Fibra de doble revestimiento

Perfil de índice de refracción de fibra de doble revestimiento con compensación de dispersión. c: núcleo, i: revestimiento interior, o: revestimiento exterior.

Perfil de índice de refracción de fibra de doble revestimiento para láseres y amplificadores de fibra de alta potencia. c: núcleo, i: revestimiento interior, o: revestimiento exterior.

La fibra de doble revestimiento ( DCF ) es una clase de fibra óptica con una estructura que consta de tres capas de material óptico en lugar de las dos habituales. La capa más interna se llama núcleo . Está rodeado por el revestimiento interior , que está rodeado por el revestimiento exterior . Las tres capas están hechas de materiales con diferentes índices de refracción .

Hay dos tipos diferentes de fibras de doble revestimiento. El primero se desarrolló temprano en la historia de la fibra óptica con el propósito de diseñar la dispersión de fibras ópticas. En estas fibras, el núcleo transporta la mayor parte de la luz y el revestimiento interior y exterior alteran la dispersión de la guía de ondas de la señal guiada por el núcleo. El segundo tipo de fibra se desarrolló a fines de la década de 1980 para su uso con amplificadores de fibra de alta potencia y láseres de fibra . En estas fibras, el núcleo está dopado con material dopante activo ; guía y amplifica la señal de luz. El revestimiento interior y el núcleo juntos guían la bombaluz, que proporciona la energía necesaria para permitir la amplificación en el núcleo. En estas fibras, el núcleo tiene el índice de refracción más alto y el revestimiento exterior tiene el más bajo. En la mayoría de los casos, el revestimiento exterior está hecho de un material polimérico en lugar de vidrio .

Fibra compensadora de dispersión

En la fibra de doble revestimiento para la compensación de la dispersión, la capa de revestimiento interior tiene un índice de refracción más bajo que la capa exterior. Este tipo de fibra es también llamada deprimido--interior revestimiento de la fibra y la fibra W-perfil (del hecho de que una parcela simétrica de su perfil de índice de refracción se parece superficialmente la letra W). ^[1]

Este tipo de fibra de doble revestimiento tiene la ventaja de unas pérdidas por micro flexión muy bajas . También tiene dos puntos de dispersión cero y baja dispersión en un rango de longitud de onda mucho más amplio que la fibra estándar con revestimiento simple. Dado que la dispersión de tales fibras de doble revestimiento se puede diseñar en gran medida, estas fibras se pueden utilizar para la compensación de la dispersión cromática en comunicaciones ópticas y otras aplicaciones.

Fibra para amplificadores y láseres de fibra

Diagrama esquemático del láser de fibra de doble revestimiento bombeado por revestimiento

Sección transversal de DCF circular con núcleo desplazado

Sección transversal de DCF con revestimiento interior rectangular ^[2]

En las modernas fibras de doble revestimiento para láseres y amplificadores de fibra de alta potencia, el revestimiento interior tiene un índice de refracción más alto que el revestimiento exterior. Esto permite que el revestimiento interno guíe la luz mediante la reflexión interna total de la misma manera que lo hace el núcleo, pero para un rango diferente de longitudes de onda. Esto permite que los láseres de diodo , que tienen alta potencia pero baja radiación , se utilicen como fuente de bombeo óptico. La luz de la bomba se puede acoplar fácilmente al revestimiento interior grande y se propaga a través del revestimiento interior mientras que la señal se propaga en el núcleo más pequeño. El núcleo dopado absorbe gradualmente la luz del revestimiento a medida que se propaga, impulsando el proceso de amplificación. Este esquema de bombeo a menudo se denomina bombeo de revestimiento., que es una alternativa al bombeo de núcleo convencional , en el que la luz de la bomba está acoplada al núcleo pequeño. La invención del bombeo de revestimientos por un equipo de investigación de fibra Polaroid (H. Po, et al. ) Revolucionó el diseño de amplificadores de fibra y láseres. ^[3] Con este método, los láseres de fibra modernos pueden producir una potencia continua de hasta varios kilovatios, mientras que la luz de señal en el núcleo mantiene una calidad de haz casi limitada por difracción . ^[4]

La forma del revestimiento es muy importante, especialmente cuando el diámetro del núcleo es pequeño en comparación con el tamaño del revestimiento interior. La simetría circular en una fibra de doble revestimiento parece ser la peor solución para un láser de fibra; en este caso, muchos modos de luz en el revestimiento no alcanzan el núcleo y, por lo tanto, no pueden usarse para bombearlo. ^[5] En el lenguaje de la óptica geométrica , la mayoría de los rayos de la luz de la bomba no atraviesan el núcleo y, por lo tanto, no pueden bombearlo.El trazado de rayos , ^{[6] las} simulaciones de la propagación paraxial ^[7] y el análisis de modo ^[8] dan resultados similares.

