empleando láminas planoparalelas

Transcripción

1 Trabajo Académicamente Dirigido Curso Láseres de fibra dopada con erbio con emisión multilínea empleando láminas planoparalelas como filtro Realizado por Francisco Javier Salgado Remacha Dirigido por Sebastián Jarabo Lallana Departamento de Física Aplicada

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3 Índice de contenidos 1. Introducción Montaje experimental 3 2. Comportamiento del montaje como amplificador Láser de bombeo Emisión espontánea amplificada Medida de la ganancia 7 3. Descripción de los elementos intracavidad Filtro sintonizable Atenuador Colimador Filtros multilínea Comportamiento del montaje como láser Espectro y sintonización Eficiencia y potencia de bombeo umbral Dependencia de la potencia con la longitud de onda Resultados como láser multilínea Posibilidad de emisión multilínea Eficiencia y potencia de bombeo umbral Estabilidad Sintonización Zonas prohibidas Espaciado del rizado Número máximo de picos conseguido Comentarios a los resultados obtenidos Conclusiones Bibliografía 49

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5 1.- Introducción El principal objetivo de este trabajo docente es la familiarización del alumno con el trabajo en el laboratorio y un primer acercamiento a las técnicas de investigación en el campo de la óptica. La vía para lograrlo es la consecución y el estudio de un láser de fibra dopada con erbio con emisión multilínea, utilizando láminas plano paralelas como filtro. Es un sistema barato y simple, pero que permite estudiar el comportamiento del erbio en sílice, así como la viabilidad de este tipo de filtros para la emisión multilínea. Los láseres de emisión multilínea tienen gran interés en diversos campos, como en sistemas de comunicación con mecanismos multiplexadores (WDM), sensores de fibra, procesado de señales, calibrado de instrumentos ópticos o espectroscopia. Por ello, es deseable conseguir un alto número de longitudes de onda, y que además sean sintonizables. También es importante que el sistema pueda lasear en un ancho espacio de longitudes de onda. Por el contrario, es imposible modular independientemente cada línea de emisión. Se ha conseguido emisión multilínea con láseres de semiconductor y también con láseres de fibra, normalmente en configuración de anillo. Dado que se va a trabajar con un láser de anillo, antes de continuar, se realizará una exposición del desarrollo histórico que han seguido los láseres de fibra [1]. También se hará un pequeño repaso a las nociones básicas sobre el funcionamiento del láser. Antes de los años 60 ya se conocía la capacidad de amplificación de luz de las tierras raras. En 1960 ya se había propuesto el máser óptico y se había demostrado el efecto láser. En 1961 Snitzer propuso usar una fibra óptica como medio amplificador y como cavidad resonante. Durante los años posteriores se siguió avanzando en esta idea, pero las fibras utilizadas presentaban muchas pérdidas. A mediados de los 80, cambios en los procesos de fabricación permitieron, por una parte, una gran disminución en las pérdidas de propagación y, por otra, incorporar iones de tierras raras en el núcleo de la preforma. En 1985 un grupo de la Universidad de Southampton consiguió el primer láser de fibra usando neodimio. Pronto se observó que el ion erbio tiene una transición hacia 1 55 µm, que coincide con la ventana de transmisión con menos pérdidas en las fibras basadas en silicio. A pesar de constituir un sistema láser de tres niveles, una vez puesto en forma de fibra el erbio permite confinar una gran potencia en poco espacio, por lo que se consigue una alta densidad de energía logrando amplificación con potencias de bombeo muy bajas. El primer láser con fibra dopada con erbio lo realizó el mismo grupo de Southampton en Fue el primer láser de tres niveles operando en modo continuo a temperatura ambiente que se consiguió, lo que indicaba el potencial de estos láseres. Sería interesante explicar brevemente un modelo teórico para el erbio en sílice. Cuando se introducen los iones Er 3+ en una matriz de vidrio adoptan la estructura electrónica [Xe]4f 11 5s 2 5p 6. Las transiciones en el visible y en el infrarrojo provienen de las 1

6 capas 4f, que se pueden considerar apantalladas por las capas 5s y 5p de tal forma que el espectro de emisión apenas se ve afectado por la red en la que se introducen los iones. En la siguiente gráfica se muestran los principales niveles y transiciones del erbio, así como las secciones eficaces de emisión y de absorción: Figura 1.1 Como se observa, existen muchas transiciones que pueden ser usadas para bombear. En general, los iones de erbio se excitan desde el nivel inferior 4 I 15/2 hasta un nivel superior, del que caen de forma rápida y no radiativa hasta el nivel metaestable 4 I 13/2, que tiene una vida media mucho mayor que la de los niveles superiores (del orden de unos 10 ms). Esto permite conseguir una inversión de población entre el nivel fundamental y el excitado. Debido a este proceso, se considera un modelo de láser de tres niveles. Si mediante un bombeo se consigue inversión de población, el sistema podrá trabajar como un amplificador. Hay que tener en cuenta que, debido a diversos efectos, habría que hablar de bandas y no de niveles de energía dado el ensanchamiento que presentan estos últimos. Por esta razón el perfil de ganancia resulta muy ancho en comparación con el que se obtendría si el medio fuera cristalino, como se aprecia en la figura 1.1. La forma de este perfil de ganancia dependerá de la intensidad de la señal. Una disminución en la intensidad trasladará el máximo del perfil hacia longitudes de onda más cortas, y si la señal de entrada sube el máximo del perfil se desplazará hacia longitudes de onda mayores. Dopando el núcleo de una fibra con iones de erbio se puede construir un amplificador de fibra. Mediante un acoplador óptico se introducen el bombeo y la señal que se quiere amplificar. El bombeo (normalmente en 980 nm o en 1480 nm) permite conseguir la 2

