DISPOSITIVO FOTÓNICO ELÉCTRICAMENTE SINTONIZABLE BASADO EN RESONANCIA ORIGINADA POR MODOS GUIADOS CON PÉRDIDAS.

Dispositivo fotónico eléctricamente sintonizable basado en resonancia originada por modos guiados con pérdidas.

La invención se refiere a un dispositivo fotónico eléctricamente sintonizable, como un filtro o sensor, compuesto de una fibra óptica modificada y recubierto con una película delgada de material absorbente (1) en la longitud de onda de la luz aplicada. La técnica de filtrado está basada en la generación de una o varias resonancias originadas por modos guiados con pérdidas (del inglés lossy mode resonance - LMR). El dispositivo aúna las ventajas de un diseño en fibra óptica, portátil y de pequeño tamaño junto con la ventaja de simplificar el proceso de fabricación del dispositivo por emplear la propia fibra como sustrato.

Dispositivo fotónico eléctricamente sintonizable basado en resonancia originada por modos guiados con pérdidas

SECTOR DE LA TÉCNICA

La siguiente invención se refiere a dispositivos como filtros o sensores eléctricamente sintonizadles de fibra óptica recubiertos con una película delgada de material absorbente. La técnica de filtrado está basada en la generación de una o varias resonancias originadas por modos guiados con pérdidas (del inglés lossy mode resonance - LMR).

ESTADO DE LA TÉCNICA

Los filtros ópticos sintonizadles se emplean habitualmente en sistemas de comunicaciones ópticas y como parte de interrogadores de sensores de fibra óptica. Dependiendo de los requerimientos de comportamiento pueden estar basados en ¡nterferómetros Fabry-Pérot, interferómetros Michelson y redes de Bragg. También se han desarrollado filtros acusto- ópticos y basados en cristal líquido [1-5].

Estos dispositivos fotónicos sintonizadles se pueden clasificar en intrísecos y extrínsecos. Diversos tipos de filtros intrínsecos eléctricamente sintonizables han sido descritos en la literatura, basados en ondas acusto-opticas [6], redes de difracción de Bragg (FBGs por sus siglas en inglés) [7] y redes de difracción largas (LPGs) [8], Estos sistemas requieren la fabricación de una red de Bragg como primer paso y de un actuador que modifique las propiedades físicas de la fibra como un actuador piezoeléctrico (PZT) para cambiar la longitud de la fibra, o una célula peltier para cambiar la temperatura de la fibra.

En otra configuración se ha usado una fibra hueca HCF [9] cuyo interior se ha rellenado con cristal líquido. Mediante campos eléctricos se induce una polarización periódica del cristal líquido que crea una banda de atenuación en el espectro de salida. También se han realizado filtros usando cristal líquido como medio externo a una LPG [10]; mediante cambios de temperatura o de campo eléctrico se varía el índice del medio externo, ajustando de este modo la longitud de onda del filtro.

Otra opción que también se ha empleado para fabricar filtros sintonizables con LPGs es emplear una nanoestructura multicapa sobre la fibra con la que modificar la transmitividad de la fibra. En estos filtros se crea una primera capa de material conductor transparente (ITO) con un espesor muy fino, alrededor de 50 nm, seguido de una capa de polímero electro-óptico y una última capa de oro. La fundón que realizan las capas de ITO y oro es la de servir de contactos eléctricos para aplicar el campo eléctrico sobre la capa de polímero.

Por otro lado, una guía-onda recubierta con una película delgada de material cuya permitividad óptica cumpla ciertas características puede producir resonancias [11-13] del mismo modo que las obtenidas mediante las redes de Bragg.

Si la parte real de la permitividad del recubrimiento es negativa y su valor absoluto es mayor que el valor absoluto de su parte imaginaria y mayor que la parte real de la permitividad del medio que rodea a la película delgada, se produce una resonancia de plasmón superficial (SPR). Mediante el uso de SPRs y cristal líquido también se han realizado filtros sintonizables en la configuración de Kretschmann [14], El principal inconveniente de la configuración de Kretschmann para filtros basados en SPR proviene de su configuración geométrica por la necesidad de incluir un prisma relativamente grande y caro. Además, tales dispositivos requieren un instrumental preciso.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es presentar un nuevo tipo de dispositivo fotónico sintonizable realizado totalmente en fibra óptica, que presenta ventajas constructivas y de comportamiento respecto a los dispositivos basados en redes de Bragg, LPGs y los basados en SPRs. De acuerdo con este objeto, la invención propone un dispositivo fotónico sintonizable de fibra óptica basado en el fenómeno de resonancia por modos con pérdidas, que comprende una fibra óptica con un núcleo guía-onda modificado de manera a formar una zona sensible para acceder al campo evanescente de la luz guiada por la fibra; al menos una primera película de material absorbente y conductor situada en la zona sensible formada por un material con permitividad tal que su parte real es positiva y su valor absoluto es mayor que el valor absoluto de su parte imaginaria y mayor que la parte real de la permitividad de la fibra, una segunda película intermedia de material aislante sensible al campo eléctrico aplicable; una tercera película sobre las dos últimas, de un material conductor que constituye un segundo electrodo y un primer conductor conectado a la primera película y un segundo conductor conectado a la tercera película. El dispositivo

puede funcionar en modo transmisión o reflexión (para lo cual se aplica una capa reflectante a uno de los extremos de la fibra). Preferentemente, la primera película está compuesta por un óxido metálico conductor transparente y la segunda comprende un material polimérico depositado mediante las técnicas de ensamblado capa a capa, Langmuir Blodgett, dip- coating (revestimiento por inmersión), electrospinning (hilado electrónico).

