Fibras ópticas microestructuradas estrechadas para fabricar sensores David Monzón Hernández 1 Vladimir P. Minkovich 2 1. Introducción Para la mayoría de las personas el término fibras ópticas es familiar y conocido; sin embargo, son pocos los que pueden hacerse una imagen mental 1 Investigador Nacional Nivel I, es doctor en Ciencias por el CIO. Trabaja en el Departamento de Fibras Ópticas. dmonzon@cio.mx 2 Es doctor en Sistemas de Comunicación, Elaboración e Información de Óptica por el Instituto de Electrónica de Academia Nacional de Ciencia de Bielorrusia. Es miembro del S.N.I., Nivel I. Trabaja en el Departamento de Fibras Ópticas. vladimir@cio.mx adecuada de ellas y muchos menos los que pueden describir con mas o menos rigurosidad cómo una fibra óptica puede conducir la luz. Existe también una tendencia generalizada de asociar las fibras ópticas a las comunicaciones, mas precisamente con la conexión cotidiana al internet. Pero el área de influencia de esta tecnología es mucho más amplia, se extiende rápidamente a campos tan diversos como la medicina, la aeronavegación, la ingeniería civil, el monitoreo ambiental, los procesos de producción, la industria automotriz o las comunicaciones inalámbricas, por mencionar sólo algunas de las más comunes [Harding, W. (2005), Fiber optics sensor, spie oemagazine, Nov/Dic 11, Wolbeis]. Esta diversificación se ha logrado, principalmente, gracias a la investigación básica que se realiza en este campo de manera continua en todo el mundo, de la que han salido importantes desarrollos que nos han enseñado que las fibras ópticas son algo más que los eficientes conductores de la luz que revolucionaron las telecomunicaciones. Ahora también sabemos que: con las fibras ópticas podemos construir láseres para que produzcan un haz de luz de manera continua (CW, continuous wave) 421
o para que lo hagan solamente durante una fracción de segundo cada determinado tiempo. Se pueden hacer láseres de fibra óptica que generen luz visible, ultravioleta o infrarroja, para que emitan unas pocas milésimas de un Watt o para que produzcan millones, con cuya energía es posible cortar el acero. Una de las principales ventajas de los láseres de fibra óptica es que la gran mayoría son compactos y ligeros, por lo cual son fácilmente transportables. También hemos empezado a utilizar sistemas de fibra óptica para medir, detectar o controlar durante algún proceso, diversos parámetros físicos (temperatura, presión, tensión, humedad, etc.), químicos (acidez, ph, oxidación, etc.) o biológicos (reacciones cuerpo-anticuerpo, manipulación celular, cauterización, etc.). Investigaciones recientes han demostrado que para guiar la luz dentro de una fibra óptica no es indispensable que las dos partes que la componen (núcleo y revestimiento) sean sólidas [Russel, P.St.J., (2003) Photonic crystal fibers, Science, 299, 358.], es decir, podemos tener un hueco al centro (lleno de aire o de algún otro fluido) que haga la función de núcleo, o tener un arreglo periódico de agujeros en el revestimiento a lo largo de toda la fibra. Este tipo de fibras ópticas se conocen como fibras ópticas de cristal fotónico o también, fibras ópticas micro-estructuradas (FOM). Este novedoso diseño en las fibras ópticas ha mejorado significativamente las condiciones de propagación de la luz, abriendo un campo de investigación más prometedor y excitante, si eso es posible, del que la fibra óptica convencional nos ha proporcionado durante los últimos 30 años. En el Centro de Investigaciones en Óptica, fundado en Abril de 1980, el departamento de Fibras Ópticas está conformado por 10 investigadores y 8 estudiantes de postgrado que trabajan en tres líneas de investigación principalmente, fabricación de fibras ópticas micro-estructuradas (FOM), construcción de láseres y fabricación de dispositivos y sensores de fibra óptica. De entre los proyectos vigentes actualmente en nuestro departamento hemos elegido escribir sobre un dispositivo fabricado con fibra óptica micro-estructurada, producida también en nuestras instalaciones, que puede servir de base para el monitoreo de tres parámetros fundamentales: esfuerzos longitudinales, 422