7 inversión de población. La señal sale amplificada por el otro extremo de la fibra. Se puede hacer pasar esta señal amplificada de nuevo por el amplificador (esto es, se cierra el anillo), consiguiéndose un resonador láser. Para obtener señal del interior del resonador se introduce un acoplador que nos permita extraer un porcentaje de la luz encerrada en el interior. Lógicamente la cavidad (es decir, el anillo) siempre va a tener unas ciertas pérdidas. Para que haya emisión láser, la ganancia del amplificador debe compensar estas pérdidas [2]. En el momento en el que se consiga compensar las pérdidas habrá emisión láser. Habrá una potencia de bombeo umbral por debajo de la cual no habrá emisión láser, ya que no se habrá conseguido la ganancia suficiente. Por encima de la potencia de bombeo umbral, la potencia de salida del láser es directamente proporcional a la potencia de bombeo menos la potencia umbral [2]. El parámetro que relaciona ambas potencias recibe el nombre de eficiencia. Dicha eficiencia, junto con la potencia de bombeo umbral, son los parámetros necesarios para caracterizar un láser. Si se introduce en el anillo un filtro pasa-banda, se aumentarán en notablemente las pérdidas en todas las longitudes de onda salvo en la zona que deja pasar el filtro. Por tanto, la potencia umbral aumentará mucho en todo el espectro salvo en la región permitida por el filtro, que será la región en la que se produzca la emisión láser. De esta manera, cambiando la posición del máximo de transmisión del filtro podemos mover el pico de emisión. Se consigue de esta forma un láser sintonizable en un rango continuo de longitudes de onda Montaje experimental. Para la realización del trabajo se ha utilizado un láser de fibra con cavidad en anillo. Como medio amplificador se utiliza fibra dopada con erbio (EDF). A la salida del EDFA se coloca un acoplador 90:10 que nos permite obtener una señal de salida y a la vez cerrar el anillo. Una ventaja de los láseres de fibra es que podemos trabajar fácilmente dentro de la cavidad. En este caso, se han dispuesto dos colimadores (dos lentes GRIN) entre los cuales podemos colocar la lámina plano paralela que actúa como filtro. El esquema siguiente puede clarificar el montaje: 3

8 Figura 1.2 Como láser de bombeo se utiliza un láser de semiconductor modelo 250 de Astrotec que emite en 1480 nm, con una potencia óptica de 20 mw. Se introduce en el anillo mediante un acoplador WDM. A continuación se colocan 9,88 metros de fibra dopada con erbio de la empresa INO, con un núcleo de diámetro 4.6 µm y longitud de onda de corte en 887 nm. Se introduce también en el anillo un aislador óptico con un aislamiento de 60 db, que evita reflexiones y la propagación de emisión espontánea amplificada viajando en sentido contrapropagante (ASE - ). El uso de un aislador nos permite integrar en el anillo diferentes componentes sin la influencia de las posibles reflexiones. Con otro acoplador se extrae de la cavidad el bombeo residual, para control o para realizar otras medidas. Otro acoplador 90:10 modelo SWFC nos permite obtener señal del anillo. Seguidamente se coloca la lámina plano paralela y un atenuador, que se utilizará para modificar las pérdidas de la cavidad y por tanto la condición de ganancia necesaria para lasear. Conviene tener presente durante todo el trabajo que al modificar las pérdidas estamos modificando la intensidad en el interior del anillo, y por tanto el perfil de ganancia del erbio cambiará. En el apartado 3 se explicarán con mayor detalle los elementos intracavidad (el filtro sintonizable, el atenuador, el colimador y los filtros multilínea) que se han utilizado en este trabajo. Para completar el anillo se utiliza fibra monomodo (para la longitud de onda de trabajo) modelo CSB3 de Corning, con un núcleo de 8.7 µm de diámetro. 4

9 2.- Comportamiento del montaje como amplificador 2.1- Láser de bombeo. Para todas las medidas posteriores se necesitará calibrar correctamente el láser que se utiliza para bombear la fibra dopada, determinando su eficiencia y su potencia umbral. El láser utilizado para bombear emite en 1480 nm, con una anchura espectral de entre 4 y 8 nm. El chip se refrigera mediante un Peltier. Es posible controlar su potencia de salida mediante un potenciómetro, con el que variamos la tensión de alimentación y por tanto la corriente de alimentación. Para medir la eficiencia del láser se utiliza un detector modelo Q8221 de ADVANTEST, que da como lectura de salida la potencia que se obtiene con el láser. Representando dicho valor en función del voltaje de alimentación, se obtendrá una recta cuya pendiente será la eficiencia del láser de bombeo, η, y el corte con el eje X será el voltaje umbral, V th : P S = η ( V alimentación V th ) [2.1] Con los datos obtenidos se representa la siguiente gráfica y se obtienen los valores de la eficiencia y de la potencia umbral: potencia de salida (mw) Eficiencia y umbral del láser de bombeo alimentación (V) Figura 2.1 Para hacer el ajuste a una recta se obvian los valores correspondientes a las potencias menores, ya que el efecto de la fluorescencia hace que aparezca un codo en la 5

10 recta y estos puntos se vean ligeramente desplazados de la recta. Por comparación, se eliminan los cuatro valores más bajos y se obtiene: η = 22.0 mw/v V th = V 2.2- Emisión espontánea amplificada. Una vez que se conoce cuánta potencia emite el láser de bombeo, se puede estudiar el comportamiento como amplificador de la fibra dopada que se usará para construir el láser. Una característica propia de los amplificadores de fibra dopada con erbio es que la emisión espontánea amplificada (ASE) está guiada, por lo que también se amplifica considerablemente (en los demás tipos de láser también se amplifica, pero poco y normalmente es despreciable). La ASE puede ser copropagante (ASE + ) o contrapropagante (ASE - ), según el sentido en el que viaje. Por lo tanto, aunque la mayor parte de la potencia de bombeo se invertirá en conseguir inversión de población (es decir, se almacenará la energía) y en amplificación de la señal, una parte de la potencia de bombeo se invertirá en generar y amplificar la emisión espontánea. La potencia se mide con un analizador de espectros ópticos (OSA, optical spectrum analyser) modelo 86140B de Agilent. Para medir potencia con el OSA, se va aumentando la resolución desde el mínimo posible (cambiando la resolución se cambia la anchura de la rendija de entrada) hasta que lleguemos a un valor en el que no cambie el valor de la potencia aunque aumentemos la resolución. En esta situación, el OSA está integrando en toda la señal y la lectura que ofrece es la potencia de la señal. El anillo se puede cerrar con la salida del 10% del acoplador o bien con la salida del 90%. La ASE copropagante hay que medirla en cada una de estas posibles salidas. Las medidas se harán para diferentes potencias de bombeo. Se coloca entonces el láser de bombeo en su posición en el montaje y se obtiene la señal con el OSA (sin cerrar el anillo, ya que se está estudiando el comportamiento como amplificador). Utilizando la salida del 10% del acoplador la señal debida a ASE que se obtiene es muy débil. Se aprecia que sigue el perfil del erbio, pero es imposible trabajar con esta configuración. Por esta razón para trabajar se conectará la salida del 90% al OSA. Trabajando entonces con esta configuración (utilizando la salida del 90%) podemos bajar el bombeo en un amplio rango sin perder la señal, consiguiendo tomar varias medidas. Para potencia de bombeo máxima, obtenemos: 6

