Fotónica de microondas aplicada a la interferometría de baja coherencia

Abstract

[ES] La interferometría de baja coherencia (Low Coherence Interferometry, LCI) es una técnica óptica de medida de distancias capaz de alcanzar resoluciones del orden de las micras en la dirección axial de la muestra. Su principio físico está basado en la generación de un patrón de interferencia que, tras ser procesado, permite obtener la información estructural de la muestra estudiada. Entre las aplicaciones de LCI, destaca el área de la medicina, principalmente debido a la naturaleza no invasiva de la técnica. En este sentido, la aplicación más reconocida es la tomografía de coherencia óptica (Optical Coherence Tomography, OCT), donde la obtención de imágenes en 2D y 3D mediante el uso de LCI permite realizar análisis y diagnósticos de diferentes tejidos biológicos. Entre otros campos de aplicación de esta técnica se encuentran el sensado o la caracterización de componentes ópticos. Sin embargo, existen también limitaciones asociadas a los sistemas LCI como su gran volumen y coste, sobre todo cuando se aplica al campo de la medicina, donde son necesarias estructuras ópticas más complejas. Asimismo, existe una importante limitación relacionada con el patrón de interferencia, ya que éste se captura en el dominio óptico donde es altamente sensible a las variaciones de temperatura o las vibraciones.

Por estos motivos, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio de la técnica LCI a través de su combinación con el campo de la fotónica de microondas (Microwave Photonics, MWP). Las ventajas que puede aportar el campo MWP a LCI son numerosas, donde se puede destacar el análisis del patrón de interferencia en el dominio eléctrico en lugar de en el óptico, o la posibilidad de hacer uso de una tecnología mucho más madura como es la fotónica de microondas. El principio de operación de la técnica, denominada como MWP-LCI, está basado en el análisis de la función de transferencia del sistema cuando se considera una muestra concreta. Las características estructurales de dicha muestra generan diferentes resonancias de RF cuya posición y anchura dentro del espectro eléctrico se relacionan directamente con las diferentes capas de las que está compuesta la muestra. En este sentido, la tesis doctoral se centra, en primer lugar, en la demostración de la analogía existente entre las técnicas LCI y MWP-LCI. Posteriormente, se realizan diferentes propuestas de mejora y evolución a la estructura MWP-LCI más básica. Mediante el análisis teórico de dichas propuestas se demuestra que el uso de los conocimientos del área MWP permite superar las limitaciones ligadas a las primeras propuestas realizadas en MWP-LCI. Asimismo, se incluyen las demostraciones experimentales asociadas a todas las propuestas realizadas, alcanzando un excelente grado de concordancia con los resultados teóricos. Por último, se centra el análisis en los elementos clave que componen estas estructuras: la muestra, la fuente óptica y el elemento dispersivo. A través de las distintas evoluciones realizadas a la técnica MWP-LCI se ha podido demostrar experimentalmente que las sensibilidades alcanzadas se sitúan en torno a los 60 dB junto a resoluciones de 28 µm, siendo sencillo superar 1 cm de rango de operación.

[CA] La interferometria de baixa coherència (Low Coherence Interferometry, LCI) és una tècnica òptica de mesura de distàncies capaç d'abastar resolucions de l'ordre de les micres en la direcció axial de la mostra. El seu principi físic es basa en la generació d'un patró d'interferència que, en ser processat, permet obtindre la informació estructural de la mostra estudiada. Entre les aplicacions d'LCI, destaca l'àrea de la medicina, principalment a causa de la naturalesa no invasiva de la tècnica. En aquest sentit, l'aplicació més reconeguda és la tomografia de coherència òptica (Optical Coherence Tomography, OCT), en què l'obtenció d'imatges en 2D i 3D mitjançant l'ús d'LCI permet portar a terme anàlisis i diagnòstics de diferents teixits biològics. Entre altres camps d'aplicació d'aquesta tècnica hi ha el sensat o la caracterització de components òptics. Tanmateix, hi ha també limitacions associades als sistemes LCI, com la grossària i el cost, sobretot quan s'aplica al camp de la medicina, en què són necessàries estructures òptiques més complexes. Així mateix, hi ha una limitació important relacionada amb el patró d'interferència, ja que aquest es captura en el domini òptic on és altament sensible a les variacions de temperatura o les vibracions.

