Protocolo de Investigación

Hacia una nueva generación de sensores fotónicos: dispositivos de fibra de alta sensibilidad usando fibras ópticas especiales

Los sensores de fibra óptica han encontrado una amplia variedad de aplicaciones gracias a sus características ventajosas, como su reducido tamaño, inmunidad a la interferencia electromagnética y capacidad de operar en entornos tóxicos o corrosivos. Dado que algunas aplicaciones requieren una mayor sensibilidad, en los últimos años se han comenzado a desarrollar fibras ópticas con geometrías especiales diseñadas para resolver problemas específicos. Por ejemplo, y gracias al avance en la fabricación de fibras ópticas, se han desarrollado fibras con múltiples núcleos acoplados cuyo comportamiento asemeja la operación de dispositivos interferométricos de fabricación mucho más compleja. También es posible mencionar las fibras capilares cuyos efectos anti-resonantes son hoy en día tema de gran interés en la comunidad científica y tecnológica. Estos avances han contribuido significativamente a comenzar a desarrollar sensores de fibra en áreas anteriormente restringidas. El desarrollo de dispositivos de fibra basados en fibras especiales tiene el potencial de transformar a largo plazo la tecnología de detección óptica.

El presente proyecto plantea estudiar de forma sistemática fibras ópticas con geometrías especiales, con especial énfasis en fibras multinúcleo, capilares, así como fibras que combinan núcleos y huecos, que poseen características versátiles y adecuadas para ser usadas como elementos modulares en sensores de fibra. En particular, se estudiarán y evaluarán dispositivos de fibra para sensar con alta sensibilidad índice de refracción, temperatura y deformaciones mecánicas. Los resultados de este proyecto pueden ser usados como punto de partida para el diseño de sensores de otras variables físicas como presión, pH, y torsión. El uso de este tipo de fibras en sensores ópticos representa un abordaje novedoso que tiene el potencial de impactar áreas como el sensado industrial y el diagnóstico médico.

Diseñar y fabricar sensores de fibra óptica con alta sensibilidad basados en fibras ópticas con geometrías especiales para la detección de cambios muy pequeños en variables físicas de interés como índice de refracción, temperatura, y deformaciones mecánicas entre otras. Se estudiarán de forma sistemática fibras ópticas con geometrías especiales, con especial énfasis en fibras con múltiples núcleos (multinúcleo con 3 y 7 núcleos), fibras capilares, así como fibras que combinan núcleos y huecos. El diámetro de los huecos permite controlar ya sea la interacción entre los diferentes núcleos o la interacción del campo óptico y el material que se inserte en los huecos. Estas fibras especiales no solo proveen respuestas adecuadas para la medición de variables físicas, sino que permiten incorporar dentro de las fibras diferentes materiales que incrementan la sensibilidad en la medición en las diferentes variables de interés. El desarrollo de fibras especiales nos brinda un enfoque innovador al desarrollo de sensores basados en fibra óptica para lograr altas sensibilidades para una variable específica.

1. Desarrollar procesos para el análisis de fibras ópticas especiales para obtener sus parámetros óptimos de operación.
2. Diseñar y simular dispositivos de fibra óptica para la detección de parámetros como índice de refracción, temperatura, así como deformaciones mecánicas entre otras.
3. Desarrollar procesos de fabricación, como son corte y empalme, entre fibras especiales y fibras especiales con fibras ópticas convencionales.
4. Caracterizar y optimizar la respuesta de los sensores fabricados para la medición de las variables físicas.
5. Estudiar la implementación de efectos que permitan incrementar sensibilidad, medición de más de una variable física simultánea, así como mediciones multiplexadas.

El presente proyecto plantea estudiar de forma sistemática fibras ópticas con geometrías especiales, con especial énfasis en fibras multinúcleo, capilares, así como fibras que combinan núcleos y huecos, que poseen características versátiles y adecuadas para ser usadas como elementos modulares en sensores de fibra. En particular, se estudiarán y evaluarán dispositivos de fibra para sensar con alta sensibilidad índice de refracción, temperatura y deformaciones mecánicas. Los resultados de este proyecto pueden ser usados como punto de partida para el diseño de sensores de otras variables físicas como presión, pH, y torsión. El uso de este tipo de fibras en sensores ópticos representa un abordaje novedoso que tiene el potencial de impactar áreas como el sensado industrial y el diagnóstico médico.

