UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA CONSTRUCCIÓN Y ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UN LÁSER SINTONIZABLE DE GUÍA

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1 UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA CONSTRUCCIÓN Y ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UN LÁSER SINTONIZABLE DE GUÍA Por Jesús Cortés Rodicio Dirigido por Miguel Ángel Rebolledo

2 ÍNDICE Página. I. Introducción... 2 II. Propiedades de la guía... 3 III. Construcción y estudio del amplificador Construcción del amplificador Caracterización pasiva del amplificador y de la guía... 9 a. Caracterización pasiva del amplificador para longitud de onda en torno a 1550 nm b. Caracterización pasiva de la guía c. Caracterización a la longitud de onda de bombeo Caracterización activa del amplificador y la guía a. Fluorescencias copropagantes y contrapropagantes b. Ganancia del amplificador c. Caracterización de la guía IV. Construcción y estudio de láseres Configuraciones sin aislador óptico Configuraciones con aislador óptico Configuraciones con acoplador variable Configuraciones con sintonía de longitud de onda V. Conclusiones VI. Bibliografía... 45

3 I Introducción. Las guías ópticas integradas dopadas con erbio han sido objeto de una gran atención durante los últimos años debido a su potencial uso tecnológico como amplificadores de luz en estructuras integradas, así como emisores de luz en régimen de potencia continua o pulsada, con aplicaciones en comunicaciones ópticas, almacenamiento óptico, medicina, etc [1]. Por otra parte se ha demostrado que la utilización del iterbio como codopante del erbio favorece el aprovechamiento de la energía de bombeo y, así, aumenta la eficiencia en la amplificación y generación de luz láser [2-4]. La finalidad de este trabajo académicamente dirigido ha sido doble. Por una parte se han puesto en práctica las técnicas de construcción y caracterización de amplificadores ópticos y láseres, utilizando para ello una guía óptica integrada dopada con erbio e iterbio. Por otra parte se ha contribuido al trabajo del grupo de Fibras y Guías Ópticas Activas. Utilizado el amplificador óptico construido se ha llevado a cabo la caracterización necesaria para obtener los parámetros espectroscópicos característicos de la guía mediante un nuevo método (ello ha obligado a una cuidadosa caracterización de componentes pasivos). Construyendo y caracterizando diversas configuraciones de láser de anillo se ha conseguido un láser sintonizable optimizado, que será utilizado posteriormente para el estudio de su comportamiento dinámico. En el capítulo II se presentan las características de la guía óptica integrada utilizada y una pequeña discusión sobre algunas propiedades generales de las guías ópticas dopadas con erbio o con erbio e iterbio, así como de los esquemas básicos de amplificadores y láseres construidos con ellas. En el capítulo III se trata la construcción del amplificador así como su caracterización pasiva y activa, que permiten conocer los espectros de ganancia y fluorescencia amplificada (copropagante y contrapropagante) de la guía. A partir de ellos se pueden obtener los parámetros característicos de la guía, tales como secciones eficaces de absorción y emisión, coeficiente de transferencia entre erbio e iterbio y coeficiente de upconversion en el erbio. En el capítulo IV se trata la construcción y caracterización de distintas configuraciones de láser de anillo y en el V se presentan las conclusiones del trabajo. 2

4 II Propiedades de la guía. La guía que hemos utilizado durante la realización de este trabajo ha sido suministrada por Teem Photonics. Consiste en una guía de canal (figura II-1) de 5,5 cm de longitud y sección 6 4 m 2 enterrada en un sustrato de vidrio de fosfato (con su centro a 7 m debajo de la superficie superior del vidrio) dopado con Er 3+ (2, iones/m 3 ) e Yb 3+ ( 2, iones/m 3 ). Para permitir la entrada de luz en su interior, la guía dispone de dos latiguillos de fibra óptica de sílice 7 m 4 m 5,5 cm 6 m Fig II-1. Esquema detallado de las dimensiones de la guía. acoplados en sus extremos. El diámetro modal de la fibra a 1/e es de 5 m para = 980 nm y de 6 m para = 1550 nm. La guía tiene unas pérdidas por inserción que, junto a las de difusión, estudiaremos más adelante (pérdidas pasivas de la guía). A este conjunto (guía y latiguillos) nos referiremos en adelante simplemente como guía. Fig II-2. Diagrama de niveles del Er 3+. Las flechas de la izquierda corresponden a transiciones láser en medios cristalinos mientras que las de la derecha corresponden a vidrios. Para construir un amplificador o un láser de guía dopada con erbio, lo primero que debemos conocer es su diagrama de niveles y discutir cuál será el esquema del láser. La figura II-2 muestra un esquema de los primeros niveles del erbio [5]. En realidad, los niveles de energía se convierten en bandas, ya que debido al efecto Stark los niveles rompen su degeneración y, además, aparecen fenómenos de ensanchamiento debido a las fluctuaciones térmicas de los iones, a las colisiones, etc...[5]. Este fenómeno 3

5 permite la existencia aparente de esquemas de bombeo entre dos niveles (lo que estrictamente es imposible) que realmente corresponden a bombeo entre dos bandas. Pero. cuál es el esquema de nuestro láser? La transición láser tendrá lugar entre la banda 4 I 13/2 y la 4 I 15/2 (figura II-3). Así pues, examinando las bandas superiores (figura II-2) encontramos posibles transiciones de bombeo en torno a 530, 650, 800 y 980 nm. Aparece también una última transición de bombeo a 1480 nm que tiene lugar entre niveles de las mismas bandas que intervienen en la amplificación ( 4 I 13/2 y 4 I 15/2 ). Con las dos primeras longitudes de onda (530 y 650 nm) no podemos contar ya que no existen fuentes pequeñas y suficientemente potentes para que sean usadas como bombeo. Con 800 nm hay que tener en cuenta que se provocan transiciones intensas desde el estado excitado de la transición láser 4 I 13/2 al nivel 2 H 11/2 (absorción desde estados excitados), lo que debilita fuertemente el mecanismo de bombeo [6]. Por todos estos motivos se suele usar luz de longitud de onda 980 ó 1480 nm. En particular nosotros usamos la primera, ya que permite también la excitación del iterbio cuando éste se usa como codopante. En la amplificación se consigue típicamente un rango espectral del orden de 40 nm. Un punto a tener muy en cuenta a la hora de optimizar un láser de guía dopada es el de la concentración de los iones. Es lógico pensar que si el número de iones es pequeño será difícil conseguir una ganancia apreciable. Sin embargo, si la concentración de iones es demasiado elevada, los iones excitados Fig II-3. Diagrama del láser de Er 3+ a tres bandas. Se bombea a 980 nm entre los niveles 4 I 15/2 y 4 I 11/2. La transición láser tiene lugar entre los niveles 4 I 13/2 y la 4 I 15/2. Las flechas punteadas corresponden a caídas no radiativas (n.r.) o a upconversion (u.c.). interaccionan entre sí produciendo una transición no radiativa (upconversion) que resta eficiencia al bombeo [7]. El fenómeno del upconversion es quizás la mayor causa de ineficiencia de un láser de guía [8]. Imaginemos dos iones de erbio en el estado fundamental que absorben sendos fotones procedentes del bombeo. Conseguirán así alcanzar el nivel excitado del 4

