Resumen:
Los científicos han estudiado que la Tierra es redonda durante más de 2.000 años, pero los partidarios de la "teoría de la Tierra plana" todavía creen firmemente en ella. Algunas personas incluso están dispuestas a "ir al fin del mundo" para encontrar pruebas, pero aún no han encontrado el llamado fin. Dejando de lado la forma de la Tierra, investigadores del Real Instituto de Tecnología de Suecia y de la Universidad de Southampton en el Reino Unido desarrollaron recientemente una tecnología que demuestra que en el campo de la detección por fibra óptica, las estructuras planas pueden ser significativamente mejores que las circulares.
El equipo de investigación desarrolló una fibra óptica de sílice plana en forma de cinta. Este tipo de fibra óptica puede diseñarse estructuralmente para producir una respuesta mucho más fuerte a los efectos físicos que las fibras ópticas cilíndricas tradicionales, por lo que puede convertirse en un sensor con mejor rendimiento. Los investigadores la denominaron "Fibra plana de alta relación de aspecto" (HARFF). En una prueba comparativa, la sensibilidad a la presión de esta fibra óptica fue hasta 1.000 veces mayor que la de las fibras ópticas tradicionales; otra versión llena de metal interno mostró capacidades de detección de temperatura más fuertes. El equipo de investigación ha utilizado una única preforma experimental para estirar esta fibra óptica especial de más de 120 metros de longitud, demostrando su viabilidad de fabricación.
El uso más conocido de la fibra óptica es como filamento de vidrio que transmite datos y transporta información por todo el mundo a través de pulsos de luz. Sin embargo, la fibra óptica también es un sensor muy capaz. Los efectos externos como el estiramiento, la presión o la temperatura pueden cambiar ligeramente las propiedades físicas y ópticas del vidrio. Estos efectos externos se pueden medir siguiendo los cambios de la luz a medida que viaja a través de la fibra.
Una analogía aproximada pero intuitiva es la de una manguera de riego. Cuando la gente aprieta una determinada sección de la manguera, el flujo de agua cambia. Al medir el cambio en el flujo de agua, los ingenieros pueden calcular cuánta presión se aplica. La detección de fibra óptica utiliza un principio similar, pero es mucho más sensible. Los investigadores envían luz a fibras ópticas, miden cómo cambian las señales de luz y utilizan estos cambios para inferir lo que ha experimentado la fibra óptica.
Un enfoque común es utilizar rejillas de Bragg de fibra. Estas rejillas son pequeñas estructuras periódicas escritas dentro de fibras ópticas que reflejan longitudes de onda de luz específicas. Cuando una fibra óptica se estira o comprime, la longitud de onda de la luz reflejada cambia, lo que proporciona a los ingenieros una "regla óptica" para medir la tensión.
Las fibras ópticas de sílice convencionales suelen ser cilíndricas, una geometría ideal para medir las fuerzas que actúan a lo largo del eje de la fibra. Sin embargo, los cilindros de vidrio sólido responden débilmente a las fuerzas laterales y a la presión hidrostática desde todas las direcciones a su alrededor, lo que genera limitaciones significativas en su sensibilidad, que es una de las propiedades más deseables de la tecnología de detección.
Para resolver este problema, los investigadores cambiaron la forma del vidrio. En lugar de hacer primero una fibra redonda y luego intentar aplanarla, diseñaron HARFF en una estructura plana en la etapa de preforma, lo que dio como resultado una estructura sólida con una relación de aspecto cercana a 20:1. Esta geometría plana en forma de cinta revoluciona la forma en que las fibras ópticas responden a las fuerzas externas. En pocas palabras, la fuerza necesaria para doblar una varilla redonda no es la misma que doblar una regla delgada. La estructura plana hará que la fibra óptica responda más fácilmente a las fuerzas de flexión como una regla.
Con HARFF, los ingenieros pueden ajustar individualmente el ancho, el espesor, el espesor de la pared y los canales internos de la fibra para diseñar específicamente dónde se dobla el vidrio y dónde se concentra la tensión.
En el sensor de presión, el equipo de investigación diseñó dos canales de aire que se extienden longitudinalmente dentro de la fibra óptica. Esta estructura asimétrica diseñada intencionadamente se deforma cuando se aplica presión externa, provocando distintos grados de tensión en diferentes direcciones alrededor de la guía de ondas óptica. Como resultado, también cambia una propiedad de la fibra llamada "birrefringencia". La birrefringencia significa que la luz que viaja en dos direcciones de polarización perpendiculares entre sí experimentará índices de refracción ligeramente diferentes en la misma pieza de vidrio.
Luego, los investigadores escribieron dos rejillas de Bragg de fibra idénticas en la guía de ondas óptica, formando una pequeña cavidad óptica entre ellas. Cuando la luz se propaga dentro de esta cavidad óptica, produce un patrón de interferencia característico. Cuando la presión deforma el vidrio, su birrefringencia cambia y el patrón de interferencia cambia de manera mensurable.
