Universidad Politécnica de Chiapas

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1 Universidad Politécnica de Chiapas Dr. Gilberto Anzueto Sánchez Folio: UPCHS-PTC-021 Informe final del proyecto: LÁSERES DE FIBRAS ÓPTICAS Objetivo: Desarrollar nuevos sistemas de láseres de fibra óptica. Rev01 1 de 26

2 Empezaremos en describir brevemente lo que es una fibra óptica y el estado de arte de los láseres de fibras ópticas, a continuación describiremos aspectos técnicos del proyecto, finalizaremos este reporte de informe con un resumen de los resultados entregables logrados. Fibras ópticas y estado del arte A mediados de la década de 1970 se admitió que la tecnología de cable de cobre sería inadecuada para redes de comunicación. En vista de ello, la industria de las telecomunicaciones invirtió intensivamente en la investigación que derivó en la fibra óptica, atractiva opción a las líneas de transmisión alámbricas como las de cable de par trenzado y coaxial. Una fibra óptica es una guía de onda construida de material dieléctrico (vidrio) que opera en el rango de frecuencias ópticas. Una fibra óptica consta de dos secciones cilíndricas concéntricas llamadas núcleo y recubrimiento. El núcleo está conformado por un material ligeramente modificado en sus propiedades ópticas y que presenta un índice de refracción mayor que el del índice de refracción del revestimiento y que se fabrica con dimensiones estandarizadas tiene un diámetro de aproximadamente 6-8 micras, mientras que el material conocido como revestimiento tiene un diámetro también estandarizado de 125 micras. Estas dimensiones pueden cambiar. En estas condiciones una fibra óptica solo puede propagar luz bajo el principio de reflexión interna total. Sin embargo, cuando a la fibra óptica se le incluye un material dopante que presenta ganancia óptica, tal y como puede ser un elemento químico conocidos como tierras raras, podemos obtener un sistema conocido por láser de fibra óptica que funciona bajo el principio de emisión estimulada. Esto quiere decir, que la fibra óptica tendrá moléculas, átomos o iones que al ser excitadas por otra fuente externa de energía podrán llevar a estas moléculas a un estado de excitación tal que se produzca inversión de población y que por tanto, desprenderá energía mediante emisión espontánea y/o emisión estimulada (si encuentra las condiciones necesarias: amplificación, retroalimentación), y así emitir luz coherente. Este fenómeno es conocido como láser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Luz amplificada por la radiación de la emisión estimulada. Un láser consta de tres elementos principales: medio activo, una cavidad resonante y una fuente de excitación. Rev01 2 de 26

3 Los láseres de fibra han sido estudiados en los últimos años por sus aplicaciones en sistemas de comunicación, en sensores ópticos, metrología, espectroscopía óptica, caracterización y/o procesado de materiales, detección y/o monitoreo de procesos diversos, investigación básica, etc. También, porque recientemente han demostrado ser sustitutos ideales de láseres de bulto que operan en el infra-rojo, específicamente en la banda nm. Para lograrlos, se han propuesto diversas técnicas para construirlos, diferentes tipos de cavidades láser y diferentes tipos de fibra óptica: monomodales, de doble recubrimiento, fibras huecas, fibras fotónicas, generando emisión láser en un gran número de diferentes longitudes de onda, dependiendo del material dopante en la fibra, con una muy buena calidad de haz y adecuada disipación de calor. Desde la introducción de las fibras ópticas de doble recubrimiento hace más de dos décadas y con los avances recientes en el área de fabricación de fibras especiales, de diodos láser de alta potencia, de Rejillas de Bragg, el desempeño de los láseres de fibra ha sido dramáticamente mejorado. Los láseres de fibra poseen varias características intrínsecas que los hacen extremadamente eficientes: son capaces de entregar altos niveles de potencia con alta eficiencia de conversión, y generar varios KW de potencia de salida, con un manejo térmico excelente debido a la gran capacidad de disipación de calor, buena calidad de haz. Además, son bastantes flexibles, compactos y capaces de generar emisión en un amplio región del espectro electromagnético, en el cercano IR, lo cual los hace altamente compatibles con la tecnología de comunicaciones, especialmente en la tercera banda de comunicaciones (alrededor de 1.55µm, donde las pérdidas de transmisión en las fibras ópticas de vidrio sílice tienen un mínimo). Actualmente, puede obtenerme de los láseres de fibra, eficiente emisión en la región del cercano IR (1-2.2µm), utilizando las diferentes transiciones energéticas de diferentes dopantes: tales como iterbio( µm), erbio( µm), neodimio( µm), tulio,( µm), holmio( µm), praseodimio( µm), o bien utilizando el efecto Raman estimulado para generar láseres con emisión en cascada, con la ventaja de poder escoger diferentes fuentes de excitación, y por consiguiente la longitud de onda de emisión, utilizando varios tipos de fibras ópticas tales como: fibras con alta concentración de Germanio o fosfatos en el núcleo de la fibra con altos valores de ganancia Raman. El efecto Rev01 3 de 26

