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CARACTERIZACIÓN DE UNA CAVIDAD LÁSER DE FIBRA ÓPTICA EN
CONFIGURACIÓN COMO UN SENSOR DE DOS PUNTOS.
R. A. Vázquez Sánchez1, M. May Alarcón, E. A. Kuzin, B. Ibarra Escamilla.
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica.
A. P. 51 y 216, CP 72000, Puebla,. Pue. México.
1
[email protected],
M. G. Shlyagin, I. Marquez Borbón.
CICESE, Ensenada Baja California, 22860, México.
1. Introducción.
Las fibras ópticas han dado un mejoramiento al desarrollo de las telecomunicaciones desde
las ultimas tres décadas. Debido a la necesidad de seguir obteniendo mayor aprovechamiento de
sus características, se han creado dispositivos dentro de la fibra, es decir, dispositivos de fibras
ópticas como acopladores WDM’s (Wavelength Division Multiplexing), filtros, amplificadores,
que han contribuido al desarrollo de sistemas de fibras ópticas debido a que son intrínsecamente
de baja pérdida y pueden ser interconectados a otros sistemas de fibra que transportan señales
complejas. Uno de los últimos dispositivos de fibra óptica son las denominadas “rejillas de Bragg
de fibra óptica” las cuales pueden ser utilizadas para reflectar, filtrar ó dispersar luz sin
abandonar el núcleo de la fibra, evitando la necesidad de utilizar espejos dieléctricos de volumen
y rejillas de difracción, disminuyendo con esto, pérdidas de energía. Son ideales para un amplio
rango de aplicaciones siendo un elemento clave en el campo de las comunicaciones ópticas y en
sensores de fibra óptica, además de tener aplicaciones en láseres de fibra óptica[1]. Una rejilla de
Bragg consiste de una modulación periódica del índice de refracción del núcleo de una fibra
óptica, por lo general monomodo, lo cual también puede verse como un arreglo periódico de
placas o películas de 2 índices de refracción diferentes, denominados índice de refracción alto
nH (~ 1.4563) e índice de refracción bajo nL (~ 1.456) [2].
2. Arreglo experimental y resultados.
En la figura 1 vemos una cavidad láser de fibra óptica con tres rejillas de Bragg actuando
como espejos, un medio amplificador y un sistema de bombeo. Dos de las rejillas ( #3 y #2)
funcionan como cabezas del sensor y una como referencia ( #6). Para monitoreo tenemos un
monocromador con el cual podemos seleccionar ciertas longitudes de onda a las cuales la cavidad
esta funcionando, en este caso seleccionaremos un ancho espectral que se encuentre dentro del
ancho espectral de la fluorescencia de la fibra dopada y dentro de este ancho se encontraran las
longitudes de onda de reflexión de las rejillas. Además, se observa un fotodetector conectado a un
Lock-in y este hacia una PC. Por otra parte se observa un fotodetector conectado a un
preamplificador y éste hacia un analizador de RF (radiofrecuencias). Con esto ultimo mediremos
las frecuencias de separación intermodal que existen en la cavidad cuando hay un laseo. La punta
final de la rejilla #6 se sumerge en glicerina (liquido acoplador de índices) para evitar las
reflexiones y con esto la formación de sub-cavidades.
F ib ra d o p a d a
c o n io n e s d e
e rb io .
D io d o L a s e r
980 nm
F ib r a p a s iv a
4 .4 k m .
R e jilla # 3 .
1 5 3 5 .2 0 n m .
F ib ra
p a s iv a
50 m .
R e jilla # 2 .
1 5 3 5 .0 6 n m .
W DM
S1.
A c o p la d o r.
S2
S4
S3
A p lic a c ió n d e
te n s ió n .
R e jilla # 6 .
1536. 4 nm .
L iq u id o a c o p la d o r d e ín d ic e s .
M o n o c ro m a d o r.
1
L o c k -in
S3
PC.
A n a liz a d o r d e R F .
F o to d e te c to r .
2
F o to d e te c to r .
P r e -a m p lif ic a d o r .
F ig u ra 1 . C a v id a d lá s e r e n a rre g lo d e s e n s o r m u ltip u n to y re m o to .
La figura 2 muestra parte del espectro de fluorescencia de la fibra dopada y 3 picos que
corresponden a los picos de reflexión de las rejillas, esto se obtuvo conectando la terminal S3 al
punto 1. Observando la figura 1, en la terminal S3 esperamos obtener únicamente los picos de
reflexión de las rejillas #3 y #2, pero debido a la reflexión que existe en la terminal S1, aparece el
pico de reflexión de la rejilla 6 lo cual eliminamos si sumergimos a esa terminal en glicerina.
0.28
0.8
Rejilla 2.
1535.09 nm.
B
0.26
Rejilla 3.
1535.3 nm.
