectadas en la misma fibra y separadas al final por un demultiplexor en longitudes de onda, que luego realiza el cociente entre señales, por lo que la resultante siempre es constante.

Con el objetivo de hacer más simple el sistema de medida y eliminar el demultiplexor, se presenta aquí un sensor de desplazamiento modulado en intensidad utilizando una red de difracción ubicada en un extremo de salida de una fibra multimodo terminada en ángulo inclinado con relación al eje de la fibra [12]. Así, se obtienen dos haces de luz difractados: uno sirve de referencia y otro realiza la medida. El cociente de estas dos señales siempre será constante si se producen variaciones de potencia en la fuente de luz por curvaturas en la fibra o por variación de temperatura en el ambiente. En la figura 6 se muestra el principio de funcionamiento del sensor propuesto. El ángulo de inclinación α y el periodo de la red de difracción son adaptados con la finalidad de obtener únicamente dos órdenes de difracción y con suficiente separación espacial. En esta situación, los rayos transmitidos fuera de la fibra y la red de difracción serán aquellos cuyos ángulos sean inferiores que sen-1(no/n1). Estos rayos tienen un ángulo incidente θi y provienen del lado inferior del eje de la fibra, mientras que los rayos incidentes del lado superior (ángulo γ) son refractados fuera de la fibra y no participan en la difracción. Cuando la fibra termina en ángulo oblicuo, se modifica la apertura numérica, la cantidad de modos transmitidos y se aumenta la superficie de salida. Esto favorece la eficiencia de difracción porque se dispone de menor cantidad de modos y mayor cantidad de periodos sobre la superficie. El ángulo ε es el ángulo del cono de los rayos incidentes que participan en difracción y dependen de α y γ.

En la figura 7 se muestra las curvas de las medidas experimentales realizadas con dos fuentes láseres HeNe, que emiten respectivamente en el rojo (λ=632,8 nm) y el verde (λ=543,5 nm), λ es la longitud de onda. El periodo de la red es de Λ=1,8 μm y el ángulo de inclinado es de α=55º. La potencia óptica de los haces difractados es medida con relación al plano de salida de la red, entre 0 º y 180 º. Se observa bien el efecto de la red y se pueden ver dos órdenes de difracción bien definidos (“0” y “-1”) y un débil tercer orden (“-2”). Estos

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resultados demuestran que es posible obtener la separación espacial de dos órdenes de difracción en unas dimensiones bastante reducidas como son las fibras POF de 1 mm.

Figura 6: Difracción causada por una red de difracción ubicada en el extremo de salida de una fibra inclinada en orden “-1” y orden “0”.

Figura 7: Medida experimental con una red de 1,8 μm de periodo de red de difracción y una fibra POF inclinada con �=55º para dos fuentes láseres de HeNe.

Los resultados coinciden bastante bien con las previsiones teóricas, en cantidad de órdenes, dirección y separación angular. Además, se observa el efecto físico de la red; esto es, que cuando disminuye la longitud de onda aumenta la eficiencia de difracción, como en el caso del orden “-1”.

Una vez demostrada la separación espacial de los órdenes de difracción, utilizamos este principio de funcionamiento en el sensor de desplazamiento, es decir, utilizamos los dos órdenes de difracción. Para el diseño del sensor, se elige adecuadamente el periodo Λ, el ángulo del corte del extremo de la fibra α y la longitud de onda de la fuente λ. El esquema del sensor es mostrado en la figura 8. Está compuesto de tres fibras: una emisora (1) y dos receptoras (2) y (3). La fibra (2) recibe la señal de referencia y la fibra (3) realiza la medida del desplazamiento, ya sea en transmisión o reflexión.

Así, cada orden de difracción es medida por fibras separadas, luego detectadas y tratadas por una unidad optoelectrónica. Por ejemplo, el cociente de ambas señales siempre será constante si existen variaciones en la potencia óptica de la fuente o por efectos de curvaturas de la fibra, ya que el efecto será el mismo en ambas fibras receptoras. Es decir, la señal de salida final se autocompensa y proporciona una medida fiable.

El sensor se ha implementado utilizando una fuente de luz con diodo LED (λ=660 nm). Se han realizado curvaturas en la fibra (1), variado la potencia óptica del LED de hasta el 90%, pero el cociente no ha cambiado [12]. En la figura 9 se muestran estos resultados.

