SOMI XVIII Congreso de Instrumentación Ingeniería Óptica JRA1879

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1 SENSOR DE TEMPERATURA UTILIZANDO FIBRA ÓPTICA BIRREFRINGENTE J. Rodríguez-Asomoza, D. Báez-López, A. Valera-Yep. Universidad de las Américas, Puebla (UDLA-P), Departamento de Ingeniería Electrónica. RESUMEN Para muchas aplicaciones, los sensores ideales deben tener ciertas características tales como: peso ligero, dimensiones pequeñas, inmunidad a agentes externos del ambiente como a interferencias electromagnéticas y bajo costo. El objetivo de este trabajo es estudiar un sistema sensor de temperatura a base de fibra óptica que cumpla con las características mencionadas. INTRODUCCION La aplicación principal de fibras ópticas se encuentra en el área de telecomunicaciones. Más de dos décadas de investigación y desarrollo han logrado una tecnología firmemente establecida en la que destaca la gran capacidad de este medio, su baja atenuación, y tamaño pequeño respecto a los cables tradicionales. Por otro lado, también están explotándose los beneficios y ventajas de las fibras ópticas en el campo de los sensores, control e instrumentación. En la actualidad existen numerosas áreas de trabajo donde es indispensable mantener un control de algunos parámetros físicos; tales como: temperatura, presión, caudal, nivel, velocidad, humedad, el ph, etc. Para monitorear estos parámetros físicos, es necesario utilizar sensores que permitan detectar estas variables. El campo de sensores comenzó a extenderse utilizando fibras y componentes que se habían desarrollado para las telecomunicaciones, fibras de baja-atenuación, acopladores, multicanalizadores de longitud de onda, LEDs de alta calidad y fuentes de láseres. En la actualidad, es un campo grande y competitivo para el que se está desarrollando una tecnología específica donde se incluyen fibras especiales (baja birrefringencia, alta birrefringencia, fibras polarizadotas) [1]. 1.- DESARROLLO DEL TRABAJO El método que se utilizó para el desarrollo de este trabajo consiste en utilizar una fibra con núcleo elíptico (birrefringente). En este caso la luz se inyecta polarizada linealmente y viaja a lo largo de la fibra con núcleo elíptico. Esto permite que se formen dos modos de propagación y cualquier modo que cambie su polarización por agentes externos interferirá a la salida de la fibra. A este arreglo se le conoce como interferómetro de polarización. La figura 1 muestra la función del primer polarizador, el cual asegura que la luz inyectada tendrá una polarización específica (en este caso, lineal). Durante el viaje de la luz a través de la fibra birrefringente se conserva la misma polarización. Se determina que los índices de refracción de la fibra sufren variaciones con la temperatura. A la salida del arreglo el segundo polarizador trabaja como analizador, cuyo eje de transmisión es equivalente al del primer polarizador [2-4]. Analizador I o Temperatur Polarización de entrada Polarización de salida I i Figura 1. Interferómetro de polarización.

2 Cuando se somete la fibra sensor de longitud L, a un cambio de temperatura, δt, se producen dos modificaciones: en la longitud de la fibra debido a la variación térmica y en la constante de propagación debido a la dependencia del índice de refracción con la temperatura. En las fibras birrefringentes existe un cambio del SOP como respuesta a las variaciones de temperatura. La intensidad transmitida a través de la fibra en función de la longitud de onda del sistema está dada por la función del arreglo de polarización, la cual está dada por [2]: I = I 1 [ π ( n ne dλ ] + φ0 2 0 sin ) o (1) donde: I 0 = la intensidad de la fuente óptica. n o = índice de refracción ordinario. n e = índice de refracción extraordinario. λ = longitud de onda. d= longitud de la fibra. El término de fase ( φ)?está dado por: Φ i = 2π λ n i L dl dt + dn i L T dt (2) En esta expresión se observa que el cambio de fase depende directamente de las variaciones del índice de refracción en función de la temperatura. La modulación ocurre debido a que la birrefringencia (n o - n e ) es dependiente de la temperatura. La función senoidal en la fórmula implica que la señal de salida varía cíclicamente con la temperatura y la longitud de onda. Un valor típico de variación en la longitud de onda de salida es aproximadamente de 0.15nm/ o C. La gráfica que representa estas variaciones cíclicas se muestra en la figura 2. I Figura T Figura 2. Función de transferencia del interferómetro de polarización en función de la temperatura Arreglo experimental propuesto. La siguiente figura muestra el diagrama a bloques del arreglo experimental montado en el laboratorio, el cual consta de: 1. Fuente de voltaje. 2. Circuito polarizador del laser. 3. Transmisor de luz (laser). 4. de fibra óptica. 5. Fibra birrefringente.

