PACS: 07.60.Vg; 42.55.Wd; 42.81.Qb
1. Introducción
Durante las últimas décadas los dispositivos ópticos fabricados bajo la técnica de fusión y estiramiento 1 se han convertido en componentes cruciales para la implementación de sistemas ópticos. Uno de los componentes más exitosos fabricado bajo esta técnica y que se ha mantenido con un significativo interés es el acoplador bicónico, el cual ha sido extensamente analizado bajo diferentes aproximaciones 2,3,4,5,6. En los últimos años, con el desarrollo de los láseres todo-fibra el acoplador se ha convertido en un dispositivo de gran demanda debido a sus aplicaciones prácticas, principalmente en la división de haces mediante canales ópticos; sin embargo, al mismo tiempo se ha optimizado su desempeño mediante procesos de fabricación de alta precisión consiguiendo reducir su tamaño y sus pérdidas de inserción. Con la introducción de nuevos medios de ganancia en las cavidades láser de fibra óptica, el acoplador debe ser objeto de constante desarrollo en su diseño con la finalidad de operar en diferentes longitudes de onda. No obstante, el alcance experimental del dispositivo contempla aplicaciones más complejas que la simple división de haces; un acoplador bicónico 2 × 2 (constituido por dos puertos de entrada y dos puertos de salida) fabricado mediante un proceso debidamente controlado, produce un espectro sinusoidal de transmisión dependiente de la longitud de onda de fabricación, de tal manera que una manipulación adecuada del proceso de fabricación puede permitir que los acopladores operen en una extensa gama de aplicaciones como divisores de polarización 7,8, filtros 9,10, sensores de fibra óptica 11,12,13 y componentes para el multiplexado de longitudes de onda (WDM, wavelength division multiplexer) 14,15, entre otros. En el caso específico de un WDM, estos dispositivos típicamente están constituidos por un puerto de entrada y dos puertos de salida, y una de sus aplicaciones más esenciales es en cavidades láser de fibra óptica, donde los haces de bombeo y señal se multiplexan para formar una cavidad todo-fibra. Entre las características deseables para un WDM podemos mencionar un bajo costo de fabricación, bajas pérdidas de inserción y una fácil integración con componentes de fibra óptica.
En este artículo nuestro objetivo es reportar las condiciones para la fabricación de acopladores bicónicos de fibra óptica y su implementación como dispositivos WDM. El proceso de fabricación se fundamenta en un análisis de la respuesta espectral para un acoplador de fibra óptica por fusión débil, de donde se obtienen los parámetros para la fabricación de un WDM específico. Como caso particular, se reporta la fabricación de un WDM 1550/1850 nm, el cual es un dispositivo poco común y de gran importancia tecnológica por su aplicación en dispositivos de fibra óptica dopada con Tulio y la generación de luz en la banda espectral de 2 micras 16,17,18. Actualmente los dispositivos de fibra óptica que operan en esta banda espectral son muy limitados o se encuentran en una etapa de desarrollo. Por tal motivo, nuestra propuesta puede considerarse como una alternativa para la fabricación de componentes de fibra óptica en esta nueva banda espectral. El dispositivo final exhibe bajas pérdidas por inserción (0.17 dB), un espaciamiento entre canales de 303.52 nm, y ancho de banda de
2. Acopladores de fibra óptica
El arreglo experimental para la fabricación de acopladores de fibra óptica se muestra en la Fig. 1(a). En este esquema dos fibras monomodo estándar (Corning SMF-28) se fijan de forma paralela sobre dos estaciones motorizadas de traslación. El proceso de fabricación inicia cuando la flama, compuesta por una mezcla de oxígeno y butano, realiza un recorrido longitudinal hacia adelante y atrás en la sección de fibra que se desea fusionar. Simultáneamente, las estaciones de traslación estiran los extremos de las fibras fusionándolas y estrechándolas. Al término del proceso de estiramiento, el acoplador tiene una estructura compuesta por dos regiones de transición bicónicas unidas por una sección de fibra uniforme (cintura), como se ilustra en la Fig. 1(b).
Con el propósito de monitorear el proceso de fabricación, un láser sintonizable (TL, tunable
laser) que emite a 1550 nm se conecta a la entrada del Puerto P
1, y la luz transmitida es detectada por dos fotodiodos conectados a los
puertos P3 y P4 del
acoplador. La señal transmitida es monitoreada en tiempo real en un osciloscopio
estándar durante el proceso de estiramiento. La Fig.
