SENSOR DE TEMPERATURA DE GEOMETRIA RADIAL UTILIZANDO FIBRAS OPTICAS

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(1)

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

Unidad Profesional “ADOLFO LOPEZ MATEOS”

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

SENSOR DE TEMPERATURA DE GEOMETRÍA

RADIAL UTILIZANDO FIBRAS ÓPTICAS

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA

OPCIÓN INSTRUMENTACIÓN

PRESENTA:

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DIRECTOR:

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(2)
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(4)

TzÜtwxv|Å|xÇàÉá

Al Instituto Politécnico Nacional

Por los conocimientos recibidos y el apoyo económico recibido a través de la beca

PIFI.

A

COSNET

y

CONACYT

Por el apoyo económico recibido a través de las becas: estudios de posgrado (

COSNET

) y tesis

(CONACYT),

que permitieron la realización de mis estudios de maestría.

A mi maestro Dr. Walter Humberto Fonseca Araujo

Por todo su apoyo y paciencia para la realización de este trabajo de tesis.

A mis compañeros y amigos Ángel, Edmundo, Eleazar, Marco, Rodrigo y Zabdiel.

Con quienes compartí grandes momentos durante mi estancia en la maestría.

A mis profesores

Por los conocimientos recibidos, por todo el apoyo y guía durante la realización de mis estudios

de maestría:

Dr.

Alexandre

Michtchenko.

M. en C. Raúl Peña Rivero.

Dr.

José

Luis

López

Bonilla.

Dr.

Roberto

Linares

y

Miranda.

(5)

i

INDICE

PÁG.

Resumen iv

Abstract v

Objetivo vi

Justificación vi

Índice de figuras y tablas vii

Nomenclatura xi Introducción xii

CAPÍTULO 1 Sensores de fibra óptica y sus fundamentos

1.1. Introducción 1

1.2. Tipos de sensores de fibra óptica 3

1.3. Fundamentos de las fibras ópticas 5

1.3.1. Refracción y reflexión total interna 5

1.4. Fuentes ópticas 8

1.4.1. Características de las fuentes ópticas 8

1.5. Detectores ópticos 10

CAPÍTULO 2 Sensor de temperatura

2.1. Introducción 13

2.2. Arseniuro de Galio (GaAs) 13

2.2.1. Características del arseniuro de galio 13 2.2.2. Fundamentos de la absorción óptica en el arseniuro de

galio.

14

2.3. Sensor con prisma de ángulo recto como elemento reflector 19

2.3.1. Principio de funcionamiento 19

2.3.2. Transmisión en el sensor 20

2.3.2.1. Análisis de la transmisión por índices de refracción

(6)

ii 2.3.2.2. Análisis de la transmisión considerando la

absorción en el arseniuro de galio

23

2.4. Sensor con espejo como elemento reflector 25

2.4.1. Principio de funcionamiento 25

2.4.2. Análisis de la transmisión por reflexión en el espejo 26

CAPÍTULO 3 Construcción del sensor

3.1. Introducción 31

3.2. Requerimientos y selección de materiales 31

3.3. Elaboración del sensor 34

3.3.1. Elaboración del cuerpo del sensor 34

3.3.2. Ensamble de la cabeza sensora 38

3.4. Fuente óptica 42

3.5. Receptor Óptico 54

CAPÍTULO 4 Fuente Óptica

4.1. Introducción 60

4.2. Fuente óptica sin control de temperatura 60 4.3. Fuente óptica con control de temperatura 61 4.4. Sensor de temperatura sin fuente controlada 63

4.5. Sensor con fuente controlada 66

4.6. Retroreflexión 68

4.7. Tiempo de respuesta del sensor 71

4.8. Evaluación final 71

CAPÍTULO 5 Conclusiones y trabajo a futuro

5.1. Conclusiones 74

5.2. Recomendaciones 75

5.3. Trabajo a futuro 75

APENDICES

(7)

iii

Apéndice B Fotografías del sistema 80

Apéndice C Programa desarrollado en Labview 6i para la captura de datos con el multímetro óptico HP8153A.

81

Apéndice D Piezas elaboradas 82

Apéndice E Impresos 83

Apéndice F Hoja de datos del diodo láser (RLT8810MG) 84

(8)

iv

RESUMEN

En este trabajo se presenta el desarrollo de un sensor de temperatura de configuración radial, utilizando fibra óptica y un cristal de Arseniuro de Galio (GaAs) como elemento transductor.

El sensor aprovecha la propiedad de los semiconductores donde la absorción óptica varía con la temperatura, esto debido a que se modifica la banda prohibida del semiconductor, donde la longitud de onda λg(T)

correspondiente a su borde de absorción espectral, se mueve a un valor superior con el incremento de temperatura.

El sensor consta básicamente de un par de fibras ópticas, una transmisora y otra receptora, el cristal de arseniuro de galio (elemento transductor) y un prisma de ángulo recto (elemento reflector).

El principio de funcionamiento es el siguiente: luz con intensidad constante cuyo espectro de emisión está alrededor de la orilla de absorción se guía a través de la fibra transmisora hacia el cristal de arseniuro de galio donde el haz de luz se modula en intensidad; luego el haz ya modulado se envía hacia la fibra receptora por medio del prisma de ángulo recto, la cuál lleva el haz hacia el sistema receptor para su procesamiento.

(9)

v

ABSTRACT

In this work the development of a temperature sensor with radial configuration that uses optical fiber and a gallium arsenide crystal (GaAs) as transducer element is presented.

The sensor takes advantage of the semiconductors property where the optical absorption varies with the temperature, due to the fact that the band gap of the semiconductor is modified and the wavelength λg(T) corresponding to its

fundamental optical absorption edge shifts towards longer wavelength with temperature.

The sensor consists basically of a pair of optical fibers (a transmitter and a receiving one), the gallium arsenide crystal (transducer element) and a right angle prism (reflecting element).

The operation principle is the following: light with constant intensity which spectral emission is around the fundamental optical absorption edge is guided through the transmitting fiber towards the gallium arsenide crystal where the light beam is modulated in intensity, then the modulated beam is sent to the receiving fibers by the right angle prism, which takes the beam towards the receiving system for its processing.

(10)

vi

OBJETIVO

Diseñar y construir un sensor de temperatura de alta compatibilidad electromagnética, de geometría radial utilizando fibra óptica y las propiedades de modulación de la luz del Arseniuro de Galio (GaAs).

JUSTIFICACIÓN

La temperatura es una variable física de gran importancia en la gran mayoría de los procesos; existen una gran variedad de métodos de medición efectivos, pero que sin embargo son susceptibles a la interferencia electromagnética.

(11)

vii

INDICE DE FIGURAS Y TABLAS

FIGURAS PÁG.

Fig. 1.1. Sensor modulado en intensidad. 4

Fig. 1.2. Sensor modulado en fase. 5

Fig. 1.3. Transmisión de la luz en una fibra óptica debido a la reflexión total interna.

6

Fig. 1.4. Cono de aceptación de una fibra óptica. 7 Fig. 2.1. Estructura del cristal de Arseniuro de Galio. 13 Fig. 2.2. Diagrama básico de las bandas de energía de un

semiconductor.

15

Fig. 2.3. Generación de pares electrón – hueco por absorción de fotones en un semiconductor.

15

Fig. 2.4. Esquemático de la estructura del sensor. 19 Fig. 2.5. Modo de transmisión del prisma de ángulo recto

utilizado en el sensor.

20

Fig. 2.6. Interfases existentes en el sensor de temperatura. 21 Fig. 2.7. Atenuación de un haz de luz al recorrer un material. 23 Fig. 2.8. Coeficiente de absorción del arseniuro de galio. 24 Fig. 2.9. Sensor de temperatura con espejo como elemento

reflector.

25

Fig. 2.10. Puntos a considerar para la función de modulación en un sensor de tipo reflexivo, que utiliza un espejo.

26

Fig. 2.11. Parte de la fibra receptora está dentro del cono de luz cuando a/(2T) ≤ h ≤ p/(2T).

27

Fig. 2.12. Función de modulación para el sensor. 28 Fig. 2.13. Modificación del cono de luz en las distintas interfaces

del sensor.

