INVESTIGACiÓNREVISTA MEXICANA DE FíSICA 47 (5) 421-424 OCTUBRE 2001

Pérdidas por macrocurvaturas en fibras ópticas producidas por materiales suavesy expansibles para sensores

G. Beltrán-Pérezl y E.A. Kuzin2

Instituto Nacional de Astroffsica, Óptica)' ElectrónicaApartado postal 51 y 216,72000 Puebla, Pue .. Mesico

e-mail: 19belrran@inlloep.nLt.2ekllz@inlloep.mx

A. Márquez-LuceroCentro de investigación en Materiales Avanzados, Complejo Industrial Chihuahua

Miguel de Cervalltes 120, 31 I 10 Chihuahua, Chih., Mesicoe-mail: I1wrquezI@mail.cimav.edu.mx

R. LÓpeZ3 y v.v. Spirin4

Centro de Investigación Ciem(fica y Educación Superior de EnsenadaApartado postal 2681, 22800 Enseuada, B.C., Mesico

e-mail: 3rlopez@cicese.nu.4vaspiz@cicese.nu

Recibido el 30 de mayo de 2001; aceptado el 14 de agosto de 2001

En este trabajo se presentan los resultados de las mediciones de pérdidas inducidas por curvaturas periódicas en materiales suaves y expandi-bies con períodos de 1 mm a 20 mm. Se midieron ambas fibras, monomodo y muhimodo, sobre el intervalo de longitud de onda de 1500 nma 1600 nm. Usando materiales suaves y expandibles con diferentes módulos de Young.Los resultados encontrados muestran que la alenua-ción se incrementa cuando el período de curvatura crece hasta 10 mm, así como para el material que tiene el modulo de Youngmás grande.Con estos resultados se pretenden seleccionar los materiales más adecuados para la construcción de un sensor de fibra óptica basado enpérdidaspor curvaturas.

Descriptores: Sensor de fibra óptica; pérdida por curvatura; detección de fugas de hidrocarburos

\Ve present the resuhs of measurements of fibcr bcnd loss caused by soft and swellable materials with periods of pcrturbation of 1 mmto 20 mm. We mcasured both single and multimode fibcrsover range of wavelength 1500 nm to 1600 nm. We used swellable materials thathave ditTerenlmoduli of Young. We show that the swell of soft materials cause macrobend anenualion that increase when the pcriod riselO 10 mm. The material that has highcr modulus of Youngcause highcr auenuation. With this results wc expcct lO choose suitable materialsfor assembling a fibcr optics sensor based in bcnd loss.

Ke)'words: Fibcrs optics sensor; curvature loss; hydrocarbon detccLion

PAes: 07.07.D[; 42.81.-i; 42.81.Dp

I. Introducción

El desarrollo de los sensores de fibra óptica ha tenido unagran aceptación al ofrecer muchas ventajas tales como gransensibilidad, capacidad para enviar y recibir señales a grandesdistancias, pasividad eléctrica, etc., además de tener la capa-cidad para dirigir problemas de medición en ambientes hos-tíles o peligrosos. En la actualidad es posible medir una grancantidad de variables físicas y características químicas, me-diante la tecnología de los sensores ópticos [1]. Por otra parte,uno de los requerimientos tecnológicos generados por el usoy el transporte intensivo de hidrocarburos, es el de contar consensores capaces de detectar cualquier fuga en el sistema, yasea en tanques o en duetos, donde se almacenan y distribu-yen estas sustancias. Es aquí donde los sensores basados encurvaturas arrojan resultados muy prometedores [2,3].

Existen dos tipos de pérdidas por curvaturas:a) Las macrocurvaturas que tienen un radio de curvatura

grande comparado con el diámetro de la fibra.b) Las microcurvaturas que se encuentran a 10 largo de la

fibra con un radio de curvatura menor que el diámetro

de la fibra, que muchas veces son causadas por el ca-bleado.

Las pérdidas por macrocurvaturas en una fibra óptica deacuerdo a la teoría modal son debidas a que, para cada mo-do, una parte de la energía óplica se propaga en la cubierta;de esta manera para un modo dado, debido a la curvatura, laenergía que se propaga en la cubierta tiene que recorrer unadistancia mayor a la que tiene que recorrer la energía que sepropaga en el núcleo; ahora bien, para que el modo subsis-ta, la energía debe propagarse en la cubierta a una velocidadmayor que en el núcleo y esta velocidad debe ser tanto mayorcuanto más lejos del núcleo de la fibra se propague la energfa.Sin embargo, la energía no puede propagarse a una velocidadsuperior a la de la luz, por tanto, si la curvatura impone a laenergía del modo que se propaga en la cubierta una veloci-dad superior a la velocidad de la luz la propagación no puederealizarse por lo que el modo desaparece y entonces existeatenuación [.1]. Por otra parte, una microcurvatura cambia elángulo de propagación de la luz, e induce así un acoplamientode modos, es decir, transforma un modo 711. en otro modo m'.El acoplamiento sólo puede lograrse si el cambio de ángulo

422 PÉRDIDAS POR MACROCURVATURAS EN FIBRAS ÓPTICAS PRODUCIDAS POR MATERIALES SUAVES Y ..

FIGURA 1. Arreglo experimental donde se muestra: a) el dispo-sitivo cxpcrirncmal completo. b) el mecanismo de inducción depérdidas y e) el prototipo del sensor de fugas.

