INMTERFEROMETRO DE FIBRA OPTICA.

Interferómetro de fibra óptica.Un interferómetro compacto y estable que se construye fácilmente sólo con empalmes por fusión.

El espectro de transmisión es sinusoidal y de una sola frecuencia, lo cual indica interferencia predominante entre el modo fundamental del núcleo (7) y un modo de revestimiento (6). Se puede observar un espectro de interferencia regular desde 650 nm hasta 1600 nm con visibilidad de franjas que alcanza el 80%. La separación entre las franjas es inversamente proporcional a la distancia entre los empalmes. Este comportamiento tiene un impacto significativo en dispositivos sensores ópticos y en las comunicaciones y por lo tanto el interferómetro se puede aplicar como sensor de tensión. El dispositivo comprende dos empalmes (5) en una fibra óptica micro-estructurada (1), separadas una longitud (L) a lo largo de la cual se excitan los dos modos referidos, los empalmes (5) determinan dos regiones en las cuales los agujeros de aire (4) se colapsan

Interferómetro de fibra óptica.

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a la fabricación de dispositivos basados en fibra óptica y, más particularmente, a un interferómetro basado en fibras ópticas micro-estructuradas que se puede usar en un elemento sensor aplicable para medir diversos parámetros físicos que se convierten en cambios en la interferencia de salida.

Estado de la técnica

En óptica, los interferómetros fabricados totalmente con fibra óptica son dispositivos importantes puesto que son útiles en diversas aplicaciones; metrología de ultra alta resolución y modulación de la luz son sólo dos ejemplos. Los interferómetros de fibra óptica también pueden ser dispositivos clave en instrumentos modernos tales como giróscopos.

Un número diverso de enfoques se han propuesto para construir interferómetros con fibras ópticas convencionales.

Con la llegada de las denominadas fibras ópticas micro-estructuradas (MOF, del inglés microsctructured optical fibers) se abren muchas otras alternativas para la construcción de interferómetros que pueden ser útiles en amplias áreas de aplicación.

Una fibra óptica microestructurada (MOF), también conocida como fibra de cristal fotónico (PCF, del inglés photonic crystal fiber), es una nueva clase de fibra óptica que tiene una sección transversal microestructurada (normalmente uniforme a lo largo de la longitud de la fibra) a partir de dos o más materiales, más comúnmente con una disposición periódica sobre gran parte de la sección transversal, normalmente como un revestimiento que envuelve un núcleo (o diversos núcleos) donde se confina la luz. De hecho, en la bibliografía se conocen dos tipos de MOF, dependiendo del mecanismo físico responsable del confinamiento y del guiado de la luz óptica. Uno de estos tipos de MOF se caracteriza porque la luz se guía por reflexión total interna (TIR, del inglés total internal reflection). En el caso TIR, el núcleo está hecho de un material de índice de refracción alto rodeado por un revestimiento hecho de una disposición adecuada de regiones de índice de refracción alto y bajo, típicamente un patrón de agujeros microscópicos de aire en el plano transversal a lo largo de toda la longitud de la fibra. Por este motivo, este tipo de MOF se denomina también "fibra agujerada".

A diferencia de las fibras ópticas convencionales, las MOF pueden ser monomodo desde el visible hasta el infrarrojo cercano. Además, se pueden diseñar MOFs con múltiples núcleos o con agujeros de aire de diferentes formas (véase "Photonic Crystal Fibers" de Philip Russell, SCIENCE, vol. 299, pp. 358-362, 17 enero de 2003).

Se han construido nuevos interferómetros modales poniendo en cascada dos rejillas de periodo largo idénticas (véase "Mach-Zehnder interferometer formed in a photonic crystal fiber based on a pair of long-period gratings" de Jong H. Lim et al., OPTICS LETTERS, vol. 29, No. 4, pp. 346-348, 15 Febrero de 2004) o usando una MOF con agujeros de aire de diferentes diámetros (véase "Two-mode photonic crystal fibers" de J. Ju et al., OPTICS EXPRESS, vol. 13, No. 6, pp. 2082-2088, 21 de marzo de 2005). Sin embargo, estos enfoques padecen diversas limitaciones de construcción.