La modificación de la fibra para acceder al campo evanescente se puede realizar mediante la retirada de la cubierta en la zona a cubrir por las películas delgadas o por fusión de la fibra.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para la mejor comprensión de cuanto queda descrito en la presente memoria se acompañan unos dibujos en los que, tan sólo a título de ejemplo, se presenta una realización preferida de la invención.

Figura 1: Representación esquemática del funcionamiento de la invención cuando se utiliza como dispositivo emisor una fuente de luz blanca de amplio espectro.

Figura 2: Representación detallada de la parte con propiedades ópticas variables del filtro de la invención.

Figura 3: Representación del montaje experimental empleado para demostrar el

funcionamiento del filtro. Modo Transmisión.

Figura 4: Representación del montaje experimental empleado para demostrar el

funcionamiento del filtro. Modo reflexión.

Figura 5: Respuestas espectrales en absorción del filtro para diferentes campos eléctricos aplicados sobre la película delgada.

Figura 6: Variación en longitud de onda del pico de resonancia para diferentes campos eléctricos aplicados sobre la película delgada.

Figura 7: Respuestas del filtro sintonizable para tensiones entre 0 y 140V.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El dispositivo fotónico de la invención se puede utilizar principalmente como filtro sintonizadle de fibra óptica. Está basado en recubrimientos de material absorbente generadores de resonancias por modos de pérdidas (LMR), aúna las ventajas de un diseño en fibra óptica, portátil y de pequeño tamaño junto con la ventaja de simplificar el proceso de fabricación del dispositivo por emplear la propia fibra como sustrato. Esto es debido a que es posible emplear un material absorbente y conductor que generará una LMR y cuyo desplazamiento al aplicar un campo eléctrico permitirá modificar el rango de longitudes de onda donde se produce el filtrado (Fig. 1).

La estructura multicapa usada para la fabricación de este dispositivo se muestra en la Fig. 2. Para la fabricación de la invención en primer lugar se modifica la geometría de una fibra óptica, por ejemplo estrechándola o intercalando fibras sin núcleo, para acceder al campo evanescente, aunque una de las realizaciones preferidas consiste en la retirada de la cubierta que rodea al núcleo.

La cubierta 40 adherida al núcleo 4 de la fibra óptica se puede retirar mediante la utilización de agentes químicos o herramientas apropiadas. Se deja así una zona expuesta de entre 4 y 6 cm.

A continuación, en la zona expuesta, se deposita una película delgada de material conductor de la electricidad y absorbente en el espectro óptico visible y de comunicaciones 1 sobre la fibra 4. Esta primera capa genera la LMR y actúa como electrodo interno de la estructura. La longitud de onda central de la LMR experimentará variaciones en función del campo eléctrico llegándose a alcanzar desplazamientos de la longitud central muy grandes, de hasta 70 nm. La anchura de la película determinará la sensibilidad de esta LMR al campo eléctrico externo.

Con el fin de generar la LMR, esta primera película 1 está formada por un material absorbente cuya permitividad es tal que su parte real es positiva y de valor absoluto mayor que el valor absoluto la parte imaginaria y mayor que la parte real de la permitividad del dieléctrico que lo rodea. Entre los materiales aptos para ser empleados en esta película están...

1. Dispositivo fotónico sintonizable de fibra óptica basado en el fenómeno de resonancia por modos con pérdidas, que comprende:

- una fibra óptica (40) con un núcleo guía-onda (4) modificado para formar una zona sensible donde acceder al campo evanescente de la luz guiada por la fibra

- al menos una primera película (1) de material absorbente y conductor que actúa como electrodo interno situada en la zona sensible formada por un material con permitividad tal que su parte real es positiva y su valor absoluto es mayor que el valor absoluto de su parte imaginaria y mayor que la parte real de la permitividad de la fibra

- una segunda película intermedia (2) de material aislante sensible al campo eléctrico aplicable;

- una tercera película (3), sobre las dos últimas, de un material conductor que constituye un segundo electrodo

- un primer conductor (5) conectado a la primera película y un segundo conductor (6) conectado a la tercera película.

2. Dispositivo fotónico según la reivindicación 1 caracterizado porque la fibra ha sido modificada mediante la retirada de la cubierta para producir la zona sensible.

3. Dispositivo fotónico según la reivindicación 1 caracterizado porque la zona sensible está compuesta de una parte de la fibra óptica fundida.

4. Dispositivo fotónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la primera película (1) comprende un óxido metálico conductor transparente.

5. Dispositivo fotónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la segunda película intermedia (2) comprende un material polimérico depositado mediante las técnicas de: ensamblado capa a capa, Langmuir Blodgett, dip-coating (revestimiento por inmersión) o electmspinning (hilado electrónico).

6. Dispositivo fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 1- 5 caracterizado porque uno de los extremos de la fibra contiene un recubrimiento de alta reflectividad (8).

7. Dispositivo fotónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la segunda película intermedia (2) es sensible al campo eléctrico dependiente de un parámetro físico.

8. Uso de un dispositivo fotónico según cualquiera de las reivindicaciones 1-6 como filtro

sintonizable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores como detector de descargas parciales en instalaciones de distribución eléctrica.

9. Uso de un dispositivo fotónico según la reivindicación 7 como sensor basado en LMR 10 sintonizable eléctricamente.