11 Potencia (dbm) ASE, salida 90%, diferentes potencias de bombeo Longitud de onda (nm) Figura 2.2 Se obtiene el perfil típico del erbio, pero ahora con una potencia apreciable. Se observa cómo el pico de 1530 nm va desapareciendo conforme baja el bombeo, y cómo la potencia va aumentado en la zona de 1560 nm en relación con la zona de 1530 nm. Finalmente, a modo de ilustración, mostramos unas medidas de la ASE contrapropagante: Potencia (dbm) ASE contrapropagante, diferentes potencias de bombeo Figura Medida de la ganancia Para medir el perfil espectral de la ganancia del amplificador, utilizaremos un diodo LED (Luminent, modelo MRED SPF con longitud de onda central 1513 nm y anchura a media altura de 77 nm) como señal de entrada, ya que tiene gran anchura espectral y nos permitirá determinar la ganancia G en toda la zona espectral donde amplifica el erbio. Además, consideraremos que el LED emite una potencia espectral lo 7

12 suficientemente baja como para que en la práctica no modifique las poblaciones y, por tanto, tampoco modifique la potencia de fluorescencia copropagante. Si la potencia del LED fuera demasiado elevada actuaría como un señal de alta potencia, de forma que podría influir en las poblaciones y también cambiar el perfil de ganancia. Entonces, si G es la ganancia del amplificador, supuesto conocida la potencia con la que emite el LED (que también se medirá), la potencia que se obtiene a la salida del amplificador será (en unidades lineales): P = P LED G + P ASE [2.2] Por tanto, la ganancia: P G = P P LED ASE + [2.3] La potencia P ASE es la que se ha obtenido en el apartado anterior, y se mide sin señal. Para conocer la potencia con la que emite el LED en función de la longitud de onda se conecta directamente el LED al OSA. Se han utilizado dos latiguillos de fibra óptica para que la medida recree de la mejor forma posible las condiciones en las que va a trabajar el LED. Se realiza una medida en un amplio rango de longitudes de onda ( nm) dada la anchura espectral del LED. Se obtiene: Potencia (dbm) Potencia del LED long de onda (nm) Figura 2.4 A continuación colocamos el LED en la entrada del EDFA y el OSA en la salida del 90%, como en el esquema: EDFA LED 90% OSA 10% Figura 2.5 8

13 Se obtiene la siguiente curva: Potencia (dbm) Potencia de salida del EDFA Figura 2.6 Y con las ecuaciones [2.2] y [2.3], se puede calcular la ganancia en función de la longitud de onda: 15 Ganancia, diferentes bombeos Ganancia (dbm) Figura 2.7 El perfil obtenido es el típico de las fibras dopadas con erbio. Se pueden apreciar dos zonas de amplificación: una primera cerca de los 1530 nm (concretamente el pico se encuentra en 1532 nm) y otra zona, más o menos plana (al menos para bombeo alto), entre 1545 nm y 1560 nm, aproximadamente. En medio hay una zona en la que parece más difícil conseguir amplificación (entre 1535 nm y 1545 nm). Por debajo de 1520 nm y por encima de 1570 nm la ganancia cae rápidamente. Se observa asimismo el efecto que tiene la potencia de bombeo sobre la ganancia, debido al cambio en la forma del perfil ya explicado: conforme baja el bombeo la ganancia se traslada hacia longitudes de onda mayores. 9

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15 3.- Descripción de los elementos intracavidad En este apartado se describirán todos los elementos que forman parte del montaje y de los cuales no se ha dicho nada hasta ahora. Se colocan en el interior del anillo, pero fuera del amplificador, por lo cual se les llama elementos intracavidad. Todos ellos son de suma importancia para la realización del trabajo. Con el filtro sintonizable se podrá hacer un láser sintonizable, y con las láminas de vidrio se conseguirá obtener un rizado en la señal. El atenuador permite desplazar la ganancia, y junto con las láminas permitirá la obtención de emisión multilínea Filtro sintonizable Se dispone de un filtro pasa-banda sintonizable. Con él se introducen pérdidas muy elevadas para todas las longitudes de onda excepto en una pequeña región alrededor de una λ 0, que se puede controlar mediante un tornillo. El ancho de banda a media altura es 1.3 nm. y su rango de sintonía está comprendido entre 1525 nm y 1563 nm. Cuando el anillo se cierra y empieza la emisión láser, con este filtro se consigue que ninguna longitud de onda salvo un entorno de λ 0 tenga la ganancia suficiente como para superar las pérdidas. Por lo tanto, se tendrá un láser sintonizable simplemente con cambiar la posición del filtro. diferentes: Para ilustrar el comportamiento del filtro, se muestra con el pico en dos posiciones -35 Potencia (dbm) filtro en 1530 nm Figura 3.1 Filtro en 1560 nm Potencia (dbm) Figura

