Aparato que comprende:

una fuente de luz (18); y

un sensor óptico (10) que comprende:

un sustrato (12);

por lo menos dos rejillas (14) de Bragg planas definidas dentro de una o más guías de ondas (26) ópticas en el sustrato, presentando cada rejilla de Bragg una respuesta de filtración de longitudes de onda que varía con un índice modal efectivo experimentado por la luz que se propaga en la rejilla de Bragg y que tiene una longitud de onda de Bragg característica diferente a las longitudes de onda de Bragg de las otras rejillas de Bragg; y

una ventana (16) de muestras común superpuesta sobre y asociada a las rejillas de Bragg y dispuesta para recibir una muestra de fluido (58) de tal manera que la presencia de una muestra de fluido afecta al índice modal efectivo experimentado por luz que se propaga en las rejillas de Bragg asociadas y, por lo tanto, modifica la respuesta de filtración de longitudes de onda de las rejillas de Bragg;

estando dispuestas las rejillas de Bragg para recibir luz de la fuente de luz (18), filtrar la luz, y dar salida a la luz filtrada para su detección por parte de un detector óptico de resolución espectral o un detector de potencia óptica;

comprendiendo además el aparato un detector óptico (32) de resolución espectral o un detector de potencia óptica dispuesto para detectar luz reflejada de las rejillas de Bragg, y un procesador que se puede hacer funcionar para recibir resultados de un análisis espectral del detector óptico y para determinar la dispersión de una muestra a partir del mismo

Sensores ópticos de múltiples longitudes de onda.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a unos sensores ópticos basados en rejillas de guías de ondas planas para detectar el índice de refracción de muestras de fluido y parámetros y características relacionados con las mismas.

La medición del índice de refracción óptico de fluidos es importante en campos que incluyen el bioanálisis y la biodetección. Diferentes fluidos, o concentraciones del mismo fluido, tienen índices de refracción diferentes de manera que los fluidos se pueden identificar o diferenciar a partir de mediciones del índice de refracción. El índice de refracción o cambio del índice de refracción de un fluido se puede usar para determinar muchos mensurandos biológicamente importantes tales como concentraciones de proteínas y niveles de glucosa. En otros campos, las mediciones del índice de refracción se usan en aplicaciones tan diversas como el control de procesos y la detección de explosivos [1].

Se conocen varios dispositivos y técnicas para medir el índice de refracción. Los mismos incluyen el refractómetro de tipo Abbe, y sensores basados en la resonancia del plasmón superficial. También se pueden usar guías de ondas ópticas. La presencia de un líquido adyacente a una guía de ondas óptica puede modificar el índice modal efectivo de la luz que se propaga dentro de la guía de ondas. Esta modificación del índice se puede medir usando técnicas que son sensibles a cambios en la longitud del trayecto óptico. Por ejemplo, se han usado estructuras de interferómetros para medir cambios del índice y, por lo tanto, detectar la presencia de proteínas [2].

Una alternativa a la medición interferométrica es el uso de rejillas de guías de ondas ópticas, en las que las propiedades de reflexión de una rejilla, que dependen del índice de refracción, son modificadas por el índice de un líquido en contacto con la guía de ondas. Uno de los primeros dispositivos de este tipo usaba guías de ondas ópticas planas con rejillas de relieves superficiales, en las que la adsorción y la desorción de gas sobre la superficie de la guía de ondas cambiaba el índice de refracción y permitía la detección del gas [3]; se han propuesto otras configuraciones de rejillas planas para sensores ópticos integrados biológicos y químicos [4]. Otros dispositivos basados en rejillas han usado rejillas de Bragg de fibra [5]. Las propuestas han incluido la reducción del espesor de la fibra con ataque químico en húmedo para incrementar la sensibilidad [6], y el uso de rejillas de periodo largo en fibra D, de las que se ha observado que son más sensibles que rejillas en fibra de telecomunicaciones convencional [7], No obstante, el uso de rejillas de fibra requiere un procesado tedioso de la fibra para dejar al descubierto el núcleo de guiado de las ondas al líquido, por ejemplo mediante ataque químico, que resulta difícil de controlar en la geometría de una fibras, o montando la fibra en un bloque y rebajándola por pulido hasta acceder al núcleo. Son preferibles implementaciones de guías de ondas planas ya que típicamente resulta más sencillo obtener acceso al modo óptico de propagación.

