En este artículo analizamos algunas aplicaciones de los sensores de fibra óptica, así como ejemplos de productos y empresas que los comercializan.

Medio compartido pero no tanto En los sensores de fibra óptica la información del parámetro a medir viene determinada por un cambio en la fase, la polarización, la frecuencia o la intensidad de la señal óptica (así como cualquier combinación de ellas). Los sensores que detectan cambios en la intensidad de la señal son muy sencillos. En cambio, aquellos que trabajan con la fase, la polarización o la modulación de frecuencia son más complejos, pues la señal debe ser procesada previamente dado que el fotorreceptor solamente detecta potencia óptica. En estos casos se emplean estructuras interferométricas del tipo Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot o Sagnac, que a su vez proporcionan una alta sensibilidad. Más recientemente, se están utilizando también redes de Bragg como sensores para medidas espectrales o discriminación de longitudes de onda.

Básicamente, los sensores de fibra pueden clasificarse en dos categorías. Aquellos en los que la fibra óptica se utiliza solamente como medio para guiar la luz desde el emisor hasta el elemento sensor, y desde éste último hasta el fotodetector (llamados extrínsecos). O bien aquellos en los que la propia fibra se utiliza como elemento sensor y de referencia (llamados intrínsecos). Las diferentes configuraciones propuestas hasta la fecha son innumerables. A continuación comentaremos algunas de las más representativas.

Entre las estructuras interferométricas, la más típica es el interferómetro Mach-Zehnder. Su aplicación como sensor se representa en la figura 1. Una fuente óptica coherente genera una señal que se divide en dos caminos por medio de un acoplador direccional de 3 dB. Uno de los caminos es el de referencia, mientras que en el otro existe un transductor que convierte determinado parámetro físico de medida en un cambio de fase de la señal óptica. Posteriormente, ambas señales se combinan de nuevo en un acoplador de salida, obteniéndose dos señales (suma y diferencia) que serán recibidas por sendos fotodetectores. De esto modo, los cambios de fase de la señal óptica de una de las ramas del interferómetro pueden medirse a partir de las potencias ópticas en ambos detectores. Las ecuaciones vienen dadas por:

siendo L1 y L2 las longitudes de los brazos del interferómetro, k la constante de propagación y Df el desfase producido en el transductor.
Por otro lado, en lo que respecta a los sensores de intensidad, también existen multitud de posibilidades para su implementación. Entre las técnicas más conocidas podemos enumerar: interrupción de la luz por desplazamiento de una lámina (figura 2), desplazamiento relativo de dos fibras, modulación de las pérdidas del núcleo o de la cubierta por curvatura o acoplamiento de modos evanescentes con otra fibra, etc. Como ejemplo, en la figura 2 se muestran los fundamentos de la técnica basada en una lámina que obstaculiza el acoplamiento de luz entre dos fibras. Un mecanismo sensible a determinado parámetro físico (p.ej. presión o vibración) desplaza la lámina en mayor o menor grado, modulando de este modo la intensidad óptica que se detecta a la salida del sistema.

Productos y aplicaciones
Como ya se ha comentado con anterioridad, los sensores de fibra encuentran aplicación en múltiples campos. A continuación presentamos algunos ejemplos de ello, junto con las empresas que los comercializan.

Los altos precios de la energía y la necesidad de restituir las reservas, están incentivando a las compañías petroleras a invertir en yacimientos de petróleo pesado. Los petróleos pesados y viscosos presentan desafíos en el análisis de fluidos y obstáculos para su recuperación, que están siendo superados con la nueva tecnología y las modificaciones de los métodos desarrollados para los petróleos convencionales. El método de drenaje gravitacional asistido por vapor (steam-assisted gravity drainage, SAGD) funciona para los petróleos extrapesados. Se perfora un par de pozos horizontales paralelos, situándose un pozo unos 5 a 7 m por encima del otro. El vapor inyectado en el pozo superior calienta el petróleo pesado, reduciendo su viscosidad. La gravedad hace que el petróleo movilizado fluya en sentido descendente hacia el productor horizontal inferior. La comunicación inicial se establece entre el inyector y el productor mediante inyección de vapor, vapor cíclico o inyección de solvente. El factor de recuperación estimado para este método oscila entre 50 y 70%. No obstante, la estratificación de la formación puede incidir significativamente en la recuperación SAGD. El método SAGD se utiliza en muchos campos de Canadá, incluyendo los campos Christina Lake y MacKay River. En la figura 3 se puede ver un diagrama esquemático del método SAGD para extracción de petróleo pesado. Evidentemente, el control de la presión y de la temperatura tiene una gran importancia en este proceso, por lo que se requiere de sensores para su medición. La empresa canadiense Opsens Inc., líder en la fabricación de sensores de fibra, ha desarrollado productos para esta aplicación concreta. Por ejemplo, el sensor de presión y temperatura OPP-W, basado en un interferómetro Fabry-Perot. Sus especificaciones se muestran en la tabla I. En combinación con el cable de fibra WFC (cable rígido de 8 fibras para entornos hostiles) y el equipo de medida WellSens (interferometría de polarización de luz blanca), se pueden monitorizar de forma efectiva los procesos de extracción de petróleo pesado (figura 3), así como cualquier otro tipo de aplicación similarLos sensores de presión también encuentran aplicación en el campo de la medicina. Un ejemplo de ello son los sensores de fibra de la compañía FISO Technologies Inc. (figura 4). Sus aplicaciones van desde medidas de presión de fluidos del cuerpo humano en intervenciones hospitalarias críticas hasta pruebas en animales en entornos de elevado nivel de interferencias electromagnéticas. Los modelos FOP-MIV y FOP-M260 se obtienen a partir de tecnologías de microfabricación de silicio, por lo que son más pequeños, más precisos, más fiables y más fáciles de usar que los tradicionales catéteres. Adicionalmente, el sensor FOP-F125, con un diámetro de tan sólo 125 micras, es el sensor más pequeño disponible comercialmente para estas aplicaciones. Se encuentra colocado directamente en el extremo de la fibra, sin necesidad de usar ningún tipo de adhesivo, por lo que permite su integración en dispositivos médicos y quirúrgicos mínimamente invasivos.