16 Como se observa en estas gráficas (y como ya se ha explicado en la introducción), de esta forma podremos sintonizar la salida del láser en un rango continuo. La potencia que se obtiene en el pico es en los dos casos semejante. Más adelante, cuando el láser esté montado, se volverá sobre esta idea Atenuador El atenuador es un elemento de suma importancia en el montaje. Como los atenuadores comerciales introducen demasiadas pérdidas (para nuestro propósito se necesitan muy pocas pérdidas), se optó por fabricar uno. En esencia, es un mecanismo que curva la fibra de una manera gradual y muy fina, de forma que se introducen unas pérdidas añadidas a la cavidad. Con ello se cambia la condición de ganancia del anillo, lo que cobra especial relevancia a la hora de conseguir emisión multilínea. Después de probar varios modelos, se optó por pegar dos puntos próximos de la fibra a dos plataformas diferentes, una de ellas fija y la otra móvil. Mediante un tornillo micrométrico se puede desplazar esta plataforma de una forma estable y bastante precisa, consiguiendo controlar la curvatura y por tanto las pérdidas. Sería interesante comprobar el efecto que tiene el atenuador sobre la señal del amplificador. A la salida de éste último se coloca el atenuador, y se mide la potencia de salida de la ASE con el OSA. Se toman dos medidas, una sin curvar la fibra y otra introduciendo pérdidas por curvatura, que son las dos siguientes: dbm efecto del atenuador sin pérdidas añadidas con pérdidas añadidas Figura 3.3 Las pérdidas introducidas son apreciables en la gráfica. también se observa que al introducir pérdidas hay una ligera disminución global en la zona de 1560 nm en comparación con la región de 1530 nm. Este hecho se debe a que la atenuación por curvatura puede describirse por la siguiente expresión [3]: R c ( n n ) 1 20ë A B ë ë c 3 [3.1] 12

17 donde R C es el radio crítico (radio a partir del cual hay pérdidas) y A y B son coeficientes obtenidos por cálculos numéricos. Según esta ecuación, el radio crítico será menor para longitudes de onda mayores, por lo que las pérdidas por curvatura serán más importantes para las longitudes de onda mayores. Esto se usará más tarde (cuando el anillo esté montado) para poder explorar todas las regiones del espectro y poder desplazar la energía hacia la región que se desee. Por ello constituye una herramienta de suma importancia a la hora de buscar emisión multilínea El colimador Para poder introducir los filtros dentro de la cavidad es necesario separar dos fibras una distancia suficientemente amplia y disponer así de un espacio libre en el que poder trabajar con la luz guiada por la fibra óptica. Para conseguir que la luz que sale de una fibra óptica se acople de una manera eficaz, se utilizan fibras que tienen acopladas una lente GRIN en uno de sus extremos. Lente GRIN Fibra óptica con lente GRIN Figura 3.4 De esta manera, el haz de luz que sale de la fibra es colimado por la lente GRIN. Cuando este haz colimado llega a la otra lente GRIN, la luz focaliza en la otra fibra consiguiendo acoplar un alto porcentaje de intensidad incidente. Se dispone así de una zona de libre acceso en la que hay un haz de luz colimado donde se podrá introducir los filtros. En el otro extremo de cada una de las fibras se suelda un latiguillo con un conector para poder incluir todo el dispositivo dentro de la cavidad de fibra óptica. El primer proceso que hay que realizar antes de trabajar es enfrentar correctamente las lentes GRIN. Para ello se han dispuesto dos enfrentadores (figura 3.5). Cada uno consiste en dos placas metálicas perpendiculares al eje de propagación de la luz, una de ellas fija y otra móvil que se sujeta en la fija mediante dos muelles. Gracias a dos tornillos se puede inclinar la placa móvil respecto a los dos ejes de giro ortogonales entre sí y al eje de propagación. Para fijar las lentes GRIN se han practicado en el centro de las láminas unos agujeros del tamaño de cada una de las lentes. 13

18 vista trasera vista cenital vista frontal Figura 3.5 En estos agujeros se introducen las lentes GRIN y se sujetan con pegamento rápido en la lámina móvil. Las láminas se atornillan enfrentadas sobre la misma base en la que se situará el soporte de los filtros. Para comenzar a alinear, uno de los latiguillos se conecta a un láser de semiconductor en visible (650 nm) y el otro latiguillo se lleva a un detector. De esta manera podemos enfrentar las dos lentes de una manera un tanto grosera puesto que la fibra para esta longitud de onda es multimodo y no se comportará igual que trabajando en monomodo, aunque tenemos la ventaja de ver el haz de luz. Girando con cuidado los tornillos de los enfrentadores podemos buscar la posición más idónea. Una vez conseguido el mejor alineamiento posible, se sustituyen el láser y el detector por unos en la longitud de onda adecuada (en 3ª ventana, diseñados para 1550 nm). Ahora el trabajo resulta más arduo, ya que no se dispone de una referencia visible de dónde se apunta con el haz. Cuando se consigue un buen valor, se intercambian las posiciones del láser y el detector, realizándose de nuevo la misma operación. El proceso se va repitiendo hasta que se consigue maximizar la potencia de salida. Se observa que hay un sentido privilegiado en el que las pérdidas son menores, que será con el que se trabaje en el montaje. Una vez obtenido el mejor alineamiento posible, se conecta el láser directamente al detector para determinar las pérdidas que introduce nuestro enfrentador de haz. Se obtiene, sin los enfrentadores, una potencia de 140 µw, mientras que con los enfrentadores se obtienen 115 µw. Estos valores suponen unas pérdidas de 0.85 db, que pueden considerarse aceptables si se tiene en cuenta que las pérdidas habituales de los dispositivos de fibra óptica están entre 0.5 y 1 db. Conseguido por fin un alineamiento óptimo, se pueden colocar los filtros y empezar a trabajar con ellos. A tal efecto se ha dispuesto un plataforma desplazadora (figura 3.6) sobre la que se colocarán los filtros. Consiste en una base fija con raíles sobre los que puede desplazarse, en una única dirección, el soporte de los filtros. La base está atornillada al mismo soporte de los enfrentadores. De esta manera tenemos todos los elementos móviles fijados sobre un mismo apoyo, eliminando posibles inestabilidades mecánicas. Se coloca de tal forma que los filtros queden situados entre los enfrentadores. El desplazamiento se controla mediante un tornillo micrométrico, de manera que el movimiento pueda ser suave y preciso. Figura