Los datos experimentales son representados en asterisco y corresponden a la dependencia de la potencia relativa con la distancia, P(m=-1)/P(m=0). Este comportamiento puede expresarse como una dependencia de la inversa de la distancia al cuadrado, donde se incluye un término lineal para permitir un origen arbitrario, que a través del ajuste por mínimos cuadrados representa el ajuste teórico. Esta es representada por la línea continua en la figura 9. Las dos curvas, teórica y experimental, se confunden sobre el rango de medida.

Si el sensor trabaja en transmisión, el rango de distancia es de 4 a 14 mm. Distancias inferiores a 4 mm no pueden ser medidas debido a la imposibilidad de resolver espacialmente los órdenes de difracción. Pero esto no es un problema porque se puede fijar arbitrariamente la posición cero del desplazamiento.

Las medidas experimentales de cada orden de difracción son realizadas a través de las fibras (2) y (3) y luego trazadas en la curva. Pero esta operación puede realizarse íntegramente mediante una unidad optoelectrónica que hace el tratamiento de señal y la acondiciona para la lectura en una pantalla. Otra posibilidad demostrada en Lomer et al (2004) [12], es que las fuentes de luz a base de diodos LEDs, rojo (λ=660 nm) y azul (λ=470 nm), inyectados en la misma fibra son separados con una buena resolución angular y espacial. En este caso se utilizaría el orden cero de ambos haces de luz difractados por el dispositivo para realizar la función de autocompensación.

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El corte en ángulo oblicuo de la fibra POF ha sido por pulido mecánico y las redes de difracción utilizadas han sido en película fina y adherida a la superficie de la fibra. Actualmente, tanto el corte como las redes de difracción pueden realizarse simultáneamente con tecnología del láser femto-segundo [13], donde el ángulo del corte y el periodo de la red pueden ser de alta precisión.

Figura 8: Esquema del sensor de desplazamiento. La fibra (1) es la fibra emisora, y dos fibras receptoras, la fibra (2) es de referencia y la fibra (3) de medida.

Figura 9: Potencia relativa del orden -1 con relación al orden 0. La curva en asterisco corresponde a los datos experimentales y la línea sólida al ajuste.

Perspectiva de los sensores de fibra

Hemos presentado aquí dos ejemplos de sensores de fibra óptica modulados en intensidad, pero esto no es más que una pequeña parte de todas las posibilidades que nos ofrece esta técnica. También están las otras técnicas de modulación, muy interesantes de acuerdo al dominio de aplicación, donde el tema económico no es una limitación sino la función a realizar. En los últimos 30 años se han

realizado importantes esfuerzos de investigación, las demostraciones de laboratorio han pasado a la producción industrial, y se puede decir que es una tecnología emergente con mucho futuro, con posibilidades de resolver nuevos problemas. Por ejemplo, las cifras de negocios de sensores de fibra óptica han pasado de menos de 100 millones de dólares en el año 2000, a ser en la actualidad más de 1000 millones de dólares en el año 2010. Los dominios de aplicación se han multiplicado, y se proponen soluciones en bio-medicina, ingeniería civil, agricultura, o sistemas embarcados.

Los sensores modulados en intensidad son más simples y versátiles para adaptarse a las cadenas de producción industrial, lugares donde se trata de controlar la posición, presión, distancia, o desplazamiento. Los rangos dinámicos van desde los milímetros hasta los metros y la precisión y la resolución son del orden del mm. En cambio, cuando se trata de detectar y controlar los mismos parámetros de dimensiones micrométricas, es necesario recurrir a la modulación de fase de la onda luminosa utilizando montajes interferométricos y fibras ópticas monomodo. En este caso predomina la precisión, exactitud y resolución de la medida, y la importancia del sistema a medir, como es el caso de realizar un sensado en las turbinas de una central hidroeléctrica para detectar desgaste de las palas. Otra posibilidad que ofrecen las fibras ópticas es que se pueden grabar redes de Bragg en el núcleo, en tramos separados y a lo largo de la fibra. Estos son muy sensibles a la temperatura, vibración, presión, etc., y por tanto muy útiles para detectar vibraciones y desplazamientos en puentes, edificios o túneles.

