Diseño y desarrollo de estructuras ópticas para la fabricación de sensores de fibra óptica

Abstract

Actualmente existe una gran variedad de opciones para el sensado mediante métodos ópticos y, más concretamente, para el desarrollo de sensores utilizando fibra óptica. Aunque la mayoría de los principios físicos utilizados para el desarrollo este tipo de sensores ya han sido ampliamente estudiados, se siguen desarrollando nuevos métodos que faciliten su fabricación o que mejoren sus características. Gracias a una mayor accesibilidad a nuevas tecnologías para la manipulación de la fibra óptica, un mayor conocimiento de las técnicas para la deposición de recubrimientos de espesor nanométrico y el estudio de nuevos materiales, la investigación en este campo continúa siendo de gran interés y sigue ofreciendo resultados novedosos. Esta tesis estudia la generación de fenómenos ópticos mediante un material que actúa a la vez como capa sensible a un parámetro de interés, con el objetivo de mejorar la sensibilidad de este tipo de dispositivos mediante métodos de fabricación asequibles y repetitivos. Como fenómenos ópticos se han estudiado interferómetros Fabry-Pérot, redes de difracción de Bragg, redes de difracción de periodo largo y resonancias de modos con pérdidas. Los interferómetros Fabry-Pérot, estudiados para el sensado de humedad y detección de gases, fueron el paso previo para el desarrollo posterior de redes de difracción de Bragg en punta de fibra. Estas fueron fabricadas mediante el uso de un único material cuyas constantes ópticas se modificaron mediante la variación de los parámetros del proceso de deposición. Las redes de difracción de periodo largo fueron desarrolladas en fibra monomodo estándar estrechada con ácido, mediante la ablación láser periódica de un nano-recubrimiento depositado previamente. En el caso de las resonancias de modos con pérdidas, se estudió su generación en fibra monomodo con cladding reducido mediante ataque químico con ácido, así como su utilización en aplicaciones no estudiadas previamente, como son sensores de campo magnético o filtros sintonizables eléctricamente.

Currently there is a wide variety of options for sensing by optical methods and, more specifically, for the development of sensors using fiber optic. Although the vast majority of the physical phenomena used for the development of this kind of sensors have been widely studied, new methods that make easier the fabrication process or that improve their performance are still appearing. An easier access to new technologies for optical fiber manipulation, a great knowledge of the techniques for nanometer-thick coatings deposition as well as the study of new materials have made that research on this field keep attracting great interest and keep offering novel results. This work studies the generation of optical phenomena by using the same material that will act as the sensitive layer, with the goal of enhancing the sensitivity of these devices by means of affordable and repetitive methods. The optical phenomena studied here were Fabry-Pérot interferometers, fiber Bragg gratings (FBGs), long-period fiber gratings (LPGs) and lossy mode resonances (LMRs). The study of Fabry-Pérot interferometers, which were fabricated towards humidity sensor and gas detection devices, was the first step towards the fabrication of Bragg gratings built onto the end facet of standard multimode optical fiber. These FBGs were developed by using only one material, whose optical properties were modified by changing the sputtering parameters. LPGs were developed by the periodic laser ablation of a thin-film overlay previously deposited onto a cladding-etched single mode optical fiber. Finally, LMR-based sensors were developed onto cladding-etched single mode optical fiber as the new supporting platform and they were used for new applications, such as magnetic field sensors and tunable wavelength filters.