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Fibras ópticas. Preparación y componentes

Laboratory of fiber opticsUniversidad de Valencia, Spain

http://www.uv.es/lfo

Antonio Díez

External members

C. CuadradoY. Barmenkov

Research assistant

A. Carrascosa

People

PhD students

Electronic technician

M. Sevillano

Visiting PhD students

D. Castelló

Research associate/Post-doc

M. Delgado E. Rivera L. Escalante

X. Roselló A. Tashtush A. Loredo L. Sánchez

Staff

A. DíezJ. L. Cruz E. SilvestreM. V. Andrés

Y. López L. Herrera

RESEARCH TOPICS

Optical fiber light sources and lasers

Optical signal processing using fibers and fiber components

Fabrication of fiber components and microstructured fibers

Optical microresonators

Acousto‐opticinteraction in opticalfibers: applications

Biosensig with opticalfibers

Design and modelling of optical waveguides and fibers

Guía de ondas electromagnéticas dieléctrica con simetría cilíndrica

Introducción

¿Qué es una fibra óptica?

Núcleodiámetro 2*aíndice de refracción n1

Cubiertadiámetro 2*bíndice de refracción n2

n1 > n2

a ~ 2,5 m

b~62.5mm

∆n ~ 0.004,0.01S.M.

a ~ 25‐ 52.5 m

b~ 62.5– 200 m

∆n~ 0.004,0.07

M.M.

Valores típicos

Introducción

Modulador

Factor de propagación

Factor de atenuación

Señal portadora

tj 0e

Comunicaciones ópticas Impulso desarrollo de fibras opticas

¿Por qué?

Enlace de telecomunicaciones

In (t)

Señal modulada

Introducción

Señal moduladora(datos)

t

tSeñal moduladora (datos)

Señal modulada(input)

Modulador

t

t

Señal demodulada

Señal transmitida(output)

tj 0e

Enlace de telecomunicaciones

Introducción

Señal portadora

Guía rectangularGuía coaxial

Par trenzado Fibras ópticas

Atenuación


factor de propagación varía con la frecuencia

t

Dispersión

t

Cada componente espectral delpulso se propaga con un factorde propagación diferente

factor de propagación varía con la frecuencia


Dispersión

Tipo de guía Ancho de banda

Cable coaxial < 100 MHz

Guía de paredes cond. 0.5-1 GHz

Fibra óptica monomodo 12 THz

Strengths:

• Gran ancho de banda (capacidad de transmisión de datos, 10-40 Gbits/s)

• Baja atenuación (0.13 dB/km)

• Ligeras, Fabricada con materiales baratos y abundantes (SiO2), ...

Ancho de banda

Introducción

1) Láseres y amplificadores de potencia

Aplicaciones: procesado de materiales (corte, soldadura, marcado, micromecanizado..)

Más info: http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-48/issue-04/features/the-state-of-the-art.html

Otros campos de aplicacion de las fibras ópticas

Introducción

• Calidad de haz• Alineamiento free• Medio activo distribuido

Más info: http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-48/issue-04/features/the-state-of-the-art.html

1) Láseres y amplificadores de potenciaOtros campos de aplicacion de las fibras ópticas

Introducción

- Cualidades: Inmunidad interferencias EM, sensado remoto, multiple puntos de sensado con la misma fibra, sensado distribuido,...

- Magnitudes: eléctricas (corriente, voltaje), temperatura, deformación,...

Más info: “Fibre optic sensors: a review of today’s applications”, R. Bogue, Sensor Review, Vol. 31, 304–309 (2011)“Review on Developments in Fiber Optical Sensors and Applications” Int. Journal Mat. Engineering, Vol. 1, pp. 1-16 (2011)

2) Sensores de fibra ópticaOtros campos de aplicacion de las fibras ópticas

Introducción

Explicación cualitativa (nivel bachillerato): TIR

¿Por qué guía una fibra óptica?

∃ ∀ ó

n1

n2

n

ra

n2

n1

Salto de índice

x

z

y

n1

n22 a

1

2

r a( )

r a

nn r

n

Explicación rigurosa: resolución ecuaciones de Helmholtz

6 ecuaciones escalares

Resolución: método de separación

de variablesx

y


2 2

2 2

0

0

H H

E E

r r r

r r r

Autovalores y autovectores

Soluciones discretas

Modos de la guía

donde



( , , , ) ( , )

( , , , ) ( , )

j t z

j t z

H x y z t h x y e

E x y z t e x y e

rr

r r

2 2 2

2 2 2

( , ) ( , )

( , ) ( , )

t

t

k h x y h x y

k e x y e x y

r rr

r r r

n1=1.4515, n2=1.4473

V = (2/) a NA

0 2 4 6 8 10

n eff

1.447

1.448

1.449

1.450

1.451

1.452

LP01LP11LP21LP02LP31

LP12

βk⁄

22

21 nna2V



n1=1.4515, n2=1.4473

V = (2/) a NA

0 2 4 6 8 10

n eff

1.447

1.448

1.449

1.450

1.451

1.452

LP01LP11LP21LP02LP31

LP12

βk⁄

22

21 nna2V

SM MM

,

r (m)0 2 4 6 8 10

e x (a.

u.)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

= 0.6 m V = 5.65Gaussian fit

LP01

LP01



Vidrios (“glass”)

Estructura microscópica amorfa: no long‐range order, but short‐range order

Sólido amorfo con estructura molecular característica de un líquido

Vidrios se caracterizan por presentear una transición vítrea

“… is the gradual and reversible transition from a hard andrelatively brittle "glassy" state into a viscous or rubberystate as the temperature is increased”

¿De qué material están hechas?