29

(12)

viii Fig. 3.3. Adaptador para pulir el cuerpo del sensor. 35 Fig. 3.4. Adaptador modificado para pulir el cuerpo del sensor. 36 Fig. 3.5. Extremo pulido del cuerpo del sensor. 37 Fig. 3.6. Pegado del GaAs al cuerpo del tubo capilar. 38 Fig. 3.7. Ensamble de la cabeza sensora. 39 Fig. 3.8. Prueba del sensor de temperatura. 40 Fig. 3.9. Curva de respuesta del sensor a 850 nm. 41 Fig. 3.10. Ensamble de la cabeza sensora con una sola fibra

cubierta.

42

Fig. 3.11. Corrimiento de la orilla de absorción de un semiconductor con la temperatura.

43

Fig. 3.12. Espectro de emisión del diodo láser RLT8810MG obtenido con el monocromador Spectra Pro-275.

44

Fig. 3.13. Espectro de emisión del diodo láser RLT8810MG obtenido con el analizador de espectros ópticos ADVANTEST Q8384.

45

Fig. 3.14. Diagrama de bloques de la fuente óptica. 45 Fig. 3.15. Primera sección de control en la fuente óptica. 47 Fig. 3.16. Sección de control del láser por retroalimentación

óptica.

47

Fig. 3.17. Fuente óptica utilizando el diodo láser RLT8810MG. 48 Fig. 3.18. Célula Peltier básica (elemento termoeléctrico). 50

Fig. 3.19. Contenedor de aluminio. 51

Fig. 3.20. Alineación del diodo láser RLT8810MG en el receptáculo SMA.

51

Fig. 3.21. Convertidor de medida en la etapa de control de temperatura del RLT8810MG.

52

Fig. 3.22. Circuito de control de temperatura del encapsulado del RLT8810MG.

53

(13)

ix Fig. 3.25. Etapa de amplificación en el receptor en configuración

no inversor.

57

Fig. 3.26. Control de corrimiento de offset en el receptor óptico. 57 Fig. 4.1. Gráfico de estabilidad de la fuente óptica sin control de

temperatura del diodo láser.

60

Fig. 4.2. Gráfico de estabilidad de la fuente óptica con control de temperatura del diodo láser.

62

Fig. 4.3. Sección longitudinal del horno (ubicación del sensor para su caracterización).

63

Fig. 4.4. Diagrama de conexión en la caracterización del sensor. 64 Fig. 4.5. Caracterización del sensor de temperatura con fuente

láser sin control de temperatura (a, b).

64 65 Fig. 4.6. Respuesta del sensor utilizando fuente láser con control

de temperatura.

66

Fig. 4.7. Respuesta del sensor utilizando el receptor óptico 66 Fig. 4.8. Respuesta normalizada del sensor de temperatura con

fuente sin control de temperatura.

67

Fig. 4.9. Respuesta normalizada del sensor de temperatura con fuente con control de temperatura.

67

Fig. 4.10. Diagrama de conexión para prueba de estabilidad utilizando una cabeza óptica.

69

Fig. 4.11. Gráfico de estabilidad de la fuente óptica utilizando la cabeza óptica HP 81533B.

70

Fig. 5.1. Sistema de compensación por doble longitud de onda. 76 Fig. 5.2. Sistema de compensación utilizando un

microprocesador.

76

Apéndice A Fotografías del sensor

(14)

x A.4. Vista al microscopio del alineamiento de las fibras

ópticas en la cabeza sensora.

79

Apéndice B Fotografías del sistema B.1. Fuente óptica.

B.2. Sonda de temperatura

80 80 Apéndice C

Programa desarrollado en Labview 6i para captura de datos con el multímetro óptico HP8153A.

81

Apéndice D Piezas elaboradas

Adaptador para pulir el cuerpo del sensor 82

Apéndice E Impresos Fuente Láser (RLT8810MG) Receptor Óptico

83 83

TABLAS

Tabla 1.1. Aplicaciones de los sensores de fibra óptica. 2 Tabla 1.2. Características típicas de LED’S y diodos láser. 9 Tabla 1.3. Características típicas del fotodiodo PIN y fotodiodo

de avalancha.

11

Tabla 2.1. Parámetros básicos del GaAs. 14

Tabla 3.1. Características principales de la fibra F-MBB. 32 Tabla 3.2. Atenuación típica de la fibra óptica de grado sensor

F-MBB.

32

Tabla 3.3. Características principales del adhesivo NOA81. 33 Tabla 3.4. Características principales del adhesivo HYSOL 0151. 34 Tabla 4.1. Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente

óptica sin control de temperatura en el diodo láser.

61

Tabla 4.2. Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente óptica con control de temperatura en el diodo láser.

62

Tabla 4.3. Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente óptica utilizando la cabeza óptica HP81533B.

(15)

xi

NOMENCLATURA

RFI Interferencia de radiofrecuencia (RadioFrecuency Interference). EMI Interferencia electromagnética (ElectroMagnetic Interference). GaAs Fórmula química del arseniuro de galio.

Ef Energía del fotón [eV].

Eg Energía de la banda prohibida del semiconductor [eV].

Eg(T) Energía de la banda prohibida de semiconductor dependiente de

la temperatura [eV].

λ Longitud de onda [m].

λg(T) Longitud de onda correspondiente de borde de absorción

espectral, y que es dependiente de la temperatura [m].

ν Frecuencia de la onda [Hz]. c Velocidad de la luz [m/s].

h Constante de Planck = 4.1355 x 10-15 eV.s

NA Apertura numérica.

Ms Función de modulación para un sensor modulado en intensidad por reflexión.

T Temperatura [K]ó [°C].

α Coeficiente de absorción de un material [1/m].

α(T) Coeficiente de absorción dependiente de la temperatura [1/m]. R Coeficiente de Fresnel para la reflectancia.

R|| Componente paralela de la reflectancia.

R⊥ Componente perpendicular de la reflectancia

T Coeficiente de Fresnel para la transmitancia. T|| Componente paralela de la transmitancia.

(16)

xii

INTRODUCCIÓN

En el laboratorio de Optoelectrónica de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (SEPI-ESIME) se desarrollan diversos tipos de sensores de fibra óptica.

En este trabajo se presenta el diseño, el proceso de construcción y prueba de un sensor de temperatura de configuración radial que utiliza un cristal de arseniuro de galio (GaAs) como elemento transductor.

(17)

CAPÍTULO

1

(18)

Sensores de fibra óptica y sus fundamentos CAPÍTULO 1

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1

CAPITULO 1 SENSORES DE FIBRA ÓPTICA Y SUS FUNDAMENTOS

1.1. INTRODUCCIÓN

Los sensores de fibra óptica constituyen una tecnología que se utiliza en diversas aplicaciones. Las siguientes características son algunas de las ventajas que hace atractivo su uso:

• Inmunes a interferencia de radiofrecuencia (RFI) e interferencia electromagnética (EMI).

• Dieléctricos, proporcionan aislamiento galvánico completo, por lo que dejan de producirse problemas por corrientes de tierra.

• A prueba de explosivos, debido a que por la fibra óptica no se conducen señales eléctricas son adecuados para medios inflamables.

• Tamaño pequeño, sus reducidas dimensiones permiten introducirlos en lugares inaccesibles a otros medios de exploración.

• Su flexibilidad permite admitir radios de curvatura pequeños y variables, adaptándose a medios tortuosos.

• Facilidad de instalación.

• Son relativamente químicamente inertes.

• Alta precisión. La precisión de las medidas alcanza niveles muy superiores a la obtenida por los medios convencionales.

• Interconexión con sistemas de transmisión de datos.

• Seguridad en la transmisión de datos.

• Resistentes a la radiación ionizante.

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2

Tabla 1.1. Aplicaciones de los sensores de fibra óptica [1].

Aplicaciones Tipo de sensor

Líneas de producción automatizadas

Posición, espesor, interruptor de limite, detección de fracturas, velocidad.

Control de procesos Temperatura, presión, flujo, análisis químico. Industria automotriz Temperatura, presión, torque o par de

torsión, detección de gas, aceleración. Herramientas mecánicas Desplazamiento, detección de fracturas en

las herramientas.

Aviación Temperatura, presión, desplazamiento,

rotación, nivel de líquido, deformación. Aire acondicionado / calefacción Temperatura, presión, flujo.

Aparatos Temperatura, presión.

Petroquímica Flamabilidad y gases tóxicos, detección de fugas, nivel de líquidos.

Aplicaciones militares Sonido, rotación, radiación, vibración, posición, temperatura, presión, nivel de líquidos.