~bra. Se utilizaron dos fibras comerciales monomodo y mul-tmlOdo. La fibra monomodo (NewPort) tiene un diámetro decampo modal de 9.3"m para la longitud de onda de 1330 nmuna apertura numérica de 0.13 y la longitud de la fibra fu~de G m. La fibra multimodo tiene una apertura numéricade 0.29 y la longitud fue de 10 m. La transmitancia es me-dida por el detector de InGaAs que se encuentra conectado alamplificador lock-in y la salida de éste va a la computadoradonde es almacenada la información.

Se utilizaron dos configuraciones experimentales paraproducir curvaturas a la fibra. La Fig. lb muestra uno de losmecanismos utilizados para inducir pérdidas a la fibra. Ésteconsiste de una base móvil, donde se colocaron los materia-les suaves, un tubo de aluminio de 30 cm de longitud, condiez anillos de cobre de 1 mm de espesor, el cual se encon-traba fijo a la mesa óptica, se utilizó un indicador de carátulapara medir el desplazamiento, el cual tiene un intervalo demedición de 0.01 mm a 50 mm. Conforme se aumentaba laaltura de la base móvil, todos los anillos de cobre empeza-ban a hacer contacto con la fibra al mismo tiempo, de maneraque la potencia disminuía debido a las pérdidas por curvaturaque se inducían a lo largo de la fibra. El desplazamiento serealizó con una precisión de 0.05 mm. El período de curva-tura producido (distancia entre anillos) a la fibra estuvo en elintervalo de 1 mm a 15 mm.

Otro mecanismo utilizado para inducir pérdidas se mues-tra en la Fig. le, que es el prototipo del sensor de fugasde hidrocarburos (gasolina), donde se utilizó un polímerode geometría cilíndrica, él cual se expande con la gasolina,con 5.7 mm de diámetro. La fibra es colocada sobre el polí-mero y alrededor de ellos se colocaron trece anillos de cobrede 1 mm de espesor a diferentes períodos. En presencia degasolina el polímero se expande provocando que todos losanillos hagan presión contra la fibra. La luz que pase a travésde estos puntos sufrirán pérdidas por curvaturas, la cual pue-de ser identificada como presencia o ausencia de gasolina. Elintervalo de los períodos en los cuáles se colocaron los anillosfue de 5 mm a 20 mm.

Cabe mencionar que el mecanismo de la Fig. 1b es una si-mulación del prototipo del sensor, él cual nos ayuda a realizarlas mediciones y estudiar el comportamiento de la atenuacióncon respecto al período producida por materiales con diferen-tes módulos de Young de una forma fácil y rápida.

3. Resultados y discusiones

fib,.ó¡'1'<O

(e)

(a)

Tul>.>de.lumon""""10 "n,lI", d< .'ob<~.

(b)

="~

da lugar a un nuevo ángulo correspondiente a un modo mique pueda propagarse efectivamente. El cambio de ángulodepende de la rnicrocurvatura; si las microcurvaturas son dela misma amplitud e igualmente espaciadas. provocan varia.ciones idénticas de los ángulos, lo que acoplará sucesivamen-te a todos los modos. a fin de llevarlos microcurvatura trasmicrocurvatura hacia modos que no podrán propagarse, yaque no satisfacen las condiciones de reflexión total. Así elacoplamiento de modos provoca atenuación [5, G).

Las pérdidas por curvaturas son en realidad un caso másgeneral asociado a los mecanismos de deformación en las fi-bras ópticas que han recibido una gran atención en años re-cientes [7].

La mayoría de los trabajos publicados presentan muchasinvestigaciones acerca de sensores basados en microcurvatu-ras con períodos pequeños, sin embargo poco se ha desarro-llado acerca de sensores basados en pérdidas por macrocur.vaturas. Los resultados encontrados indican que las pérdidasinducidas se tratan de macrocurvaturas.

El objetivo del presente trabajo es el describir los resul-tados de las mediciones de las pérdidas por curvaturas condiferentes períodos, usando materiales suaves y expansiblescon diferentes módulos de Young, en un intervalo de longitudde onda de 1500 nm a !GOOnm.

