NAGIOS: RODERIC FUNCIONANDO

Advanced in-fibre acousto-optics: applications

Repositori DSpace/Manakin

IMPORTANT: Aquest repositori està en una versió antiga des del 3/12/2023. La nova instal.lació está en https://roderic.uv.es/

Advanced in-fibre acousto-optics: applications

Mostra el registre parcial de l'element

dc.contributor.advisor Díez Cremades, Antonio
dc.contributor.author Alcusa Sáez, Erica Paulina
dc.contributor.other Departament de Física Aplicada i Electromagnetisme es_ES
dc.date.accessioned 2017-07-10T07:43:21Z
dc.date.available 2017-07-11T04:45:05Z
dc.date.issued 2017 es_ES
dc.date.submitted 18-07-2017 es_ES
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10550/59404
dc.description.abstract En aplicaciones en áreas como sensado, telecomunicaciones o láseres, los dispositivos fabricados enteramente en fibra óptica ofrecen interesantes ventajas con respecto a aquellos fabricados en bulk. Una de las principales ventajas consiste en evitar la necesidad de extraer la luz guiada por una fibra óptica para procesar la señal en el dominio del tiempo, lo que se traduce en menores pérdidas. Por otra parte, comparados con los dispositivos de óptica en espacio libre, los dispositivos fabricados enteramente en fibra no requieren alineamiento, lo que proporciona una mayor estabilidad desde el punto de vista mecánico. Una cualidad deseable para los componentes ópticos es la habilidad de cambiar sus propiedades dinámicamente, lo que permite al usuario reconfigurar las funciones de dichos componentes de manera externa y en tiempo real. En el más favorable de los casos, las propiedades de los dispositivos se controlan mediante señales eléctricas. Es en estos dos atributos, dados al mismo tiempo, donde radica el interés de la interacción acustoóptica en fibra óptica. Un método bien conocido para interaccionar con la luz guiada por una fibra óptica, dentro de la propia fibra, consiste en producir una perturbación periódica del índice de refracción a lo largo de una sección de fibra. Esto, en el caso de las redes de Bragg y las redes de periodo largo, se consigue mediante la irradiación de fibras fotosensibles con luz ultravioleta. Las propiedades espectrales de estos dispositivos dependen de las características de la modulación del índice de refracción, principalmente la amplitud y el periodo. Estas características están definidas por las condiciones de fabricación, y, aunque pueden ser ligeramente modificadas a posteriori, por ejemplo mediante estiramiento o temperatura, estas posibles modificaciones están muy limitadas. Otro método para producir una modulación periódica del índice de refracción es el uso de ondas elásticas o acústicas, en lo que se denomina interacción acustoóptica. Una fibra óptica inmersa en aire constituye una guía para ondas elásticas, capaces de producir una modulación del índice de refracción a lo largo de la fibra. Los parámetros de la modulación, y por tanto las características espectrales de los dispositivos basados en interacción acustoóptica, pueden ser modificados dinámicamente cambiando las propiedades de la onda elástica. El método más empleado para generar ondas elásticas y propagarlas a lo largo de una fibra consiste en el uso de materiales piezoeléctricos, usados para este propósito desde 1978. Una onda elástica es capaz de producir acoplamiento entre modos ópticos guiados por una fibra en diferentes condiciones. El primer caso de interés es el acoplamiento en fibras monomodo, típicamente producido entre el modo fundamental y un modo de la cubierta. En el caso de fibras de varios modos, el acoplamiento se puede producir entre el modo fundamental y un modo de orden superior del núcleo. En fibras birrefringentes, el acoplo se puede producir entre modos con diferente polarización, empleando ondas acústicas de torsión. En este último caso, la respuesta espectral se puede elegir según la polarización eliminada tras la interacción acustoóptica, desde una respuesta pasa banda hasta una elimina banda. En el caso del acoplamiento entre el modo fundamental y un modo de orden superior, si se elimina la luz acoplada y sólo se detecta la luz guiada por el modo fundamental, la consecuencia es un pico de pérdidas en el espectro. La profundidad, anchura y posición espectral del mismo se pueden controlar mediante la frecuencia e