6 láser 4 I 13/2. Si estos dos iones interactúan, uno de ellos cederá toda su energía al otro cayendo el primero al nivel fundamental 4 I 15/2 y excitando el segundo hasta el nivel 4 I 9/2 (figura II-3) a partir del cual decaerá de nuevo, mediante transiciones no radiativas, hasta el nivel 4 I 13/2. De esta manera, si en un principio teníamos dos iones en el nivel excitado del láser, tras el proceso de upconversion, sólo tendremos uno. Otro problema de la alta concentración es que los iones empiezan a cristalizar [7]. La cantidad de iones que se pueden incorporar a la guía sin que éstos cristalicen depende fuertemente del tipo de vidrio del que esté fabricada. Además la sección eficaz de absorción de los iones, ab, va a depender asimismo del tipo de vidrio que sirve de sustrato a la guía (figura II-4) debido a las diferencias de intensidad de las transiciones entre bandas [5]. A pesar de tener en cuenta todas estas consideraciones para mejorar la eficiencia del láser, nos encontramos con un problema añadido más difícil de solventar. Y es que la sección eficaz de absorción ab del erbio es relativamente baja para longitudes de onda del orden de 980 nm. Es por esta causa por lo que a las guías dopadas con erbio se añade a veces iterbio, cuya sección eficaz de absorción es bastante más elevada para Fig II-4. Dependencia de la sección eficaz de absorción del Er 3+ con el medio en el que se encuentre. esas longitudes de onda, como se puede ver en la figura II-5 [8]. Fig II-5. Comparación de las secciones eficaces de absorción del Er 3+ y el Yb 3+. 5

7 Así pues, es más probable que un fotón sea absorbido por un ión de iterbio que por uno de erbio. Además, la energía absorbida por el iterbio puede ser transferida al erbio. Si un ión de iterbio se encuentra (figura II-6) en su nivel fundamental 2 F 7/2 y absorbe un fotón procedente del bombeo se excitará hasta el nivel 2 F 5/2. En este estado, puede interactuar con un ión de erbio desexcitado cediéndole toda su energía. Así, el iterbio volverá a su estado fundamental mientras que el erbio pasará al nivel excitado 4 I 11/2 desde el cual, mediante transiciones no radiativas, alcanzará el nivel 4 I 13/2. Esta transferencia entre el iterbio y el erbio depende de la distancia entre los iones que, a su vez, depende de las concentraciones respectivas [8]. Esta transferencia la caracterizamos mediante el coeficiente de transferencia Tr. También se puede dar que un ión de erbio ceda su energía a uno de iterbio (transferencia inversa), aunque este proceso es mucho menos probable que el primero. Fig II-6. Esquema de niveles del Er 3+ y del Yb 3+ que intervienen en el láser de erbio dopado con iterbio. Se incluyen los fenómenos de upconversion y de transferencia de energía. Las flechas punteadas corresponden a caídas no radiativas o a upconversion. Para construir un amplificador con una guía dopada con erbio [9] puede utilizarse un esquema como el de la figura II-7. En él podemos ver cómo acoplamos la señal (1) y el bombeo en la guía mediante un multiplexador (WDM1). Una vez sobrepasada la guía separaremos la luz de la señal amplificada (2) de la del bombeo mediante un demultiplexador (WDM2). WDM1 Guía WDM2 1 2 Bombeo Bombeo Fig II-7. Esquema básico de un amplificador de guía dopada con erbio. 6

8 Para construir un láser necesitamos que la fluorescencia generada por la guía pase de manera reiterativa a través del medio activo para que sea amplificada y se llegue a la emisión láser. Esto puede conseguirse mediante una cavidad lineal obtenida utilizando dos espejos externos [9] o espejando directamente, mediante deposición en vacío, los extremos de la fibra amplificadora (figura II-8). Uno de los espejos transmite una cierta cantidad de radiación que dará lugar a la salida del láser (2). Guía Espejado Bombeo Espejado 2 Bombeo Fig II-8. Esquema básico de un láser de cavidad lineal. Sin embargo, el esquema que hemos desarrollado por razones que se explicarán más adelante (capítulo IV) es el de un láser de anillo. Para hacerlo [9] simplemente debemos unir los extremos 1 y 2 de la figura II-7 intercalando entre ellos un acoplador (figura II-9) que deje salir parte de la energía. Además introduciremos en el anillo un aislador que evite las ondas estacionarias y así aumentaremos la eficiencia. WDM1 Guía WDM2 Bombeo acoplador Bombeo aislador Fig II-9. Esquema básico de un láser de anillo. 7