Geofísica Deformación, campo magnético

Otras aplicaciones Temperatura, desplazamiento, campo magnético y campo eléctrico.

Otros campos de aplicación son:

• Detección de sobrecalentamientos.

• Seguimiento de procesos electrolíticos.

• Perforación de pozos.

• Industria alimenticia.

• Aparatos de microondas y alta frecuencia.

• Control de posición de válvulas y contactores.

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3

Las fibras ópticas han sido utilizadas como sensor simple, como un lector de tarjetas de computadoras o como indicador de corte de energía eléctrica para indicar si las luces de un automóvil se han fundido. Actualmente la tecnología de los sensores de fibra óptica está en auge de desarrollo y aplicación, como por ejemplo se encuentran en desarrollo sensores que usan técnicas de interferometría que comparados con un sensor de desplazamiento convencional, poseen de 4 a 5 veces mayor resolución [1].

La principal ventaja de los sensores de fibra óptica radica en que tienen poca sensibilidad a las interferencias electromagnéticas y además pueden utilizarse en lugares que son inaccesibles para otras tecnologías. Ejemplo de esto incluye la medición de corriente y voltaje en ambientes con alta interferencia electromagnética; la medición de constituyentes químicos en la sangre de pacientes bajo tratamiento quirúrgico, además de la habilidad de monitorear parámetros tales como la temperatura en campos de radiofrecuencia intensos. El bajo peso de sus componentes los hacen ideales para muchas aplicaciones en especial las aeronáuticas donde nuevas generaciones de aeronaves utilizan únicamente sensores de fibra óptica [1].

1.2. TIPOS DE SENSORES DE FIBRA ÓPTICA

Los sensores de fibra óptica pueden dividirse en dos categorías básicas: sensores modulados en intensidad y sensores modulados en fase. Los sensores modulados en intensidad generalmente están asociados con perturbaciones físicas que interactúan con la fibra o con un transductor mecánico unido a la fibra (ver fig. 1.1). La perturbación causa un cambio en la transmisión de la luz, que es función del fenómeno que se desea medir.

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Fig. 1.1. Sensor modulado en intensidad.

El sensor que se presenta en este trabajo es del tipo modulado en intensidad, en donde la intensidad del haz de luz cambia debido a la variación de la absorción óptica de un semiconductor la cuál depende de la temperatura.

Los sensores modulados en fase comparan la fase de la luz en la fibra sensora respecto a la fase de la luz en una fibra de referencia en un dispositivo conocido como un interferómetro; la diferencia de fase puede medirse con extrema exactitud. Los sensores modulados en fase son mucho más precisos que los sensores modulados en intensidad y pueden ser utilizados sobre un intervalo dinámico mayor. Los interferómetros tienen mayor aplicación en sistemas militares donde el costo no es necesariamente lo más importante, por otra parte los sensores modulados en intensidad están mejor ubicados en una amplia variedad de usos industriales [1].

Los sensores modulados en fase usan técnicas de interferometría para detectar presión, rotación y campo magnético, en la figura 1.2 se muestra una representación esquemática de un interferómetro de Mach-Zehnder: La fuente de luz láser emite un haz que se divide hacia la fibra monomodo de referencia y hacia la fibra sensora la cual está expuesta al ambiente de perturbación. Si la intensidad de la luz en la fibra sensora y la intensidad de la luz en la fibra de referencia son exactamente iguales y de la misma fase al recombinarse ocurre la interferencia constructiva la cual incrementa la intensidad de luz. Si están fuera de

Detector Procesador

de la señal

Material /dispositivo transductor

Fuente de luz

Campo de perturbación

Fibra óptica transmisora

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fase, ocurre interferencia destructiva y la recepción de la intensidad de luz es baja [1].

Fig. 1.2. Sensor modulado en fase.

1.3. FUNDAMENTOS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

La propiedad fundamental de la luz desde el punto de vista de la óptica geométrica es su propagación lineal; así mismo al incidir un haz de luz en una interfase, éste puede transmitirse, reflejarse o refractarse en la superficie de separación, es decir sufre una desviación. Estos conceptos aplican en la transmisión de luz en una fibra óptica como se describe a continuación.

1.3.1. Refracción y reflexión total interna

La refracción ocurre cuando la luz pasa de un medio isotrópico homogéneo a otro, el rayo se desvía al pasar a través de los dos medios. La expresión matemática que describe el fenómeno de la refracción se conoce como Ley de Snell [2]:

Detector Procesador de la

señal Láser

Modulador Fibra de referencia

Fibra sensora

Campo de perturbación

Divisor de haz Divisor de

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6

Los índices de refracción de los dos medios están a razón inversa de los senos de

los ángulos que forma la normal a la superficie de separación con los respectivos

rayos. refracción de ángulo del seno incidencia de ángulo del seno sen sen n n 2 2 1 = α α

= 1 1.1

Donde:

n1 = Índice de refracción del medio en el cual la luz inicialmente atraviesa.

n2 = Índice refracción del segundo medio.

α1 = ángulo entre el rayo incidente y la normal a la interfase. α2 = ángulo entre el rayo refractado y la normal a la interfase.

Una fibra óptica son dos cilindros coaxiales de materiales dieléctricos transparentes en el que el índice de refracción n1 del cilindro interno o núcleo es

superior al índice de refracción n2 del cilindro exterior o revestimiento. La luz que

se propaga en la fibra óptica cumple las condiciones de la reflexión total interna, es decir llega a la interfaz con un ángulo mayor que el ángulo crítico.

En la interfaz núcleo – revestimiento se produce la reflexión total interna, donde n1 > n2.

Fig. 1.3. Transmisión de la luz en una fibra óptica debido a la reflexión total

interna.

Además de éstos, puede tener una o más cubiertas de plástico blando o duro, así como otros materiales, estos revestimientos sirven de protección y además mejoran la transmisión [3].

B Eje de la fibra A α0 R H

θ1 θ2

n2

n1

C

n2

n1 > n2

Cubierta o revestimiento

Núcleo

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7

La apertura numérica (NA) es la capacidad de una fibra óptica para colectar luz. Este valor se calcula a partir de los índices de refracción del núcleo y del revestimiento:

NA= n12 −n22 1.2 Si la luz se inyecta a la fibra óptica desde un material distinto al aire, se considera el índice de refracción de este material (n0), y la apertura numérica es [4]:

22 2 1 0

n n n

1

NA= − 1.3

Donde:

n0 = índice de refracción del medio que rodea a la fibra óptica.

n1 = índice de refracción del núcleo.

n2 = índice de refracción del revestimiento.

Una fibra óptica con una apertura numérica grande acopla más luz que una con una apertura numérica menor, debido a que el ángulo crítico es mayor. Como la fibra es circular, existe un cono de aceptación o de admisión que define los ángulos de luz incidente que son acoplados en la fibra óptica (ver fig. 1.4), y el ángulo máximo de aceptación lo define la apertura numérica:

NA = sen α0M 1.4

Fig. 1.4. Cono de aceptación de una fibra óptica.

Las aperturas numéricas de las fibras comerciales varían entre 0.1 y 0.6. Cuanto mayor sea la diferencia entre el índice del núcleo y de la cubierta, mayor será la apertura numérica, por lo que aumentará el número de ángulos de entrada que permiten la propagación de la luz.

α0M

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8

1.4. FUENTES ÓPTICAS

En un sistema que utiliza fibra óptica como canal de transmisión, la información se puede transmitir en forma analógica o digital. En el primer caso se modula la amplitud de luz que se inyecta a la fibra. En la transmisión digital o numérica, la luz se inyecta en forma de pulsos de corta duración. Cualquiera que sea el sistema utilizado, se necesita una fuente luminosa [2].

1.4.1. Características de las fuentes ópticas

Las fuentes para fibra óptica deben tener las siguientes características:

1) Tener una superficie emisiva pequeña y si es posible, inferior a la superficie de entrada de la fibra.

2) Emitir la luz en direcciones compatibles con el cono de admisión, o la apertura numérica de la fibra.

Estas dos condiciones son necesarias para poder inyectar en la fibra la mayor cantidad de luz de la fuente:

3) Emitir en longitudes de onda en las que las fibras sean más transparentes, con el fin de recuperar la mayor cantidad posible de luz al final de la fibra.

4) Tener un ancho espectral pequeño para minimizar la dispersión cromática.

Además de estos cuatro criterios basados en la compatibilidad entre la fuente y la fibra, la fuente debe:

5) Tener intensidad suficiente.

