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 cosKz−


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
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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
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