9 III Construcción y estudio del amplificador. 1.- Construcción del amplificador. La primera parte del trabajo se dedicó a la construcción del esquema de amplificador de la figura III-1. Para ello utilizamos la guía descrita en el apartado II de esta memoria. Nótese que, a diferencia del esquema básico de un amplificador, éste dispone de un atenuador a la salida del bombeo que usamos para acomodar el rango de funcionamiento lineal del medidor de potencia con el rango de potencias del bombeo residual. Tanto los extremos 1 y 2 como la salida del bombeo han sido dotados de sendos conectores. Fig III-1. Esquema detallado del amplificador construido. Para conseguir acoplar en la guía tanto el bombeo como la señal, colocamos un multiplexador (WDM1). Además, hay que sacar la luz del bombeo del amplificador para lo cual colocamos un segundo multiplexador (WDM2). Midiendo la potencia del bombeo a la salida del atenuador y haciendo los calibrados oportunos (pérdidas introducidas por el atenuador y el demultiplexador) podremos conocer el bombeo residual a la salida de la guía, a partir del cual se puden estimar algunos de los parámetros descritos en el apartado II. No todo el dispositivo ha sido construido utilizando el mismo tipo de fibra. De hecho distinguimos dos tipos: - F b : Thorlabs HI1060-J9 es el mismo tipo de fibra que la que nos encontramos en los multiplexadores y en los latiguillos de la guía. Trabaja bien con las 8

10 longitudes de onda del bombeo ( 980 nm) pero es altamente inestable para las longitudes de onda de la señal ( 1550 nm) de forma que unas ligeras variaciones de la curvatura en la fibra hacen fluctuar fuertemente la señal que por ella se propaga. He aquí la causa de la necesidad de un tipo de fibra que sea estable en el rango espectral de la señal. - F s : Fibra estándar monomodo de tercera ventana. Es una fibra óptica que trabaja bien para las longitudes de onda de la señal ( 1550 nm). 2.- Caracterización pasiva del amplificador y de la guía. Para caracterizar un amplificador son dos las magnitudes básicas que debemos estudiar. Una de ellas es la ganancia, que nos dice cuánto se amplifica una señal que se acopla a uno de los extremos cuando el bombeo, al propagarse de forma guiada a lo largo de la guía, ha ido invirtiendo la población de los iones de erbio. La otra magnitud importante es la fluorescencia copropagante y contrapropagante (ASE+, ASE-). Los iones que se encuentran en el nivel superior de la transición láser, no solamente pasan al nivel inferior por emisión estimulada, sino que también lo hacen por emisión espontánea, que se distribuye por igual en todas las direcciones del espacio. Parte de esta emisión espontánea queda acoplada en la fibra y se amplifica al propagarse en ambos sentidos. A esta emisión espontánea amplificada se la conoce como fluorescencia amplificada copropagante (si se propagan en el mismo sentido en que lo hace el bombeo) o contrapropagante (si se propagan en sentido contrario). Estas fluorescencias se superponen a la señal siendo la principal causa del ruido que introduce el amplificador. Sin embargo, nosotros no podemos medir directamente las fluorescencias y la ganancia a la salida de la guía, sino que sólo lo podemos hacer desde los extremos 1 y 2 del amplificador. Es por ello que debemos caracterizar las pérdidas que introducen los elementos del amplificador (pérdidas por los conectores, por transmisión de un tipo de fibra a otro, etc) y la propia guía (pérdidas por inserción y difusión). De esta manera, utilizando estas pérdidas junto a las fluorescencias y ganancia que medimos en los 9

11 extremos del amplificador, podremos estimar los valores correspondientes en los extremos de la guía. Por otro lado debemos caracterizar también el láser de bombeo que hemos utilizado, con el objetivo de conocer cuál es la potencia de bombeo justo a la entrada de la guía. a. Caracterización pasiva del amplificador para señal en torno a 1550 nm. Nuestro objetivo es conocer las fluorescencias ASE+ y ASE- a la salida de la guía en lugar de a la salida del amplificador. Para ello debemos sumar a la señal que medimos las pérdidas de los elementos pasivos, a saber, pérdidas de cada acoplador WDM (P ac ), pérdidas por el empalme de F b a F s ( PESbs) y las pérdidas por cada conector (P c ). De esta manera: ASE corregida = ASE + P ac + PESbs + P c (III-1) A la suma P ac + PESbs + P c la denotaremos por Corr : Corr = P ac + PESbs + P c (III-2) Naturalmente habrá que determinar Corr tanto para la fluorescencia copropagante (Corr+) como para la contrapropagante (Corr-). Nótese que las pérdidas que introducen los elementos pasivos del amplificador entre los extremos 1 y 2 hay que medirlas para poder obtener la ganancia de la guía a partir de la ganancia del amplificador (llamaremos P12s a las pérdidas cuando la señal se introduce por el extremo 1 y P21s a las pérdidas cuando la señal se introduce por el extremo 2). Por tanto sería conveniente expresar Corr+ en función de P12s y Corr- en función de P21s. Para ello podemos expresar P12s en la forma: P12s = 2* (P ac + PESbs + P c ) + PESsb - PESbs P12s = 2* (Corr+) + PESsb - PESbs (III-3) (III-4) Y análogamente P21s = 2* (Corr-) + PESsb PESbs (III-5) 10

12 De forma que: Corr+ = (P12s + PESbs PESsb) / 2 Corr- = (P21s + PESbs PESsb) / 2 (III-6) (III-7) Estos son los factores que debo sumar a las ASE. Midamos P12s y P21s. Para ello construimos el montaje de la figura III-2. Fig III-2. Esquema del amplificador en el que se ha sustituido la guía por fibra F b para la medida de P12s y P21s. En este montaje hemos sustituido la guía de la figura III-1 por fibra F b. De esta forma evitamos que la guía absorba la señal que introducimos por los extremos 1 y 2 impidiéndonos la medida de las pérdidas que deseamos. El proceso de toma de datos es como sigue. Usamos como fuente un LED de tercera ventana que primero conectaremos un analizador de espectros ópticos (OSA) directamente (figura III-3), obteniendo la Fig III-3. Toma de medida de la fuente directamente al OSA. señal directa. Después haremos pasar la señal del LED a través del montaje de la figura III-4 (tanto en la dirección 1 2 como en 2 1), obteniendo la señal directa menos las pérdidas de los elementos pasivos añadidos. Fig III-4. Toma de medidas de la señal tras haber atravesado el montaje de la figura III-2. 11