6) Tener un tiempo de respuesta rápido. 7) Poder modularse con facilidad. 8) Ser pequeña.

9) Ser económica.

(26)

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9

Es a lo que se llama emisión del cuerpo negro o incandescencia. Las fuentes incandescentes – por ejemplo lámparas con filamento caliente – emiten un espectro continuo de longitudes de onda. Estas fuentes térmicas por naturaleza son muy lentas y no responden a los criterios 1, 4, 6, 7. Las únicas fuentes utilizables son por tanto las luminiscentes. Entre éstas, las más interesantes son las que utilizan la electroluminiscencia de los semiconductores. Los dos tipos de fuentes más utilizados son el diodo electroluminiscente (LED) y el láser semiconductor de inyección. Actualmente se construyen estos dos tipos de fuentes de tal forma que cumplan con los nueve criterios enunciados. El LED satisface principalmente los criterios 1, 3, 7, 8, 9, mientras que el láser de inyección satisface todos los criterios excepto el 9. La elección entre una fuente de LED o el láser de inyección se hace en función de la importancia de los criterios impuestos a un sistema dado [2].

En la tabla 1.2 se muestran las características de los LED’s y diodos láser típicos:

Tabla 1.2. Características típicas de LED’s y diodos láser [5].

LED’s Diodos láser

Longitud de

onda (nm) Clase 800-850 1300 800-850 1300 1500

Material GaAlAs InGaAsP GaAlAs InGaAsP InGaAsP

Ancho

espectral

(nm)

30-60 50-150 1-2 2-5 2-10

Ancho de

línea SM

(MHz)

150

10-30

150

10-30

Potencia

óptica de

salida (mW)

0.5-4.0 0.4-0.6 2-8 1.5-8 1.5-8

Corriente de

operación

(mA)

50-150 100-150 10-40 25-130

Tiempo de

subida (ns)

Superficie

Lateral

4-14

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10

LED’s Diodos láser

Longitud de

onda (nm) Clase 800-850 1300 800-850 1300 1500

Frecuencia

de

modulación

(GHz)

0.08-0.15 0.1-0.3 2-3 2-3 2-3

Amplitud del

haz

Paralelo Superficie 120-180°

Perpendicular Superficie 120-180°

Paralelo Lateral 180° 10-25° 10-30° 10-30°

Perpendicular Lateral 30-70° 20-35° 30-40° 30-40°

Tiempo de

vida (millones

de horas)

1-10 50-1000 1-10 0.5-50 0.5-50

1.5. DETECTORES ÓPTICOS

Un detector óptico es un dispositivo que convierte una señal luminosa en una señal eléctrica, la cuál puede ser amplificada y procesada; y es un componente importante en un sistema de fibra óptica.

(28)

Sensores de fibra óptica y sus fundamentos CAPÍTULO 1

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11

Tabla 1.3. Características típicas del fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha [5].

Silicio Germanio InGaAs

Parámetro PIN APD PIN APD PIN APD

Respuesta espectral

(nm) 400-1100 800-1800 900 – 1700

Pico (nm) 900 830 1550 1300 1300

(1500)

1300

(1500)

Responsividad

ρ (A/W) 0.6 77-130 0.65-0.7 3-28

0.63-0.8

(0.75-0.97)

Eficiencia cuántica

(%) 65-90 7 50-55 55-75 60-70 60-70

Ganancia (M) 1 150-250 1 5-40 1 10-30

Factor de ruido de

exceso (x) - 0.3-0.5 - 0.95-1 - 0.7

Voltaje de

polarización (-V) 45-100 220 6-10 20-35 5 < 30

Corriente de

oscuridad (nA) 1-10 0.1-1.0 50-500 10-500 1-20 1-5

Capacitancia (pF) 1.2-3 1.3-2 2-5 2-5 0.5-2 0.5

(29)

CAPÍTULO

2

(30)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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13

CAPITULO 2. SENSOR DE TEMPERATURA

2.1.INTRODUCCIÓN

En años recientes se han desarrollado varios sensores de temperatura a base de fibra para utilizarse en ambientes eléctricos y químicos hostiles. Los sensores de temperatura prácticos disponibles comercialmente se clasifican en dos grupos: sensores de baja temperatura que funcionan en el intervalo de – 100 °C a 400 °C, utilizan materiales sensores específicos tales como: fósforo, semiconductores, cristal líquido, etc., y sensores de alta temperatura que trabajan en el intervalo de 500 a 2000 °C y se basan en la radiación de cuerpo negro [6].

El borde de absorción espectral de la mayoría de los semiconductores varía con la temperatura [7], este principio se emplea en éste trabajo para desarrollar un sensor de temperatura que realiza a través de cambios en la potencia óptica transmitida. Se utiliza un cristal de arseniuro de galio (GaAs) que actúa como elemento transductor, el cuál modula la intensidad de un haz de luz que pasa a través de él produciendo cambios en la potencia óptica. En este capítulo se presentan las características del arseniuro de galio, así como el análisis de dos configuraciones consideradas para construir el sensor.

2.2. ARSENIURO DE GALIO (GaAs)

2.2.1. Características del arseniuro de galio

El Arseniuro de Galio (GaAs) es un semiconductor del grupo III-V que posee una gran movilidad de electrones y alta banda de energía. El arseniuro de galio tiene una estructura cúbica, llamada blenda de zinc, en la cual la coordinación es cuádruple o tetraédrica, en donde cada ión, sea galio o arsénico, está rodeado simétricamente por cuatro iones del otro elemento, cada uno localizado en las esquinas de un tetraedro regular [8], como se muestra en la figura 2.1:

Átomo de arsénico

Átomo de galio

(31)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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14

En la tabla 2.1 se muestran los parámetros básicos del arseniuro de galio a 300 K:

Tabla 2.1. Parámetros básicos del GaAs. (300 K) [8).

Estructura del cristal Blenda de Zinc

Peso atómico 144.63

Número de átomos por cm3 4.42 x 1022

Densidad 5.32 gramos/cm3

Afinidad electrónica 4.07

Punto de fusión 1238 °C

Resistividad intrínseca 3.3 x 108 .cm

Banda prohibida 1.424 eV

Conductividad térmica 0.46 W/cm.°C

Índice de refracción 3.3

Constante dieléctrica relativa 11.1

Concentración electrónica intrínseca 1.8 x 106 cm-3/V.seg

2.2.2. Fundamentos de la absorción óptica en el arseniuro de galio

Al interactuar los fotones de luz y un semiconductor estos puedan ser absorbidos o emitidos por éste. La absorción en gran parte resulta de la generación de pares electrón-hueco.

Para cualquier semiconductor existe una región de energía prohibida en la cual no pueden existir estados permitidos. Las regiones o bandas de energía se encuentran sobre y debajo de este intervalo. Las bandas superiores se llaman bandas de conducción; las bandas inferiores, bandas de valencia. La separación entre la banda de conducción más baja y la más alta de la banda de valencia se denomina banda prohibida (Eg), que es el parámetro más importante en la

(32)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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15

BANDA DE CONDUCCION

BANDA DE VALENCIA

Ec

Ev

Energía de hueco Energía

de electrón

Eg

Figura 2.2. Diagrama básico de las bandas de energía de un semiconductor [9].

Al incidir luz en un semiconductor, puede haber o no absorción; esto dependerá de la energía de los fotones incidentes y de la banda prohibida (Eg) del semiconductor. Los fotones con una energía menor que Eg no son absorbidos

por el semiconductor ya que no hay un estado de energía disponible en la banda prohibida para colocar un electrón (figura 2.3.a) por lo que la luz se transmite y el material es transparente a ella. Cuando la energía de los fotones Ef es igual a la

energía Eg, éstos son absorbidos por el semiconductor y se crean pares

electrón-hueco (figura 2.3.b). En caso de que la energía del fotón sea más grande que Eg,

se genera un par electrón hueco y, adicionalmente, el exceso de energía Ef – Eg se disipa como calor (figura 2.3.c) [10]. Esto coloca un límite superior en λ a

la cual un semiconductor absorbe fotones incidentes, esta es la longitud de onda en la que la energía del fotón es igual a la energía de la banda prohibida Eg.

Figura 2.3. Generación de pares electrón-hueco por absorción de fotones en un

semiconductor [10].

