¿Qué es una red de Bragg en fibra?

Una red de Bragg en fibra (fiber Bragg grating, FBG) es una microestructura que, típicamente, tiene una longitud de unos pocos milímetros y que puede fotoinscribirse en el núcleo de una fibra de telecomunicaciones monomodo estándar. Se genera iluminando de forma transversal la fibra con un haz láser ultravioleta, empleando una máscara de fase para crear un patrón de interferencia en el núcleo de la fibra. Con ello se induce un cambio permanente en las características físicas de la matriz de silicio (Figura 1). Este cambio consiste en una modulación periódica espacial del índice de refracción del núcleo, que produce una estructura resonante.

El diámetro de la fibra, incluido su recubrimiento primario de protección, es de 250 micras. Sin este recubrimiento, la fibra tiene un diámetro de 125 micras. La luz viaja fundamentalmente a través del núcleo, que tiene un diámetro de unas 8 micras.

Ventajas

Funcionamiento

Al tratarse de una estructura resonante, la red de Bragg inscrita en la fibra actúa como un espejo selectivo en función de la longitud de onda; en otras palabras, es un filtro de banda estrecha. Eso significa que si se inyecta en la fibra óptica luz procedente de una fuente de banda ancha, la red solo refleja luz con una anchura espectral muy estrecha, centrada en torno a la longitud de onda de la red de Bragg. El resto de la luz se transmite a través de la fibra óptica sin ninguna pérdida, hasta la siguiente red de Bragg inscrita en la fibra (Figura 2).

La longitud de onda de la red de Bragg viene dada por el periodo de la microestructura y por el índice de refracción del núcleo.

La FBG es una estructura simétrica: siempre refleja luz a la longitud de onda de la red de Bragg, independientemente de la dirección de incidencia.

Figura 2. Arriba a la izquierda: espectro de la luz inyectada; arriba a la derecha: espectro de luz transmitida; centro: fibra óptica con una FBG insertada en el núcleo; representación de la luz transmitida y reflejada; abajo a la izquierda: espectro de la luz reflejada.

Uso como sensor de deformación

Una FBG tiene características únicas que permiten utilizarla como sensor. Por ejemplo, si la fibra se estira o se comprime, la red puede medir la deformación. La deformación de la fibra óptica produce un cambio en el periodo de la microestructura y, en consecuencia, también en la longitud de onda de Bragg (Figura 3).

Uso como sensor de temperatura

Una red de Bragg en fibra tiene, igualmente, una sensibilidad intrínseca a la temperatura. En este caso, la principal contribución al cambio en la longitud de onda de Bragg es la variación en el índice de refracción del silicio, inducido por el efecto termoóptico (Figura 4). También hay una contribución derivada de la dilatación térmica, que altera el periodo de la microestructura. No obstante, este segundo efecto es marginal, debido al bajo coeficiente de dilatación del silicio.

Multiplexación

Una de las principales ventajas de esta tecnología es su capacidad de multiplexación intrínseca. Es posible inscribir cientos de redes de Bragg en una misma fibra óptica, con separaciones de unos pocos milímetros o de varios kilómetros (Figura 5). Con un acondicionamiento adecuado, cada una de estas estructuras puede hacerse sensible a parámetros distintos de la temperatura o la deformación; por ejemplo, presión, aceleración, desplazamiento, etc., dando una dimensión multifuncional a la serie de sensores. Conviene insistir en que todos esos sensores pueden activarse con una misma fuente óptica. Por otro lado, la adición de más y más sensores en una misma fibra óptica solo produce pérdidas pequeñas. Tampoco aparece diafonía, siempre que se reserve para cada sensor un ancho de banda suficiente del espectro de la luz (Figura 6).

Ventajas

La red de Bragg es un sensor de fibra óptica, con todas las ventajas asociadas a este tipo de transductores: bajas pérdidas en relación con la longitud de la fibra, inmunidad a las interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia, pequeño tamaño, poco peso, funcionamiento intrínsecamente seguro en entornos con presencia de materiales peligrosos, alta sensibilidad y fiabilidad a largo plazo. Adicionalmente, la tecnología de red de Bragg ofrece una capacidad inherente de multiplexación en serie y la posibilidad de obtener medidas absolutas sin necesidad de una referencia. En definitiva, representa una alternativa natural a las tecnologías convencionales de sensores eléctricos.

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¿Cuál es el principio de medición de una red de Bragg en fibra?

La longitud de onda de la red de Bragg (λB) viene dada, fundamentalmente, por el periodo de la microestructura (Λ) y por el índice de refracción del núcleo (n_ef).

Ecuación 1

Una red de Bragg en fibra tiene características únicas que permiten utilizarla como sensor. Por ejemplo, si la fibra se estira o se comprime, la red puede medir la deformación. La deformación de la fibra óptica produce un cambio en el periodo de la microestructura y, en consecuencia, también en la longitud de onda de Bragg. También hay una cierta contribución debida a la variación del índice de refracción, por efecto fotoelástico.

Una red de Bragg en fibra tiene, igualmente, una sensibilidad intrínseca a la temperatura. En este caso, la principal contribución al cambio en la longitud de onda de Bragg es la variación en el índice de refracción del silicio, inducido por el efecto termoóptico. También hay una contribución derivada de la dilatación térmica, que altera el periodo de la microestructura. No obstante, este segundo efecto es marginal, debido al bajo coeficiente de dilatación del silicio.

Dependencia de la deformación en una red de Bragg en fibra (FBG)

La dependencia entre la deformación y la red de Bragg en fibra puede determinarse derivando la longitud de onda:

Ecuación 2

Donde:

k – factor k de la red de Bragg
pe – constante fotoelástica (variación del índice de refracción con la tensión axial)

La constante pe para la fibra óptica es:

Lo que significa que la sensibilidad a la deformación de una FBG viene dada por la expresión:

Ecuación 3

Para una FBG con una longitud de onda de 550 nm (típica) la sensibilidad a la deformación se puede simplificar como:

Ecuación 4

Dependencia de la temperatura en una red de Bragg en fibra (FBG)

A semejanza de la dependencia de la deformación, la dependencia de la temperatura con respecto a la red de Bragg en fibra puede determinarse derivando la expresión de la longitud de onda (Ecuación 1):

Ecuación 5

Donde:
α – coeficiente de dilatación térmica de la fibra
ζ– coeficiente termoóptico (dependencia del índice de refracción con la temperatura)

Como aproximación de la sensibilidad a la temperatura, podemos asumir que estos valores son constantes para el intervalo de temperatura de interés:
α= 0.55x10^-6/ºC
ζ= 5.77 x10^-6/ºC

Con lo cual, la sensibilidad térmica aproximada viene dada por