2. Arreglo experimental

La Fig. 1a muestra el arreglo experimental que fue utilizadoP;.lfil la medición de pérdidas por curvaturas. El esquema ge-neral consiste de una fuente de luz, un monocromador, unamplificador lock-in, un detector de InGaAs y una computa-dora.

La radiación de la lámpara de tungsteno es colimada através de la lente LI hacia la ranura de entrada del monocfO-mador. para posteriormente ser enfocada por la lente L2 a la

Con el mecanismo de la Fig. 1b se realizaron las medicio-nes de la transmitancia con respecto al desplazamiento de labase móvil para diferentes períodos que van de 1 mm has-ta 15 mm. donde se utilizaron dos materiales suaves de dife-rentes módulos de Young de 314 kPa y 519 kPa. La Fig. 2muestra los resultados obtenidos por el material que tiene unmódulo de Young de 314 kPa. Como podemos observar enesta Figura a una altura menor a 97.25 mm no existe atenua-ción debido a que los anillos de cobre aún no hacen contactocon la fibra; para alturas mayores a ésta, la transmitancia em-

11.'1'.Mex. Fís. 47 (5) (2(XIl) 421-424

G. BELTRÁN.PEREZ, EA KUZIN A. MÁRQUEZ.LUCERO. R. LÓPEZ, V.v. SPIRIN 423

16

•

•

••• •••

•

6 10 12

•

Periodo de curvatura, mm

•• • • • • • • • • •

• •

• "'81.n.1 con modulo d<!YOUnlliIIu.l. 314KP.• "'.1.,1.1 con rnodulo d. Younll iIIu.l. 519KP.

oo

10

20

30

50

60

972 97,5 978 98,1 98.4 98.7 990 99.3 99,6 999

Desplazamiento, mm

00

12 -.-15mm

-.- 13mm-A-l0mm

'0 _+_8mm-O-6mm_l::._4mm

~08 -O-2mmO -O-lmrne11 O.E~e~04

.=02

FIGURA 2. Dependencia de la lrammilancia sobre la altura de bhase m6vil.

FIGURA 3. Dependencia de la atenuación sobre el período de per-turbación.

FIGURA 4, Comportamiento espectral.

".¡...--~~~~---r~-_-~~1500 1520 1540 1560 1~0 1600

Longitud de onda. nm

Berthold [8]. donde para períodos mayores ocurre un efeclode saturación para pérdidas producidas por microcurvaturas.

Un factor importante es el comportamiento espectral quetienen estas pérdidas, por que, como se sabe, en microcur-vaturas aparecen picos pronunciados de atenuación debidoa que existe un fenómeno de resonancia, ya que la radia.ción es reflejada de la frontera cubierta revestimiento y retor-na cáusticamente para un perfil del índice de refracción pa-rabólico [8], Con el mecanismo de la Fig. 1b se realizaron lasmediciones espectrales en el intervalo de 1500 nm a 1600 nm.con el material que tiene un módulo de Young de 519 kPa,con un período de 10 mm. La Fig. 4 muestra la dependenciade la transmitancia sobre la longitud de onda. Aquí podemosobservar que los datos experimentales tienen un comporta-miento espectral diferente al de pérdidas por microcurvatu.ras; donde, como ya se mencionó anteriormente, típicamenteexisten picos pronunciados de atenuación. Esto significa quenuestras pérdidas corresponden a macrocurvaturas.

Las respuestas de la transmitancia como función del tiem-po del sensor cuando está en contacto con gasolina se mues-tran en las Figs. 5 y 6. Donde la Fig. 5 representa los resulta-dos del sensor construido con fibra monomodo, mientras quela Fig. 6 representa la respuesta del sensor construido con fi-bra multimodo. De estas dos Figuras podemos apreciar que la

t.h=O.37mm---._---- ..•._---.- .._.---.._ .....••-.-.~...-

.......................... -- ......•. ........ ,..........."'h=O.5mm..............

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~e~ oeE•e~>-

06

pieza a disminuir para los períodos grandes. De la Figura po-demos ver que la pendiente de la curva correspondiente a unperíodo de 15 mm es más abrupta que la pendiente de la cur-va correspondiente a un período de 1 mm. Esto significa quepara un período de 15 mm necesitamos ejercer menor pre-sión para detectar pérdidas de una manera más rápida, estoayuda a que la sensibilidad del sensor sea más grande. Estosresultados se deben a que cuando se tienen períodos grandesla fibra logra curvarse más, lo que provoca que haya más ate-nuación en la fibra. mientras que cuando tenemos períodoschicos éstos no permiten que la fibra se pueda curvar, provo-cando una atenuación más lenta. Esto indica que las pérdidasestan en el régimen de macrocurvaturas, por que, a diferenciade las pérdidas por microcurvaturas, la atenuación más gran-de es observada para períodos cortos. Además las pérdidaspor microcurvaturas en una fibra mono modo son normalmen-te calculadas considerando el acoplamiento de modos con pe-ríodos de perturbación pequeños. tomando en cuenta que lasmicrocurvaturas ocurren en un radio de curvatura del ordendel diámetro del núcleo. En nuestro caso los mejores resulta-dos encontrados son para los períodos de perturbación mayo-res a 10 mm. Estas características resultan del hecho de queen nuestra configuración los desplazamientos son más pro-fundos para períodos grandes que los experimentos conven-cionales de microcurvaturas. De manera análoga se realizó elexperimento para el material que tiene un módulo de Youngigual a 519 kPa.