13 Los detalles de las medidas se muestran en la tabla 1ª. Para obtener cada curva (de TABLA 1ª. Detalles de la medida de P12s y P21s. Intervalo de Resolución de nº de canales nº de promedios nº de curvas nm 2 nm canales cada una) hacemos primero 20 promedios sincronizados con el OSA. Así evitamos fluctuaciones en los datos finales. Las gráficas que se muestran en la figura III-5 son el resultado de P12s y P21s habiendo promediado las cinco curvas (arriba izquierda) y habiendo realizado un proceso de suavizado smooth (abajo derecha). El error medio en la medida de P12s en escala lineal es de 1.7% y en la medida de P21s de 1.1%. P12s ; P21s 2.5 P12s P21s 2.0 P12s ; P21s (db) Longitud de Onda (nm) P12s ; P21s 2.5 P12s P21s Fig III-5. Resultado de P12s y P21s sin ajustar (arriba) y con un ajuste mediante smooth (abajo). P12s ; P21s (db) Longitud de Onda (nm) 12

14 De estas gráficas cabe destacar que las dos curvas difieren muy poco, lo que nos hace determinar que el proceso de medida gozaba de una buena estabilidad. Asimismo, se aprecia que, en la zona donde la ganancia será mayor ( 1550nm), las pérdidas son pequeñas, mientras que se van haciendo mayores a medida que nos acercamos a los extremos de la curva de ganancia espectral. Queda ahora por resolver el problema de la medida del factor PESbs PESsb, que aparece en (III-6 y 7). La solución es sencilla si se expresa en la forma PESbs PESsb = PcableBS PcableSB (III-8) en la que PcableBS = P c + PESbs + P c (III-9) que corresponde a las pérdidas de un empalme conectorizado de las fibras F b y F s, introduciendo la señal por la fibra F b, PcableSB = P c + PESsb + P c (III-10) que corresponde a las pérdidas del empalme anterior cuando se introduce la señal por la fibra F s. Si se pretende medir PcableBS y PcableSB con el OSA hay que tener en cuenta que cuando se va a medir PcableBS hay que conectar al OSA una fibra F s, mientras que cuando se va a medir PcableSB hay que conectar una fibra F b. Las diferentes pérdidas que originan los acoplamientos de estas fibras con la fibra de entrada del OSA originan un problema de difícil solución. Por ello utilizaremos un medidor de potencia de área sensible superior a la de ambas fibras y la fuente esquematizada en la figura III-6. Fig III-6. Esquema de la fuente utilizada para la medida de PcableBS y PcableSB. 13

15 Como el medidor de potencia no separa el espectro utilizamos un láser sintonizable que permita controlar la longitud de onda que mediremos con el OSA (salida 10%). Al medir PcableSB realizamos el esquema de la figura III-7. Al medir PcableBS utilizamos el montaje de la figura III-8. Los detalles de las medidas se muestran en la tabla 2ª. Fig III-7. Esquema de las medidas realizadas para obtener PcableSB. Fig III-8. Esquema de las medidas realizadas para obtener PcableBS. TABLA 2ª. Detalles de la medida de PcableSB y PcableBS. Intervalo de nº de canales nº de curvas nm 14 3 Las curvas PcableSB y PcableBS se obtienen simplemente restando los datos de medida con cable a los datos de medida directa en escala logarítmica. Las tres curvas las hemos promediado y las hemos ajustado mediante smooth. Se muestran en la figura III-9. Los valores de PcableSB se han medido con un error medio lineal de 0.2% mientras que los de PcableBS tienen un error de 0.1%. Cabe destacar de la gráfica III-9 que, como era de esperar, las pérdidas que introduce el empalme de F s a F b son mayores que las del empalme de F b a F s. Una vez que hemos medido P12s, P21s, PcableSB y PcableBS podemos hallar Corr+ y Corrutilizando III-6, 7 y 8. Las gráficas se muestran en la figura III

16 PcableSB PcableSB (db) Longitud de Onda (nm) Fig III-9. Pérdidas correspondientes al empalme entre F s y F b, y entre F b y F s respectivamente. PcableBS PcableBS (db) Longitud de Onda (nm) Corr+ Corr+ ; Corr- Corr- Fig III-10. Factores de corrección que deberemos sumar a las ASE±. Corr+, Corr- (db) Longitud de Onda (nm) 15

17 En la gráfica III-10 podemos apreciar que las correcciones Corr+ y Corr- que debemos hacer a las fluorescencias difieren muy poco. Asimismo, la corrección es pequeña en torno a la longitud de onda donde la ganancia es mayor mientras que aumenta a medida que nos alejamos de esta zona. b.- Caracterización pasiva de la guía. Una vez que tenemos calibradas las perdidas que introducen los elementos pasivos del amplificador, es hora de estimar las pérdidas pasivas de la guía, tanto por inserción como por difusión. Para ello usamos una fuente LED de segunda ventana que nos proporciona una longitud de onda para la que no hay bandas de emisión ni de absorción en la guía, lo que nos impediría medir las pérdidas pasivas. Las series de medidas las realizamos sobre el montaje de la figura III-11. Las medidas realizadas con el OSA tenían las características de la tabla 3ª. Fig III-11. Esquema de medidas para hallar las pérdidas pasivas de la guía. TABLA 3ª. Detalles de la medida de las pérdidas pasivas de la guía. Intervalo de Resolución de nº de canales nº de promedios nº de curvas nm 2 nm

18 Para obtener las pérdidas de la guía (Pguía) hacemos la operación Pguía = 10 log (Señal a la salida del cable/señal a la salida de la guía) y simplemente promediamos las tres curvas. Además, el resultado del promedio lo ajustamos mediante un weighted. La gráfica final se puede ver en la figura III Pérdidas pasivas de la guía por inserción y difusión Pguía2V (db) Longitud de Onda (nm) Fig III-12. Pérdidas pasivas por inserción y difusión de la guía dopada. Como se puede apreciar, las pérdidas pasivas de la guía no siguen una tendencia suave como las pérdidas vistas hasta ahora. Este hecho impide que podamos extrapolar esta curva hasta las longitudes de onda de la tercera ventana, por lo que solamente podemos hacer una estimación aproximada en torno a 1 db. c.- Caracterización a la longitud de onda de bombeo. La curva de calibrado de un láser nos debe decir cuál es la potencia que emite el láser en función de la potencia que éste consume. El láser que usamos para el bombeo es un láser de semiconductor que emite a 978 nm. Está alimentado mediante una fuente de corriente estabilizada y su temperatura se mantiene constante y estable mediante refrigeración por efecto Peltier. Además, ha sido conectado a la salida del láser un aislador óptico que evita retornos de luz desde la 17