4 Raman ó dispersión Raman, es un proceso óptico no lineal que es utilizado, entre otras aplicaciones, para generar láseres eficientes. El nombre Raman se debe al científico Chandrasekhara Raman quien fue el que descubrió este fenómeno alrededor del año Las aplicaciones más conocidas de este fenómeno son: espectroscopía Raman, usada en el análisis de materiales, y además como mencionamos, los láseres Raman de fibra óptica. Aspecto técnico del proyecto: El primer paso en la implementación de cualquier sistema basado en fibras ópticas es la alineación o conexión de fibras ópticas. Existen en el mercado una serie componentes que se pueden emplear como uniones temporales ó permanentes. Para realizar una unión permanente de fibra se utiliza una empalmadora, el cual es un dispositivo que sirve para unir una fibra óptica y otra mediante una descarga eléctrica; esta técnica es la más usada y recomendada (Fig. 1). Uno de los problemas a resolver es seleccionar los sistemas que en forma temporal puedan ayudarnos a conectar sistemas de fibras ópticas y de esta forma generar los nuevos conocimientos, es decir que de esta manera el tener la oportunidad de que con la experimentación de nuestros dispositivos uno pueda inmigrar a los sistemas que finalmente requerirán de sistemas permanentes y darán conclusión a un prototipo final. Figura 1. Alineación física de dos fibras ópticas y (der.) Fotografía de la pantalla CCD de una empalmadora que realiza una unión permanente mediante descarga eléctrica. Rev01 4 de 26

5 El proceso de empalmar una fibra óptica por medio de fusión puede ser separado en varias etapas. En la figura 2 se presenta un diagrama de la secuencia y los pasos para realizar un empalme exitoso (Yablon, 2005). A continuación describiremos el procedimiento para realizar un empalme adecuado de fibra óptica. Primeramente se retira la protección en la que se encuentra la fibra óptica. El recubrimiento debe ser quitado, cuidando no dañar a la fibra óptica en esta parte del proceso. A continuación se deben identificar las terminaciones o las puntas de las fibras ópticas que se desean empalmar, las caras de las fibras deben estar completamente planas esto se obtiene realizando un buen corte. Después de haber alineado las fibras se procede a poner en a las fibras en la empalmadora por fusión que realizará el empalme y posteriormente se verifica el nivel de pérdidas del empalme cuidando que este sea lo más pequeño posible. Posteriormente se realizarán pruebas del funcionamiento de la fibra colocándolo en un arreglo óptico y si la función lo requiere se le pondrá una protección del ambiente empacándolo en una protección para empalme. Las fibras deben ser alineadas lateralmente cada una hasta que las caras estén paralelas. Debido a que los empalmes que se realizan son para pruebas de laboratorio no es necesario que tenga una resistencia mecánica ni que el empalme tenga algún recubrimiento o protección en el lugar donde se realizó el empalme ya la fibra óptica no estará sometida a fuerzas exteriores y se encontrará en un lugar establecido libre de agente externos que puedan llegar a dañar. Rev01 5 de 26

6 Figura 2 Diagrama del proceso de empalme por fusión Debido a que los empalmes por fusión son frecuentemente usados, para el proceso de empalme de fibras hay varios tipos de empalmadoras por fusión. Un diagrama general de los componentes que utiliza una empalmadora se muestra en la figura 3. Una empalmadora por fusión mínimamente necesita una fuente de calor (véase Anexo A) y también una base para los sujetadores (Anexo B); estas bases estarán en ambos lados de los electrodos y darán el movimiento para la alineación. Las empalmadoras también incluyen otros aditamentos como microscópicos y cámaras CCD, microprocesadores que pueden determinar si una fibra óptica está alineada (Yablon, 2005), además de una pantalla LCD (Anexo A) donde se podrá ver las operaciones realizadas en el microprocesador para que el usuario pueda corregir el empalme. Rev01 6 de 26