Como esta tecnología de sensores utiliza la misma plataforma que las comunicaciones sobre fibras ópticas, es posible diseñar redes de sensores capaces de realizar mediciones, en diferentes puntos y de diferentes parámetros, en un proceso de producción industrial. Además, monitoreados a distancia dentro de una red área local. Para estos casos existen soluciones de sensado distribuido o multiplexados en longitud de onda. Ejemplo de implementación se pueden ver en la industria automotor. Los automóviles modernos tienen una red local de comunicación con fibras ópticas donde integran sensores de presencia, temperatura, nivel,

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control de iluminación y sistema multimedia. Esto ha permitido mejorar la seguridad y el confort.

La tecnología de sensores de fibra óptica puede ser muy útil en la concepción de instrumentación de uso específico para la industria, que es un sector poco explotado. Pueden pasar de prototipos de laboratorio a diseños más robustos.

CONCLUSIONES

Se han presentado los sensores de fibra óptica modulados en intensidad. La intensidad óptica es un parámetro que puede medirse fácilmente cuando la luz transmitida por una fibra óptica es transformada en señal eléctrica mediante el fotodetector. Se han mostrado dos sensores basados en esta técnica. Los principios de funcionamiento utilizando fibras ópticas multimodo han sido pérdidas suplementarias por pulido lateral y la eliminación de una porción del núcleo de una fibra curvada, distribuida en forma de espiral sobre un tubo sólido; y la separación espacial de un haz de luz mediante una red de difracción ubicada en el extremo de salida de una fibra para medir desplazamiento. Las ventajas excepcionales de las fibras ópticas plásticas (flexibilidad, fácil manipulación, gran diámetro,…) y una unidad optoelectrónica simple de tratamiento de señal, hacen que los sensores propuestos sean soluciones de bajo costo, de gran fiabilidad y muy competitivos. Pueden asociarse, además de la modulación de intensidad, otros efectos y fenómenos ópticos (Moiré, speakle, interferencia, etc.) y/o deposiciones de películas ultrafinas sobre las fibras ópticas para obtener la resonancia plasmón de superficie (SPR), para explotar otras posibilidades de sensado óptico de parámetros químicos o biológicos. Pueden ser empotrados y muy útiles en la ingeniería civil (edificios y puentes), en los sistemas embarcados (barcos, aviones, automóviles), o en los sistemas industriales.

Se ha presentado someramente las perspectivas que ofrece esta nueva tecnología que puede beneficiar a diferentes campos de la investigación y de la industria. En fin, el futuro de los sensores de fibra

óptica en muy prometedor y de largo alcance, por lo que se debe introducir dentro de los programas curriculares de la formación del futuro profesional universitario de ciencias e ingeniería.

REFERENCIAS

[1] C. K. Kao et al., Dielectric fiber surface waveguides for optical frequencies,” Proc. Inst. Elect. Eng., 113 (1966) 1151.

[2] E. Udd, “Fiber Optic Sensors” ,Wiley, New York, 1991.

[3] B. Culshaw and J.P. Dakin, Eds. “Optical Fiber Sensor”, Vol. 1-4 , Artech House, London, 1997.

[4] J. M. Lopez Higuera, Ed. “Handbook of optical fibre sensing technology”, Wiley, New York, 2002.

[5] M. Lomer et al., A quasi-distributed level sensor based on a bent side-polished plastic optical fibre cable, Meas. Sci. Technol, 18 (2007) 2261–2267.

[6] M. Lomer et al., Lateral polishing of bends in plastic optical fibres applied to a multipoint liquid-level measurement sensor, Sensors and Actuators A 137 (2007) 68–73.

[7] A. W. Snyder and J.D. Love, “Optical Waveguide Theory”, Chapman & Hall, London, 1996 (Reprinted).

[8] N. Lagakos et al., Multimode optical fiber displacement sensor, Applied Optics, 20 (1981) 167-168.

[9] W. J. Spillman, Multimode fiber-optic hydrophone based on a schlieren technique, Applied Optics, 20 (1981) 465-470.

[10] A. Wang et al., Self-referenced fibre optic sensor for microdisplacement measurement, Opt. Eng. 34 (1995) 240–242.

[11] K. Das et al., Fibre-optic microdisplacement sensor based on diffraction grating, Microwave Opt. Technol. Lett. 32 (2002) 446–9.

[12] M. Lomer et al., Principle of functioning of a self-compensated fibre-optical displacement sensor based on diffraction-grating-ended POF, Meas. Sci. Technol. 15 (2004) 1474–1478.

[13] J. Ye and S.T. Cundiff, “Femtosecond optical frequency comb technology” (Springer, Boston 2005).

E-mail: lomerm@unican.es