alta temperatura e índice de refracción en líquidos. La organización de este escrito se ha hecho de la siguiente manera, en primer lugar hemos de discutir la estructura de una fibra óptica convencional, para después poder expresar las diferencias básicas entre ésta y una fibra óptica micro-estructurada. En la siguiente sección hablaremos sobre los sensores de fibra óptica en donde describiremos el procedimiento que hemos desarrollado para sensibilizar una FOM y finalmente detallaremos algunas de sus aplicaciones más inmediatas como sensor. 2. Diferencias entre una fibra óptica convencional y una micro-estructurada Una fibra óptica es un hilo de vidrio muy fino, más delgado aún que el grueso de un cabello humano promedio, que puede conducir eficientemente la luz. Si observamos, con ayuda de un microscopio, el extremo de una fibra óptica descubriremos que tiene una estructura cilíndrica y que el diámetro de la circunferencia de la sección transversal es de apenas 125 micrómetros (μm, 1x10-6 m), como se observa en la figura 1(a). Observando esta imagen podemos tener la impresión de que la fibra óptica está hecha de un vidrio únicamente. Sin embargo, si analizamos transversalmente la composición química de una fibra óptica, partiendo de un punto situado en el extremo del cilindro y desplazándonos hacia el centro, observaremos que a 4.5 μm del centro, aproximadamente, la composición cambia. Esto quiere decir que la fibra está formada por dos vidrios distintos, en el centro hay un cilindro interior de 9 μm de diámetro y un índice de refracción 3 n 1 y alrededor de este hay otro vidrio con un índice de refracción diferente que llamaremos n 2. La diferencia de índices es muy pequeña, menor al 0.01%. La frontera generada por el cambio de índice de refracción da lugar a dos cilindros concéntricos, en donde el cilindro central se conoce como núcleo y el que lo circunda revestimiento. Todas las fibras ópticas convencionales presentan una estructura similar, aunque las dimensiones del núcleo pueden variar 3 El índice de refracción, n, de un material es la razón entre la velocidad de la luz en el vacío, c, y su velocidad en el medio, v. 423
de 4 a 100 μm. La luz viaja por el núcleo de la fibra óptica, sin penetrar al revestimiento gracias a un fenómeno conocido como reflexión total interna. Una condición para que este fenómeno ocurra es que la luz se debe propagar por el material con mayor índice de refracción, esto quiere decir que n 1 >n 2. Además, la dirección de propagación de la luz debe de tener una desviación mínima respecto del eje localizado en el centro del núcleo de la fibra óptica. En contraste con las fibras ópticas convencionales, de núcleo y revestimiento sólido, actualmente se están desarrollando variantes, como la estructura de panal que se muestra en la figura 1(b), conocidas como fibra óptica micro-estructurada, en las que se combinan zonas sólidas de vidrio con agujeros o canales de aire dispuestos en un arreglo de anillos concéntricos. Estos canales están a todo lo largo de la fibra óptica, de manera natural delimitan una región sólida en el centro que hará las funciones de núcleo. La presencia de regiones de vidrio y aire en el revestimiento produce una disminución en el índice de refracción efectivo respecto al del núcleo. Estas condiciones aseguran la conducción de la luz por la región central de la fibra óptica. Las dimensiones del núcleo, la separación y el diámetro de los agujeros son parámetros importantes que influyen fuertemente en las características de las fibras ópticas micro-estructuradas. En la actualidad se trabaja con varios diseños de este tipo de fibras ópticas alrededor del mundo, pero la cantidad de posibles diseños que se pueden generar son enormes. El diámetro exterior de estas fibras ópticas también está alrededor de los 125 μm. (a) b) Figura 1 Imágenes tomadas con un microscopio óptico donde se muestra (a) una fibra óptica convencional y (b) una fibra óptica micro-estructurada fabricada en el CIO. El diámetro exterior en ambos casos es 125 μm, 424