7 Figura 3 Componentes de empalmadora por fusión El primer paso para el proceso de empalme por fusión es quitar la cubierta exterior (Anexo D); al haber realizado esto, se procederá a la extracción del recubrimiento de polímero de la fibra óptica por medio de un pelador (Anexo B). Es importante que este paso, al quitar el recubrimiento se haga con extremo cuidado, ya que aplicarle demasiada fuerza puede provocar que la fibra óptica pueda llegar a quebrarse y afecte su resistencia mecánica y se vuelva vulnerable. Es primordial usar el material adecuado para realizar el paso de remover la fibra debido a que puede comprometer el estado de la fibra y si se usa algún otro instrumento también podría causar daños al usuario. Al terminar el paso de pelado, se procede a realizar el segundo proceso que es el de cortado, es importante qu se realice de manera correcta pues con esto se evitarán problemas posteriores en deformación de fibras e incompatibilidad de núcleos debido a deformaciones. Previo al proceso de corte es necesario que la fibra óptica se limpie de impurezas que esta pueda contener debido al recubrimiento por lo que se hace una limpieza con toallas secas que se humedecen con alcohol isopropílico para eliminar cual rastro de suciedad que pueda evitar que el empalme se realice. Rev01 7 de 26

8 Figura 4. Materiales necesarios para limpieza de fibra óptica Para realizar el proceso de cortado de manera exitosa es necesario posicionar a la fibra óptica en un sujetador (Figura 5), este paso debe ejecutarse con gran precisión ya que el sujetador (Anexo C) servirá en el proceso de corte y de fusión. Este será el que contendrá la fibra óptica para colocarla en la base de la empalmadora. Figura 5. Fibra óptica en sujetador Rev01 8 de 26

9 Al tener la fibra óptica en el sujetador se dispondrá a colocar el sujetador en dentro de la cortadora (Figura 6), se debe verificar que la fibra este en la posición correcta, que la fibra rebase la posición del disco de corte para que el corte que se realice sea de calidad. Figura 6. Fibra óptica en sujetador en proceso de cortado Gracias a que se cuenta con un cortador de precisión, se realizará un buen corte si siguen las medidas adecuadas antes mencionadas. Para realizar el corte es necesario posicionar al disco de corte en la posición inicial antes de colocar el sujetador en la ranura especificada y posteriormente cerrar el cortador para que el disco se desplace y corte la fibra óptica. Rev01 9 de 26

10 Figura 7.Proceso de corte Debido que la empalmadora por fusión (Anexo A) ejecuta el empalme basado en la imagen de las dos fibras ópticas que se desean empalmar, es de vital importancia que las fibras tenga un corte preciso y que las fibras estén libres de polvo u agente. Al tener las dos fibras preparadas, esto se refiere al proceso de pelado, remover el polímero, limpieza, y cortado, se procede a pasar al paso de alineación y fusión. El calentamiento es el proceso principal del proceso de empalme de fibra óptica por fusión, porque de este se soldaran las dos fibras. Como se mencionó anteriormente, las máquinas empalmadoras utilizan diferentes fuentes de calor para la formación de la unión, pero en los principios de este paso son principalmente los mismos para las empalmadoras que utilizan electrodos a las que utilizan otro tipo de fuente de calor. (Yablon, 2005) En la Figura 8 se presenta un esquema de los puntos importantes que ocurren en la descarga de calor en el proceso de fusión. Rev01 10 de 26

11 Figura 8. Proceso de calentamiento La primera etapa del proceso se denomina pre-fusión, esta etapa es la que se mencionaba anteriormente que sirve para la limpieza de la fibra óptica. Los contaminantes que se eliminen ayudarán a tener un buen empalme y que el proceso se realice de manera correcta. La segunda etapa es donde se colocan los sujetadores con las fibras ópticas dentro de la empalmadora (Figura 9) es importante que no haya una sobre posición de fibras ya que si no existe un espacio entre fibras el alineamiento de estás será imposible. Rev01 11 de 26