(a) (b) (c) Eg

(33)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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16

De lo anterior se deduce que para que un semiconductor absorba un fotón, la energía de éste debe ser igual o mayor que la banda prohibida del semiconductor, es decir Ef ≥ Eg.

La región espectral donde un material semiconductor pasa de ser relativamente transparente a fuertemente absorbente se le denomina borde de absorción espectral. Este borde de absorción del semiconductor está determinada por λg, la cual es la longitud de onda límite hasta donde el

semiconductor absorbe fotones, Ef = Eg, a longitudes de onda mayores la

energía del fotón es menor, por lo que el semiconductor no lo absorbe. La longitud de onda de un fotón es [11]:

ν

=

λ

c

2.1 Donde:

λ = Longitud de onda [m].

ν = Frecuencia de la onda [Hz]. c = Velocidad de la luz (m/s).

Y la energía que posee el fotón es [11]:

E=hν 2.2 Donde:

h = Constante de Planck [eV.s] = 4.1356 x 10-15 eV.s.

E = Energía del fotón [eV].

De la ecuación 2.2 se despeja el valor de la frecuencia:

h E

=

ν 2.3 Sustituyendo la ec. 2.3 en 2.1 se obtiene el valor de la longitud de onda en términos de la energía que posee la onda:

E hc

=

λ 2.4 A temperatura ambiente (300 K) el arseniuro de galio tiene una banda prohibida Eg = 1.422eV, utilizando la ecuación 2.4 para determinar la longitud de onda de

(34)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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17

( )

2

(

h Eg

)

1/2

h 1 ) ( ν− ν η = ν α

λ≤ 871.7 nm. Esto sirve para elegir la longitud de onda de emisión de la fuente de luz que se elige, las características de ésta se presentan en el siguiente capítulo.

Pero la banda prohibida de un semiconductor es dependiente de la temperatura, así la longitud de onda correspondiente al borde de absorción espectral, se mueve con cambios en la temperatura.

La dependencia de la banda prohibida con la temperatura se describe comúnmente por la relación empírica propuesta por Varshni [12]:

β + δ − = T T ) 0 ( E ) T ( E 2 g

g 2.5

Donde Eg(0) es la banda prohibida del semiconductor (eV) a 0 K, δ (eV/K) y β(K)

son constantes dependientes del material.

La absorción está determinada por dos valores: uno es la banda de prohibida del semiconductor y el segundo es la energía del fotón. Primero tenemos que en un semiconductor en equilibrio térmico, el coeficiente de absorción debido a transiciones es [11]:

2.6

Donde:

hν es la energía del fotón incidente [eV].

Eg es la banda prohibida del semiconductor [eV].

η es una constante de proporcionalidad propia para un semiconductor determinado.

La ecuación 2.6 describe como cambia el coeficiente de absorción para fotones de distinta energía. En el caso del sensor de temperatura tenemos que la longitud de onda de emisión permanece constante, pero la banda prohibida es dependiente de la temperatura. La banda prohibida decrece con el incremento de la temperatura, esto debido parcialmente a la expansión térmica pero también a las interacciones electrón-fonón, éste último efecto es dominante por encima de los 100 K [11].

(35)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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18

temperatura, se sustituye la ecuación 2.5 en la 2.6 y se obtiene la siguiente ecuación: 2 / 1 2 g 2 T T ) 0 ( E 1 ) T ( ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ β + δ − − φ φ η =

α 2.7

La ecuación 2.7 demuestra el principio de funcionamiento del sensor, ya que al variar la temperatura cambia la transmisión en el sensor al cambiar el coeficiente de absorción

Para que un semiconductor absorba un fotón, la energía de éste debe ser igual o mayor que banda prohibida del semiconductor, es decir, Ef≥ Eg [11].

El borde de absorción espectral del semiconductor se denota como λg, la

cual es la longitud de onda límite hasta donde el semiconductor absorbe fotones Ef = Eg, a longitudes de onda mayores la energía del fotón es menor, por lo que el

semiconductor no lo absorbe [11].

Relacionando la ecuación 2.4 con la ecuación 2.5 tenemos una relación que describe el corrimiento de la longitud de onda del borde espectral con la temperatura: β + δ − = λ T T ) 0 ( Eg hc ) T ( 2

g 2.8

Donde:

λg(T) es la longitud de onda correspondiente al borde espectral, y que es

dependiente de la temperatura.

La banda de prohibida es dependiente de la temperatura, así también la longitud de onda de la orilla de absorción lo es, de manera aproximada se puede expresar como: ) T ( E hc ) T ( g g =

λ 2.9

Y decir que la banda prohibida del semiconductor es:

) T ( hc ) T ( E g

g =λ 2.10

(36)

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19

Haz de luz incidente de

intensidad constante

Haz de luz con intensidad modulada Fibra óptica CRISTAL DE ARSENIURO DE GALIO (elemento sensor, proceso de modulación de la luz)

PRISMA (reflexión) 2 / 1 g

2 (T)

hc 1 ) T ( ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ λ − φ φ η =

α 2.11

Con esto se concluye que la banda prohibida es dependiente de la temperatura, al existir cambios en la temperatura existe un corrimiento en la longitud de onda correspondiente al borde de absorción espectral, y esto a su vez cambia el coeficiente de absorción del semiconductor. Éste es el proceso de modulación que ocurre en el sensor.

2.3. SENSOR CON PRISMA DE ÁNGULO RECTO COMO ELEMENTO REFLECTOR

2.3.1. Principio de funcionamiento

El sensor de temperatura que se desarrolló en el presente trabajo, utiliza un par de fibras ópticas que fungen como canales para llevar el haz de luz incidente y el reflejado, el cristal de arseniuro de galio, y un prisma de ángulo recto utilizado como elemento reflector.

Se probaron dos elementos de reflexión: un prisma y un espejo, para seleccionar el que acople mayor cantidad de luz hacia la fibra óptica receptora. En este apartado se describirá el funcionamiento utilizando un prisma de ángulo recto. El diagrama básico del sensor se muestra en la figura 2.4:

(37)

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20

Un haz de luz de intensidad constante se introduce en la fibra emisora, la cual se encarga de llevar el haz hasta el cristal de arseniuro de galio (GaAs) donde se modula en función de la temperatura a la que se encuentra sometido el sensor; una vez que haz atraviesa el cristal ahora ya modulado incide sobre un cristal de ángulo recto el cual desvía la trayectoria del haz, dirigiéndolo hacia la fibra receptora, la cual lo conduce hacia el sistema de detección.

En el desarrollo de este trabajo se utiliza el prisma en la configuración mostrada en la figura 2.5 ya que permite reflejar el haz de luz de forma paralela al eje de incidencia y permite acoplarlo hacia la fibra receptora.

Figura 2.5. Modo de transmisión del prisma de ángulo recto utilizado en el

sensor.

2.3.2. Transmisión en el sensor

2.3.2.1 Análisis de la transmisión por índices de refracción

Tomando en cuenta los índices de refracción de los distintos materiales donde se transmite el haz de luz., se determina cuál es la reflexión y la transmisión en cada una de las interfaces que existen en la cabeza sensora

Para esto se utilizan los coeficientes de Fresnel para potencia luminosa, denominados Reflectancia R que es la razón entre el flujo (o potencia) reflejado y el incidente [13]:

2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − = = = || i t i t n n n n R R

(38)

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21

Donde:

ni = Índice de refracción del medio de incidencia.

nt = Índice de refracción del segundo medio donde entra el haz de luz.

R|| = Componente paralela de la reflectancia.

R⊥ = Componente perpendicular de la reflectancia

Mientras que la Transmitancia es la razón del flujo transmitido al incidir y está dado por [13]:

(

)

2

4 i t i t n n n n T T T + = =

= || 2.13 T|| = Componente paralela de la transmitancia.

T⊥ = Componente perpendicular de la transmitancia.

Las ecuaciones 2.12 y 2.13 son para el caso cuando se tiene un haz de luz con incidencia normal, aquí se considera así, debido a que las distancias involucradas en las interfaces adhesivo-cristal-adhesivo-prisma, son muy pequeñas, así que el ángulo de salida del cono de luz es pequeño.

En la figura 2.6 se muestran las distintas interfaces existentes en la cabeza sensora. Cabe mencionar que se presenta un análisis considerando que el cristal de arseniuro de galio, cubre las dos fibras ópticas tanto la emisora como la receptora, pero en el prototipo final solo se cubre una sola fibra para evitar las pérdidas debidas al arseniuro de galio, las cuales son las mayores.

