Las fibras ópticas ultradelgadas, de entre 1 y 3 micrones (μm) de diámetro, se utilizan cada vez más para equipar nuevos sensores capaces de identificar la presencia y escapes de gases, como el acetileno y el metano, en instalaciones industriales y gasoductos. Son estructuras compactas muy sensibles al ambiente exterior que funcionan correctamente incluso en situaciones de exposición a perturbaciones electromagnéticas, características que son propicias para la tarea de detección. No obstante, el manipuleo de estas fibras constituye todo un reto. Requiere personal experimentado debido a la delicadeza del material, y la señal óptica puede ver afectado su rendimiento debido a la presencia de humedad y polvo.
Un equipo de investigadores del Laboratorio de Fibras Especiales y Sensores Ópticos (LaFE) de la Universidad de Campinas (Unicamp) ha desarrollado un dispositivo de plástico capaz de encapsular y proteger a estas fibras ópticas ultradelgadas. “Hemos dado respuesta a un problema que está en la agenda de varios centros de investigación en fibra óptica de todo el mundo. La solución que hemos hallado es sencilla, pero muy eficaz”, asegura el físico Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro, coordinador del LaFE.
La investigación y el desarrollo del dispositivo contaron con el apoyo de la FAPESP y dieron lugar a un artículo científico publicado en la revista Photonic Sensors en 2020. Ese mismo año se depositó una solicitud de patente de la tecnología de encapsulado en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) que, en 2021, salió publicada en el Catálogo de Patentes y Software, administrado por la Agencia de Innovación Inova de la Unicamp, en la que se encuentra a disposición para su licencia comercial o para aplicaciones científicas.
Las fibras ópticas son filamentos flexibles de un material transparente, como el vidrio o el plástico, con gran capacidad de propagación de la luz. Un sensor de fibra óptica utiliza las variaciones de esta propagación para medir parámetros de interés, como la fuga de un gas. El mecanismo de detección requiere una fuente de luz óptica, como un láser o un led (diodo emisor de luz), que se proyecta sobre un cable de fibra óptica. En el otro extremo, el cable se conecta a un dispositivo de medición, como un fotodetector. Las variaciones en las propiedades de la onda electromagnética de la luz, transmitidas a través de la fibra y captadas por el dispositivo, indican una anomalía.
La fibra óptica convencional, utilizada en las redes de telecomunicaciones, tiene 125 μm de diámetro. En la detección de gases, debe sometérsela a un proceso de estrechamiento, en el que el diámetro de un segmento de la misma, de entre 1 y 2 centímetros de longitud, se reduce a menos de 3 μm, lo caracteriza una especie de embudo para la luz. En la porción más estrecha de dicho embudo, una fracción considerable de la energía lumínica se propaga fuera de la fibra y la vuelve sensible al entorno exterior. Las fibras adelgazadas se denominan por su nombre en inglés: tapers. En la red de detección, los tapers se instalan solamente en los puntos que deben monitorearse, mientras que la fibra óptica ordinaria cubre todo el resto del trayecto entre la fuente de luz y el fotodetector.
La cápsula desarrollada para proteger los tapers se fabrica con un material polimérico en impresión 3D (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 276). El taper se pega dentro de la estructura, que se construye alrededor de la fibra. “El usuario no tiene contacto con la fibra ultradelgada, sino solamente con la cápsula, es decir, no necesita estar entrenado para manipular el material”, explica el físico Jonas Henrique Osório, quien formó parte del equipo responsable del desarrollo. El dispositivo está compuesto por poros diminutos que permiten la interacción de la fibra óptica con el elemento que se desea medir, evitando al mismo tiempo la humedad o el polvo.
La cápsula se proyectó para detectar la presencia de gas acetileno, que es incoloro, inestable y altamente combustible. El taper, al permitir una interacción eficaz entre el campo de luz guiada y su entorno, es capaz de detectar la presencia del gas mediante mecanismos de absorción de la señal óptica. Los investigadores están evaluando ahora el rendimiento del dispositivo con otros gases, tales como metano, amoníaco y dióxido de carbono, y en detección biológica, para detectar moléculas de proteínas y ADN, como así también bacterias.
Para el ingeniero de control y automatización Eric Fujiwara, de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Unicamp, quien no participó en la investigación, el nuevo dispositivo permitirá que los tapers, utilizados actualmente para la detección de gases en ensayos de laboratorio, puedan emplearse en actividades de producción. “La cápsula proporciona la robustez necesaria para su uso en instalaciones industriales”, dice.
Proyectos
1. Sensores basados en resonancia de plasmones y fibra óptica microestructurada (nº 14/50632-6); Modalidad Ayuda de Investigación — Regular; Investigador responsable Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro (Unicamp); Inversión R$ 339.961,75.
2. Dispositivos y sensores basados en fibra óptica de núcleo hueco (nº 21/13097-9); Modalidad Beca posdoctoral; Investigador responsable Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro (Unicamp); Beneficiario Jonas Henrique Osório; Inversión R$ 223.850,88.
3. Fibra óptica antirresonante (nº 17/06411-3); Modalidad Beca de iniciación a la investigación científica; Investigador responsable Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro (Unicamp); Beneficiario Kaleb Roncatti de Souza; Inversión R$ 8.433,80.
Artículo científico
SOUZA, K. R. et al. 3D printing technology for tapered optical fiber protection. Photonic Sensors. 16. jun. 2020.