A partir de las mediciones obtenidas se realizaron los cál-culos de la atenuación con respecto al período para una pro-fundidad de curvatura dada, es decir, para un desplazamien-to i'.h = 0.37 mm que se obtuvo a partir desde el puntodonde empiezan a hacer contacto los anillos con la fibra quees 97.25 mm. La Fig. 3 muestra la dependencia de la atenua-ción sobre el período. De la Figura vemos que el materialcon mayor módulo de Young alcanza los más altos valores deatenuación. Aquí podemos observar que para períodos meno-res a 3 mm la atenuación es despreciable, pero para períodosmayores a 3 mm la atenuación se incrementa hasta el períodode 10 mm. A diferencia de los resultados encontrados por

R", Mex. Fr.. ~7 (5) (2001)421-424

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Tiempo, min

obtener una atenuación del 50% con un período de 5 mm tu-vieron que pasar 80 minutos. mientras que para un períodode 20 mm para obtener la misma atenuación sólo tuvieronque pasar 60 minutos. En la Fig. 6 los resultados obtenidoscon la fibra multimodo encontramos que para obtener unaatenuación del 50% con un período de 5 mm tuvieron quepasar 141 minutos, y para un período de 20 mm para obtenerla misma atenuación sólo tienen que pasar 81 minutos.

E! polímero regresa a sus dimensiones iniciales despuésde 10 horas, lo que nos permitió hacer varias mediciones conlos mismos períodos y verificar que efectivamente la respues-ta del sensor es reversible. Otro factor importante que necesi-tamos considerar es como afecta la temperatura a las propie-dades del sensor. trabajo que se tiene contemplado realizar enel futuro.

Lo que podemos notar es que los resultados obtenidoscon el polímero nos confirman que cuando el período crecela señal decae más rápido, lo que consideramos un factor muyimportante para la construcción del sensor .

4. Conclusiones

Encontramos que las pérdidas dependen del período y queéstas tienden a incrementar cuando el período crece has-ta 20 mm. Esto significa que para tener una mayor sensibi-lidad a cambios de presión es necesario poner períodos delorden de 20 mm. Este comportamiento es el mismo para am-bas fibras monomodo y multimodo.

En las mediciones de pérdidas por curvatura para los ma-teriales con diferentes módulos de Young se encontró que laspérdidas más grandes son para el material que tiene el másalto modulo de Young.

Se observó que las pérdidas tienen dependencia en lon-gitud de onda distinta a la de microcurvaturas, es decir, laspérdidas corresponden a macrocurvaturas.

El experimento con el sensor para la detección de fuga')de hidrocarburo confirma los resultados obtenidos con la basemóvil.

Este trabajo fue apoyado por CONACyT a través del proyecto21 l 290-5-28498A, y por el IMP proyecto FIES97-04-IY.

Agradecimientos

••.•• PerIodo de 5mm

12

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E \• \e~" \~ ,Pelioóo 20mm \

02 ,00 , 20 " 60 80 '00 '" 140 lO'

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O.,O 20 40 60 80 100 120 140 160

Tiempo, min

FIGURA 6. Atenuación obtenida para la fibra multimodo, usandoel polímero con 13 anillos.

señal se atenúa más rápidamente para la fibra monomodo quepara la fibra multimodo, debido a que en la fibra multimodolos ángulos de los modos están igualmente espaciados en es-ta sección oc la fibra donde las curvaturas están igualmenteespaciadas, esto provocará que exista un acoplamiento suce-sivo, a fin de llevarlos, curvatura tras curvatura, hacia modosque no podrían propagarse, ya que no satisfacen la condiciónde reflexión total. El acoplamiento de modos provoca así ate-nuación en la fibra multimodo de forma más lenta que en lafibra mono modo. Como podemos apreciar en estos resulta-dos, el decaimiento de la señal también depende del período,es decir, que se obtuvo un comportamiento similar al del me-canismo de la base móvil. De la Fig. 5 observamos que para

FIGURA 5. Atenuación obtenida para la fibra monomodo. usandoel polímero con 13 anillos.

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