Figura 2.6. Interfases existentes en el sensor de temperatura.

NOTA: Los números indican el valor aproximado del índice de refracción.

Núcleo de la fibra óptica

Adhesivo Cristal de arseniuro

de galio (GaAs)

(39)

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22

Los siguientes índices de refracción se obtienen de las hojas de datos de los fabricantes de los distintos materiales:

Fibra óptica = 1.5 Adhesivo = 1.56

Arseniuro de galio = 3.299 (27°C ≈ 300 K) Prisma (BK7) = 1.511

Se utilizan las ecuaciones 2.12 y 2.13 para determinar los valores de estos parámetros en cada una de las interfaces los cuáles son los siguientes, considerando 300 K:

FIBRA – ADHESIVO ni = 1.5 nt = 1.56

T = 0.9996 ≈ 99.96 % R = 0.00038 ≈ 0.04 %

ADHESIVO – ARSENIURO ni = 1.56 nt =3.299

T = 0.8719 ≈ 87. 19% R = 0.12808 ≈ 12.81 %

ARSENIURO – ADHESIVO ni = 3.299 nt =1.56

T = 0.8719 ≈ 87.19 % R = 0.12808 ≈ 12.81 %

ADHESIVO – PRISMA ni = 1.56 nt = 1.511

T = 0.9997 ≈ 99.97 % R = 0.00025 ≈ 0.03 %

PRISMA – ADHESIVO ni = 1.511 nt = 1.56

T = 0.9997 ≈ 99.97 % R = 0.0002545 ≈ 0.03 %

ADHESIVO – ARSENIURO ni = 1.56 nt = 3.299

ARSENIURO – ADHESIVO ni = 3.299 nt = 1.56

T = 0.8719 ≈ 87.19 % R = 0.12808 ≈ 12.81 %

ADHESIVO – FIBRA ni = 1.56 nt = 1.5

(40)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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De donde se tiene una transmitancia total de: TT = 0.5772 ≈ 57.72%, debida

solamente a los índices de refracción. Para el caso en que el arseniuro de galio cubra solamente una fibra óptica se tiene una transmitancia T = 0.7593 ≈ 75.93 %. Debido a que el índice de refracción del arseniuro de galio depende de la temperatura, se determina la transmisión en el intervalo de 30 a 45 °C, que correspondería al intervalo de aplicación del sensor. A 30°C T = 57.71 % para dos fibras cubiertas y T = 75.92 % para una; a una temperatura de 45 °C, T = 57.66 % para dos fibras y T = 75.88 % para una fibra.

Existe una diferencia de 0.06 % para el caso de dos fibras cubiertas y 0.04 % para el caso de solo cubrirse una fibra óptica.

2.3.2.2 Análisis de la transmisión considerando la absorción en el arseniuro de galio

Cuando la luz atraviesa un material, se atenúa su intensidad conforme esta avanza. Dicha atenuación se representa a través de [2]:

I(x) dx

dI

α −

= 2.14 Donde:

α Es el coeficiente de absorción del material. I Es la intensidad de la luz.

Fig. 2.7. Atenuación de un haz de luz al recorrer un material.

Ii Io

dx

(41)

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Por lo que la atenuación que sufre el haz de luz al atravesar el material, está relacionada con la distancia que recorre (d) y el coeficiente de absorción del material (α).

La solución de la ecuación 2.14 para la distancia que recorre el haz de luz en el material (d) es:

I0 =Iie−αd 2.15 Donde:

Ii = es la intensidad del haz de entrada.

Io = es la intensidad del haz de salida.

De 2.15 se obtiene la relación de transmisión, que es:

d i

o e

I I α

= 2.16

La ecuación 2.16 denota cuál es el porcentaje de luz incidente que logra atravesar el semiconductor.

Los datos del coeficiente de absorción del arseniuro de galio de acuerdo al nivel de impurezas contra la energía de los fotones incidentes se muestran en la figura 2.8:

Fig. 2.8. Coeficiente de absorción del arseniuro de galio [11].

Coeficiente de absorción

α

(cm

-1)

10

5

10

4

10

3

10

2

10

1.3 1.4 1.5

Energía del fotón hν (eV)

Alta pureza (no = 5 * 1013 cm-3)

no = 5.9 *1017 cm-3

no = 2 *1018 cm-3

no = 6.7 *1018 cm-3

no = 3.3 *1018 cm-3 DOPADO

(42)

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25

Considerando la temperatura ambiente en 30 °C, el arseniuro de galio tiene su orilla de absorción alrededor de 880 nm, y su banda prohibida es de 1.4055 para el caso del material dopado con silicio. De la figura 2.8 se obtiene el valor del coeficiente de absorción para fotones con esta longitud de onda el cual es aproximadamente α = 480 cm-1, el espesor del cristal obtenido es d = 60 µm, y

utilizando la ecuación 2.16 tenemos que la transmisión es de T = Io/Ii = 0.056 =

5.6 %.

Para el sensor con dos fibras ópticas cubiertas se tiene una transmitancia de T = 0.577 = 57.7 % o -2.387 dB, adicionando esto a la transmisión por absorción la cual ocurre en dos ocasiones tenemos una transmisión total TT = 0.0018 =

0.18 %, o -27.4 dB. Cuando el sensor está con una fibra óptica cubierta el porcentaje de transmisión obtenido por índice de refracción es T = 0.759 = 75.9 % o -1.1 dB, y agregando la transmisión por absorción se obtiene una transmisión total TT = 0.0426 = 4.26 % o -13.7 dB.

Con esto se observa que un haz de luz a su paso por el arseniuro de galio sufre de una fuerte absorción, y la configuración con dos fibras ópticas es la que presenta mayor absorción. Por lo que es mejor la opción con una sola fibra óptica cubierta.

2.4. SENSOR CON ESPEJO COMO ELEMENTO REFLECTOR

2.4.1. Principio de funcionamiento

A fin de poder acoplar mayor potencia óptica, se pensó en utilizar otro elemento reflector, en este caso un espejo plano, como se muestra en la figura 2.9:

Fig. 2.9. Sensor de temperatura con espejo como elemento reflector.

Fibra óptica

Tubo de vidrio

(43)

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Al igual que en la configuración con el prisma se considera un par de fibras ópticas, el cristal de arseniuro de galio y ahora un espejo como elemento reflector. El haz de luz ingresa por una fibra receptora encargada de llevar el haz de luz hacia el GaAs donde se modula y luego este haz de refleja en el espejo para entrar en la fibra receptora ya modulado, para ser guiado hacia el sistema detector. Un punto importante en esta configuración es determinar la distancia a la que se colocará el espejo a fin de tener la mayor cantidad de potencia.

2.4.2. Análisis de la transmisión por reflexión en el espejo

Para realizar este análisis se hace la suposición de que el sensor es del tipo modulado en intensidad por reflexión, es decir el espejo es una parte móvil, para ello se utiliza la función de modulación. La función de modulación se define como relación entre la potencia captada por la fibra receptora y la potencia radiada desde la fibra emisora. Con el uso de esta función se puede describir la relación entre ambas potencias y la distancia a la que se encuentra la superficie reflectora en este caso, el espejo [15].