0.24
0.6
0.20
Rejilla 6.
1536.39 nm.
7 mW de potencia
de bombeo del diodo
láser.
u. a.
u. a.
Tensión en las rejillas #3 y/o #2.
3 mW de potencia de bombeo
del diodo láser.
0.5
0.22
0.18
1536.3 nm.
S10FT
0.7
0.4
0.3
0.16
0.2
0.14
0.1
0.12
0.0
1534.0
1534.5
1535.0
1535.5
1536.0
1536.5
1537.0
Archivo 19-06-2002-5
Longitud de onda en nm.
Figura 2. Salida en S3 mostrando los 3 picos de reflexión de las rejillas.
1530
1532
1534
1536
1538
1540
1542
Longitud de onda en nm.
archivo 24-04-2002-8
Figura # 3: laseo en la cavidad tensando las rejillas #3 y/o #2.
Con lo observado en la grafica de la figura 2 encontramos la posibilidad de proponer a este
arreglo como un sensor, ya que si cambiamos la temperatura ó si tensamos gradualmente a
cualquiera de las rejillas #3 y/o #2, desplazaremos el pico de la rejilla hacia el pico de la rejilla 6,
hasta que se alcance un laseo dentro de la cavidad (figura # 3) con lo cual sabremos que la
longitud de onda de reflexión de la rejilla en cuestión se igualó a la de la rejilla # 6. La
posibilidad de aplicar el anterior arreglo como un sensor se soporta con la teoría existente en la
literatura acerca de las rejillas de fibra [2] en la cual, la longitud de onda de reflexión se
desplazará aproximadamente 1.2 pm cuando se le aplique 1 µε (micro tensión) a la rejilla y
aproximadamente 13.7 pm por cada °C de aumento en temperatura, esto para rejillas con una
longitud de onda de reflexión cercana a 1550 nm y dependiendo del tipo de rejilla.
En la figura 1, si colocamos la salida S3 en la posición 2 obtenemos lo que se observa en
la gráfica de la figura 4. Aquí, existe un laseo en la cavidad, es decir, las longitudes de onda de
reflexión de las rejillas que forman la cavidad son iguales. En este caso se tensó la rejilla # 2.
2.0
28
B
24 KHz.
1.8
96.14 KHz.
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
48 KHz.
0.6
95.57 KHz.
96.43 KHz.
20
16
u. a.
u. a.
24
* Rejilla # 2 sometida a tensión
y esta forma una cavidad resonante
con la rejilla # 6.
* 10 mW de potencia de bombeo.
* señal tomada en S3.
12
8
R#2 tensada.
R#3 tensada.
R#3 y R#2 tensadas.
0.4
71.75 KHz.
0.2
4
95 .5 KHz.
0.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Frecuencia (KHz).
90
100
110
Archivo 24-06-2002-2
Figura # 4: Frecuencias de espaciamiento intermodal en la cavidad.
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
Frecuencia en KHz.
Figura 5. Analisis simultaneo de los picos #4.
Se observan únicamente 4 modos o frecuencias de resonancias, debido a que el rango de
medición del RF es hasta 100 KHz. En la figura 5 mostramos un análisis del modo o frecuencia
numero 4 cuando se tensa cada rejilla (pico izquierdo: R #2 tensada, pico derecho: R #3 tensada)
y cuando se tensan las dos simultáneamente (pico central). Conociendo la frecuencia del pico y el
índice de refracción efectivo de la rejilla, podemos calcular la longitud de la cavidad mediante la
siguiente ecuación.
NC
(1)
ν=
2nL
en donde N es el numero de modo, ν la frecuencia, L la longitud de la cavidad, n el índice de
refracción efectivo de la rejilla y C la velocidad de la luz en el vacío. Si una cabeza del sensor
actúa, en el RF se observará el valor de la frecuencia y con un cálculo se conocerá la posición de
esta cabeza (rejilla).
3. Conclusiones.
Dos formas de caracterizar la actividad de este sensor se presentaron. En la primera se
analiza desplazamientos en longitud de onda y en la segunda los modos longitudinales. La primer
forma es conocida en la literatura de los sensores de fibra óptica, pero no es así para la segunda.
Las ventajas de este sistema en arreglo como sensor es la cantidad de rejillas que se pueden
utilizar como cabezas del sensor, la distancia a la que se puede monitorear algún parámetro físico
y la utilización de una rejilla de referencia, traducido a una temperatura o tensión de referencia.
Referencias.
[1] Agrawal, G. P. Nonlinear Fiber Optics. Cap 10, Academic Press, London, 1995.
[2] H. H. Cerecedo Nuñez. y M. D. Iturbe Castillo. “Rejillas de Bragg en Núcleo de Fibra
Óptica de Vidrio”, Revista Mexicana de Física. 44 (2), (1998), 198.