La tecnología de fibra óptica transformó el mundo al impulsar un crecimiento extraordinario en las comunicaciones y sensores de fibra óptica (SFO) a nivel mundial. Los SFO ofrecen ventajas como inmunidad a interferencias electromagnéticas, bajo peso, tamaño compacto, alta sensibilidad, gran ancho de banda, rendimiento fiable y robusto, capacidad para soportar entornos hostiles y facilidad de implementación de sensores multiplexados o distribuidos. A la fecha, los SFO se han utilizado y explorado ampliamente en ingeniería civil, monitorización ambiental, ingeniería agrícola, ingeniería biomédica, etc., ver Fig. 1 [1-3].

Fig. 1. Diversas aplicaciones para sensores de fibra óptica.

Aunque los sensores basados en fibras ópticas usando fibras ópticas comerciales funcionan adecuadamente, y en algunos casos como en ambientes extremos (corrosivos, radiactivos, etc.) son la única opción, existen muchas aplicaciones en donde los SFO compiten con tecnologías más maduras como son los sensores electrónicos. Para competir con estas aplicaciones es necesario convencer a los usuarios y demostrar claramente la superioridad de los SFO sobre otras técnicas. Por lo tanto, los SFO requieren una mejora constante en su sensibilidad para ser más competitivos. Una forma de lograrlo es diseñar fibras ópticas especiales (FOS) con estructuras específicas que permitan incrementar la sensibilidad del SFO.

Las fibras ópticas especiales se diseñan con geometrías específicas para obtener una mejor interacción entre el campo óptico y variable física a medir, por lo que es factible obtener sensores altamente sensibles para detectar cambios físicos muy pequeños, ver Fig. 2. Estas fibras ópticas especiales, como son típicamente conocidas, pueden tener más de un núcleo (ya sea independientes o acoplados), tener geometrías no convencionales, así como huecos corriendo a lo largo de la fibra que permiten por un lado obtener efectos de guiado resonante, y por otro poder fluir o llenar la fibra con otros materiales [4]. De hecho, algunos trabajos han reportado el llenado de estos huecos con algunas aleaciones metálicas que se funden a baja temperatura y se insertan en las fibras de forma líquida [5, 6]. Lo anterior permite calentar la fibra fluyendo corriente eléctrica o aplicar un voltaje.

Fig. 2. Ejemplos de diferentes fibras especiales desarrolladas para aplicaciones específicas.

Si bien se ha realizado investigación sobre fibras especiales, esta área de investigación continúa despertando gran interés. Además, dado que la fibra por sí sola no siempre es adecuada para la detección de ciertos parámetros, se utiliza ampliamente la integración de materiales y materiales funcionales avanzados a escala micro y nanométrica. Esta integración proporciona sistemas de medición altamente funcionales. Nuestra propuesta se enfoca en el desarrollo de sensores basados en fibras especiales como son multinúcleo, capilares, y huecos, con diseños específicos para realizar la medición de ciertas variables físicas. El desarrollo de este tipo de fibras especiales nos permitirá a largo plazo impactar en áreas como aplicaciones médicas, robótica blanda, monitoreo estructural, biosensores, etc.

1. I. R. Matias, S. Ikezawa, and J. Corres (Eds), Fiber Optic Sensors Current Status and Future Possibilities, Springer, 2017.
2. S. C. Tjin and L. Wei (Eds), Fiber Optic Sensors and Applications, MDPI Books, 2020.
3. I. Del Villar and I. R. Matias (Eds), Optical Fibre Sensors: Fundamentals for Development of Optimized Devices, Wiley, 2020.
4. A. Mendez and T. F. Morse (Eds), Specialty Optical Fibers Handbook, Academic Press, 1era edición (15 Diciembre 2007).
5. Z. Yu, W. Margulis, O. Tarasenko, H. Knape, and P.-Y. Fonjallaz, Nanosecond switching of fiber Bragg gratings, Opt. Express, vol. 15, no. 22, pp. 14948-14953 (2007).
6. J. Jason, P. Rugeland, O. Tarasenko, W. Margulis, and H. E. Nilsson, Temperature characteristics of the birefringence properties of filled side-hole fibers, Appl. Opt., vol. 52, no. 21, pp. 5208-5215 (2013).