19 instalación a la que se conecta, que pueden desestabilizar el láser y producir un mal funcionamiento del mismo. Para tomar las medidas de la potencia que emite el láser debemos tener en cuenta que éste emite más potencia que la que permiten medir los medidores de que se dispone en el laboratorio. Por este motivo vamos a hacer un calibrado relativo consistente en tomar la potencia que ha atravesado una soldadura defectuosa (dos series de medidas) y tomar la potencia que consigue superar el enfrentamiento entre dos fibras (tres series). Con estos métodos conseguimos que la potencia que llega al detector no sea demasiado elevada como para salirse del rango de respuesta lineal. Estas cinco series las haremos cubriendo todo el rango de corriente de alimentación del láser, es decir, desde 0 ma hasta 960 ma. Una vez tomadas estas medidas, hacemos un calibrado absoluto en el rango de potencias en las que la respuesta del medidor es lineal. En este caso no hay ningún impedimento que atenúe la señal entre el láser y el detector por lo que los valores de intensidad que damos al láser van desde 0 ma hasta 75 ma. A partir de este valor llega demasiada potencia al detector. Los datos medidos se muestran en la tabla 4ª. En este TABLA 4ª. Calibrado absoluto del láser de bombeo. Icorr (ma) Pot_abs (mw) Icorr (ma) Pot_abs (mw) 0 4,30E , ,40E , ,01E , ,75E , ,44E , ,13 momento ajustamos las pendientes del calibrado relativo con la pendiente del calibrado absoluto. Así conseguimos cinco curvas que abarcan todo el rango de intensidad, que se representan en la figura III-13, junto con el ajuste a una ecuación de segundo grado de la curva promedio. Puede observarse que el calibrado se ha hecho con un error pequeño. 18

20 Laser_bombeo Potencia de bombeo (mw) Intensidad de corriente (ma) Fig III-13. Potencia emitida por el láser de bombeo en función de la intensidad de corriente suministrada. Para obtener la potencia de bombeo (P b ) en función de la potencia que proporciona la fuente (P f ) medimos el voltaje suministrado por ésta (V)en función de la intensidad de corriente (I corr ) obteniendo tras un ajuste lineal que V = 1, , I corr, a partir de la cual se obtiene fácilmente la curva de la potencia emitida por el láser de bombeo (P b ) en función de la potencia suministrada por la fuente de alimentación (P f ). Esta gráfica de calibrado del láser de bombeo se muestra en la figura III-14. Si ajustamos estos datos a un polinomio se obtiene un buen ajuste con la ecuación de tercer grado siguiente: P b = P f P f P f 3 (III-11) de cuya solución para P b = 0 obtendremos la potencia umbral (P f _ umbral = 52,39 mw), que corresponde a una corriente de intensidad I corr = 38,98 ma. Como la pendiente de eficiencia no es constante la evaluamos en el umbral (33.2%) y para I corr = 900 ma (11.4%) que es la máxima corriente de alimentación que utilizaremos. 19

21 Laser_bombeo Potencia de bombeo (mw) Potencia de la fuente (mw) Fig III-14. Curva de calibrado del láser de bombeo. Una vez calibrado el láser de bombeo nos dispusimos a estimar las pérdidas que introducían el multiplexador y los conectores para la longitud de onda de bombeo, para poder averiguar la potencia de bombeo a la entrada de la guía a partir de I corr, y a la salida de la guía a partir de la potencia a la salida del atenuador de bombeo. Para ello hicimos varias medidas: - Una medida directa del láser de bombeo alimentado con una I corr = 40 ma. Pusimos esta intensidad porque está muy cerca del umbral de oscilación, la intensidad emitida por el láser es pequeña y así no se estropean los conectores. Además, en este estado el láser emite un espectro lo suficientemente ancho como para poder medir con el OSA a la longitud de onda deseada. - Una medida interponiendo entre el láser y el OSA un cable de F b con dos conectores. - Finalmente, pusimos entre el láser y el OSA el amplificador al que previamente le habíamos sustraído la guía y el atenuador. Estas medidas nos hubiesen permitido estimar las pérdidas de los conectores y los multiplexadores para conocer el bombeo a la entrada y la salida de la guía. Sin embargo, 20

22 las medidas fluctuaban mucho de unas series a otras. Demasiado para lo pequeñas que son las pérdidas de los conectores y multiplexadores. Por este motivo nos decantamos por estimar estas pérdidas de forma teórica: - Para cada multiplexador utilizamos las pérdidas dadas por la hoja de datos del fabricante, es decir 0,2 db. - Teniendo en cuenta el índice de refracción de la fibra de sílice (n = para = 978 nm [10]) y del aire, podemos estimar que el factor de transmisión del conector es (suponiendo incidencia normal en la superficie de separación) T =1 - [(n-1)/(n+1)] 2 = y por ello las pérdidas por conector son de 0.15 db. Por tanto consideraremos que la potencia de bombeo que hay a la entrada de la guía se obtiene a partir de la potencia a la salida del láser de bombeo restando 0.2 db. Si, ahora medimos las pérdidas del amplificador sin guía pero con atenuador, desde la entrada del bombeo hasta la salida (para = 978 nm), obtenemos P12b = 33,71 db. Estas pérdidas son debidas a los elementos que hay antes de la guía (conector y multiplexador) y los que hay después de la guía. Por tanto estas últimas pérdidas se obtienen restando a P12b las pérdidas de un multiplexador (0.2dB) y de un conector (0.15 db), obteniendo un valor de db. En consecuencia la potencia de bombeo a la salida de la guía se obtiene a partir de la potencia medida a la salida del atenuador sumando db. Cabe decir que el atenuador que estamos usando a la salida de la guía fue previamente sometido a una prueba de estabilidad mientras circulaba a través de él una potencia de bombeo de unos 100 mw (esta es la máxima potencia de bombeo residual que se espera obtener a la salida de la guía) durante unas dos horas. Se comprobó que no había derivas significativas aunque sí algunas fluctuaciones que, en cualquier caso, eran pequeñas (desviación cuadrática media del 1%). 21