19 Sobre la base móvil se coloca un dispositivo similar a los enfrentadores: dos láminas, una de ellas fija y otra móvil mediante tornillos. En la lámina móvil se fijarán los filtros con ayuda de unos imanes. De esta forma se podrá cambiar la inclinación de los filtros. El grado de libertad que añade la inclinación del filtro es muy importante ya que permite variar ligeramente el recorrido de la luz en el interior de la lámina. Unido al atenuador, es la principal herramienta para buscar emisión multilínea. El desplazamiento sobre la horizontal es necesario para colocar correctamente algunos de los filtros. El dispositivo entero, que en adelante llamaremos colimador, presenta una estructura como la mostrada en la siguiente figura: Figura 3.7 Para ver el efecto que tiene el colimador sobre la señal del amplificador y comprobar las pérdidas que introduce, se hace primero una medida sin el colimador, conectando directamente la salida de 90% del EDFA al OSA (como en el caso anterior), y después se introduce el colimador entre el amplificador y la entrada del OSA. 15

20 Bombeo Colimador EDFA 90% OSA Figura 3.8 Ambas medidas se representan a continuación superpuestas en el mismo gráfico: Efecto del colimador dbm Sin colimador con colimador Figura 3.9 Se observa que las pérdidas del colimador son siempre del orden de 1 db, lo que concuerda con las primeras medidas realizadas Filtros multilínea Como ya se ha comentado, se han usado como filtro láminas plano paralelas de vidrio. En concreto, son portaobjetos, cubreobjetos, un vidrio de ventana y una lámina proveniente de una placa holográfica. De esta manera, disponemos de un montaje barato y a la vez resistente y eficaz. Debido al índice de refracción del vidrio aparecen efectos interferenciales, que dan como resultado la aparición de máximos y mínimos en la transmisión en función de la longitud de onda. Por tanto, es de esperar que al introducir uno de estos filtros en la cavidad se obtenga el perfil de ganancia típico del erbio multiplicado por un rizado espectral que depende del filtro utilizado. Por tanto tendremos diferentes pérdidas en función de la longitud de onda. En algunos de los máximos de este rizado se puede conseguir que el medio lasee y de esta forma tener emisión multilínea. Una vez que se obtengan los resultados se intentará identificar los rizados que aparezcan con cada filtro en cuestión. A continuación se expone un pequeño estudio sobre todos los tipos de filtros que se utilizarán en el trabajo. 16

21 -Filtro Fabry-Perot: Dado que las caras de las láminas presentan unos determinados coeficientes de reflexión, se comportarán como filtros Fabry-Perot simples con índice de refracción n y espesor d. Al incidir sobre las láminas plano paralelas con luz de una determinada amplitud A, aparecerán múltiples ondas transmitidas y reflejadas, debido a las reflexiones que tienen lugar en el interior de la lámina plano paralela. La interferencia entre sí de estas ondas provoca la aparición de un figura interferencial con máximos y mínimos en el espectro del factor de transmisión. Calculando la expresión de la amplitud de la luz transmitida total en incidencia normal, y llamando R al factor de reflexión de las caras, la intensidad transmitida resulta: I T = A A T T A (1 R ) = 2 1 2R cosä + R 4 A = 2 4R 1+ 2 (1 R ) 2 2 sen 2 ( δ/2) [3.2] Dado que esta función presenta sus máximos cuando se anula sen 2 (δ/2) (en δ = 2mπ), la condición de máximo de transmisión será: 2nd = mλ (m entero) [3.3] Sería importante señalar que el factor de reflexión R puede escribirse como: n 1 R = n + 1 Y como el coeficiente n del vidrio no es constante para toda longitud de onda, R y la intensidad I T también dependerán de la longitud de onda. No obstante, si el máximo de intensidad se da cuando se anula sen 2 (δ/2), la posición de los máximos interferenciales no se verá afectada. Por tanto, la posición de los máximos viene dada por L = 2nd [3.4] ν m = m c / L [3.5] ν = c / L [3.6] En esta expresión ν es constante, si se desprecia la dependencia de n con la longitud de onda. Como en óptica se suele usar más la longitud de onda que la frecuencia, es interesante buscar una expresión en función de λ. No obstante, si el propósito de este trabajo fuera las comunicaciones, sería más conveniente utilizar ν, que es la magnitud de uso más extendido en este ámbito. Dado que λ = c/ν, derivando se obtiene: λ λ 2 / L [3.7] Expresión que sí depende con el cuadrado de λ. Por tanto, trabajando en longitudes de onda la dependencia con λ se hace más palpable. En las medidas realizadas se indicará si este hecho ha sido observado. 2 17

22 En la siguiente tabla se recogen los valores de λ teóricos para los diferentes espesores de las láminas utilizadas tomando n = 1.5, λ = 1550 nm: d (mm) L (mm) Dl (nm)( Tabla 3.1 Para el cálculo de λ se ha tomado λ = 1550 nm como valor medio. Como λ estará entre 1530 nm y 1580 nm aproximadamente, con esta aproximación el error cometido en la obtención de λ (en función de λ) no excederá nunca el 6 %. Para referirnos a este filtro se utilizará el término filtro Fabry-Perot simple. Si se usan portaobjetos con dos láminas cubreobjetos pegadas, el comportamiento será similar. En esta ocasión la luz tiene múltiples caras donde reflejarse, por lo que es necesario tener en cuenta diferentes caminos ópticos. Además, dado que los cubreobjetos se han colocado de forma que se puede utilizar un medio interno de vidrio o de aire, es necesario considerar diversos casos particulares. d 0 d 0 n i d Figura 3.10 Si d es el espesor de la lámina portaobjetos, d 0 = 0.15 mm es el espesor de cada lámina cubreobjetos y n i es el índice del medio interno (vidrio o aire), los espesores de las posibles cavidades que pueden darse, indicadas en la figura, suponen unas anchuras de: d 0, d, d + d 0, y d + 2d 0. Por tanto, las posibles diferencias de caminos ópticos L i que pueden aparecer son: 2nd 0 ; 2n i d; 2n i d + 2nd 0 ; 2n i d + 4nd 0. Mayores diferencias de caminos darán unas distancias entre máximos de λ menores, por lo que serán más difícilmente detectables. En la tabla 3.2 se muestran los posibles valores, en función de si el medio interno es aire (n i = 1) o vidrio (n i = 1.5): 18