intensidad de la onda acústica y las condiciones de la interacción. La aplicación más directa de la interacción acustoóptica, por tanto, es la implementación de atenuadores ópticos variables y sintonizables. La interacción acustoóptica también se ha usado clásicamente para el desarrollo de filtros pasa banda, acopladores ópticos, filtros de polarización, conmutadores o ecualizadores para fuentes ASE. La interacción acustoóptica induce un desplazamiento de frecuencia en la luz acoplada, que es la base de aplicaciones como desplazadores de frecuencia y láseres mode-locked basados en ellos. Siendo las aplicaciones de la interacción acustoóptica de gran interés por sí mismas, las posibilidades de expanden cuando se combinan con otros dispositivos de fibra óptica. Particularmente, es de especial relevancia la interacción de ondas elásticas longitudinales con redes de Bragg. Un campo en el que las fibras ópticas resultan interesantes es en la fabricación de sensores. Una característica interesante de los sensores de fibra óptica es la ausencia de corriente eléctrica o voltaje, lo que permite su uso en entornos eléctricamente hostiles. Debido a la baja reactividad de la sílice, estos sensores son útiles cuando es necesario realizar medidas en presencia de sustancias reactivas. La interacción acustoóptica tiene aplicaciones en este campo, puesto que es sensible a la diferencia del índice efectivo entre los modos ópticos que se acoplan y las características de la onda acústica. Debido a su efecto en las propiedades acústicas de las fibras ópticas, la tensión mecánica es una magnitud especialmente interesante para ser medida con este tipo de sensores. Los sensores basados en acustoóptica son particularmente útiles para la medida de magnitudes que modifican las propiedades elásticas de las fibras, como es el caso de la viscosidad. Para la medida de otro tipo de magnitudes, como la temperatura o el índice de refracción, existen otras soluciones de fibra más adecuadas, como pueden ser las redes de Bragg o los interferómetros. Otra aplicación de la interacción acustoóptica que ha producido numerosa investigación recientemente es la generación de haces de luz portadores de momento angular orbital, basada en la excitación de vórtices ópticos mediante ondas acústicas. El interés de estos haces de luz especiales radica en su potencial aplicación en campos como el control de partículas a escala nanométrica o las telecomunicaciones ópticas. Muy relacionado con el propósito de esta tesis, la interacción acustoóptica tiene aplicaciones en la caracterización de las propiedades de las mismas fibras. Las propiedades de los modos guiados por las fibras, como el índice efectivo, el índice de grupo o la dispersión cromática, son de especial interés, ya que son críticas en muchas aplicaciones. Un ejemplo clásico de esto es la implicación de la dispersión cromática en sistemas de telecomunicaciones ópticas, al controlar el ensanchamiento de los pulsos de señal tras viajar largas distancias. Aunque existe una gran diversidad de métodos para la medida del índice de grupo y la dispersión cromática, muchos menos son capaces de medir directamente el índice efectivo. La interacción acustoóptica, gracias a su sensibilidad a este parámetro, es una herramienta útil para este tipo de caracterización. En el contexto del actual estado de la investigación en interacción acustoóptica, el objetivo de esta tesis ha sido la búsqueda de nuevas aplicaciones para la implementación clásica de la interacción acustoóptica, usando ondas acústicas armónicas, así como desarrollar y explorar las posibilidades del uso de la interacción acustoóptica de una manera diferente, a través de ondas acústicas en paquetes cortos. En el caso de la interacción acustoóptica con ondas armónicas, teníamos interés en explorar su potencial en la caracterización de las propiedades de guiado de las fibras, en particular el mencionado índice efectivo. Otro objetivo ha sido explorar las posibilidades de la interacción acustoóptica en aplicaciones orientadas a la fabricación de dispositivos. En este sentido, hemos buscado usos prácticos para la capacidad de la interacción acustoóptica de excitar selectivamente los modos guiados por las fibras, con la intención de aprovechar sus particulares propiedades espaciales y de polarización. Orientado