Se calcula la función de modulación para saber a que distancia se debe encontrar el espejo para una máxima reflexión. Para esto se consideran los puntos que se muestran en la figura 2.10, que son: distancia de la fibra al espejo h, radio de la fibra óptica r, distancia entre núcleos de fibra óptica p, y la apertura numérica de la fibra óptica NA.

a

p

r = 100 µm

a = 282.6 µm

p = a + 2r NA = 0.37 h

r Fig. 2.10. Puntos a

considerar para la

función de modulación

en un sensor de tipo

reflexivo, que utiliza un

(44)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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Se considera que es un modelo de reflexión especular, donde la superficie reflectora es un espejo plano; el sensor consiste de una fibra emisora y una receptora como se muestra en la figura 2.10. Los ejes de las fibras son paralelos entre sí y a su vez son perpendiculares con respecto al espejo. Los núcleos de las fibras están separados una distancia a, y la distancia que existe de los extremos de las fibras al espejo h. Una imagen virtual se forma a una distancia h, detrás del espejo, por lo que el acoplamiento de luz se da como si la fibra óptica receptora estuviera enfrente de la emisora, esto debido a la imagen virtual que se forma, se define que [15]:

p = a + 2r 2.17 y

T = Tan θN 2.18

θN = arc sen NA 2.19

Al variar la distancia que existe entre las fibras y el espejo tenemos varias zonas, donde está definida una función de modulación en particular:

a) Para el caso donde h < (a/2T), el extremo de la fibra receptora está fuera del cono del luz, por lo que no se acopla luz en la fibra y la función de modulación es Ms = 0

b) Para el intervalo donde a/(2T) ≤ h ≤ p/(2T), solo parte del cono de luz está dentro de la fibra óptica, como se muestra en la figura 2.11:

Fig. 2.11. Parte de la fibra receptora está dentro del cono de luz cuando

a/(2T) h p/(2T) [15]. q

ψ

p

r Fibra

emisora Fibra receptora

(45)

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28

En este caso función de modulación se define por [15]:

[

2

]

2

2 2 NA 1 hNA 2 r

Ms ⎟ −

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ β

= 2.20

Donde: ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ φ − ψ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + φ π = π = β sen r p r q 1 r A 2

2 2.21

A=r2φ+q2ψ−pr.senφ 2.22

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = φ 2pr q -r p cos arc 2 2 2 2.23 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = ψ pq 2 r -q p cos arc 2 2 2 2.24

c) Para el caso en que h > p/(2T), la fibra óptica está dentro del cono de luz y la función de modulación está dada por:

2 2 2 h 2 p 1 hNA 2 r Ms ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛

= 2.25

Para la elaboración del sensor se utilizó una fibra óptica de grado sensor, de la que se hablará en el siguiente apartado, cuyos datos se encuentran en la figura 2.10, graficando la función de modulación se obtiene:

Fig. 2.12 Función de modulación para el sensor. Ms h (m) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

(46)

Sensor de temperatura CAPÍTULO 2

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29

Se obtiene un máximo de la función de modulación cuyo valor es Ms = 0.0347 = 3.47 % a una distancia de aproximadamente 622 µm, lo que quiere

decir que para obtener la mayor potencia acoplada por este principio se necesita que el espejo esté colocado a esta distancia.

Fig. 2.13. Modificación del cono de luz en las distintas interfaces del sensor.

Se considera la desviación que sufren los rayos de luz en las distintas interfaces (Fig. 2.13), y se obtiene que la distancia a la que se tiene el mayor porcentaje de luz acoplada es de aproximadamente: h = 656 µm. Sin embargo al porcentaje de transmisión que se obtiene con la función de modulación hay que adicionar el porcentaje de transmisión debido a índices de refracción y también el de absorción. Para el caso de absorción se toma en cuenta solamente el caso del sensor que posee una fibra cubierta, ya que éste es el que acopla mayor potencia luminosa. La transmisión total utilizando el espejo es TT = 0.0014 =0.14 % o

bien -28.5 dB.

El porcentaje de transmisión es mucho menor, comparando con el prisma para ésta misma configuración se obtiene TT = 0.0426 = 4.26 % o -13.7 dB; con esto

se concluye que no es una alternativa adecuada, por lo que se optó por no seguir esta línea de construcción. Entonces para la construcción del sensor se decide utilizar la del prisma de ángulo recto como elemento reflector y con el cristal de arseniuro de galio (GaAs) cubriendo solamente una fibra óptica. El proceso de construcción del sensor con la configuración elegida se detalla en el capítulo 3.

Espejo

Arseniuro de galio

Adhesivo NOA81

Cono de luz

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CAPÍTULO

3

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Construcción del sensor CAPÍTULO 3

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CAPITULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL SENSOR

3.1. INTRODUCCIÓN.

En este capítulo se presentan las fases en la elaboración del sensor; primero los materiales seleccionados, siguiendo con el proceso de construcción donde se describen los problemas que se presentaron durante su desarrollo y la solución de los mismos; y se finaliza con la descripción de los circuitos de la fuente óptica y el receptor.

3.2. REQUERIMIENTOS Y SELECCIÓN DE MATERIALES.

El elemento principal de este sensor es un cristal de arseniuro de galio (GaAs) que actúa como elemento transductor; tiene la característica de modular la intensidad de la luz en función de la temperatura a la que se encuentra. El arseniuro de galio utilizado (GaAs), fue elaborado por la compañía Sumitomo III - V Semiconductors, la identificación del empaque (GAAS-SI) hace suponer que este semiconductor viene dopado con impurezas de silicio, sin embargo no se tienen datos precisos sobre cuál es la cantidad real. Se sabe este material está destinado para la construcción de circuitos integrados por lo cuál se hace la suposición que el nivel de impurezas es bajo; se considera que el porcentaje de contaminación es del 5 %, como se utilizó en el capítulo 2. El arseniuro de galio viene en forma de oblea circular de 1.5 cm de diámetro y 340 µm de espesor.

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Construcción del sensor CAPÍTULO 3

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óptica posee gran eficiencia en el acoplamiento de luz, es ideal en aplicaciones que requieren de ciertas curvaturas o arrollamientos. Las aplicaciones típicas a las que está orientada esta fibra óptica incluye los sensores e instrumentos de tipo médico, industrial y de la industria aeronáutica; el intervalo de temperatura de operación para esta fibra óptica es de -65 °C a 125 °C [16].

Las características principales de la fibra F-MBB se resumen en la tabla 3.1 Tabla 3.1. Características principales de la fibra F-MBB (Newport) [16].

Longitud de onda de

operación (nm) NA

Diámetro del núcleo

(µm)

Índice

Ancho de banda (MHz/Km.)

500 – 1100 0.37 200 ± 4 escalonado 20

En la tabla 3.2 se muestra la atenuación típica al utilizar la fibra óptica de grado sensor para diversos tipos de fuentes:

Tabla 3.2. Atenuación típica de la fibra óptica de grado sensor F-MBB [16].

TRANSMISIÓN EN LA FIBRA ÓPTICA MULTIMODO DE GRADO SENSOR

λ (nm) Tipo de fuente dB/m

633 HeNe 0.008 820 LED 0.006 1064 Nd:YAG 0.012

1300 Diodo Láser 0.030

Esta fibra óptica tiene mucho menor grado de atenuación, presenta mejores características para adoptar curvaturas en comparación con otro tipo de fibra óptica, así como las aplicaciones para la que está diseñada, hacen de esta fibra óptica, la opción ideal para el desarrollo de este sensor.

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Construcción del sensor CAPÍTULO 3

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Fig. 3.1. Transmisión en el adhesivo NA081

ULTRAVIOLETA LUZ VISIBLE INFRARROJO

TRANSMISIÓN (%)

LONGITUD DE ONDA (µm)

Se requiere que las fibras ópticas estén fijas dentro del tubo de vidrio, donde se alinean y dan forma al cuerpo del sensor; por lo que también se requiere un adhesivo adecuado para esto.

Se seleccionaron dos adhesivos, el primero es el Norland Optical Adhesive 81, es un adhesivo que seca con exposición a rayos ultravioleta, es un pegamento de secado rápido con tiempos de exposición que pueden variar entre 10 y 60 segundos según el espesor de la película de adhesivo y la potencia de la lámpara. El NAO81 es sensible a luz en el intervalo de 320 a 380 nm con un pico de sensibilidad en 365 nm. Se obtienen películas de buena dureza sin llegar a ser quebradizas y poseen resistencia a vibraciones y a temperaturas extremas. Este adhesivo tiene un índice de refracción de 1.56 una vez que el polímero ha secado y su transmisión es mayor al 95% en la longitud de onda de interés (880nm), como puede apreciarse en la figura 3.1, así mismo sus características principales se mencionan en la tabla 3.3:

Tabla 3.3. Características principales del adhesivo NOA81.

SÓLIDOS 100 %

VISCOSIDAD 300 cps

ÍNDICE DE REFRACCIÓN DEL POLÍMERO SECO 1.56

TOLERANCIA A FALLOS 25 %

MÓDULO DE ELASTICIDAD 200,000

TENSIÓN DE ESFUERZO MÁXIMO 4000

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Construcción del sensor CAPÍTULO 3

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El otro adhesivo seleccionado es un adhesivo epóxico, el modelo Hysol 0151, este tipo de adhesivos epóxicos proporcionan una resistencia superior tanto química como térmica para satisfacer las demandas del mercado de fibra óptica. Sus formulaciones ofrecen altas temperaturas de transición del vidrio, mínimo encogimiento y una excelente adhesión a los sustratos de fibra óptica usados comúnmente incluyendo vidrio, cerámica y metales.