Schroeder et al, en A fibre Bragg grating refractometer (Measurement Science and Technology, vol., 12, págs. 757 a 764, 2001), describen un sensor de rejilla de Bragg contenido en una fibra para la medición de índices de refracción en líquidos, que hace uso del pulido lateral de la fibra. En una zona pulida en la que el revestimiento de la fibra se ha eliminado parcialmente, la rejilla queda expuesta a un analito líquido a través de la interacción de campo evanescente del modo de fibra guiado. La longitud de onda de Bragg de la rejilla se obtiene en términos de su dependencia con respecto al índice de refracción del analito. Se puede usar una segunda rejilla situada en una parte no pulida de la fibra para compensar efectos de la temperatura. La sensibilidad se puede modificar aplicando un recubrimiento de índice elevado a la rejilla. Si se requiere medir una amplia gama de índices de refracción de analitos, se sugiere el multiplexado de un conjunto de sensores de diferente sensibilidad.

Veldhuis et al, en An integrated optical Bragg-reflector used as an chemo-optical sensor (Puré and Applied Optics, vol. 7, págs. L23 a L26, 1998), describen el uso de un reflector de Bragg óptico integrado como sensor químico-óptico, que convierte un cambio en la concentración de analito en un cambio del índice de refracción, detectable mediante la detección de un cambio en la longitud de onda reflejada por el reflector de Bragg.

El documento EP 1154269 describe un aparato de diagnóstico por ultrasonidos que tiene múltiples rejillas de Bragg con diferentes longitudes de onda de Bragg características. Se mide la respuesta de las rejillas de Bragg a ondas acústicas.

Sumario de la invención

La invención está definida por el objeto de la reivindicación 1.

Un sensor que incorpora varias rejillas en un único sustrato resulta ventajoso por cuanto se pueden poner en práctica muchas configuraciones de sensor, ofreciendo pruebas simultáneas de múltiples muestras o pruebas bajo diferentes parámetros, con las diferentes longitudes de onda de Bragg proporcionando un elemento espectral para mediciones realizadas con el sensor, que pueden producir información detallada sobre fluidos y permitir la discriminación de diferentes fluidos. Además, el uso de longitudes de onda diferentes permite un acceso exclusivo a las diferentes rejillas simplemente usando luz de una longitud de onda adecuada, de manera que el acoplamiento de luz hacia y fuera de las rejillas y el posterior análisis de la luz detectada pueden resultar muy directos. La salida de luz del sensor se puede usar para medir el índice de refracción y la dispersión, para determinar parámetros relacionados con el índice de refracción, para investigar capas dentro de una muestra de fluido o la distribución espacial del fluido a lo largo de la ventana de la muestra, y/o para identificar tipos de fluido, entre otras aplicaciones. El posicionamiento de las rejillas en un sustrato significa que las mismas disponen de entornos más similares de manera que la salida del sensor queda menos sujeta a errores provocados por perturbaciones, ya que todas las rejillas experimentan perturbaciones de forma equitativa de modo que sus salidas relativas no se ven afectadas. La fabricación y la estructura del sensor pueden ser sencillas; se pueden usar técnicas directas de grabación ultravioleta para definir los componentes del sensor completo en una única etapa de procesado. Las rejillas de guías de ondas planas constituyen una forma particularmente conveniente de proporcionar elementos reflectantes con las respuestas requeridas de filtración de longitudes de onda, ya que las mismas son compactas y robustas, y se pueden fabricar de forma precisa con una gama amplia de respuestas, particularmente por medio de grabación ultravioleta.

En la invención, dicha por lo menos una ventana de muestras está asociada a cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg, de manera que a la totalidad de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg se les puede proporcionar una muestra de fluido. Esto permite que, si se desea, cada rejilla se use para pruebas y medición de fluidos. Dicha por lo menos una ventana de muestras puede comprender una única ventana de muestras compartida por la totalidad de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg de manera que una muestra de fluido recibida por la ventana de muestras influya en el índice modal efectivo de propagación de la luz en la totalidad de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg. De este modo, cada rejilla se usa para hacer indagaciones sobre una única muestra de fluido, de manera que se puede determinar de la forma más sencilla posible información espectral detallada sobre propiedades de los fluidos. Alternativamente, fuera del alcance de la invención, dicha por lo menos una ventana de muestras puede comprender una ventana de muestras independiente asociada a cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg, de manera que a cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg se le puede proporcionar una muestra de fluido independiente. Esto permite considerar simultáneamente varias muestras diferentes, y también puede resultar relevante en casos en los que las dimensiones de la ventana sean significativas, por ejemplo, si las muestras de fluido disponibles son muy pequeñas.