a la fabricación de dispositivos, hemos pretendido explorar vías para evitar la fragilidad de las implementaciones tradicionales de la interacción acustoóptica, causada por la presencia de fibras sin recubrir. El otro objetivo principal de esta tesis ha sido explorar las posibilidades de la interacción acustoóptica en fibras ópticas monomodo en una manera diferente a las investigadas hasta el momento, y probar sus posibilidades para la caracterización de fibras con resolución axial. La propuesta se basa en el uso de ondas acústicas en paquetes cortos, para limitar la región de interacción. La principal intención, atendiendo a este objetivo, ha sido estudiar el potencial de la técnica, ya que no ha sido empleada con anterioridad. Fundamentos de acustoóptica en fibras ópticas: La interacción acustoóptica en fibras ópticas consiste en el acoplo entre los modos ópticos guiados por una fibra causado por una onda elástica. Las principales características de este fenómeno, es decir, la eficiencia del acoplo y la longitud de onda de resonancia, están determinadas por los modos ópticos y acústicos, y por tanto por las propiedades ópticas y elásticas de la fibra. Hemos revisado los principales aspectos teóricos de esta interacción, centrándonos en aquellos más relevantes para este trabajo. En primer lugar, estudiamos las propiedades de los modos ópticos guiados por fibras ópticas realistas. En segundo lugar, analizamos el comportamiento de las fibras ópticas como guías de ondas acústicas, con especial atención al modo fundamental de flexión, al ser éste el modo elástico excitado en todos los experimentos reportados en esta tesis. El efecto de una onda elástica en las propiedades ópticas de las fibras, consistente en una modulación del índice de refracción, también es analizado. Por último, resumimos la teoría de modos acoplados aplicada al caso específico de modos ópticos acoplados por ondas elásticas. Desde el punto de vista de sus propiedades electromagnéticas, una fibra óptica es un cilindro dieléctrico con una cierta distribución de índice de refracción que conduce al guiado de la luz. Los modos ópticos guiados por fibras ópticas con simetría cilíndrica y un perfil de salto de índice pueden calcularse resolviendo las ecuaciones de Maxwell con las condiciones de contorno correspondientes. Debido a la simetría cilíndrica, las soluciones de los campos son separables en coordenadas cilíndricas, siendo el producto de una función dependiente del ángulo azimutal y una dependiente de la coordenada radial. La parte dependiente del ángulo azimutal son funciones armónicas dependientes de dicho ángulo multiplicado por un número entero, el orden angular del modo. La parte radial es una combinación de funciones de Bessel. La aplicación de las condiciones de contorno lleva a una ecuación característica, cuya solución proporciona los factores de propagación (o índices efectivos) de los diferentes modos. En una fibra óptica de salto de índice encontramos soluciones de tipo TE, TM e híbridos. Los modos TE y TM son aquellos cuyo orden angular es 0, y todos los modos de orden angular 1 o superior son modos híbridos. Cada modo tiene una longitud de onda de corte, por debajo de la cual el valor de su índice efectivo se encuentra entre el del núcleo y el de la cubierta y sus campos están confinados principalmente en el núcleo. Se dice en este caso que es un modo guiado por el núcleo, o simplemente un modo del núcleo. Por encima de la longitud de onda de corte, su índice efectivo es inferior al de la cubierta, y sus campos se extienden por ella, siendo llamados modos de la cubierta. La única excepción es el primer modo HE, el modo fundamental, que no tiene longitud de onda de corte y es siempre un modo guiado por el núcleo. Desde el punto de visto de sus propiedades mecánicas, una fibra óptica constituye una guía cilíndrica para ondas acústicas. En principio, esta guía tiene una estructura multicapa debido a la configuración de núcleo y cubierta. Sin embargo, las propiedades elásticas de ambos son similares, por lo que pueden ser tratadas como cilindros de sílice homogéneos, lineales e isótropos cuando se las considera como guías acústicas. Las soluciones de los modos acústicos siguen, por tanto, las ecuaciones elásticas para este tipo de sistemas. Las soluciones del desplazamiento