Este adhesivo se usa comúnmente en la terminación de conectores, para el aseguramiento de componentes activos y pasivos, y en el encapsulado de una variedad de elementos de empaque. Este adhesivo puede secar ya sea a temperatura ambiente o puede acelerarse el proceso aplicando calor. En la tabla 3.4 se resumen sus características.

Tabla 3.4. Características principales del adhesivo HYSOL 0151.

CURADO Térmico

COLOR Transparente

VISCOSIDAD 70000/60000 cps

TRANSMISIÓN VISIBLE /NIR > 95 % / > 90 %

DUREZA SHORE D 88

ÍNDICE DE REFRACCIÓN 1.56

El tubo de vidrio utilizado para la alineación de la fibra óptica, es un tubo capilar, tiene un diámetro interno aproximado de 1.016 mm y 1.27 mm en su diámetro exterior, y 75 mm de longitud.

3.3. ELABORACIÓN DEL SENSOR

3.3.1. Elaboración del cuerpo del sensor.

El sensor deseado es un sensor de configuración radial, así se necesita alinear las fibras ópticas (transmisora y receptora) dentro de un tubo que las mantenga así de manera permanente y a la vez que permita su pulido.

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Construcción del sensor CAPÍTULO 3

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óptica; por lo que para resolver este problema se utilizó un tubo capilar, donde el par de fibras ópticas entran de manera adecuada sin existir demasiado espacio sobrante. Para pegar las fibras al tubo se utilizó el adhesivo HYSOL 0151, como se muestra en la figura 3.2.

Fig. 3.2. Alineamiento de las fibras ópticas

Se le aplican 60°C de temperatura al cuerpo del sensor, a fin de acelerar el proceso de curado del adhesivo; con esto se consigue que el material esté seco en dos horas, y no en tres días si se deja secar a temperatura ambiente.

Se modificó el diámetro interno de un conector SMA y se le adaptó un pequeño tubo de aluminio para poder fijar el tubo de vidrio que contiene a las fibras ópticas y así poder pulirlas, como se muestra en la figura 3.3.

Fig. 3.3. Adaptador para pulir el cuerpo del sensor. Conector SMA

Tubo de aluminio Prisioneros

Fibra F-MBB (NEWPORT)

TUBO CAPILAR

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Construcción del sensor CAPÍTULO 3

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El objeto de utilizar un conector SMA, es el de emplear las placas estándar para pulir fibras ópticas. Para proteger el tubo de vidrio del prisionero que tiene el adaptador se coloca de manera temporal una cubierta plástica de fibra óptica, sin embargo en repetidas ocasiones el tubo de vidrio se quebraba dificultando así el proceso de pulido; para resolver este problema se introdujo el tubo de vidrio en un tubo de plástico que tiene 120/1000 pulg. de diámetro externo, y se pegó con el adhesivo epóxico, dándole de esta manera rigidez mecánica. Sin embargo se tuvo que modificar el adaptador ya que ahora alberga el tubo de plástico, para eso se le quita una sección del conector SMA, se modifica el diámetro interno del tubo de aluminio del adaptador, el esquema general de este se muestra en la figura 3.4:

Fig. 3.4. Adaptador modificado para pulir el cuerpo del sensor.

En el apéndice C se muestran los diagramas de elaboración de ésta pieza.

De esta manera se logra dar rigidez mecánica al cuerpo del sensor, y con la modificación del adaptador se puede llevar a cabo el proceso de pulido de una manera más fácil y segura.

Para pulir el cuerpo del sensor se usaron lijas para fibra óptica y se siguió el mismo procedimiento que el utilizado para elaborar los conectores de la fibra óptica, aunque requirió de más tiempo, debido a la utilización de los tubos (vidrio y plástico).

A simple vista el par de fibras ópticas entraban de manera ideal, pero al observar al microscopio los primeros prototipos, sus ejes estaban desalineados, paro resolver esto se introdujeron pequeñas secciones de fibra óptica a manera

Figure

Fig. 3.25.  Etapa de amplificación en el receptor en configuración
Fig. 3.25. Etapa de amplificación en el receptor en configuración p.13
Tabla 1.1.  Aplicaciones de los sensores de fibra óptica [1].

Tabla 1.1.

Aplicaciones de los sensores de fibra óptica [1]. p.19
Tabla 1.2.  Características típicas de LED’s y diodos láser [5].

Tabla 1.2.

Características típicas de LED’s y diodos láser [5]. p.26
Tabla 1.3.  Características típicas del fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha [5].

Tabla 1.3.

Características típicas del fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha [5]. p.28
Tabla 2.1. Parámetros básicos del GaAs. (300 K) [8).

Tabla 2.1.

Parámetros básicos del GaAs. (300 K) [8). p.31
Figura 2.4. Esquemático de la estructura del sensor.

Figura 2.4.

Esquemático de la estructura del sensor. p.36
Fig. 2.10. Puntos a
Fig. 2.10. Puntos a p.43
Fig. 2.12  Función de modulación para el sensor.
Fig. 2.12 Función de modulación para el sensor. p.45
Fig. 3.5.  Extremo pulido del cuerpo del sensor.
Fig. 3.5. Extremo pulido del cuerpo del sensor. p.54
Fig. 3.7. Ensamble de la cabeza sensora.
Fig. 3.7. Ensamble de la cabeza sensora. p.56
Fig. 3.9. Curva de respuesta del sensor a 850 nm
Fig. 3.9. Curva de respuesta del sensor a 850 nm p.58
Fig. 3.10.   Ensamble de la cabeza sensora con una sola fibra cubierta.
Fig. 3.10. Ensamble de la cabeza sensora con una sola fibra cubierta. p.59
Fig. 3.11.  Corrimiento del borde espectral de un semiconductor con la
Fig. 3.11. Corrimiento del borde espectral de un semiconductor con la p.60
figura 3.17, sin embargo las pruebas de estabilidad (ver. capítulo 4) muestran la

figura 3.17,

sin embargo las pruebas de estabilidad (ver. capítulo 4) muestran la p.62
Figura 3.15. Primera sección de control en la fuente óptica

Figura 3.15.

Primera sección de control en la fuente óptica p.64
Fig. 3.16. Sección de control del láser por retroalimentación óptica.
Fig. 3.16. Sección de control del láser por retroalimentación óptica. p.64
Fig. 3.17. Fuente óptica utilizando el diodo láser RLT8810MG [17].
Fig. 3.17. Fuente óptica utilizando el diodo láser RLT8810MG [17]. p.65
Fig. 3.18. Célula Peltier básica (elemento termoeléctrico).
Fig. 3.18. Célula Peltier básica (elemento termoeléctrico). p.67
Fig. 3.20. Alineación del diodo láser RLT8810MG en el receptáculo SMA.
Fig. 3.20. Alineación del diodo láser RLT8810MG en el receptáculo SMA. p.68
Fig. 3.21. Convertidor de
Fig. 3.21. Convertidor de p.69
Fig. 3.22. Circuito de control de temperatura del encapsulado del RLT8810MG [18].
Fig. 3.22. Circuito de control de temperatura del encapsulado del RLT8810MG [18]. p.70
Fig. 3.23. Diagrama eléctrico del receptor óptico.
Fig. 3.23. Diagrama eléctrico del receptor óptico. p.72
figura 4.1 se muestra el gráfico de estabilidad de la fuente sin control de

figura 4.1

se muestra el gráfico de estabilidad de la fuente sin control de p.77
Tabla 4.1. Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente óptica sin control de

Tabla 4.1.

Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente óptica sin control de p.78
Tabla 4.2. Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente óptica con control

Tabla 4.2.

Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente óptica con control p.79
Fig. 4.7. Respuesta
Fig. 4.7. Respuesta p.83
figura 4.6:

figura 4.6:

p.83
Fig. 4.8. Respuesta normalizada del sensor de temperatura con fuente sin control
Fig. 4.8. Respuesta normalizada del sensor de temperatura con fuente sin control p.84
Fig. 4.9. Respuesta normalizada del sensor de temperatura con fuente con control
Fig. 4.9. Respuesta normalizada del sensor de temperatura con fuente con control p.84
Tabla 4.3. Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente óptica utilizando la cabeza óptica HP81533B

Tabla 4.3.

Resumen estadístico de la estabilidad de la fuente óptica utilizando la cabeza óptica HP81533B p.87

Referencias

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