2(a) muestra el acoplamiento cruzado de la señal transmitida en el puerto
P4. Esta gráfica, comúnmente referida como firma de
estiramiento, provee información básica para determinar la longitud de estiramiento
y posteriormente poder fabricar un acoplador con una razón de acoplamiento
específica. Los parámetros del acoplador tales como sección transversal, longitud de
las transiciones y longitud de cintura, se obtienen a través de un modelo bien
definido para fabricar fibras estrechadas 19. Para el caso mostrado en la Fig. 2, el acoplador se fabricó manteniendo un perfil
exponencial en sus transiciones (longitud total 18.2 mm de largo), una cintura
uniforme de 4 mm de longitud, y una sección transversal de 5
La transmisión del acoplador depende fuertemente de la interacción entre los modos simétrico y antisimétrico en la estructura del acoplador 23. Al viajar estos modos con diferentes constantes de propagación, la transferencia de energía varía según la diferencia de fase acumulada. Por lo tanto, para que exista una transferencia total de energía entre un puerto y otro, debe existir una diferencia de fase de
3. Coeficiente de acoplamiento y espaciamiento entre canales
Para el caso de un acoplador débilmente fusionado, con una estructura compuesta por dos fibras ópticas en contacto, ver recuadro en la Fig. 2(b). La constante de acoplamiento se puede expresar por la siguiente ecuación 24:
donde r es el radio del centro al revestimiento de la fibra,
d es la separación centro a centro de las fibras en contacto, y
K0 y K1 son funciones de
Bessel modificadas de segundo tipo de orden 0 y 1, respectivamente. Los parámetros
U, V, W, y
donde n2 es el índice de refracción del revestimiento de la fibra,
n3 es el índice de refracción del medio externo,
donde, D = d/r y
La transferencia de energía entre los puertos P3 y P4 en el acoplador está determinada por las siguientes ecuaciones,
donde P0 es la potencia de entrada en el puerto
P1 y L es la longitud de
interacción. Estas ecuaciones nos indican que un factor
Como se aprecia en la Fig. 3(a), el parámetro CL tiene una dependencia lineal, la cual nos permite aproximar una expresión que relacione espaciamiento entre canales
donde
despejando
la Ec. (11) permite determinar el espaciamiento entre canales
4. Resultados experimentales y discusión
Los parámetros necesarios para la fabricación de un WDM dependen principalmente del
espaciamiento entre canales requerido y de la longitud de onda de fabricación
utilizada. De esta manera, en la sección anterior se determinó que para fabricar un
WDM 1550/1850 nm el proceso de estiramiento debe ser detenido cuando la
transferencia de energía alcance el segundo ciclo de acoplamiento, es decir
N = 2. Bajo este análisis, se fabricó un acoplador que muestra
como resultado la firma de estiramiento de la Fig.
4, en la cual se observa una razón de acoplamiento de 94/1 y pérdidas de
inserción al final del proceso estimadas en 0.17 dB. Al final del proceso de
fabricación las dimensiones físicas del dispositivo son: una longitud total de 36.3
mm, una cintura de 6.5 mm con una sección transversal de 23
Para motivos de comparación, la Tabla I muestra los parámetros de fabricación de algunos WDMs reportados en la literatura, todos ellos han sido fabricados mediante la técnica de fusión y estiramiento. Sin embargo, es importante señalar que estos dispositivos fueron diseñados para operar en la longitud de onda de 1310/1550 nm.
Para realizar la caracterización de la respuesta espectral del WDM se utilizó una fuente de supercontinuo (SC) con un ancho espectral que abarca de 1200 a 2200 nm. El espectro de la fuente se muestra en la Fig. 5(a). Esta luz es introducida a través del puerto P1 del WDM y los rangos espectrales de acoplamiento se midieron de manera individual de las salidas P3 y P4 mediante un analizador de espectros ópticos (OSA, Yokogawa AQ6375), el cual mantuvo una resolución óptica en 0.1 nm durante el proceso de medición. La Fig. 5(b) muestra la respuesta espectral del WDM, donde podemos determinar la atenuación por diafonía de terminación lejana la cual es alrededor de 14 dB para esta separación de canales. El área sombreada en la gráfica indica el ancho de banda espectral para la cual los puertos P3 y P4 del WDM alcanzan las especificaciones de diseño.
Por otro lado, el dispositivo también tiene la capacidad de combinar dos longitudes de onda en
un solo puerto de salida; para demostrarlo, un láser sintonizable emitiendo a 1550
nm, es conectado al puerto P3, mientras que un láser de
fibra óptica dopada de Tulio con emisión en 1854 nm, es conectado al puerto
P4 del WDM. La Fig.
6 muestra la transmisión del WDM donde se observan ambas longitudes de
onda con un espaciamiento entre canales
Es importante señalar que nuestra propuesta está enfocada en el diseño de acopladores bicónicos que pueden operar eficientemente como WDMs. En particular el dispositivo caracterizado ha sido fabricado con una longitud de onda de 1550 nm, sin embargo el método puede ser válido para diferentes longitudes de onda de fabricación así como para obtener espaciamientos entre canales
Mediante el caso particular de la fabricación y funcionamiento estable de un WDM 1550/1850 nm, el presente trabajo puede considerarse como una guía para la fabricación de esta clase de componentes, donde su principal enfoque está orientado hacia la implementación de láseres de fibra óptica dopada de Tulio, los cuales están en etapa de desarrollo y los dispositivos disponibles para esta banda espectral son costosos y limitados. En este sentido, esta propuesta representa una alternativa para la fabricación de estos componentes los cuales exhiben importantes atributos como bajo costo de fabricación, diseño compacto, bajas pérdidas y buena estabilidad. Además, los resultados experimentales proveen información relevante para futuras optimizaciones en la fabricación y simulación de acopladores y WDMs para su implementación en láseres de fibra óptica con diversos medios de ganancia.
5. Conclusiones
Se presenta un método confiable que permite diseñar acopladores bicónicos de fibra óptica para su aplicación como dispositivos WDM. Mediante un análisis de acopladores débilmente fusionados se establecieron las condiciones para el proceso de fabricación. Como caso particular, presentamos un componente WDM 1550/1850 nm, el cual fue fabricado a partir de dos fibras idénticas monomodo mediante una técnica estándar de fusión y estiramiento. Al final del proceso de fabricación el WDM tuvo una longitud total de 36.3 mm, con una cintura uniforme de 6.5 mm de largo y 23