23 3.- Caracterización activa del amplificador y la guía. a.- Fluorescencias copropagantes y contrapropagantes. Una vez que hemos calibrado todas las pérdidas del amplificador, podemos medir las fluorescencias y el bombeo residual y hacer las correcciones oportunas para saber cómo son a la salida de la guía. Para ello (figura III-1), conectaremos los extremos 1 ó 2 (según estemos midiendo ASE- ó ASE+) al OSA y registraremos el perfil de fluorescencia para distintas intensidades de bombeo (100, ma). Las características de la toma de medidas se encuentran en la tabla 5ª. TABLA 5ª. Detalles de la medida de ASE±. Intervalo de Resolución de nº de canales nº de promedios nº de curvas nm 2 nm Para obtener el bombeo residual conectaremos la salida del atenuador de bombeo a un medidor de potencia. Estas medidas las debemos corregir con los calibrados del punto anterior. Los valores del bombeo residual obtenidos a la salida de la guía, para los valores de I corr en los que se llevan a cabo medidas de ASE, se muestran en la tabla 6ª. TABLA 6ª. Bombeo residual a la salida de la guía tanto en la configuración copropagante como en la contrapropagante. Icorr (ma) B residual + (mw) B residual - (mw) Los datos de bombeo residual copropagante (+) se corresponden con los medidos al mismo tiempo que medimos las fluorescencias copropagantes mientras que los del bombeo residual contrapropagante ( ) los tomamos con las fluorescencias contrapropagantes. 22

24 Para corregir las fluorescencias seguimos varios pasos. Primero, al usar un OSA que estaba descalibrado en potencia tuvimos que calibrarlo mediante el ajuste de los picos de ASE con un OSA calibrado. Después procedimos a la eliminación del fondo de oscuridad que introduce el OSA. Finalmente aplicamos las correcciones descritas en el apartado 2-a (Corr ). Las fluorescencias corregidas se muestran en la figura III-15. Fluorescencias copropagantes corregidas -20 Potencia (dbm/nm) Longitud de Onda (nm) Fluorescencias contrapropagantes corregidas -20 Potencia (dbm/nm) Longitud de Onda (nm) Fig III-15. Fluorescencias copropagantes y contrapropagantes en los extremos de la guía, para intensidades de corriente del láser de bombeo de 100 ma hasta 900 ma. 23

25 Como ya hemos explicado, estás gráficas caracterizan las señales parásitas copropagantes y contrapropagantes que se producen en la guía. Es un dato básico que se debe medir en el amplificador y permite evaluar el ruido que éste introduce en la señal. Una pregunta que nos podemos hacer es por qué tomamos las fluorescencias a partir de 100 ma. La respuesta está en que a partir de esta intensidad podemos garantizar que la emisión espontánea del láser de bombeo no supone más del 1% de la potencia láser por lo que la podemos despreciar. Como hemos dicho en la introducción, los valores que hemos obtenido para la ASE en los extremos de la guía sirven para determinar parámetros característicos de la misma. Esto se lleva a cabo fuera del ámbito de este trabajo, utilizando programas de cálculo iterativo. Como con estos programas se encontró que los cálculos teóricos predecían menos fluorescencia amplificada que la obtenida por nosotros para valores altos de I corr, pensamos que podía haber autooscilación en la cavidad que se forma debido a los retornos que se producen en los conectores de los extremos 1 y 2. Es decir, si un cierto porcentaje de fluorescencia se refleja en la superficie del conector, ésta se amplificará al pasar por la guía una y otra vez hasta que incluso pueda llegarse a la emisión láser. Para tratar de paliar este fenómeno conectamos un aislador óptico en la salida contrapropagante del amplificador, poniendo una gota de aceite del mismo índice de refracción que la fibra entre el conector de salida del amplificador y el de entrada del aislador, para así evitar las posibles reflexiones. Posteriormente medimos de nuevo las fluorescencias ASE y los bombeos residuales. El esquema del montaje se describe en la figura III-16: Fig III-16. Esquema del amplificador al que se ha añadido un aislador mediante una conexión con gota de aceite del mismo índice de refracción que la fibra 24

26 Al introducir en el montaje un nuevo elemento (el aislador) lo tuvimos que calibrar de forma similar a los calibrados hechos hasta ahora. Usamos un LED de tercera ventana como fuente y registramos en el OSA el espectro directo y el espectro tras haber circulado a través del aislador. Las características de la medida se muestran en la tabla 7ª. TABLA 7ª. Detalles de la medida de calibrado del aislador óptico. Intervalo de Resolución de nº de canales nº de promedios nº de curvas nm 2 nm Tras hacer el promedio de las tres curvas y un ajuste mediante smooth, la gráfica de las pérdidas del aislador queda como indica la figura III-17. Pérdidas del aislador Pérdidas del aislador (db) Longitud de Onda (nm) Fig III-17. Pérdidas que presenta el aislador incluido en el nuevo montaje. El error medio lineal de los puntos de esta curva es del 2.8% y la tuvimos en cuenta para corregir las nuevas fluorescencias. Volvimos de nuevo a medir las fluorescencias y los bombeos residuales siguiendo el mismo proceso que el realizado sin gota de aceite. Los bombeos residuales obtenidos en este caso se muestran en la tabla 8ª. 25

27 TABLA 8ª. Bombeo residual a la salida de la guía tanto en la configuración copropagante como en la contrapropagante Icorr (ma) B residual + (mw) B residual - (mw) 100 0,0315 0, ,17 1, ,55 8, ,1 18, ,4 28, ,1 44, ,3 66, ,1 82, ,5 92,3 Los nuevos resultados de las fluorescencias copropagantes y contrapropagantes corresponden a las gráficas de la figura III-18. Nótese cómo ha disminuido la potencia del pico de las fluorescencias debido a que hemos disminuido la reflexión al colocar la gota de aceite de índice y el aislador óptico. Esta disminución de la amplificación de la emisión espontánea acoplada en la fibra origina una disminución en la absorción de bombeo y un aumento del bombeo residual. Fluorescencias copropagantes con con aceite de índice de refracción Potencia (dbm/nm) Longitud de Onda (nm) Fig III-18-a. Fluorescencias copropagantes en el montaje del amplificador con aislador óptico y aceite de índice de refracción (fig III-16) para intensidades de corriente del láser de bombeo de 100 ma hasta 900 ma. 26