Más habitual: SiO2

Short‐range order: 1 átomo de Si rodeado por 4 oxígenos formando un tetraedro

Algunos O están ligados a 2 átomos de Si. Tetraedros comparten un vértice

Orientación de los tetraedros aleatoria

Existen estructuras cristalinas SiO2: cuarzo

Ttransición: 1200 ºC, Ttrabajo 2000 ºC

Otros vidrios: tellurite (TeO2 based), fluoride (typically ZrF4 or AlF3 based),chalcogenide (S, Se based)


Propiedades ópticas: Ventana de transparencia

SiO2


Propiedades ópticas: Índice de refracción

n λ 1A λ

λ λDesarrollo de Sellmeier

Wavelength (nm)400 800 1200 1600 2000

Ref

ract

ive

inde

x, n

1.432

1.442

1.452

1.462

1.472

~3.4% reflexion de Fresnel aire/SiO2 (incidendia normal)

SiO2


Wavelength (nm)600 900 1200 1500 1800 2100

Dis

pers

ión

[ps

/ (nm

km

)]

-300

-200

-100

0

100

Propiedades ópticas: Dispersión

n() velocidad de grupo vg diferente a velocidad de fase vf

vg() Dispersion

Índice de grupo

Ensanchamiento temporal del pulso, efectos no lineales

D < 0: dispersion normalD > 0: dispersion anómalaƎ Longitud de onda / D=0 , z=1270 nm

Dλcd ndλ


Dispersión Rayleigh: inhomogeneidadesen el vidrio, ~1/4

Impurezas: picoabsorción ión OH‐

O H

Absorción IR: vibraciones de la red (fonones)

Si O

Absorción UV: : excitación de e‐

Mínimo 1550 nm: banda telecom. (0.18 dB/km)

Propiedades ópticas: Atenuación


L= 15 km, Pout = 0.5 Pin


Propiedades ópticas: otras

n2 2.5 1020 m2W1

7 106 K1

SiO2 índice no lineal pequeño, pero…

n() índice de refracción depende de la temperatura T

1) Efecto termo-óptico

2) No linealidad

n(I) índice de refracción depende de la intensidad de la onda

1

Fabricación SiO2

1) Arena + química SiCl4 (silicon tetrachloride)

2) SiCl4 líquido volátil: se puede purificar por destilación

3) SiCl4 en fase vapor reacciona con oxígenoSiCl4 + O2 SiO2 + 2Cl2

SiO2 puro, bajo nivel de impurezas

heat

4) Proceso térmico de vitrificado


1) Fabricación de la preforma

2) Estiramiento de fibra óptica

Material base SiO2 (n dopante, óxidos)

Dos zonas con índice de refracciónligeramente diferente.

Preforma: estructura cilíndrica con perfil de índice de refracción, diámetro ~cm

Reducción del diámetro

Añadir capa externa, polímero (protección)

Fabricación de una fibra óptica

Paso 1: Elaboración de la preforma

(a) Material de partida: tubo de SiO2 (diámetro ~cm)

(b) Deposición de una capa de SiO2 + dopante (GeO2, P2O5, F2O, Br2O3) en la cara interior del tubo de SiO2 mediante la técnica MCVD

(c) Colapsado del tubo

GeCl4 + O2 GeO2 + 2Cl2(vapor) (gas) (sólido) (gas)

Ejemplo: dopado con GeO2

Tª 1600 ºC



(Er2O3, Yb2O3)


(a) Material de partida: tubo de SiO2 (diámetro ~cm)

(b) Deposición de una capa de SiO2 + dopante (GeO2, P2O5, F2O, Br2O3) en la cara interior del tubo de SiO2 mediante la técnica MCVD

(c) Colapsado del tubo

Alternativa: “solution doping”

No viable con todos los dopantes

Sistema para recubrir la fibra con polímero (aplicador+lámpara UV)

Horno de grafito (2200 ºC)

Sistema de alimentación de preforma

Sistema de estirado de la fibra

Medidor de diámetro de la fibra


Paso 2: Elaboración de la preformaFiber drawing tower

Medidor de diámetro de la fibra

Sitema para recobrir la fibra con polímero (aplicador+lámpara UV)

Horno de grafito (2000 ºC)

Sistema de alimentación de preforma

Sistema de estirado de la fibra



- Fibras multinúcleo

Tipos de fibras ópticasFibras no activas

• Fibras ópticas fabricadas con un sólo material

• Revestimiento formado por una estructura periódica

• Campos confinados en el núcleo

• El núcleo puede ser macizo o hueco

• Versatilidad: diseño fibras con características específicas (vg, dispersión, Aeff)

Endlessly SM Bandgap NL

Fibras ópticas microestructuradas

Tipos de fibras ópticas

•FabricaciónElaboración de la preforma: stack & draw


•Fabricación


Primera fibra microestructurada fabricada en la UV (2003)

10 m

Hi-Bi & Pol.

SM, ANDi

Alta NA

Doble núcleo Dopadas (Ge, Er, Yb)

Ge-dopada YHi-Bi, alta NA

5 m

• Algunas fibras microestructuradas fabricadas en la UV


Mezcla de cuatro ondas• Algunas aplicaciones: óptica no lineal

Wavelength (nm)0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Inte

nsity

(a.u

.)

Wavelength (nm)0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Inte

nsity

(a.u

.)

Energy & momentum conservation

pump

i

p

s

p

pi

s

Aplicaciones: generación de frecuencias, OPO, Pares de fotones entrelazados, microscopía CARS

• Algunas aplicaciones: óptica no linealGeneración de supercontinuo

Aplicaciones: microscopia, metrología, espectroscopía, biomedicina,…

Fibras ópticas. Preparación y componentes

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