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Fibras ópticas. Preparación y componentes
Laboratory of fiber opticsUniversidad de Valencia, Spain
http://www.uv.es/lfo
Antonio Díez
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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
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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
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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
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Introducción
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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)
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t
tSeñal moduladora (datos)
Señal modulada(input)
Modulador
t
t
Señal demodulada
Señal transmitida(output)
tj 0e
Enlace de telecomunicaciones
Introducción
Señal portadora
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Guía rectangularGuía coaxial
Par trenzado Fibras ópticas
Atenuación
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Factor de propagación
factor de propagación varía con la frecuencia
t
Dispersión
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t
Cada componente espectral delpulso se propaga con un factorde propagación diferente
factor de propagación varía con la frecuencia
Factor de propagación
Dispersión
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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
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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
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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
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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
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- 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
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Explicación cualitativa (nivel bachillerato): TIR
¿Por qué guía una fibra óptica?
∃ ∀ ó
n1
n2
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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
¿Por qué guía una fibra óptica?
2 2
2 2
0
0
H H
E E
r r r
r r r
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Autovalores y autovectores
Soluciones discretas
Modos de la guía
donde
¿Por qué guía una fibra óptica?
Explicación rigurosa: resolución ecuaciones de Helmholtz
( , , , ) ( , )
( , , , ) ( , )
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
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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
¿Por qué guía una fibra óptica?
Explicación rigurosa: resolución ecuaciones de Helmholtz
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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
¿Por qué guía una fibra óptica?
Explicación rigurosa: resolución ecuaciones de Helmholtz
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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?
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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)
¿De qué material están hechas?
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Propiedades ópticas: Ventana de transparencia
SiO2
¿De qué material están hechas?
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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
¿De qué material están hechas?
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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
¿De qué material están hechas?
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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
¿De qué material están hechas?
L= 15 km, Pout = 0.5 Pin
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¿De qué material están hechas?
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
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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
¿De qué material están hechas?
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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
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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
Fabricación de una fibra óptica
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Fabricación de una fibra óptica
(Er2O3, Yb2O3)
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
Alternativa: “solution doping”
No viable con todos los dopantes
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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
Fabricación de una fibra óptica
Paso 2: Elaboración de la preformaFiber drawing tower
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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
Paso 2: Elaboración de la preforma
Fabricación de una fibra óptica
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- Fibras multinúcleo
Tipos de fibras ópticasFibras no activas
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• 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
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•FabricaciónElaboración de la preforma: stack & draw
Tipos de fibras ópticas
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•Fabricación
Tipos de fibras ópticas
Primera fibra microestructurada fabricada en la UV (2003)
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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
Tipos de fibras ópticas
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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
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• Algunas aplicaciones: óptica no linealGeneración de supercontinuo
Aplicaciones: microscopia, metrología, espectroscopía, biomedicina,…
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Fibras ópticas. Preparación y componentes
Laboratory of fiber opticsUniversidad de Valencia, Spain
http://www.uv.es/lfo
Antonio Díez