de las partículas son separables en coordenadas cilíndricas, siendo, como en el caso de los modos ópticos, el producto de una función dependiente de la coordenada azimutal (funciones armónicas del ángulo azimutal multiplicado por el orden angular) y una dependiente de la coordenada radial (combinación de funciones de Bessel). Las soluciones de orden angular 0 son los modos longitudinales y de torsión, y las de orden angular mayor que 0 son los modos de flexión. Para cada una de estas familias hay un modo fundamental, que se propaga a cualquier frecuencia. El resto de modos tienen una frecuencia de corte, por debajo de la cual dejan de guiarse. En nuestro caso, el modo acústico de interés es el modo fundamental de flexión en el régimen de baja frecuencias, pues es el que excitamos en nuestros experimentos. Una onda elástica, al propagarse por una fibra óptica, produce compresiones y estiramientos locales en la misma, lo que causa una modulación periódica del camino óptico que recorre la luz. Este cambio se debe a dos contribuciones. En primer lugar, el índice de refracción de la sílice cambia con la tensión mecánica debido al efecto elastoóptico, y en segundo lugar, la distancia recorrida por la luz cambia debido a los cambios geométricos en la fibra. Ambas contribuciones se pueden agrupar en una modulación efectiva del índice de refracción, cuyo periodo espacial es igual al de la onda elástica. La perturbación periódica del índice de refracción produce el acoplamiento entre los modos ópticos guiados por la fibra, que se puede analizar mediante teoría de modos acoplados. Dicho acoplamiento sucede a las longitudes de onda que satisfacen el ajuste de fases, llamada longitud de onda de resonancia, que depende de la diferencia entre el índice efectivo de los modos que se acoplan y de la longitud de onda acústica. La eficiencia del acoplamiento depende de las propiedades de la onda acústica y de la superposición de los campos de los modos ópticos. La simetría de la onda elástica supone una regla de selección para los modos ópticos cuya integral de superposición no es cero, y que por tanto pueden acoplarse. Procedimientos experimentales: El montaje básico para los experimentos realizados en esta tesis consiste en un trozo de fibra sin recubrimiento pegada a la punta de un cono de aluminio, unido a un disco piezoeléctrico con movimiento normal al plano del disco. El piezoeléctrico está alimentado con una señal de radiofrecuencia (generalmente alrededor de2 MHz, generada mediante un generador de señales y un amplificador. El piezoeléctrico vibra a la frecuencia de la señal eléctrica, perpendicularmente al eje de la fibra, generando una onda elástica de flexión que se propaga a lo largo de la misma. En los experimentos, generalmente, la luz entra en la región de interacción acustoóptica en la forma del modo fundamental HE11, y tras la región de interacción la luz acoplada a un modo de orden superior se elimina. Con este sistema experimental hemos realizado dos tipos de experimentos. El primer tipo consiste en la implementación tradicional de la interacción acustoóptica, usando ondas acústicas armónicas. En este caso, la fibra se ilumina con una fuente de banda ancha, y el espectro de la luz transmitida tras la interacción acustoóptica se mide con un analizador de espectros ópticos. Como únicamente la luz en el modo fundamental se detecta, el espectro de la luz transmitida presenta bandas de atenuación a las longitudes de onda que satisfacen la condición de ajuste de fases de un acoplamiento. De esta manera, a partir de la longitud de onda de resonancia, se puede obtener la diferencia entre los índices efectivos de los modos que intervienen en el acoplamiento. El segundo conjunto de experimentos se basa en la implementación de la interacción acustoóptica empleando ondas acústicas en paquetes cortos. En este caso, la señal aplicada al piezoeléctrico es una onda armónica con un número determinado de ciclos. La fibra se ilumina con una fuente de banda estrecha cuya longitud de onda solapa con una banda de atenuación producida por la interacción acustoóptica. La luz transmitida se detecta en el dominio del tiempo mediante un fotodiodo y un osciloscopio. El análisis temporal de esta señal proporciona información distribuida de las propiedades de la fibra. En el caso de