23 n i = 1 n i = 1.5 d (mm) L (mm) Dl (nm)( L (mm) Dl (nm)( Tabla 3.2 Vemos que todos los valores son del mismo orden de magnitud, independientemente del medio interno. Por ello, no parece más ventajoso utilizar en concreto alguna de las dos configuraciones. A este filtro lo llamaremos filtro Fabry-Perot compuesto. - Filtro interferencial: Parte del haz pasa por la lámina de índice n y la otra parte del haz pasa por aire (n 0 ). Podemos tratar cada parte como dos ondas que recorren caminos ópticos diferentes. n d Figura

24 Para estudiar este filtro, despreciaremos el efecto que pueda tener el borde. Si d es el espesor de la lámina, la diferencia de camino óptico L entre las dos ondas será: L = n. d n 0. d = (n n 0 ) d [3.8] La condición de máximo de transmisión en esta ocasión será: (n n 0 ) d = m λ [3.9] Podemos escribir: mc í m (n - n 0)d [3.10] c Äí = (n - n )d [3.11] De nuevo, será más útil trabajar con longitudes de onda: 0 2 ë Äë L 2 ë = (n n 0 )d [3.12] expresión que, como en el caso anterior, depende con el cuadrado de λ. Podemos hacer otra tabla en la que se recogen los posibles valores de λ relacionados con sus respectivos filtros, tomando n = 1.5 y n 0 = 1, λ = 1550 nm: d (mm) L (mm) Dl (nm)( Tabla 3.3 Se obtienen unos valores parecidos a los anteriores, aunque ligeramente mayores. Posteriormente se estudiará su comportamiento y se compararán todos los filtros para estudiar su capacidad como filtro multilínea. Al introducir cada uno de estos filtros se obtendrá el rizado debido a cada filtro sobre el perfil de ganancia del erbio. El objetivo del trabajo será comprobar que en los máximos de transmisión de cada filtro se puede obtener emisión láser, ya que en estas zonas las perdidas de la cavidad serán menores. A modo de ilustración, se han tomado algunas gráficas introduciendo diferentes filtros entre los enfrentadores a la salida del amplificador. De esta manera, se podrá comparar lo obtenido ahora con lo obtenido con el láser: 20

25 Potencia (dbm) amplificador sin filtro Potencia (dbm) portaobjetos, 2.45 mm de grosor Potencia (dbm) portaobjetos (2.45 mm) + 2 cubreobjetos Potencia (dbm) filtro interferencial (borde de un portaobjetos)

26 Se observa que la introducción de un filtro provoca la aparición de un rizado que sigue el perfil de ganancia del erbio. En particular se aprecia el segundo rizado que introducen los cubreobjetos, así como el mayor contraste que proporcionan los filtros interferenciales. Las pérdidas totales que introducen todos estos filtros son despreciables. Es de esperar que este efecto permita obtener emisión multilínea cuando se cierre el anillo. Como ya se ha comentado, se quiere aprovechar el hecho de que haya menos pérdidas en los máximos de la figura interferencial que en el resto del espectro, y de esta manera se puedan conseguir varios picos de emisión láser. 22

27 4.- Comportamiento del montaje como láser El único paso que queda por realizar antes de obtener resultados es caracterizar el láser de fibra. Para ello se va a estudiar la potencia que emite y su espectro de emisión Espectro y sintonización. Se monta el láser como se indica en el siguiente esquema: Figura 4.1 Interesa conocer con precisión el espectro de emisión del EDFL. Se hace una medida con una resolución de 0.1 nm. dbm espectro del láser Figura 4.2 Para la realización de esta medida se ha comprobado que desplazando el filtro se puede sintonizar el láser, como se explica en la introducción. Para obtener la gráfica 23

28 anterior el filtro se ha colocado de forma que se optimice la emisión, resultando que el pico se encuentra en nm Eficiencia y potencia de bombeo umbral. Se mide la potencia de salida en función del bombeo utilizado. Para ello, el OSA se utiliza con una resolución de 2 nm, de modo que la lectura nos dé directamente la potencia. Con el filtro conseguimos tener un pico de emisión láser sintonizable. De nuevo se comprueba que cerrando el anillo con la salida del 10% del acoplador el montaje no se comporta satisfactoriamente, ya que hay tantas pérdidas en la cavidad que es imposible conseguir emisión láser con el bombeo que se está usando. Por lo tanto, sólo podremos hacer las medidas cerrando el anillo con el 90%. Se coloca entonces la salida del 10% en el OSA y la del 90% cerrando el anillo. Interesa tomar las medidas en dos puntos diferentes: una hacia 1530 nm y otra hacia 1560 nm, que corresponden con las dos regiones diferentes que se han descrito en el apartado de la calibración del EDFA. Se ajusta en primer lugar el filtro a 1530 nm y se procede a tomar medidas para diferentes valores de la potencia de bombeo. El proceso se repite en nm Una vez que se tienen las curvas de la potencia espectral, se toman los valores de potencia en el pico y se representan frente al voltaje de bombeo. Dado que la potencia de bombeo es proporcional al voltaje de alimentación, podemos representar la gráfica en función de este voltaje. En la siguiente gráfica se han dibujado las rectas de eficiencia para los dos picos: 0.1 Eficiencia en nm y en 1530 nm Potencia de salida (mw) y = x y = x Voltaje bombeo (V) nm 1530 nm Lineal ( nm) Lineal (1530 nm) Figura 4.3 El resultado es el esperado, con una potencia de bombeo umbral y una respuesta lineal con el bombeo. Se observa que la eficiencia es mayor y el voltaje umbral menor en nm, lo que explica por qué es más fácil obtener emisión láser en la zona de 1560 nm. No sólo la eficiencia es mayor, también el aumento de la potencia de salida es notorio 24

