Dispositivos de fibra óptica: fabricación y aplicaciones

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1 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 = E x, y) cos z 0 ( [ ω t β + ϕ] Corazón de 9µm Cubierta de 125 µm La inserción de dispositivos externos tiene problemas Dispositivo

2 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

3 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 r 0 t r(z) L t z Redes de Bragg con chirp d c /d z (mm)

4 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 d c =25 µm =26 nm L=4 mm Oro n ext Fibra Oro TM TE d c = 25 µm, = 30 nm, L= 6 mm n ext Fibra

5 I. Fibras estrechadas: (I.2.) aplicaciones Sensores de hidrógeno basados en cambios de la absorción Relative Transmission % 10% 6.5% % 2.6% % 1.1 0% t (s) Time (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

6 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

7 II. Redes de Bragg: (II.1) redes uniformes y con chirp Redes de Bragg grabadas en fibra óptica: ejemplos Redes superpuestas Redes con chirp ( az) λb ( z) = λb0 1+ λ P 2 λ 1 i P r Reflectividad: 92% Anchura espectral: 40 pm Separación: 40 GHz Reflectancia (db) Longitud de onda (nm) Retardo (ps) 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

8 II. Redes de Bragg: (II.2) dispositivos dinámicos Cómo actuar sobre una red de Bragg? λ BRAGG (nm) Temperatura λ BRAGG (nm) Tensión mecánica t (ºC) ε 10-6 B [ α + ζ ] t = t δλ B = f 6 λ δλb λ B [ 1 ] ε = 0. ε = p e 69 II. Redes de Bragg: (II.2) dispositivos dinámicos Redes de Bragg grabadas en fibras ahusadas F F λ B = 2 n Λ

9 II. Redes de Bragg: (II.1) redes uniformes y con chirp P i P r Defectos dinámicos en redes de Bragg δε > 0 B Pt 1,0 Reflectance Reflectancia 0,5 0,0 1544,0 1544,4 1544,8 Longitud de onda (nm) Wavelength (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

10 III. Acusto-ópticos: (III.1) dispositivos Construcción de los dispositivos acusto-ópticos Ondas de flexión Ondas longitudinales Disco piezoeléctrico Fibra óptica Bocina Generador RF u( t, z) = u0 cos ( Ω t s ksz) δn =δn cos ( Ωt k ) ef 0 s sz δn0 = n ( 1 pe ) k u 2 ef s 0 y ε ( t, z) =ε0 cos ( Ω s t k z) δn ef =δn0 cos ( Ωst ksz) δn 0 = n ef 1 pe ) ( ε P δn E 1E * 2 dv V 12 s 0 0 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

11 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 P i P r 12 mm 12 mm 55 mm Bocina 0-10 ~ T (db) -20 Anchura ~ 80 pm ,2 1543,4 λ (nm)

12 III. Acusto-ópticos: (III.2) aplicaciones Interacción acusto-óptica en redes de Bragg Kε 0 δn = δn 0 cos Kz sen ( Ωst ksz) ks Λ λbm = λb0 m 1± y ωm = ω m mω λs s λ Β R λ 2 B 0 λ B = 2 n f v s s λ (nm) λ (nm) III. Acusto-ópticos: (III.2) aplicaciones R Interacción acusto-óptica en redes de Bragg κ L λ B0 ε λb 2 m = tanh J m 0 1,0 0,8 0,6 ε [ P ] 1/ 2 s EAv 0 = 2 / gs R0 R1 R2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 1 V pp 240 mw A p (V pp ) f s = 1 MHz R 0,4 0,2 A p 0,4 V pp A p 0,75 V pp A p 1,4 V pp 0, λ (nm) λ (nm) λ (nm)

13 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) H(x,y,z,t) = h( x, y)e jβ z Distribuciones periódicas Bandas permitidas y bandas prohibidas Defectos Estados localizados: modos guiados e jω t r t = nm t, nm = β = 2 t ε h h k k 0 0 Ecuación de Schrödinguer para una partícula 2 2 h d 2 8π mdx 2 V( x) Ψ= EΨ Fibra óptica convencional de salto de índice V ε r h t = ( h x, h y) c v f

14 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.1) introducción Propagación guiada en fibras de cristal fotónico j z jω t H (x,y,z,t) = h( x, y)e β e h t = ( h x, h y) 2 t + k ε + 2 ( t o) ht ht 2 t r 0ε r = β ε r V ε r IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.1) introducción Propagación guiada en fibras de cristal fotónico Opt. Lett., pp , 2000

15 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

16 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.2) fabricación IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.2) fabricación Primera preforma Preparación de los capilares ~ 1 cm Segunda preforma Proceso de estiramiento ~ 1 mm Fibra Proceso de estiramiento ~ 100 µm

17 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.2) fabricación IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.2) fabricación 3 µm 25 µm 5 µm 10 µm

18 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 e = 0,65 B g 7, Temperature effects

19 IV. Fibras ópticas microestructuradas: (IV.3) Aplicaciones Efectos no lineales: generation of a supercontinuum spectrum 2 ps pulses 200 fs pulses 4 µm