los experimentos basados en ondas acústicas en paquetes cortos, la región de interacción es la sección de fibra a lo largo de la que se extiende el paquete, que va cambiando con el tiempo conforme el paquete viaja a lo largo de la fibra. Si diferentes regiones de la fibra tienen propiedades diferentes, y por tanto longitudes de onda de resonancia diferentes, la potencia de la señal transmitida fluctuará con respecto a un valor promedio, y su transmisión será diferente en cada punto, y por tanto en cada instante temporal. De esta manera, una medida de la transmisión en función del tiempo puede proporcionar información sobre la fibra con resolución axial. La sensibilidad de la medida depende del valor de la longitud de onda de la luz con la que se ilumina la fibra, y por tanto se puede ajustar según los requerimientos de cada experimento particular. Cabe mencionar que la resolución axial de la técnica es la longitud espacial de los paquetes acústicos. En nuestro caso, la longitud mínima está determinada por el comportamiento resonante del piezoeléctrico, cuyos transitorios tienen una duración mínima que no se puede reducir disminuyendo la duración de la señal eléctrica. En nuestros experimentos, la resolución axial mínima es 9 cm. Resultados y conclusiones: Como hemos mencianodo, el trabajo desarrollado en esta tesis ha consistido en la realización de dos grupos de experimentos, el primero basado en la implementación de la interacción acustoóptica en fibra óptica empleando ondas acústicas armónicas y el segundo empleando ondas acústicas en paquetes cortos. Con respecto al primer grupo, hemos empleado la interacción acustoóptica en fibra clásica para el desarrollo de nuevas aplicaciones. En lo que se refiere al segundo grupo de experimentos, hemos desarrollado y probado con éxito esta nueva técnica empleando dicha interacción de una manera diferente a las reportadas hasta el momento. Se describe el marco teórico de la interacción acustoóptica en fibras ópticas, que nos permitirá analizar e interpretar los resultados obtenidos en los experimentos realizados. Los aspectos generales de los procedimientos experimentales empleados en estos experimentos, tanto con ondas elásticas armónicas como en paquetes cortos, se detallan en el capítulo \ref{chap:impl}. Referente a los experimentos realizados usando ondas acústicas armónicas, en primer lugar hemos estudiado el efecto del diámetro en la interacción acustoóptica, realizado experimentos con fibras con una sección cuyo diámetro había sido reducido mediante un proceso de ataque ácido con HF. Hemos analizado el desplazamiento de las resonancias acustoópticas debido a los cambios en el diámetro, que ha resultado estar en acuerdo con los cálculos teóricos. Por otra parte, hemos estudiado la interacción acustoóptica en fibras ópticas recubiertas con polyimida, demostrando por primera vez la viabilidad del uso de este tipo de fibras ópticas para aplicaciones acustoópticas. Desde el punto de vista tecnológico, este avance supone la posibilidad de implementar dispositivos acustoópticos con fibras ópticas con protección externa, lo que evita las dificultades en la fabricación de este tipo de dispositivos debidas a la fragilidad de las fibras desprovistas de protección en las que tradicionalmente se produce la interacción acustoóptica. Las cubiertas de polyimida incrementan la atenuación acústica, que aumenta conforme aumenta el grosor de la cubierta. Sin embargo, capas lo suficientemente gruesas como para proporcionar protección suficiente permiten acoplo acustoóptico eficiente, con la única limitación de una longitud de interacción máxima de aproximadamente 70 cm, lo que puede abrir las puertas a implementaciones más robustas de la interacción acustoóptica en dispositivos de fibra óptica. Por otro lado, hemos utilizado la interacción acustoóptica de una manera clásica, mediante ondas elásticas armónicas para la caracterización de dos tipos de fibras comerciales de telecomunicaciones. Hemos demostrado que esta técnica puede ser usada para la caracterización, con precisión y en una banda ancha de longitud de onda, de fibras monomodo y fibras de varios modos, siendo particularmente interesante la región de la longitud de onda de corte, no fácilmente caracterizable por otros medios. Estos experimentos han demostrado que la