12 Figura 9. Etapa 2 del proceso de fusión Teniendo las fibras ópticas en las bases de la empalmadora, las cuales harán el proceso de alineación, comprobando el corte correcto de la fibra y un teniendo un espacio para realizar la fusión, se pasa a la etapa 3 donde se verifica que exista una coincidencia entre núcleos de las fibras, todo esto por medio de la cámara que verifica todos estos aspectos. Figura 10 Fibra óptica previa a la etapa 3 Rev01 12 de 26

13 Dada las condiciones anteriores, la fibra se encuentra prepara para ser fusionada (Figura 0), por lo cual se desprende la descarga por medio de los electrodos que hacen la fusión de la fibra. Cuando se realiza el proceso de fusión las fibras son presionadas a estar juntas donde se solapan para por una longitud entre 2 a 20 µm, esto debido a la tensión superficial, la viscosidad y la difusión dopante de las fibras y de esta manera evitar que el empalme no se pueda efectuar. Al efectuar la descarga de calor, la fibra se enfriará rápidamente dejando así una fibra empalmada con un índice de pérdidas debida a la descarga de calor.(figura ) Figura 11 Fibra óptica después del proceso de fusión Después de haber realizado esto se podrá decir que el proceso de empalme con una pérdida de 0.01 db, el cual es el nivel de atenuación resultante o las pérdidas debidas a la fusión. En la Figura 12 se representan las etapas más importantes de este proceso en la parte 1 se puede ver la alineación de la fibra monomodal, posteriormente en la parte 2 se puede aprecia de manera esquemática se aprecia la descarga eléctrica que provienen de los electrodos. Y Rev01 13 de 26

14 por último en la parte 3 se aprecia el empalme y se especifica el lugar donde se encuentra empalmada la fibra. Núcleo (1) Fusión (2) Empalme (3) Figura 12. Diferentes pasos en el proceso de empalme por fusión El valor de las pérdidas por acoplamiento es la característica más importante para evaluar la calidad de un empalme. Estas pérdidas se realizan en el momento en que los electrodos realizan el arco eléctrico entre las dos fibras, si el proceso que se detalló anteriormente se llevó adecuadamente las pérdidas serán bajas. El nivel de pérdidas está dado en db, que representa las pérdidas de potencia de señal que sería la luz que se transmite por medio de la fibra óptica. El siguiente paso en el desarrollo del proyecto fue desarrollar un láser de fibra óptica, como el que se observa en el arreglo experimental de la figura 13. Rev01 14 de 26

15 Figura 13. Arreglo experimental del dispositivo Consiste de 30 m de fibra de doble recubrimiento dopados con iones de iterbio, con dimensiones 6/125 µm núcleo/ recubrimiento y apertura numérica 0.14/0.45 bombeado a 915 nm por un diodo láser. El bombeo es colimado y enfocado por un par de lentes asféricas. Entre las lentes asféricas, es colocado un espejo dicroico con alta transmisión a 915 nm y alta reflexión a nm para prevenir de daño óptico al diodo de bombeo. Una rejilla de largo periodo inducida mecánicamente es insertada en la cavidad mediante un empalme por fusión entre la fibra láser y una fibra hueca sin dopante donde es inducida la rejilla. El procedimiento para producir un filtro alrededor de 1090 nm ha sido ampliamente descrito en (Appl. Opt 46, , 2007, D. Ceballos-Herrera, I. Torres-Gómez et al). El filtro es sintonizable.. En la fibra hueca es producida la modulación del índice de refracción mediante presión entre dos placas metálicas corrugadas. La cavidad se cierra con un espejo de gran ancho de banda en el IR, y la salida láser es obtenida a partir de la reflexión del espejo dicroico. Para caracterizar el espectro de emisión láser se utilizó un analizador de espectro óptico (OSA). Rev01 15 de 26