Així doncs, l'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de la tècnica LCI a través de la seua combinació amb el camp de la fotònica de microones (Microwave Photonics, MWP). En són nombrosos, els avantatges que pot aportar el camp MWP a LCI, entre els quals es pot destacar l'anàlisi del patró d'interferència en el domini elèctric en comptes d'en l'òptic, o la possibilitat de fer ús d'una tecnologia molt més madura, com és la fotònica del microones. El principi d'operació de la tècnica, que s'anomena MWP-LCI, es basa en l'anàlisi de la funció de transferència del sistema quan es considera una mostra concreta. Les característiques estructurals de la susdita mostra generen diferents ressonàncies d'RF, i la seua posició i amplària dins de l'espectre elèctric es relacionen directament amb les diferents capes de què està composta la mostra. En aquest sentit, la tesi doctoral se centra, en primer lloc, en la demostració de l'analogia que existeix entre les tècniques LCI i MWP-LCI. Tot seguit, es porten a terme diferents propostes de millora i evolució a l'estructura MWP-LCI més bàsica. Mitjançant l'anàlisi teòrica de les esmentades propostes es demostra que l'ús dels coneixements de l'àrea MWP permet superar les limitacions lligades a les primeres propostes fetes en MWP-LCI. De la mateixa manera, s'inclouen les demostracions experimentals associades a totes les propostes fetes, amb la qual cosa s'ha assolit un excel·lent grau de concordança amb els resultats teòrics. Finalment, l'anàlisi se centra en els elements clau que componen aquestes estructures: la mostra, la font òptica i l'element dispersiu. A través de les diferents evolucions realitzades a la tècnica MWP-LCI s'ha pogut demostrar experimentalment que les sensibilitats assolides se situen al voltant dels 60 dB junt amb resolucions de 28 µm, tot sent senzill superar 1 cm de rang d'operació.

[EN] Low Coherence Interferometry (LCI) is an optical technique for distance measurements, able to reach the micron scale of resolution in the axial direction of the sample. Its physical principle is based on the generation of an interference pattern which, after processing, can reveal the structural information of the sample studied. Among all the LCI applications, the medical field arises as one of the most relevant, mainly due to the non-invasive nature of the technique. In this sense, the Optical Coherence Tomography (OCT) is one of the most recognizable applications, where the acquisition of 2D and 3D images by using LCI enables the analysis and diagnosis of different biological tissues. Among other fields of application of this technique, we can highlight sensing and the optical components characterization. Nevertheless, LCI systems also suffer from some limitations related to compactness and cost-effectiveness, mainly when it is applied to the medical field where more complex structures are required. Furthermore, it also exists a strong limitation related to the interference pattern mostly due to its acquisition in the optical domain, where it is highly sensitive to vibrations and temperature variations.

On this basis, the main objective of this Ph.D. is focused in the study of the LCI technique and its combination with the field of Microwave Photonics (MWP). The benefits that MWP can offer to LCI are numerous, among which we can highlight the analysis of the interference pattern in the electrical domain instead of in the optical domain, or the possibility to make use of a more mature technology as the field of MWP is. The principle of operation of this technique, labelled as MWP-LCI, is based on the analysis of the interference pattern of the system when a certain sample is considered. The structural features of that sample generate different RF resonances where their position and width in the electrical spectrum are directly related to the different layers that compose the sample. In this way, the current Ph.D. is focused, firstly, in the demonstration of the existing analogy between the LCI and MWP-LCI techniques. Afterwards, several upgrade proposals are made to develop the most basic MWP-LCI structure. By the corresponding theoretical analysis of those proposals, it is demonstrated that the use of the MWP field allows the possibility to improve the limitations related to the first demonstrations carried out in MWP-LCI. Moreover, the experimental demonstrations associated to all the proposals are included, showing an excellent agreement with the theoretical results. Finally, the analysis is focused in the key elements that compose these structures: the sample, the optical source and the dispersive element. Through the different improvements applied to the MWP-LCI technique, we have been able to experimentally demonstrate a sensitivity level of 60 dB with resolutions of 27 µm in a working range that can easily exceed 1 cm.