29 (del orden de dos veces mayor). La causa de este efecto se encuentra en la propia naturaleza del erbio y su esquema de niveles: al bajar el bombeo la ganancia se desplaza hacia longitudes de onda mayores, que corresponden a energías menores. En esta situación el comportamiento del erbio corresponde a un sistema de 4 niveles (y no de 3 niveles) por lo que presenta una mayor eficiencia y una mayor potencia de salida Dependencia de la potencia con la longitud de onda. Con el mismo montaje, se procederá a continuación a estudiar más detenidamente la dependencia de la potencia de salida con λ, antes observada. Para ello se va colocando el filtro cada cinco nanómetros y se registra todo el espectro de emisión manteniendo el bombeo fijo, usando una resolución de 1 nm: -15 Dependencia de la potencia de salida con lambda -25 Potencia (dbm) Figura 4.4 Se aprecia claramente la tendencia a aumentar ligeramente la potencia de emisión del pico conforme éste se desplaza hacia longitudes de onda mayores. Como ya se ha comentado, este hecho se debe al diferente comportamiento (diferente eficiencia) que presenta el erbio en diferentes zonas de emisión debido a su particular sistema de niveles. El pico más alto está en 1555 nm, ya que en 1560 el perfil comienza a bajar. También cabría señalar a la vista de esta gráfica que al aumentar la potencia de emisión en el pico la potencia en el resto del espectro baja. Es decir, el aumento en la potencia del pico se hace a costa de la energía de las zonas con pérdidas mayores. Y, para finalizar este breve comentario de la gráfica, es notorio el rápido descenso de la potencia en longitudes menores que 1530 nm, debido al perfil de ganancia del erbio. 25

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31 5.- Resultados como láser multilínea Una vez que ya ha sido caracterizado el láser utilizado, se procede a la obtención de resultados. Para ello se monta el anillo como se ha explicado en la introducción. Es decir, dentro de la cavidad se coloca el colimador con un filtro y el atenuador. Mediante la salida del 10% de un acoplador se puede visualizar en un OSA los resultados. A la hora de obtener resultados, se ha tenido muy claro que el objetivo del presente trabajo no es la obtención de dicho resultados en sí mismos, sino el aprendizaje del alumno a través de la explicación del experimento estudiado. Para llevar a cabo este estudio, se han planteado las siguientes metas: 1- Posibilidad de emisión multilínea. 2- Determinación de la eficiencia y de la potencia umbral, emitiendo en multilínea. 3- Estabilidad de los picos de emisión. 4- Posibilidad de sintonizar el láser emitiendo en multilínea. 5- Existencia de zonas prohibidas para la emisión láser. 6- Estudio del espaciado del rizado. 7- Número máximo de picos conseguido. A la hora de trabajar pronto se observó que con los filtros compuestos era muy difícil poderlos colocar de forma que el medio interno fuera aire, ya que aparecían otros efectos interferenciales debidos a bordes del propio filtro (es muy difícil hacer pasar la luz sólo por el agujero central). Por eso no se comentan resultados con medio interno aire, salvo un caso en particular. A continuación se exponen todos los resultados obtenidos en cada uno de los apartados citados, con los comentarios pertinentes Posibilidad de emisión multilínea. Pronto se observa que es relativamente sencillo conseguir dos longitudes de onda de emisión (con lo que ya es multilínea) con cualquiera de los filtros utilizados. Dado que en el último apartado del presente bloque se tratará con detenimiento este tema, a continuación se presentan, a modo de ejemplo, alguno de los resultados obtenidos con diferentes filtros de manera que sirva como ejemplo del funcionamiento de los filtros. En primer lugar se prueba un filtro Fabry-Perot simple. Jugando con las pérdidas y con la inclinación del filtro, se obtiene: 27

32 -15 filtro de espesor 2.45 mm Potencia (dbm) Figura 5.1 Se aprecian claramente las dos zonas de emisión y el rizado, además de dos picos de emisión láser. En la zona plana sobre los 1550 nm es posible conseguir emisión multilínea. Una manera sencilla es ajustar las pérdidas de forma que laseen dos modos consecutivos. También se ve que es posible conseguir lasear a la vez en las dos zonas. Si se coloca un portaobjetos con dos cubreobjetos, se pueden obtener resultados semejantes al siguiente: Potencia (dbm) filtro de 2 mm + dos cubreobjetos Figura 5.2 Se aprecia claramente el 2º rizado que aparece. Es posible conseguir multilínea de una forma relativamente sencilla. Para acabar con esta pequeña demostración, se coloca ahora un filtro de los que se han llamado interferenciales, con el que también es posible obtener emisión multilínea como se muestra a continuación: filtro interferencial, espesor 2.45 mm potencia (dbm) Figura

33 emisión. Más adelante se profundizará en la consecución de múltiples longitudes de onda de 5.2- Eficiencia y potencia de bombeo umbral El objetivo que se plantea en este apartado es medir la eficiencia que presenta el láser cuando está emitiendo varias longitudes de onda simultáneamente. Se ha utilizado para estas medidas un portaobjetos de 3.90 mm de espesor actuando como Fabry-Perot. Para poder comparar, antes se mide la eficiencia cuando emite sólo en una longitud de onda. Con un pico en 1558 nm, se obtiene: potencia de salida (mw) curva de eficiencia, un pico de emisión alimentación de bombeo (V) Figura 5.4 Eficiencia = mw/v Voltaje umbral = V A continuación se fija el filtro de forma que haya dos picos de emisión láser y se registra la potencia para diferentes valores del bombeo, obteniéndose: 0 Filtro de 3.90 mm, dos picos de emisión potencia (dbm) Figura 5.5 Las curvas de eficiencia para cada uno de los picos son las siguientes: 29

