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Inside a pressure vessel, a ribbon of glass was tested up to 0.40 MPa. The flat optical fiber produced up to 1,000 times greater pressure sensitivity than a comparable circular design, according to researchers at Sweden’s KTH Royal Institute of Technology and the UK’s University of Southampton.
En el interior de un recipiente de presión, se sometió a prueba una cinta de vidrio hasta 0,40 MPa. La fibra óptica plana produjo una sensibilidad a la presión hasta 1.000 veces mayor que un diseño circular comparable, según investigadores del Real Instituto de Tecnología KTH de Suecia y de la Universidad de Southampton del Reino Unido.
Optical fiber is not only a glass thread for carrying data. Stretching, pressure, or heat can alter its physical and optical properties, and engineers can infer the force by tracking changes in light. Conventional cylindrical fiber is particularly useful for forces along its length, but responds less strongly to transverse forces and hydrostatic pressure around it. That limits the sensitivity available where pressure is the quantity to measure.
La fibra óptica no es solo un hilo de vidrio para transportar datos. El estiramiento, la presión o el calor pueden alterar sus propiedades físicas y ópticas, y los ingenieros pueden deducir la fuerza siguiendo los cambios en la luz. La fibra cilíndrica convencional resulta especialmente útil para las fuerzas que actúan a lo largo de su longitud, pero responde menos intensamente a las fuerzas transversales y a la presión hidrostática que la rodea. Eso limita la sensibilidad disponible cuando la presión es la magnitud que se quiere medir.
The team built its High Aspect Ratio Flat Fiber, or HARFF, as a flat structure from the preform stage rather than flattening a finished round fiber. The resulting geometry can approach 20:1 in aspect ratio. Two elongated air channels make the structure deliberately asymmetric: pressure deforms the ribbon, changes its birefringence—the difference in how two light polarizations travel through the glass—and shifts the interference pattern between two identical fiber Bragg gratings.
El equipo construyó su High Aspect Ratio Flat Fiber, o HARFF, como una estructura plana desde la fase de la preforma, en lugar de aplanar una fibra redonda ya terminada. La geometría resultante puede alcanzar una relación de aspecto de 20:1. Dos canales de aire alargados hacen que la estructura sea deliberadamente asimétrica: la presión deforma la cinta, cambia su birrefringencia —la diferencia en la forma en que dos polarizaciones de la luz atraviesan el vidrio— y desplaza el patrón de interferencia entre dos rejillas de Bragg de fibra idénticas.
The pressure sensor showed a peak-to-valley response of 7.24 dB/MPa and, with another analysis method, sensitivity of up to 31.6 radians/MPa. Temperature cross-sensitivity was less than 1% of the pressure sensitivity. The same platform also sensed heat after one channel was filled with a tin-based alloy: silica’s thermal expansion coefficient is roughly 0.5 × 10⁻⁶/K, versus around 23 × 10⁻⁶/K for the alloy, so heating creates stress in the surrounding glass.
El sensor de presión mostró una respuesta de pico a valle de 7,24 dB/MPa y, con otro método de análisis, una sensibilidad de hasta 31,6 radianes/MPa. La sensibilidad cruzada a la temperatura fue inferior al 1 % de la sensibilidad a la presión. La misma plataforma también detectó calor después de llenar un canal con una aleación basada en estaño: el coeficiente de expansión térmica de la sílice es aproximadamente de 0,5 × 10⁻⁶/K, frente a alrededor de 23 × 10⁻⁶/K en el caso de la aleación, por lo que el calentamiento genera tensión en el vidrio circundante.
So what changes, concretely? Engineers gain a tunable sensing platform in which width, thickness, wall thickness, internal channels, waveguide position, and channel-filling materials can be adjusted to concentrate stress where it produces the strongest optical signal. More than 120 m was drawn from a single experimental preform, demonstrating that the unusual geometry can be manufactured. Pawel Maniewski, a KTH researcher, called it “a new design space for optical fiber.” For now, the evidence is a laboratory proof of concept, not a sensor demonstrated in deployed conditions.
¿Qué cambia, concretamente? Los ingenieros obtienen una plataforma de detección ajustable en la que pueden modificar la anchura, el grosor, el espesor de las paredes, los canales internos, la posición de la guía de ondas y los materiales de relleno de los canales para concentrar la tensión allí donde produce la señal óptica más intensa. Se extrajeron más de 120 m de una única preforma experimental, lo que demuestra que la geometría inusual puede fabricarse. Pawel Maniewski, investigador de KTH, la calificó de «un nuevo espacio de diseño para la fibra óptica». Por ahora, las pruebas constituyen una demostración de laboratorio, no un sensor demostrado en condiciones de uso real.