Todas las tecnologías nuevas, generan especulaciones respecto a sus posibles aplicaciones. Sobre las fibras ópticas micro-estructuradas se dice que podrán conducir potencias ópticas mayores, es decir que servirán para construir láseres de fibra óptica más potentes. Se ha probado experimentalmente que puede incrementar considerablemente el rango espectral de las señales que pueden transmitir, con lo que se espera construir fuentes de luz blanca con buena eficiencia. También se ha pensado que los canales de aire de estas fibras ópticas pueden servir como tubos de ensaye de tamaño micrométrico en donde se llevarían a cabo pruebas para determinar la composición de una sustancia, química o biológica, solamente con llenar los agujeros y hacer pasar a través de la fibra óptica un haz de luz. En realidad muchas son solo hipótesis que tendrán que ser probadas o desechadas mediante un procedimiento científico riguroso, como se ha hecho desde siempre con muchas otras tecnologías. 3. Las fibras ópticas son instrumentos excepcionales en metrología La búsqueda de un canal de comunicación eficiente fue la principal motivación para el desarrollo de las fibras ópticas. Sin embargo, al poco tiempo se comenzó a experimentar con la idea de utilizarlas como instrumento de medición de algunos parámetros físicos, es decir para construir sistemas sensores. En términos generales un sistema sensor es aquel que en presencia de una perturbación externa genera una señal de salida proporcional, comúnmente eléctrica, que nos permite medir la magnitud de la perturbación. Una parte importante de un sistema sensor es el transductor, que tiene la función de transformar la perturbación externa en una señal más sencilla de medir. Existe una gran variedad de sensores, pero aquellos que utilizan fibra óptica tienen características únicas porque son compactos, ligeros, se pueden hacer mediciones remotas, son inmunes a la perturbación de campos electromagnéticos, entre muchas otras virtudes. Estas cualidades las hacen ideales para monitorear, por ejemplo, 425
altos voltaje y altas corrientes eléctricas porque las fibras ópticas son inmunes a la influencia de los campos electromagnéticos que acompañan las líneas de alta tensión, que por el contrario afectan fuertemente a los sensores electrónicos que son la principal competencia de los sensores de fibra óptica. Otra aplicación en la que las fibras ópticas van ganando terreno es la detección de sustancias inflamables o explosivas. La razón es muy simple: seguridad. Las fibras ópticas conducen luz, no conducen electrones, por lo tanto la posibilidad de que ocurra un corto circuito que produzca una chispa es nula [ O. S., Fiber-optic Chemical sensors and biosensors, (2004), Analytical Chemistry 76, 3279-32-84, Grattan, K. Y. V., & Meggitt, B. T., (2000), Optical fiber sensors Tecnology, Kluwer Academia Publishers, Giallorenzi, T. G., Búcaro, J. A., Dandridge, A., Siegel, G. H., Cole, J. H., Rashleigh, S. G., Priest, R. G., (1982), Optical fiber sensor Technology, IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-18, 626]. La idea de utilizar la luz como un medio para medir algún tipo de parámetro o perturbación no es nueva, se ha utilizado desde hace bastante tiempo y con mucho éxito. En la actualidad muchos de los instrumentos metrológicos más exactos se basan en mediciones ópticas. Al incorporar las fibras ópticas en un sistema de medición lo que se logra es hacer medidas más seguras, en espacios reducidos de difícil acceso, construir sistemas compactos y portátiles. En un sensor de fibra óptica la perturbación externa produce cambios en al menos uno de los cuatro parámetros de la luz: intensidad, longitud de onda, fase y polarización. Los cambios son analizados para determinar la magnitud de la perturbación. Es posible perturbar la luz al actuar directamente sobre la fibra óptica, pero también es común que la fibra se utilice únicamente para llevar y traer la luz de la zona de influencia de la perturbación. En la figura 2(a) y (b) se muestran dos esquemas sencillos de un sensor de fibra óptica en donde se ejemplifican las dos situaciones y se muestran los elementos mínimos de un sistema sensor. En la figura 2(a) la fibra óptica de la derecha tiene la función de llevar la luz de la fuente a la zona de interacción con la perturbación. Mientras que la fibra de la izquierda sirve para colectar la luz que lleva codificada la información de la perturbación hacia un 426