34 Potencia de salida (mw) Curvas de eficiencia, emisión multilínea 1557 nm 1562 nm Lineal ( 1557 nm) Lineal (1562 nm) voltaje de alimentación (V) Del ajuste a una recta, se obtiene: Figura 5.6 Pico en 1572 nm: Pico en 1562 nm: Eficiencia = mw / V Voltaje umbral = V Eficiencia = mw / V Voltaje umbral = V Se observa que ambos picos tienen una potencia umbral semejante, pero la eficiencia es mayor con una longitud de onda mayor, lo que concuerda con los resultados y los comentarios expuestos en el apartado de la calibración del láser. Comparando con la eficiencia obtenida con un solo pico de emisión, se aprecia que la eficiencia ha disminuido sensiblemente (lo cual es lógico si tenemos en cuenta que ahora con la misma energía estamos produciendo dos picos) y la potencia umbral es semejante. Un cambio muy grande en la potencia umbral no parecería muy lógico, ya que las pérdidas en la cavidad apenas cambian y, por consiguiente, la potencia mínima necesaria para conseguir que la ganancia supere a estas pérdidas (y por tanto para que haya emisión láser) tendrá que ser muy parecida. Sin embargo, como puede apreciarse, la suma de la eficiencia de los dos picos es aproximadamente igual a la eficiencia obtenida con un sólo pico, lo cual es lógico puesto que ahora la misma potencia de salida está repartida (siempre aproximadamente) entre los dos picos. No obstante, las medidas han sido realizadas con poca potencia, por lo que el ruido (por fluorescencia fundamentalmente) será importante Estabilidad Un aspecto muy importante para la aplicación de los láseres multilínea es la estabilidad de sus picos de emisión con el tiempo. Es necesario que la posición y la potencia de emisión de estos picos sean muy estables, o que no sufran, al menos, variaciones considerables. 30

35 Para estudiar este aspecto, se ha colocado el filtro emitiendo primero con un solo pico y después con dos picos. Durante un cierto intervalo de tiempo (10 minutos) se van tomando medidas del espectro cada medio minuto para comprobar la estabilidad. Las curvas obtenidas se representan superpuestas para observar las desviaciones. Con un pico, el resultado es: estabilidad (1 pico) potencia (dbm) Figura 5.7 Para apreciar mejor el aspecto de la estabilidad, se puede observar detenidamente la zona del pico, que es la que más interesa: potencia (dbm) estabilidad (1 pico) Figura 5.8 En esta gráfica se aprecia la alta estabilidad que presenta el láser, tras 10 minutos de medida. Estudiando los datos numéricos se comprueba que el pico no se ha desplazado en ninguna de las medidas. Las variaciones que se observan en las curvas son del orden de la centésima de nanómetro. Si tenemos en cuenta que la resolución del OSA estaba colocada en 0.06 nm, se pude dar por válido este resultado. A continuación repetimos el proceso con dos picos: 31

36 estabilidad (2 picos) potencia (dbm) Figura 5.9 De nuevo podemos observar con mayor detenimiento cada uno de los picos: potencia (dbm) estabilidad (pico en nm) potencia (dbm) estabilidad (pico en nm) Figura 5.10 De nuevo se aprecia la alta estabilidad del pico, tanto en potencia como en longitud de onda. A la vista de los datos numéricos se observa que las mayores variaciones están en el pico de nm. La posición del pico no se ve alterada en ninguno de los dos casos. Aunque a la vista de estos resultados pudiera parecer que hay una mayor estabilidad emitiendo con dos longitudes de onda, a lo largo de la realización del presente trabajo se ha constatado que un aumento en el número de longitudes de onda de emisión produce un apreciable descenso en la estabilidad de los picos. No obstante, dicha estabilidad en cualquiera de los casos es la suficiente como para poder trabajar en el estudio de uno de estos láseres. 32

37 5.4- Sintonización. Un aspecto muy importante a la hora de describir el funcionamiento de un láser es su capacidad de sintonización. Para que un láser sea sintonizable el pico de emisión ha de poder desplazarse en un rango continuo de longitudes de onda. En nuestro caso interesa comprobarlo cuando está emitiendo en multilínea. Inclinando el filtro se cambia el recorrido óptico de la luz dentro del filtro, por lo que la posición de los máximos de la figura interferencial se desplazan. De esta manera las pérdidas locales en la cavidad cambian y pueden desplazarse los picos de emisión. Este proceso no es muy exacto y es difícil de controlar. En las cuatro gráficas siguientes se muestra esta capacidad de sintonización. Se han obtenido utilizando un filtro Fabry-Perot de 3.90 mm de espesor. En ellas se han indicado la posición de cada pico. Potencia (dbm) nm nm nm Potencia (dbm) nm nm nm

38 potencia (dbm) nm nm nm Potencia (dbm) nm nm nm Longitud de onda (nm) Figura 5.11 En estas gráficas se observa claramente cómo se han desplazado los tres picos. Se puede comprobar que cada pico de emisión no ha saltado de un máximo de la figura interferencial a otro si se cuentan los máximos que hay entre cada pico. Los tres picos se han desplazado hacia longitudes de onda mayores, aunque no siempre la misma cantidad. En total, hay un cambio de unos 0.2 nm, mientras que el rizado es de 0.35 nm. Por lo tanto, un cambio mayor que el rizado en la posición de los picos provocaría un salto de un máximo a otro Zonas prohibidas. Sería interesante constatar que existen regiones del espectro en las que es imposible conseguir emisión láser multilínea. En particular, en el espectro de ganancia del erbio, esto ocurrirá en el pozo que hay cerca de 1540 nm. La razón por la cual no se podrá lasear en esta zona estriba en la menor ganancia que presenta el erbio en esta zona en comparación con el resto de su espectro de ganancia. Sí se puede lasear si se introduce un filtro pasa banda que sólo dejara pasar luz de esta longitud de onda, como ya se ha visto en la caracterización del EDFL. Probando diferentes filtros e introduciendo pérdidas se prueba todo el espectro del erbio para comprobar que en esta zona no se puede lasear. Al introducir pérdidas, como ya 34