28 Fluorescencias contrapropagantes con con aceite de índice de refracción -20 Potencia (dbm/nm) Longitud de Onda (nm) Fig III-18-b. Fluorescencias contrapropagantes en el montaje del amplificador con aislador óptico y aceite de índice de refracción (fig III-16) para intensidades de corriente del láser de bombeo de 100 ma hasta 900 ma. b.- Ganancia del amplificador Para acabar de caracterizar completamente el amplificador debemos estudiar la ganancia que presenta para baja señal. Para ello usaremos como fuente de señal un láser sintonizable emitiendo aproximadamente 5 W de potencia, después de comprobar que dicha señal puede considerarse como pequeña al no afectar a las fluorescencias copropagante ni contrapropagante. En la figura III-19 se muestran los esquemas de medida de amplificación copropagante y contrapropagante, en los que aparecen aisladores ópticos y se introduce aceite de índice para disminuir reflexiones. 27

29 Fig III-19. Montajes realizados para la medida de la ganancia copropagante y contrapropagante del amplificador. En los dos casos medimos primero la ganancia del sistema en función de la longitud de onda (ganancia espectral), seleccionando la longitud de onda con el láser sintonizable, cuando alimentábamos el láser de bombeo con 900 ma. Los resultados que obtuvimos fueron corregidos de las pérdidas P12s (en el caso copropagante), P21s (en el caso contrapropagante) y las pérdidas del aislador, para obtener la ganancia de la guía. Las gráficas corregidas se muestran en la figura III-20. Podemos ver en estas gráficas que las curvas de ganancia espectral tienen una anchura de varias decenas de nm. Asimismo, vemos cuál es la longitud de onda para la que la ganancia es máxima ( 1533 nm). Para finalizar medimos la ganancia en función de la potencia del bombeo para la longitud de onda de máxima ganancia, obteniendo los resultados de la figura III-21. Podemos apreciar en las gráficas que la ganancia aumenta con la potencia de bombeo más rápidamente al principio y más lentamente al final, acercándose al nivel de saturación. 28

30 Ganancia espectral copropagante ganancia (db) Longitud de onda (nm) Fig III-20. Curvas de ganancia espectral copropagante y contrapropagante de la guía. Ganancia espectral contrapropagante ganancia (db) Ganancia copropagante en función de Ia potencia de bombeo Longitud de onda (nm) 15 ganancia (db) Potencia de bombeo (mw) Fig III-21. Ganancias copropagante y contrapropagante de la guía en función de la potencia de bombeo. 20 Ganancia contrapropagante en función de Ia potencia de bombeo 15 ganancia (db) Potencia de bombeo (mw) 29

31 c.- Caracterización de la guía. En los apartados anteriores se ha caracterizado el amplificador mediante la medida de su ganancia a baja señal y de su fluorescencia amplificada. A partir de estas medidas y de calibrados de componentes pasivos se ha conseguido determinar la ganancia y fluorescencia de la guía. Estos últimos resultados junto con los valores de la potencia de bombeo al principio y al final de la guía, sirven como fuente de datos experimentales para un trabajo que se lleva a cabo en el grupo de Fibras y Guías ópticas Activas, que pretende encontrar los parámetros característicos de la guía mediante un método nuevo. De esta manera, nuestras medidas permitirán la obtención de las secciones eficaces de absorción y emisión del erbio y de absorción del iterbio para la longitud de onda de bombeo, el coeficiente de transferencia entre erbio e iterbio, el coeficiente de upconversion y las secciones eficaces de absorción y emisión del erbio para longitudes de onda de tercera ventana. 30

32 IV Construcción y estudio de láseres. Una vez que tenemos caracterizado el amplificador vamos a utilizarlo para construir y estudiar diversas configuraciones de láser de anillo. Lo hacemos de anillo en lugar de con cavidad lineal por varios motivos: no es necesario hacer depósitos espejados en los conectores para producir la cavidad, podremos evitar la aparición de ondas estacionarias mediante la colocación de un aislador óptico en el anillo y, así, aumentar la eficiencia del láser y, además, podremos optimizar la eficiencia del láser de forma sencilla mediante la colocación de un acoplador variable. A lo largo de este trabajo hemos desarrollado diferentes configuraciones del anillo. Comenzamos con las más sencillas (con un acoplador fijo) a las cuales fuimos añadiendo más elementos (un aislador, un acoplador variable) con el objetivo de optimizar la eficiencia del láser. Finalmente, colocamos un filtro sintonizable para conseguir un láser sintonizable. 1.- Configuraciones sin aislador óptico. Para construir el láser de anillo conectaremos los extremos 1 y 2 (figura III-1) mediante un acoplador que, en un principio, será fijo con una relación 95/5, es decir, que deja salir un 5% de la radiación mientras que el 95% continúa en el interior del anillo. Desarrollamos así las dos primeras configuraciones representadas en la figura IV-1, en las que circulan simultáneamente señales copropagantes y contrapropagantes. En los esquemas solamente se ha señalado el sentido de las ondas que se extraen de la cavidad mediante el acoplador. Fig IV-1. Configuraciones sin aislador óptico y con acoplador fijo 95/5 31

33 - Configuración 1. En esta configuración detectaremos la señal láser contrapropagante mediante el OSA. Comprobamos fácilmente que aparecen dos picos: 1 = 1554,9 ± 0,1 nm y 2 = 1543,3 ± 0,1 nm. Para ver qué pico es el que domina, mediremos la altura de cada uno de ellos en función de la potencia de bombeo y haremos el cociente. Una vez que sabemos cuál es la longitud de onda para la que se emite más potencia láser ( MAX ) mediremos la potencia total emitida por el láser de anillo (P l ), utilizando un medidor de potencia calibrado a MAX, en función de la intensidad de corriente del láser de bombeo. Si usamos luego la curva de calibrado del láser de bombeo podremos obtener la curva de eficiencia del láser P l (P b ). Las curvas de la relación de los picos y de la eficiencia del láser se muestran en la figura IV Configuración 1 Relación de picos Pot2 / Pot Potencia de bombeo (mw) Configuración Fig IV-2. Curvas de relación de picos (arriba) y de calibrado del láser (derecha) correspondientes a la configuración 1. potencia del láser (mw) Potencia de bombeo (mw) 32