precisión obtenida con el método es suficientemente buena como para caracterizar individualmente los modos quasidegenerados que forman los modos LP. Los resultados obtenidos mediante esta caracterización están en buena concordancia con los cálculos teóricos empleando un modelo de escalón de índice. La última aplicación que hemos desarrollado para la interacción acustoóptica mediante ondas elásticas armónicas ha sido la fabricación de un convertidor de modos, capaz de generar haces con una distribución de intensidad espacial anular y una estructura de polarización radial mediante el acoplo del modo fundamental de una fibra de varios modos a modos de orden superior. Hemos empleado este convertidor de modos para la fabricación un láser de fibra de Yb para la generación de haces de luz cilíndricos. La eficiencia del láser fabricado ha sido del 13.5%, con una potencia máxima de 65 mW, y la pureza modal y de polarización de los haces cilíndricos generados ha sido superior al 98%. Con respecto a los experimentos usando la implementación de la interacción acustoóptica usando ondas acústicas en paquetes cortos, hemos demostrado que dicha técnica es capaz de detectar fluctuaciones axiales en el factor de desintonía tan pequeñas como 0.05 m-1 en fibras monomodo, con una resolución de pocos centímetros a lo largo de secciones de fibra excediendo 1m. Esta sensibilidad en la medida de la desintonía permite la detección de fluctuaciones de diámetro con resolución nanométrica, o cambios por debajo de una parte por millón en el índice de refracción del núcleo. En lo que se refiere a este bloque de experimentos, hemos realizado en primer lugar experimentos empleando ondas acústicas en paquetes cortos para analizar la uniformidad geométrica axial de diferentes fibras. Particularmente, una sección de 1.5 m de fibra SMF-28, asumiendo que el origen de la fluctuaciones en la desintonía son debidas a fluctuaciones en el radio de la fibra, encontrando fluctuaciones de radio siempre menores que 10 nm. Hemos comparado los resultados con una fibra dopada con Yb, que esperábamos que fuese menos homogénea, midiendo mayores fluctuaciones de desintonía. Estos fluctuaciones, si fuesen debidas a cambios en el radio, se traducirían en inhomogeneidades del radio de alrededor de 300 nm, mientras que si fuesen debidas a cambios en la distribución de dopante, y por tanto en el cambio del índice de refracción del núcleo, las fluctuaciones de índice del núcleo serían 4x10-6. También hemos analizado la uniformidad axial de fibras con cubierta de polyimida y fibras atacadas con HF, encontrando que las inhomogeneidades en la escala de cm eran del mismo orden que las encontradas en fibras SMF-28. Por otra parte, hemos realizado experimentos empleando esta técnica para la detección de inhomogeneidades sutiles localizadas en secciones cortas de la fibra. En particular, estos experimentos demostraron que es posible detectar la presencia de un empalme de fusión, de capas de nanopartículas depositadas en la fibra y de capas poliméricas de 100 nm de grosor, demostrando que la técnica tiene sensibilidad suficiente para detectar inhomogeneidades muy pequeñas. Estos resultados demuestran el potencial de la técnica para aplicaciones potenciales en sensado distribuido. Finalmente, hemos empleado la técnica para el análisis del perfil axial de la absorción del bombeo en una fibra dopada con Yb. En este experimento hemos caracterizado cómo se produce la absorción del bombeo a lo largo de la fibra activa y cómo varía éste en función de la potencia de bombeo. Además, este método nos ha permitido determinar el cambio del índice de refracción del núcleo de la fibra producido por el bombeo. Hemos encontrado que el cambio máximo de índice del núcleo inducido por el bombeo es 3.5x10^-6, un valor que está en buen acuerdo con las predicciones teóricas. es_ES
dc.format.extent 183 p. es_ES
dc.language.iso en es_ES
dc.subject Fibra óptica es_ES
dc.subject Acustoóptica es_ES
dc.title Advanced in-fibre acousto-optics: applications es_ES
dc.type doctoral thesis es_ES
dc.subject.unesco UNESCO::FÍSICA es_ES
dc.embargo.terms 0 days es_ES

Visualització       (4.016Mb)

Aquest element apareix en la col·lecció o col·leccions següent(s)

Mostra el registre parcial de l'element

Cerca a RODERIC

Cerca avançada

Visualitza

Estadístiques