En resumen, los interferómetros Mach-Zehnder basados en un par de rejillas de periodo largo formadas en fibras monomodo convencionales han sido ampliamente estudiados. Sin embargo, a diferencia de las fibras monomodo convencionales, es bastante difícil formar un par de rejillas de periodo largo 3-dB idénticas en una PCF. Mientras que el modo de revestimiento correspondiente a una fibra monomodo está completamente estudiado y comprendido, en una PCF el modo de revestimiento no está bien definido. Aunque la inducción mecánica de dos rejillas de periodo largo idénticas en una PCF con el fin de realizar un interferómetro Mach-Zehnder totalmente de fibra óptica, como proponen Jong H. Lim et al., ayuda a estudiar las propiedades de los modos del revestimiento guiados a lo largo de la PCF, no se consigue tenerlas controladas y hace el comportamiento de guiado modal dependiente restrictivamente de los severos requisitos de construcción del par de rejillas de periodo largo en la PCF.

Respecto de las PCF de dos modos descritas por J. Ju et al., estas fibras se caracterizan por: requerir condiciones críticas de inyección y polarización de la fuente de luz a la fibra, inestabilidad y fuerte dependencia de la temperatura (como se demuestra en "Temperature sensitivity of a two-mode photonic crystal fiber interferometric sensor", J. Jian et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 18, No. 20, pp. 2168-2170, 15 de octubre de 2006). Además de estas restricciones, la excitación de los dos modos es posible exclusivamente una PCF construida bajo parámetros muy específicos: dimensión de agujeros de aire y distancia de separación entre agujeros de aire determinados.

Otra manera de construcción de interferómetros compactos descrita recientemente consiste en combinar la MOF con tecnología de adelgazamiento (como en "Compact modal interferometer built with tapered micro-structured optical fiber" de J. Villatoro et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 18, No. 11, pp. 305-307, 1 de junio de 2006). La fibra se adelgaza al estirarla suavemente mientras una zona de longitud Lo se calienta con un soplete oscilante de alta temperatura. Con este procedimiento de adelgazamiento "lento y caliente", se logra una cintura uniforme de ancho ρ₀ en la MOF adelgazada en la cual los agujeros de aire se colapsan y se transforma así en una región sólida multimodal sin revestimiento. El modo fundamental HE₁₁ de la fibra agujerada se acopla a los modos HE_1m de la fibra sólida. Las zonas de contracción y expansión son equivalentes a los acopladores en un interferómetro Mach-Zehnder de fibra óptica, mientras que los modos de la sección sólida son equivalentes a los brazos. La mejora introducida por esta solución es la posibilidad de ajustar los parámetros geométricos durante la fabricación del dispositivo interferométrico. Sin embargo, la desventaja de este interferómetro es un patrón oscilatorio irregular e impredecible.

Todas estas técnicas y otras más descritas hasta ahora para la fabricación de interferómetros basados en MOF presentan severos retos en términos de complejidad y/o fabricación.

Sumario de la invención

Con la presente invención se pretenden resolver los problemas señalados anteriormente dada la necesidad actual de simplificar la fabricación de dispositivos sensores e interferométricos integrados de fibra usando fibras de cristal fotónico o fibras ópticas micro-estructuradas (MOF).

Un objetivo de la presente invención es conseguir un interferómetro estable mediante empalme por fusión de una fibra óptica micro-estructurada.

De este modo, un aspecto de la presente invención se refiere a un interferómetro de fibra óptica, como se define en la reivindicación 1, que comprende una fibra óptica micro-estructurada monomodo de guiado de índice que tiene sus agujeros de aire colapsados en dos regiones separadas por un fragmento de dicha fibra óptica micro-estructurada a lo largo de la cual se excitan dos modos. Para obtener estas dos regiones, tal fragmento o longitud de la fibra óptica micro-estructurada (MOF) se empalma, con una empalmadora de fusión estándar, con dos fibras ópticas respectivas, que también pueden ser MOF o fibras ópticas convencionales.