34 La curva P l (P b ) ha sido ajustada primero a una recta para obtener la pendiente de eficiencia: P l = -0, , P b Eficiencia = 0,81 % (IV-1) A pesar de que el ajuste a una recta es bueno, no es suficiente para obtener con buena precisión el punto de corte de P l (P b ) con el eje de abcisas (potencia umbral), por lo que llevamos a cabo el ajuste a un polinomio de grado superior. Se obtiene buen resultado con un polinomio de grado tres con el que se encuentra que P umbral = 50,08 mw. - Configuración 2. En este caso detectamos la señal copropagante. El proceso de medidas es similar al seguido en la configuración 1. Siguen apareciendo dos picos: 1 = 1554,7 ± 0,1 nm y 2 = 1543,1 ± 0,1 nm. Por ello llevamos a cabo el mismo proceso de medida de la configuración 1. Los resultados se muestran en la figura IV Configuración 2 Relación de picos Pot2 / Pot Potencia de bombeo (mw) Configuración Fig IV-3. Curvas de relación de picos (arriba) y de calibrado del láser (izquierda) correspondientes a la configuración 2 Potencia del láser (mw) Potencia de bombeo (mw) 33

35 Así como en la configuración 1, hacemos un ajuste lineal para hallar la eficiencia del láser y un ajuste a una ecuación de grado tres para hallar la potencia umbral: P l = -0, , P b Eficiencia = 0,76 % (IV-2) P umbral = 51,73 mw. Nótese cómo la configuración 1 es más eficiente que la 2 y que la potencia umbral de la configuración 1 es menor que la de la 2. Este hecho es consecuencia directa de que las fluorescencias son mayores en la configuración contrapropagante que en la copropagante. 2.-Configuraciones con aislador óptico. El siguiente paso que hemos de dar para optimizar la potencia de nuestro láser es la colocación de un aislador óptico para evitar las ondas estacionarias que se producen en la guía (debido a las propagaciones contrapropagante y copropagante). Para sacar la luz láser del anillo seguiremos usando un acoplador fijo 95/5. Así pues, las configuraciones que vamos a estudiar a continuación quedan como muestra la figura IV-4. Fig IV-4. Configuraciones con aislador óptico y con acoplador fijo 95/5. 34

36 - Configuración 3. En este caso detectaremos la señal contrapropagante. Nos encontramos de nuevo con dos picos ( 1 = 1542,7 ± 0,1 nm y 2 = 1534,3 ± 0,1 nm) con lo que, para obtener P l (P b ), procedimos como en los casos anteriores. Tras obtener MAX nos dispusimos a hallar P l (P b ). Las gráficas se muestran en la figura IV Configuración 3 Relación de picos Pot2 / Pot Potencia de bombeo (mw) Configuración 3 Fig IV-5. Curvas de relación de picos (arriba) y de calibrado del láser (derecha) correspondientes a la configuración 3. Potencia del láser (mw) Potencia de bombeo (mw) La curva P l (P b ) es ajustada linealmente para obtener la eficiencia y a una ecuación cúbica para hallar la potencia umbral: P l = -0, , P b Eficiencia = 1,1 % (IV-3) P umbral = 53,82 mw 35

37 - Configuración 4. Es similar a la configuración 3 pero en el caso copropagante. Los dos picos que se obtienen son estos: 1 = 1542,8 ± 0,1 nm y 2 = 1553,7 ± 0,3 nm. Las gráficas de relación de picos y de P l (P b ) se muestran en la figura IV-6. 1 Configuración 4 Relación de picos 0.8 Pot2 / Pot Potencia de bombeo (mw) Configuración 4 5 Fig IV-6. Curvas de relación de picos (arriba) y de calibrado del láser (derecha) correspondientes a la configuración 4. Potencia del láser (mw ) Potencia de bombeo (mw) Tras hacer los ajustes oportunos: P l = -0, , P b Eficiencia = 1,3 % (IV-4) P umbral = 53,59 mw. Nótese cómo al colocar un aislador óptico que evite las ondas estacionarias se nota un aumento significativo de la eficiencia. Aumentan también las potencias umbrales 36

38 debido a las pérdidas que origina el aislador. Asimismo, la configuaración 4 (copropagante) es algo más eficiente que la 3 (contrapropagante). 3.- Configuraciones con acoplador variable. Para seguir incrementando las prestaciones de nuestro láser deberemos sustituir el acoplador fijo por uno variable. Esto parece lógico puesto que existe un compromiso entre la luz láser que puedo sacar del anillo y la luz que queda dentro para ser amplificada. El compromiso se encuentra entre el extremo de mucha proporción de salida de poca energía en la cavidad y el de poca proporción de salida de mucha energía en la cavidad. Para encontrar la relación óptima del acoplador, lo más sencillo es utilizar un acoplador variable, encontrar la relación de acoplamiento que optimiza la potencia del láser y calibrarlo a posteriori. Las dos configuraciones que estudiaremos con acoplador variable están representadas en la figura IV-7. Fig IV-7. Configuraciones con aislador óptico y con acoplador variable. En estos montajes solamente aparece un pico al medir la emisión con el OSA ( = 1533,7 ± 0,1 nm en la configuración 5 y = 1533,8 ± 0,1 nm en la configuración 6, de forma que procedimos a realizar las curvas de eficiencia (figura IV-8) con el medidor de potencia calibrado a la longitud de onda de dicho pico. 37

39 Configuración 5 25 Potencia del láser (mw ) Potencia de bombeo (mw) 25 Configuración 6 Fig IV-8. Curvas de calibrado de los láseres correspondientes a las configuraciones 5 (arriba) y 6 (derecha). Potencia del láser (mw ) Potencia de bombeo (mw) Si hacemos los mismos ajustes realizados en las configuraciones anteriores, obtendremos la eficiencia y la potencia umbral. - Configuración 5: P l = -7, ,07079 P b Eficiencia = 7,1 % (IV-5) P umbral = 91,87 mw. - Configuración 6: P l = -6, ,07541 P b Eficiencia = 7,5 % (IV-6) P umbral = 77,33 mw. 38