3 6. Planta física. 7. Segundo polarizador a base de fibra óptica. 8. Fotodetector óptico. 9. Osciloscopio. Fuente Circ. polarizador Tx 5 6 Planta física F.O. birrefringente Osciloscopio Rx Figura 3. Arreglo experimental propuesto a bloques. De acuerdo a la teoría, la función de transferencia del arreglo propuesto, corresponde a una función sinusoidal cuadrática. Las mediciones fueron realizadas desde temperatura ambiente hasta valores cercanos a los C. Se observó que la intensidad de luz presenta una respuesta decreciente con el aumento de la temperatura. De acuerdo a la gráfica se comprueba que la respuesta corresponde a la función de intensidad transmitida a través de la fibra en el arreglo de interferómetro de polarización, la cual es una parte del ciclo de la onda senoidal. 2.- RESULTADOS EXPERIMENTALES. Las siguientes figuras muestran el arreglo experimental montado en laboratorio. La figura 4 muestra el circuito polarizador del diodo laser acoplado al polarizador de fibra óptica. Posteriormente, la luz polarizada linealmente, se inyecta al tramo de fibra óptica birrefringente, la cual estará expuesta a las variaciones de temperatura. La figura 5, muestra la planta con la fibra birrefringente y el segundo polarizador, el cual analizará la polarización de la luz saliente. Finalmente, la luz se fotodetecta y se despliega en el osciloscopio. Láser de fibra óptica Figura 4. Circuito de alimentación al laser y polarizador de fibra óptica.

4 Fibra birrefringente Planta física Osciloscopio de salida Fotodetector Figura 5. Arreglo sensor de temperatura, analizador de polarización y medición de intensidad. De acuerdo a la teoría la temperatura provoca efecto en la polarización de la luz que viaja por la fibra traducido en variaciones de intensidad. Al realizar la caracterización del sensor se buscó que el incremento de temperatura fuera gradual y muy pequeña, de esta manera se podría determinar un comportamiento más preciso del sensor. La figura 6 muestra la variación de la intensidad óptica en función de la temperatura. Intensidad (V) T(ºC) Figura 6. Variaciones de intensidad luminosa con respecto al incremento de temperatura. De la figura anterior se puede observar la variación de intensidad registrada en el fotodetector cuando se incrementó la temperatura. La forma que toma la curva representa una parte de la función de transferencia. 3.- CONCLUSIONES Mediante la realización de este trabajo se comprobó que las características de un sensor de fibra óptica de polarización cumplen con los requisitos que generalmente se buscan en un sensor. Los sensores de fibra óptica ofrecen también una versatilidad geométrica, lo cual permite se puedan adecuar a las situaciones necesarias de cada aplicación. El arreglo de polarización se basa como los interferométricos clásicos (Michelson, Mach-Zehnder o Fabry-Perot), debido a que existe un cambio en la fase de la luz que se transmite dentro de la fibra. La longitud necesaria de fibra dependerá de las distancias con las que se trabaje y sólo se requiere de fibra birrefringente en la zona que se somete a cambios de temperatura.

5 4.- BIBLIOGRAFÍA. [1] A. Yariv, Introduction to Optical Electronics, Holt Rinehart & Winston, New York. [2] Cancellieri, G., Single-mode Optical Fiber Measurement: Characterization and Sensing, Artech House, Norwood, [3] T.G. Giallorenzi, J.A. Búcaro, A. Dandridge, G.H. Sigel, J.H. Cole, S.C. Rashleigh y R.C. Priest, Optical fiber sensor technology, IEEE J. Quantum Electrón, [4] Udd, Eric, Fiber optic sensors: An introduction for Engineers and Scientists, John Wiley & Sons, Inc., U.S., Agradecimientos. Trabajo apoyado por los proyectos de CONACyT I A y J Y.