instrumento de medición. En el esquema de la figura 2(b), la presión sobre la fibra óptica produce micro-deformaciones en su estructura, que inducen pérdidas de luz en la fibra óptica. Conforme la presión aumenta mas luz se escapa de la fibra óptica. En el otro extremo la intensidad de la luz que mide el detector está directamente relacionada con la presión que se ejerce sobre la fibra óptica. Estos dos esquemas tan sencillos tienen muchas limitaciones, por lo que se ha buscado técnicas alternativas para producir sensores que además de sencillos sean eficientes y sobre todo sensibles. En los esquemas de la figura 2(a) y (b) podemos distinguir los elementos básicos que componen un sensor de fibra óptica elemental. En primer lugar tenemos una fuente de luz. La variedad de fuentes con la que ahora contamos es extensa, fuentes de luz blanca, láseres y diodo emisor de luz o LED que emiten de manera continua o pulsada, con diferentes longitudes de onda y potencia de emisión. Hemos de elegir aquella que se ajuste mejor a la técnica de detección empleada, a las características de la variable a medir, o incluso de los recursos económicos disponibles. La fibra óptica está conectada a la fuente de luz porque es básicamente la que lleva la señal a la zona de interacción con la perturbación y de ahí al sistema de detección. El transductor puede estar integrado o no a la fibra óptica. Pero es muy conveniente que lo esté porque de esta manera no hay necesidad de sacar la luz de la fibra óptica. La perturbación actúa directamente sobre el transductor y produce un cambio en sus propiedades que a su vez son transmitidas a la luz que conduce la fibra óptica. 427
Fibras ópticas Lentes Fuente de luz Detector Perturbación (a) Fibras ópticas Fuente de luz Detector Perturbación (b) Figura 2. Representación de dos sensores de fibra óptica (a) se utiliza un transductor externo y (b) la fibra óptica hace la labor tanto de transductor como de canal de comunicación. 428
El transductor es básicamente un enlace entre la señal que queremos medir y la luz con la que mediremos. Del otro lado del sistema está el detector que se elegirá en concordancia con la fuente de luz, el parámetro de la luz que hayamos modificado y también de nuestra economía. El sistema de detección puede ser tan simple y barato como un fotodetector conectado a un multímetro o tan complicado y costoso como un analizador del estado de polarización de la luz. En el sistema de detección lo que se hará será analizar la señal transmitida por la fibra óptica una vez que haya pasado por la zona de perturbación y se relacionará esta medición con la magnitud de la variable perturbadora desconocida. Este es el procedimiento de caracterización del sensor que se lleva a cabo en un laboratorio bajo condiciones controladas, comúnmente requiere de un procesamiento de la señal que incluye el uso de modelos matemáticos. Al final, después de la caracterización el sistema entrega al usuario una cantidad que índica la magnitud de la variable de interés. Como se mencionó anteriormente una ventaja de los sensores de fibra óptica es que la señal que lleva la información está protegida en el núcleo de la fibra óptica. Es deseable mantener la luz dentro del núcleo la mayor parte del proceso hasta llegar al detector. Pero esto representa un problema para la construcción de un sensor porque las fibras ópticas fueron diseñadas precisamente para ser insensibles a los cambios externos. Esto quiere decir que se debe sensibilizar la fibra óptica en al menos una pequeña porción de su longitud modificando al mínimo sus propiedades. Existen ya algunos procedimientos exitosos que hacen sensibles a las fibras ópticas, es decir que nos permiten modificar alguno o algunos de los parámetros de la luz, simplemente perturbando la fibra óptica. Algunos procedimientos que se han explotado durante los últimos diez años para sensibilizar una fibra óptica consisten en cambiar su geometría para generar una zona en la que se puede interactuar con la luz y modificar sus parámetros. El procedimiento más sencillo y repetible, es el adelgazamiento o estrechamiento de la fibra óptica, que consiste en calentar una pequeña zona hasta suavizar el vidrio y al mismo tiempo tirar de los extremos de manera 429
