Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones
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Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones Miguel V. Andrés Laboratorio de Fibras Ópticas de la Universidad de Valencia Departamento de Física Aplicada – ICMUV miguel.andres@uv.es Objetivo general • ¿Cómo actuar sobre la luz guiada en una fibra óptica? FIBRA MONOMODO r r E = E0 ( x, y ) cos[ωt − β z + ϕ ] Corazón de 9µm Cubierta de 125 µm • La inserción de dispositivos externos tiene problemas Dispositivo 1 Introducción general • Técnicas de fabricación de componentes − Fibras estrechadas por fusión y estiramiento − Redes de Bragg grabadas en fibra óptica (1) (2) − Dispositivos acusto-ópticos en fibra óptica (3) − Fibra óptica microestructurada (4) • Aplicaciones − Sensores de fibra óptica − Comunicaciones ópticas y radio frecuencia en fibra óptica (microwave photonics) − Láseres de fibra óptica Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1 Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones 2 I. Fibras estrechadas: (I.1.) fabricación y propiedades • Fibras estrechadas por fusión y estiramiento n n Campos Campos Dispositivos de onda evanescente I. Fibras estrechadas: (I.1.) fabricación y propiedades t r0 L t r(z) z 1.0 0.8 0.6 dc/d0 − Redes de Bragg con chirp 0.4 0.2 0 20 40 z (mm) 60 80 3 Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1 Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones I. Fibras estrechadas: (I.2.) aplicaciones − Dispositivos de fibra óptica metalizada: excitación del plasmón híbrido fundamental de una capa metálica cilíndrica L dc=25 µm ∆=26 nm L=4 mm ∆ Oro next Fibra ∆ Oro dc= 25 µm, ∆= 30 nm, L= 6 mm TM TE next Fibra 4 I. Fibras estrechadas: (I.2.) aplicaciones − Sensores de hidrógeno basados en cambios de la absorción Relative Transmission 1.6 4.2% 1.5 6.5% 8.5% 10% 2.6% 1.4 1.3 1.2 1.8% 1.1 0% 1.0 0 500 1000 1500 2000 Time t (s)(sec) Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1. Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones 5 II. Redes de Bragg: (II.1) redes uniformes y con chirp • Redes de Bragg grabadas en fibra óptica Fibra óptica fotosensible Λ λ B = 2 ⋅ n eff ⋅ Λ Perfil de índice de refracción Patrón de Intensidad Luz ultravioleta Máscara de fase − Filtros ópticos muy selectivos de aplicación en comunicaciones ópticas, láseres y sensores II. Redes de Bragg: (II.1) redes uniformes y con chirp • Redes de Bragg grabadas en fibra óptica: ejemplos Reflectividad: 92% Anchura espectral: 40 pm Reflectividad > 99.9 % Anchura espectral: 0.21 nm 6 II. Redes de Bragg: (II.1) redes uniformes y con chirp • Redes de Bragg grabadas en fibra óptica: ejemplos Redes con chirp Redes superpuestas λB ( z ) = λB0 (1 + az ) λ2 Pi Pr λ1 500 -10 250 -20 Retardo (ps) Reflectividad: 92% Anchura espectral: 40 pm Separación: 40 GHz Reflectancia (dB) 0 0 1542 1544 1546 Longitud de onda (nm) Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1 Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones 7 II. Redes de Bragg: (II.2) dispositivos dinámicos • ¿Cómo actuar sobre una red de Bragg? Temperatura Tensión mecánica 1533.0 λBRAGG (nm) λBRAGG (nm) 1545.4 1545.2 1545.0 1544.8 1532.0 1531.0 1530.0 1529.0 20 40 60 0 80 t (ºC) [ 1000 ∆ε ] 2000 3000 ×10-6 δλ B = [1 − pe ]∆ε = 0.69 ⋅ ∆ε λB δλ B = α f + ζ ∆t = 5.6 ⋅10 − 6 ∆t λB II. Redes de Bragg: (II.2) dispositivos dinámicos • Redes de Bragg grabadas en fibras ahusadas F F λB = 2 ⋅ n ⋅ Λ 8 II. Redes de Bragg: (II.1) redes uniformes y con chirp • Defectos dinámicos en redes de Bragg Pi δε > 0 Pr B Pt Reflectancia Reflectance 1,0 0,5 0,0 1544,0 1544,4 1544,8 Longitud de onda(nm) (nm) Wavelength Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1. Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones 9 III. Acusto-ópticos: (III.1) dispositivos • Construcción de los dispositivos acusto-ópticos Ondas longitudinales Ondas de flexión Disco piezoeléctrico Fibra óptica Bocina Generador RF u (t, z) = u0 cos (Ωst − ks z) ε (t, z) = ε0 cos (Ωst − ks z) δ nef = δ n0 cos (Ωst − ks z) δ nef =δ n0 cos (Ωst −ks z) δ n0 = nef (1− pe )ks2 u0 y δ n0 = nef (1− pe ) ε0 ∫ P12 ∝ δn E1E*2 dV ≠ 0 V Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1 Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones 10 III. Acusto-ópticos: (III.2) aplicaciones • Atenuador variable y sintonizable III. Acusto-ópticos: (III.2) aplicaciones • Interacción acusto-óptica en redes de Bragg 50 mm Diámetro del cuello: 100 µm Piezoeléctrico Pi Pr 12 mm 12 mm 55 mm 0 Bocina ~ T (dB) -10 Anchura ~ 80 pm -20 -30 1543,2 1543,4 λ (nm) 11 III. Acusto-ópticos: (III.2) aplicaciones • Interacción acusto-óptica en redes de Bragg δn = δn0 cosKz− Kε0 sen (Ωst − ks z) ks λBm = λB0 1 ± m 1.0 ∆λΒ 0.8 R Λ y ωm = ω m mΩs λs 0.6 ∆λB = 0.4 0.2 0.0 1542 1543 1544 1542 1543 λ (nm) λ (nm) λ2B0 f s 2 n vs 1544 III. Acusto-ópticos: (III.2) aplicaciones • Interacción acusto-óptica en redes de Bragg R0 R1 R2 λ Rm = tanh2 κ L J m B0 ε 0 ∆λB [ fs = 1 MHz 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 ] ε 0 = 2Ps / EAvgs 1/ 2 0,5 1 Vpp ↔ 240 mW 1,0 1,5 Ap (Vpp) 1,0 0,8 R 0,6 0,4 Ap∼0,4 Vpp 0,2 0,0 1542 1543 λ (nm) 1544 Ap ∼1,4 Vpp Ap ∼0,75 Vpp 1542 1543 λ (nm) 1544 1542 1543 λ (nm) 1544 12 Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1. Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.1) introducción – ¿Qué son las fibras ópticas microestructuradas? Fibra óptica microestructurada (fibras de cristal fotónico) Fibra óptica convencional de salto de índice H(x,y,z,t) = h( x, y ) e − jβ z e jω t h t = (h x ,h y ) 1 2 ∇t +εr h t = nm2 h t , nm = β = c 2 k k0 v f 0 Ecuación de Schrödinguer para una partícula h2 d2 2 −V(x) Ψ = −E Ψ 2 8π m d x V ∝ −εr Distribuciones periódicas ⇒ Bandas permitidas y bandas prohibidas Defectos ⇒ Estados localizados: modos guiados 13 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.1) introducción – Propagación guiada en fibras de cristal fotónico H(x,y,z,t) = h( x, y ) e − jβ z e jω t 2 ∇ tε r 2 ∇ t + k 0 ε r + εr h t = (h x ,h y ) × (∇ t × o ) h t = β 2h t V ∝ −εr IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.1) introducción – Propagación guiada en fibras de cristal fotónico Opt. Lett., pp. 1328-1330, 2000 14 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.1) introducción – Propagación guiada en fibras de cristal fotónico Λ = 2.3 µm, a = 0.30 µm Λ = 2.3 µm, a = 0.70 µm Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1 Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones 15 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.2) fabricación IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.2) fabricación Primera preforma Preparación de los capilares ~ 1 cm Proceso de estiramiento Segunda preforma ~ 1 mm Proceso de estiramiento Fibra ~ 100 µm 16 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.2) fabricación IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.2) fabricación 3 µm 25 µm 10 µm 5 µm 17 Plan de la exposición Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones I. Fibras estrechadas por fusión y estiramiento I.1. Fabricación y propiedades del dispositivo I.2. Algunas aplicaciones II. Redes de Bragg grabadas en fibra óptica II.1 Grababación de redes uniformes y con chirp II.2. Dispositivos dinámicos III. Interacción acusto-óptica en fibra óptica III.1. Construcción de los dispositivos III.2. Aplicaciones: dispositivos dinámicos IV. Fibras ópticas microestructuradas IV.1. Introducción IV.2. Equipamiento y proceso de fabricación IV.3. Aplicaciones IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.3) Aplicaciones – Fibras de muy alta birrefringencia 2a = 2,2 µm 2b = 2,9 µm Bg ≅ 7,5×10−3 e = 0,65 – Temperature effects 18 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.3) Aplicaciones – Efectos no lineales: generation of a supercontinuum spectrum 2 ps pulses 200 fs pulses 4 µm 19