16 En la figura 14, se muestra el espectro de fluorescencia (en línea negra) de la fibra láser bombeado a 915 nm, donde puede apreciarse la banda de emisión de nm, típica de una fibra láser dopado con iones de iterbio, y la emisión láser a 1089 nm, cuando el láser de fibra es operado en configuración free running, en nuestro caso, sin el filtro en la cavidad, utilizando el 4 % de reflexiones de Fresnel de ambos extremos de la fibra. Figura 14. Espectro de emisión espontaneo (en negro) y emisión láser en cavidad libre (en rojo) del láser de fibra Después de empalmar la RPL a la fibra dopada, la cavidad láser es definida como se muestra en la figura 13. En la figura 15 se ilustran los espectros de emisión obtenidos cuando una RPL inducido mecánicamente es insertado en la cavidad láser. La respuesta del filtro se observa en la figura 15 (en negro) donde puede apreciarse el rechazo de banda alrededor de la región nm para. De acuerdo a la teoría de Rev01 16 de 26

17 acoplamiento de modos núcleo-revestimiento, al aumentar el tamaño del periodo, la banda de rechazo se desplaza hacia longitudes de onda mayor, y ajustando mecánicamente dicho periodo podemos correr la banda de rechazo de tal forma que la emisión se manipulada a nuestra elección, como también se aprecia en la figura 3 (en rojo) dos picos alrededor de 1082 nm y 1096 nm, donde ocurre emisión láser simultáneamente. Figura 15. Espectro de emisión en diferentes condiciones (leer texto) En base a los resultados obtenidos se pretende generar un láser con múltiple emisión en longitudes de onda, 3, 4 o más, (artículo enviado a revista indexada) en base a modificar las características de filtro, así una modulación en el filtro resultará en un láser que emita varias longitudes de onda. También en posteriores trabajos se reportará un láser multi-longitud de Rev01 17 de 26

18 onda, donde el elemento discriminador sean los cambios de polarización inducidos mediante curvamiento y torsión de fibras birrefringentes. Resultados entregados. De los resultados entregables prometidos en el protocolo del proyecto podemos destacar la escritura de un artículo científico que están siendo evaluados en una revista con estricto arbitraje internacional, un artículo publicado en la memorias en extenso del VI Taller Internacional Tecnolaser 2009 celebrado en La Habana, Cuba del 13 al 16 de abril de 2009 y un manuscrito publicado en Proceedings of SPIE (Adjuntamos copia de los manuscritos). 1. Láseres de fibra óptica con emisión en la región 2-3 µm del IR medio, G. Anzueto- Sánchez1, J. Camas-Anzueto2, A. Martínez-Rios3, R. Selvas-Aguilar4, I. Osuna- Galán1, VI Taller Internacional Tecnolaser 2009, de abril 2009, La Habana Cuba, Memoria en extenso. 2. Erbium-doped tunable fiber laser, Proceedings of SPIE 3. Simultaneous multiwavelength lasing in an ytterbium-doped fiber laser., Enviado a Laser Physics (En proceso de arbitraje) 4. Participación en el Simposio de Ciencias Ópticas 2009 organizado por el capítulo estudiantil SPIE de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la Universidad Autónoma de Nuevo León del 9 al 11 de noviembre de 2009 con la conferencia titulada: Láseres de fibras ópticas en el IR medio Rev01 18 de 26

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20 Se asesoró a un estudiante de licenciatura de la carrera de Ingeniería Mecatrónica: Dafne Aguirre Tovar (Becaria del proyecto). Se pretende que su trabajo culmine en una tesis de grado para el próximo año. El estudiante ha adquirido la destreza y habilidad necesaria para realizar empalmes de fibra óptica lo cual es un punto digno de remarcar ya que ha adquirido la experiencia para trabajar en un área técnica de fibras ópticas en cualquier empresa: Ej. Telmex, CFE, etc. Debido a las fluctuaciones en el tipo de cambio peso-dólar de inicio del año 2009, solamente pudo comprarse una empalmadora de fibra óptica, y un analizador de espectros alternativo. Se ha comprado con dinero del responsable del proyecto: fibras ópticas y materiales consumibles descritos en este informe. Rev01 20 de 26

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23 1. Anexos Anexo A Empalmadora por fusión Figura 16 Empalmadora Tom Cat Figura 17 Vista frontal de empalmadora Rev01 23 de 26

24 Figura 18 Vista superior de empalmadora Anexo B Pelador Figura 19 Pelador de fibra óptica Rev01 24 de 26

25 Anexo C Sujetadores Figura 20 Sujetadores Anexo D Fibra óptica monomodal Rev01 25 de 26

26 Figura 21 Fibra monomodo Rev01 26 de 26