delicada y controlada [Birks, T. A. and Li, Y. W., (1991), The shape of fiber tapers, Journal of Lightwave Technology, 10, 432]. En nuestro caso hemos utilizado un sistema no comercial que utiliza la flama de un micro-soplete, producto de la combustión de una mezcla de oxígeno y butano, para calentar una pequeña sección de la fibra óptica [Villatoro, J., Monzón- Hernández, D., y Mejía, B., (2003), Fabrication and modeling of uniformwaist single-mode tapered optical fiber sensors, Applied Optics, 42, 2278]. Los extremos de la fibra se colocan sobre dos monturas que se desplazan lateralmente en sentido contrario. El constante calentamiento de la fibra, suaviza el vidrio, pero no cambia la estructura de la fibra óptica, y mediante el movimiento controlado y lento de las monturas se logra que la fibra óptica se adelgace en la zona de calentamiento. Se puede reducir el diámetro exterior de la fibra óptica de 125 a 1 micra, o incluso mas delgada, obviamente mientras mas delgada mas frágil y difícil de manipular será la fibra óptica. Un reto importante en la fabricación de fibras estrechadas es reducir al mínimo las perdidas de luz generadas por el procedimiento. Conforme las dimensiones de la fibra óptica se reducen parte de la luz empieza a propagarse en la frontera de la fibra óptica, pero la luz no se escapará mientras no haya una perturbación que la obligue a salir. De esta manera tenemos al alcance de la mano la luz, para modificarla, sin tener que romper la fibra óptica. Este procedimiento es totalmente repetible, fácil de automatizar y muy seguro. Existen distintas técnicas para calentar y suavizar el vidrio de una fibra óptica, algunas utilizan la radiación de un láser de CO2, el calor de un arco eléctrico generado por la corriente entre dos electrodos, los más sofisticados emplean el calor de un horno eléctrico miniatura. Las aplicaciones de esta técnica son muchas y se han logrado fabricar y comercializar dispositivos que han revolucionado la misma tecnología de las fibras ópticas y sus beneficiarios directos. Cuando este procedimiento lo utilizamos para estrechar una fibra óptica micro-estructurada obtenemos una estructura como la mostrada en la figura 3(a). En el diagrama podemos distinguir tres zonas, una zona de diámetro mínimo y constante de longitud L 0, en la que se han colapsado los agujeros de aire, y a sus extremos una zona de compresión 430
(izquierda) y una de expansión (derecha), si la luz viaja dentro de la fibra de izquierda a derecha [Minkovich, V. P., Monzón-Hernández, D., Villatoro, J., Sotsky, A. B., y Sotskya, L. I., (2006), Modeling of holey fiber tapers with selective transmission for sensing applications, Journal of Lightwave Technology, 24, 4319]. Es importante puntualizar que los agujeros los hemos colapsado intencionalmente, el sistema permite estrechar la fibra sin producir este efecto. Cuando la luz pasa a través de la zona de compresión, las condiciones de propagación que permiten el confinamiento de la luz se rompen. Esto da lugar a que la luz se distribuya en dos modos que se propagan en la misma dirección dentro de la fibra óptica. Estos dos modos tienen constantes de propagación distintas por lo que al viajar a lo largo de la zona estrechada dan lugar a un fenómeno conocido como interferencia modal. Al llegar a la zona de expansión, ocurre un acoplamiento de la luz hacia el modo fundamental que se propaga por el núcleo de la fibra óptica. El modo fundamental lleva ahora la información generada por la interferencia de las dos señales. ρ w L 0 Figura 3 (a). Estructura de una fibra estrechada, en la zona central se muestra la zona más delgada, a la derecha la zona de compresión y a la izquierda la zona de expansión. En la zona central hemos colapsado los agujeros de aire. μw y L0 representan el diámetro exterior y la longitud de la zona