Sensores de fibra óptica basados en redes de periodo largo (LPG)

Abstract

Los dispositivos basados en redes gravadas en fibra óptica juegan actualmente un papel importante en el campo de las comunicaciones ópticas y en el diseño de sensores. Existen dos tipos de redes gravadas en fibra óptica: redes de período corto o de Bragg (FBG) con periodicidades del orden de la longitud de onda óptica y redes de periodo largo (LPG) con periodicidades de varios cientos de longitudes de onda. Desde las primeras redes escritas en fibras de vidrio convencional: FBG (Hill, 1978) y LPG (Vengsarkar,1996), las técnicas de fabricación de redes y sus aplicaciones han logrado un gran y rápido desarrollo. Diversos métodos de fabricación de redes en fibras ópticas ya han sido desarrollados: exposición de la fibra a láser ultravioleta UV, irradiación con láser de CO2, gravado por descarga eléctrica, exposición de la fibra óptica a láser de femtosegundos, gravado por material corrugado, etc. Asimismo, redes LPG han sido grabadas en diferentes tipos de fibras ópticas: monomodo, multimodo, de núcleo estructurado, de núcleo hueco, en fibras afinadas, en fibras de sílice y en fibras poliméricas, habiéndose desarrollado numerosos dispositivos basados en estas redes LPG. Nosotros, entre las diferentes técnicas de exposición de la fibra óptica al láser para la grabación de redes, optamos por la técnica de irradiación con láser de CO2 por ser una técnica que no requiere de fibras especiales fotosensibles y/o cualquier otro proceso de pretratado de la fibra para escribir la red; asimismo, porque el proceso de irradiación con láser de CO2 puede ser fácilmente controlado para generar perfiles de redes complicadas a través de la técnica de gravado punto a punto y porque se pueden escribir redes LPG en casi todos los tipos de fibras incluyendo las fibras PCF de núcleo estructurado. Es en este marco, que presentamos en esta tesis, un breve desarrollo teórico sobre las redes LPG, su proceso de fabricación, caracterización óptica, así como diversas aplicaciones desarrolladas. La tesis consta de 5 capítulos en los que se presenta una breve exposición de la teoría y aplicaciones de las redes LPG escritas en diferentes tipos de fibras ópticas por las técnicas de irradiación con láser de CO2 y por grabación mecánica. Se describen diversos dispositivos elaborados incluyendo sensores interferométricos y no interferométricos, así como sus aplicaciones a la medida de vibraciones, índices de refracción, desplazamientos, curvaturas, presión, compresión, tracción, concentración de sustancias disueltas en líquidos, transferencia de carga en suelos, etc. En el capítulo I se describe el proceso general de guiado de la luz en fibras ópticas, mostrando sus características como el ancho de banda, polarización, modos y mecanismos de pérdidas. En el capítulo II se describe brevemente el proceso de fabricación de fibras ópticas. En el capítulo III se desarrolla la teoría de la luz transmitida por redes LPG, así como sus características: tamaño y periodo de la red y su influencia en la pérdida de acoplamiento y longitud de onda de resonancia. Se describen también las técnicas de grabado empleadas. En el capítulo IV se describen los diferentes sensores interferométricos y no- interferométricos basados en estas redes, elaborados a lo largo la investigación, así como sus aplicaciones. En el capítulo V se presentan las conclusiones finales acerca del trabajo desarrollado.

Devices based on fiber-optic diffraction gratings play an important role in the field of optical communications and sensor design. There are two types of fiber-optic networks: Bragg FBG networks with periodicities of the order of optical wavelength and LPG long-period networks with periodicities of several hundred wavelengths. Since Hill (1978) and Vengsarkar (1996) wrote the first FBG and LPG networks in conventional glass fibers, network manufacturing techniques and their applications have achieved great and rapid development. Various methods of manufacturing networks, such as exposure to ultraviolet UV laser fiber, CO2 laser irradiation, electrical discharge, exposure of fiber optic to femtosecond laser, material taxation corrugated, etc. they have already been implemented. LPG networks have been engraved in different types of optical fibers: single mode, multimode, structured core, hollow core, fine fibers, silica fibers and polymeric fibers. Likewise, numerous devices based on LPG networks have been developed for applications in communication and in the monitoring of different physical-chemical and biological parameters. Among the different techniques of exposing fiber optics to the laser for network recording, we opted for the technique of CO2 laser irradiation as it is a technique that does not require special photosensitive fibers and / or any other fiber pretreatment process. write the network. Also, because the CO2 laser irradiation process can be easily controlled to generate complicated network profiles through the point-to-point engraving technique and because LPG networks can be written on almost all fiber types including PCF fibers. structured nucleus. In this framework, we present in this thesis a brief theoretical development on the LPG networks, the equipment assembled in the Physics laboratory of the FIC to manufacture LPG networks, the LPG networks manufactured, their optical characterization, as well as various applications developed. The thesis consists of 5 chapters in which a brief presentation of the theory and applications of LPG networks written in different types of optical fibers by the techniques of CO2 laser irradiation and mechanical recording is presented. Various elaborated devices are described including interferometric sensors of the Michelson, Fabry-Perot and Mach Zender type, as well as non-interferometric, and their applications to the measurement of vibrations, refractive indexes, displacements, curvatures, pressure, compression, traction, as well as the determination of physical parameters of materials, such as modules of elasticity, concentration of dissolved substances in liquids, transfer of load in soils, etc. Chapter I describes the general process of guiding the light in optical fibers, showing their characteristics such as bandwidth, polarization, modes and mechanisms of losses. Chapter II briefly describes the manufacturing process of optical fibers. Chapter III develops the theory of light transmitted by LPG networks, as well as their characteristics: size and period of the network and its influence on coupling loss and resonance wavelength. The engraving technique used is also described. Chapter IV describes the different interferometric and non-interferometric sensors based on these networks, developed throughout the investigation, as well as their applications. Chapter V presents the final conclusions about the work developed.