Cuando se empalman dos MOF, o una MOF y una fibra óptica convencional, los agujeros de aire del fragmento de MOF se colapsan completamente en las inmediaciones del empalme. El colapso de los agujeros en una región pequeña de la MOF no es un inconveniente serio de los empalmes por fusión, ya que puede introducir mínimas pérdidas cuando se reducen convenientemente (aproximadamente un 50%) el tiempo de calentamiento y la corriente eléctrica del procedimiento convencional de empalme por fusión por descarga eléctrica. El colapso de los agujeros de aire transforma una zona de la MOF en una fibra óptica multimodo sólida. Además, el colapso de los agujeros microscópicos de aire se explota para sellar herméticamente el extremo de las MOF lo cual simplifica su conectorización e incrementa su eficiencia...

1. Interferómetro de fibra óptica que comprende al menos una fibra óptica micro-estructurada (1) de guiado de índice, que a su vez comprende un núcleo sólido (3) rodeado por un revestimiento con al menos cuatro anillos de agujeros de aire (4), que se caracteriza porque comprende dos empalmes (5) de dicha fibra óptica micro-estructurada (1) con respectivas fibras ópticas monomodo (2, 2') y dichos empalmes (5) determinan dos regiones en las cuales los agujeros de aire (4) de la fibra óptica micro-estructurada (1) se colapsan, siendo la separación de centro a centro entre dichas dos regiones una longitud (L) de la fibra óptica micro-estructurada (1) a lo largo de la cual se excitan dos modos electromagnéticos.

2. Interferómetro de fibra óptica según la reivindicación 1, en el cual al menos una de las fibras ópticas monomodo (2, 2') es una fibra óptica micro-estructurada.

3. interferómetro de fibra óptica según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en el que al menos una de las fibras ópticas monomodo (2, 2') es una fibra óptica convencional.

4. Interferómetro de fibra óptica según cualquier reivindicación anterior, en el que los dos modos electromagnéticos excitados son el modo de revestimiento (6) y el modo de núcleo (7).

5. Interferómetro de fibra óptica según cualquier reivindicación anterior, en el que la longitud (L) de la fibra óptica micro-estructurada (1) a lo largo de la cual se excitan los dos modos electromagnéticos es de 10 centímetros o menos.

6. Interferómetro de fibra óptica según cualquier reivindicación anterior, en el que los dos empalmes (5) de la fibra óptica micro-estructurada (1) se realizan mediante una máquina empalmadora de fusión estándar.

7. Interferómetro de fibra óptica según cualquier reivindicación anterior, en el que dicho interferómetro es un interferómetro Mach-Zehnder.

8. Un dispositivo sensor de tensión interferométrico que comprende el interferómetro de fibra óptica definido según cualquier reivindicación anterior y al menos un elemento de movimiento lineal fijado a al menos un punto de dicho interferómetro de fibra óptica para enderezar la fibra óptica micro-estructurada (1) y para la introducción de micro-alargamientos a la longitud (L) de dicha fibra óptica micro-estructurada (1).

9. Procedimiento para la construcción de un interferómetro de fibra óptica, que se caracteriza porque comprende los siguientes pasos:

- cortar una fibra óptica micro-estructurada (1) de guiado de índice, que comprende al menos cuatro anillos de agujeros de aire (4), y dos fibras ópticas monomodo (2, 2')

- empalmar por fusión la fibra óptica micro-estructurada (1) con las dos fibras ópticas monomodo (2, 2'), siendo la separación de centro a centro entre los dos empalmes (5) de dicha fibra óptica micro-estructurada (1) una longitud (L) de 10 centímetros o menos;

- en cada uno de los dos empalmes (5), estrechar los agujeros de aire (4) de dicha fibra óptica micro- estructurada (1) hasta el colapso total de dichos agujeros de aire (4).

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en donde se aplican un tiempo de calentamiento y una corriente eléctrica para el empalmado por fusión de la fibra óptica micro-estructurada (1) los cuales son aproximadamente el 50% del tiempo de calentamiento y de la corriente eléctrica usados convencionalmente para el empalme por fusión de fibras ópticas.