Dichas por lo menos dos rejillas de Bragg pueden comprender uno o más pares de rejillas de Bragg,...

1. Aparato que comprende:

una fuente de luz (18); y

un sensor óptico (10) que comprende:

un sustrato (12);

por lo menos dos rejillas (14) de Bragg planas definidas dentro de una o más guías de ondas (26) ópticas en el sustrato, presentando cada rejilla de Bragg una respuesta de filtración de longitudes de onda que varía con un índice modal efectivo experimentado por la luz que se propaga en la rejilla de Bragg y que tiene una longitud de onda de Bragg característica diferente a las longitudes de onda de Bragg de las otras rejillas de Bragg; y

una ventana (16) de muestras común superpuesta sobre y asociada a las rejillas de Bragg y dispuesta para recibir una muestra de fluido (58) de tal manera que la presencia de una muestra de fluido afecta al índice modal efectivo experimentado por luz que se propaga en las rejillas de Bragg asociadas y, por lo tanto, modifica la respuesta de filtración de longitudes de onda de las rejillas de Bragg;

estando dispuestas las rejillas de Bragg para recibir luz de la fuente de luz (18), filtrar la luz, y dar salida a la luz filtrada para su detección por parte de un detector óptico de resolución espectral o un detector de potencia óptica;

comprendiendo además el aparato un detector óptico (32) de resolución espectral o un detector de potencia óptica dispuesto para detectar luz reflejada de las rejillas de Bragg, y un procesador que se puede hacer funcionar para recibir resultados de un análisis espectral del detector óptico y para determinar la dispersión de una muestra a partir del mismo.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que el sensor óptico comprende además unas rejillas (34) de referencia con el fin de proporcionar por lo menos dos pares de rejillas de Bragg, comprendiendo cada par de rejillas de Bragg una rejilla (14) de detección que tiene una ventana (16) de muestras asociada y una rejilla de referencia, presentando la rejilla de detección y la rejilla de referencia longitudes de onda de Bragg con una separación suficientemente reducida de manera que las rejillas presentan sustancialmente el mismo confinamiento modal.

3. Aparato según la reivindicación 2, en el que, para cada par de rejillas, la rejilla de detección y la rejilla de referencia tienen longitudes de onda de Bragg separadas por una magnitud en el intervalo comprendido entre 2 y 10 nm.

4. Aparato según la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, en el que, para cada par de rejillas, la rejilla de referencia tiene una ventana (36) de muestras asociada, independiente de la ventana de muestras asociada a la rejilla de detección.

5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que, para cada par de rejillas, la rejilla de referencia y la rejilla de detección están definidas en una única guía (26) de ondas.

6. Aparato según la reivindicación 1, en el que dichas por lo menos dos rejillas de Bragg comprenden una pluralidad de rejillas de Bragg divididas en grupos de rejillas de Bragg, presentando las rejillas de Bragg dentro de cada grupo longitudes de onda de Bragg separadas por una primera separación, y presentando cada grupo una longitud de onda de Bragg media separada con respecto a longitudes de onda de Bragg medias de otros grupos por una segunda separación mayor que la primera separación.

7. Aparato según la reivindicación 6, en el que la segunda separación es por lo menos diez veces mayor que la primera separación.

8. Aparato según la reivindicación 6 ó la reivindicación 7, en el que la primera separación está en el intervalo comprendido entre 2 y 10 nm.

9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una o más guías de ondas ópticas están configuradas para una propagación unimodal de la luz.

10. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la ventana de muestras comprende una parte de una capa (56) de revestimiento superpuesta sobre un núcleo (54) de la guía de ondas óptica en la que está definida la rejilla de Bragg asociada, de tal manera que una muestra de fluido (58) recibida por la ventana de muestras está en contacto con la capa de revestimiento.

11. Aparato según la reivindicación 10, en el que el sensor óptico comprende dos o más ventanas de muestras en cada una de las cuales la parte de la capa de revestimiento tiene un espesor diferente.

12. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la ventana de muestras comprende una parte al descubierto de un núcleo (54) de la guía de ondas óptica en la que está definida la rejilla de Bragg asociada, de tal manera que una muestra de fluido (58) recibida por la ventana de muestras está en contacto con el núcleo.

13. Aparato según la reivindicación 12, en el que la parte al descubierto del núcleo tiene un espesor menor que un espesor del núcleo en partes adyacentes de la guía de ondas óptica en la que está definida la rejilla de Bragg asociada.

14. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las rejillas de Bragg que tienen una ventana de muestras asociada están definidas en una guía de ondas óptica que tiene un núcleo que presenta una variación de reducción progresiva en el índice de refracción a lo largo del mismo, para reducir cambios bruscos en el índice modal efectivo en bordes de la ventana de muestras.

15. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la ventana de muestras tiene uno o más bordes (44) que están en ángulo con respecto a una dirección de propagación de la luz en la(s) guía(s) de ondas óptica(s) en la(s) que están definidas las rejillas de Bragg asociadas, para reducir reflexiones de luz que se propaga en las rejillas de Bragg.

16. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una o más guías de ondas ópticas comprenden una o más capas (62) que modifican propiedades de guiado de una o más guías de ondas ópticas.

17. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que la ventana de muestras está provista de una capa superficial de un metal (64) que tiene un plasmón de superficie que se puede modificar por medio de una muestra de fluido que será recibida por la ventana de muestras, provocando la modificación en el plasmón de superficie una modificación del índice modal efectivo de luz que se propaga en las rejillas de Bragg asociadas.

18. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y comprendiendo además el sensor óptico un dispositivo (40) de calentamiento o enfriamiento que se puede hacer funcionar para modificar la temperatura del sustrato de tal manera que cada una de dichas por lo menos dos rejillas de Bragg tiene sustancialmente la misma temperatura.

19. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y comprendiendo además el sensor óptico una o más fuentes (18) de luz que se pueden hacer funcionar para entregar luz a dichas por lo menos dos rejillas de Bragg, de tal manera que cada rejilla de Bragg recibe luz que tiene un ancho de banda espectral que abarca por lo menos parte de su respuesta de filtración de longitudes de onda.

20. Sistema (70) de control de procesos que se puede hacer funcionar con el fin de controlar un aparato para realizar un proceso, que comprende:

un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en el que el detector óptico (32) de resolución espectral se puede hacer funcionar para recibir y realizar un análisis espectral de luz proveniente de dicho por lo menos un sensor óptico y para

generar una o más señales de control para controlar el aparato con el fin de realizar un proceso en respuesta al análisis; y que comprende además

un dispositivo (82) de encaminamiento óptico conectado a dicho por lo menos un sensor óptico (10), la fuente (18, 78) de luz y el detector óptico (32), y que se puede hacer funcionar para recibir luz de la fuente de luz, distribuir la luz hacia dicho por lo menos un sensor óptico, recibir luz obtenida a la salida de dicho por lo menos un sensor óptico tras la reflexión de las rejillas de Bragg del sensor óptico, y entregar la luz de salida al detector óptico.

21. Red de sensores ópticos, que comprende:

un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, y que comprende además

una pluralidad de sensores ópticos (72) de un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19;

un dispositivo (82) de encaminamiento óptico conectado a cada uno de la pluralidad de sensores ópticos y que se puede hacer funcionar para recibir luz de la fuente (18, 78) de luz, distribuir la luz hacia la pluralidad de sensores ópticos, recibir luz obtenida a la salida de la pluralidad de sensores ópticos, tras la reflexión de las rejillas de Bragg de los sensores ópticos y dar salida a la luz recibida para su análisis espectral.

22. Red de sensores ópticos según la reivindicación 22,

en la que la fuente (78) de luz se puede hacer funcionar para generar luz que abarca las respuestas de filtración de longitudes de onda de las rejillas de Bragg de la pluralidad de sensores ópticos y dispuesta para entregar la luz al dispositivo de encaminamiento óptico; y que comprende además:

un detector óptico (80) de resolución espectral dispuesto para recibir luz obtenida a la salida del dispositivo de encaminamiento óptico, y que se puede hacer funcionar para realizar un análisis espectral de la luz.