En términos simples, la presión deforma la fibra de la cinta, lo que cambia las propiedades ópticas del vidrio, y la señal luminosa modificada indica a los investigadores cuánta presión se aplicó.
Los investigadores colocaron este sensor de prueba de concepto en un recipiente a presión para realizar pruebas, y la presión de prueba alcanzó hasta 0,40 MPa. Los resultados de la medición muestran que su respuesta de pico a valle alcanza 7,24 dB/MPa; cuando se calcula utilizando otro método de análisis, la sensibilidad a la presión alcanza un máximo de 31,6 rad/MPa. Al mismo tiempo, la sensibilidad cruzada a la temperatura es inferior al 1% de la sensibilidad a la presión, lo que ayuda a los investigadores a distinguir los cambios de presión de los cambios de temperatura.
El equipo de investigación afirmó que, en comparación con fibras ópticas comparables que utilizan núcleos elípticos y secciones transversales circulares, la sensibilidad de HARFF ha mejorado hasta tres órdenes de magnitud, es decir, aproximadamente 1.000 veces. También afirman que el rendimiento de HARFF mejora hasta dos órdenes de magnitud en comparación con otros diseños de fibra de sílice optimizados para la detección de presión hidrostática.
Además de la detección de presión, los investigadores también demostraron que la misma plataforma de vidrio básica también puede diseñarse como sensor de temperatura. En el sensor de temperatura, llenaron un canal interno del HARFF con una aleación a base de estaño. El coeficiente de expansión térmica del dióxido de silicio es de aproximadamente 0,5×10⁻⁶/K, mientras que el coeficiente de expansión térmica de esta aleación es de aproximadamente 23×10⁻⁶/K. Cuando los dos se calientan, el metal intenta expandirse mucho más de lo que permite el vidrio circundante. Esta diferencia de expansión crea tensión en la sílice, cambiando su birrefringencia y formando nuevamente una señal óptica que se puede medir.
Los investigadores creen que no solo han creado un sensor más potente, sino que también han transformado la geometría y la estructura interna de la fibra en nuevas variables de diseño de ingeniería.
Pavel Maniewski, investigador del Real Instituto de Tecnología, afirmó que no se trata sólo de una fibra óptica con una apariencia diferente, sino que abre un nuevo espacio de diseño para las fibras ópticas. Al cambiar la geometría, se puede hacer que el vidrio responda de manera más significativa al entorno físico que lo rodea.
Al cambiar el ancho de la fibra, el grosor, los canales de aire, la ubicación de la guía de ondas ópticas o los materiales que llenan estos canales, se espera que la misma plataforma de fabricación básica se optimice para diferentes tipos de necesidades de detección en el futuro. Por ejemplo, incorporar dicha fibra óptica en un ala compuesta permitiría monitorear cargas y tensiones sin tener que diseñar una red de una gran cantidad de sensores electrónicos tradicionales.
También se pueden utilizar fibras ópticas similares en campos como drones, puentes, estructuras industriales y baterías. En estos escenarios, los cambios en la temperatura o presión interna pueden servir como señales de advertencia temprana de falla del equipo. Además, la fibra óptica también tiene las ventajas de ser liviana, de tamaño pequeño y no afectada por interferencias electromagnéticas.
Por supuesto, todavía queda un largo camino por recorrer desde una impresionante fibra óptica de laboratorio hasta una aplicación práctica que permitiría a los aviones tener algo así como un "sistema nervioso de vidrio". El HARFF actual todavía se encuentra en la etapa de prueba de concepto. Los investigadores midieron una pérdida de propagación de la luz de aproximadamente 0,16 dB/metro, lo que creen que se debe principalmente a la geometría del núcleo experimental y al material de sílice utilizado, más que a las limitaciones inherentes de la propia fibra plana.
Además, la pérdida que se genera cuando se empalma HARFF con fibra óptica tradicional suele ser inferior a 3 decibelios, lo que significa que aún queda mucho margen de optimización de esta tecnología.
El siguiente paso del equipo de investigación planea mejorar aún más las capacidades de control de la forma de la fibra, reducir la pérdida óptica y promover HARFF desde un sensor de prueba de concepto a un sistema real. El Real Instituto de Tecnología señaló que los drones inteligentes, los materiales compuestos avanzados y las tecnologías energéticas más seguras son posibles direcciones de aplicación futuras de esta tecnología.
Cabe señalar que esta investigación se centra en la detección de fibra óptica, no en la transmisión de datos de telecomunicaciones. En el campo de las telecomunicaciones, la fibra óptica circular tradicional sigue siendo el estándar principal.
Esta investigación ha sido publicada en la revista Nature Communications.
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