estrechada. En la figura 3(b) se muestra con línea continua en rojo la distribución en longitud de onda de la señal que hemos inyectado en la fibra óptica. Con línea punteada en negro observamos el resultado de la interferencia después de que la luz pasó por la zona estrechada. La interferencia de los dos modos genera un patrón en donde podemos observar que el estrechamiento inhibe la propagación de algunas longitudes de onda mientras que favorece otras. Este comportamiento es muy conveniente porque nos genera una huella única para cada fibra estrechada. El número y grosor de los picos de interferencia depende del diámetro final de la fibra óptica. Mientras más delgada 431
sea la zona estrechada se tendrán más picos y serán delgados. Longitud de onda (nm) 1440 1480 1520 1560 1600 1640 0.9 1 0.6 Transmisión 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1440 1470 1500 1530 1560 1590 1620 Longitud de onda (nm) Figura 3 (b). Espectro de transmisión de un LED (línea roja continua) después de viajar dentro de una fibra óptica micro-estructurada adelgazada a 30 micrómetros. Una característica importante de estas fibras ópticas estrechadas es que podemos modificar la posición de los picos de interferencia si modificamos la longitud, la temperatura o el material que circunda la zona estrechada de la fibra óptica. Por ejemplo, cuando estiramos la fibra óptica cambiamos las constantes de propagación de los dos modos de tal manera que la señal de interferencia tendrá una distribución diferente, como lo muestra las líneas punteadas de la figura 3(c). Transmisión 0.3 0.0 0.9 0.6 0.3 0.0 1 1200 1240 1280 1320 1360 Longitud de onda (nm) Figura 3(c). Espectro de transmisión de dos fibras ópticas micro-estructuradas estrechadas tras someterlas a estiramiento Lo mismo ocurre cuando sometemos la fibra óptica a temperaturas altas, arriba de los 100 ºC, observaremos un corrimiento del patrón de interferencia conforme aumenta la temperatura. Para hacer las mediciones se selecciona uno de los picos de interferencia del espectro y se monitorea el desplazamiento que sufre la longitud de onda cuando generamos un cambio en la zona estrechada de la fibra óptica. De esta manera hemos obtenido las gráficas que se muestran en las figuras 3 (d), en donde observamos claramente como es el desplazamiento de la longitud de onda de uno de los picos con respecto a la temperatura externa [Monzón- Hernández, D., Minkovich, P. V., and Villatoro, J., (2006) High-temperature sensing with tapers made of microstructured optical fibers, IEEE 432
Photonics Technology Letters, 18, 511; Minkovich, V. P., Villatoro, Monzón- Hernández, D., Calixto, S., J., Sotsky, A. B., y Sotskya, L. I., (2005), Holey fiber tapers with resonance transmission for high-resolution refractive index sensing, Optics Express, 13, 7609]. Longitud de onda (nm) 1305 1300 1295 1290 Calentamiento Enfriamiento Ajuste lineal de los puntos 200 400 600 800 1000 Temperatura (C) Figura 3(d). Caracterización de la fibra óptica microestructurada estrechada ante cambios de temperatura 4. Conclusiones Las fibras ópticas son dispositivos fotónicos excepcionales, han ayudado y fomentado enormemente al desarrollo de nuevas tecnologías, de las que nos hemos y continuamos beneficiando. Nosotros hemos aprovechado el fenómeno de interferencia modal, que ocurre dentro de la zona estrechada de la fibra óptica para desarrollar un novedoso dispositivo de fibra óptica que puede ser utilizado para medir alguna perturbación externa de manera directa. El procedimiento de fabricación del dispositivo es muy sencillo, repetible, y seguro. Las propiedades como sensor de esfuerzos, alta temperatura, e índice de refracción (que no hemos discutido aquí) pueden ser aprovechadas para desarrollar un gran número de aplicaciones. Agradecimientos Este desarrollo lo hemos realizado completamente en el Centro de Investigaciones en Óptica y gracias al apoyo económico del CONCYTEG y el CONACYT, mediante sus programas de apoyo a la investigación básica. También queremos agradecer al Dr. Donato Luna Moreno y a la Ing. Dalia Martínez Escobar por su colaboración en la revisión de este documento. 433