Fibras caóticas

En general, los modos de una guía de ondas tienen "cicatrices", que corresponden a las trayectorias clásicas. Las cicatrices pueden evitar el núcleo, entonces el modo no está acoplado, y es en vano excitar tal modo en el amplificador de fibra de doble revestimiento. Las cicatrices pueden distribuirse más o menos uniformemente en las denominadas fibras caóticas ^{[9], que} tienen una forma de sección transversal más complicada y proporcionan una distribución de intensidad más uniforme en el revestimiento interior, lo que permite un uso eficiente de la luz de la bomba. Sin embargo, la cicatrización se produce incluso en fibras caóticas.

Forma espiral

Revestimiento en forma de espiral (azul), su trozo (rojo) y 3 segmentos de un rayo (verde).

Modos de fibra de doble revestimiento en forma de espiral. ^[8]

Una forma casi circular con una pequeña deformación en espiral parece ser la más eficiente para las fibras caóticas . En tal fibra, el momento angular de un rayo aumenta en cada reflexión de la pared lisa, hasta que el rayo golpea el "trozo", en el que se rompe la curva en espiral (ver figura a la derecha). El núcleo, colocado cerca de este trozo, es interceptado con mayor regularidad por todos los rayos en comparación con otras fibras caóticas. Este comportamiento de los rayos tiene una analogía en la óptica ondulatoria. En el lenguaje de los modos , todos los modos tienen una derivada distinta de cero en las proximidades del fragmento y no pueden evitar el núcleo si se coloca allí. En la figura siguiente y a la derecha se muestra un ejemplo de modos. Aunque algunos de los modos muestran cicatrices y huecos amplios, ninguno de estos huecos cubre el núcleo.

La propiedad de los DCF con revestimiento en forma de espiral se puede interpretar como conservación del momento angular. El cuadrado de la derivada de un modo en el límite se puede interpretar como presión. Los modos (así como los rayos) que tocan el límite en forma de espiral le transfieren algo de momento angular. Esta transferencia de momento angular debe compensarse con la presión en el trozo. Por lo tanto, ningún modo puede evitar el fragmento. Los modos pueden mostrar fuertes cicatrices a lo largo de las trayectorias clásicas (rayos) y amplios vacíos, pero al menos una de las cicatrices debe acercarse al trozo para compensar el momento angular transferido por la parte espiral.

La interpretación en términos de momento angular indica el tamaño óptimo del trozo. No hay ninguna razón para hacer que el fragmento sea más grande que el núcleo; un trozo grande no localizaría las cicatrices lo suficiente como para proporcionar un acoplamiento con el núcleo. No hay razón para localizar las cicatrices en un ángulo más pequeño que el núcleo: la pequeña derivada del radio hace que la fabricación sea menos robusta; cuanto más grande es, más grandes son las fluctuaciones de forma que se permiten sin romper la condición . Por lo tanto, el tamaño del fragmento debe ser del mismo orden que el tamaño del núcleo.${\displaystyle R'(\phi )}$${\displaystyle R'(\phi )>0}$

Más rigurosamente, la propiedad del dominio en forma de espiral se deriva del teorema sobre el comportamiento en la frontera de los modos del Dirichlet Laplaciano . ^[10] Aunque este teorema está formulado para el dominio sin núcleo, prohíbe los modos que evitan el núcleo. Un modo que evite el núcleo, entonces, debería ser similar al del dominio sin núcleo.

La optimización estocástica de la forma del revestimiento confirma que una espiral casi circular realiza el mejor acoplamiento de la bomba al núcleo. ^[11]

Cónico

La fibra cónica de doble revestimiento (T-DCF) es una fibra cuyos revestimientos exteriores e interiores y diámetros de núcleo varían suavemente con la longitud. El núcleo en el lado estrecho de T-DCF admite la propagación del modo fundamental únicamente, mientras que en el lado ancho el núcleo puede guiar muchos modos. Sin embargo, se demostró experimentalmente que la luz lanzada al extremo estrecho de un T-DCF se propaga al núcleo ancho sin ningún cambio de contenido de modo. ^[12] Como resultado, en el extremo ancho (sustancialmente multimodo) de T-DCF, la luz se propaga solo en el modo de orden más bajo con una excelente calidad de haz. Por lo tanto, la fibra cónica es una forma única y sencilla de implementar la propagación (y amplificación) del régimen de modo fundamental en una fibra multimodo.

Factor de llenado

Estimaciones de la eficiencia de la bomba en una fibra de doble revestimiento con (azul) y (rojo), analizadas en ^{[2] en} comparación con los resultados de las simulaciones de trazado de rayos ^[6] (curvas negras).${\displaystyle F=0.8}$${\displaystyle F=0.9}$

La eficiencia de absorción de la energía de bombeo en la fibra es un parámetro importante de un láser de fibra de doble revestimiento. En muchos casos, esta eficiencia se puede aproximar con ^[2]

${\displaystyle 1-\exp \left(-F{\frac {\pi r^{2}}{S}}\alpha L\right),}$

donde

${\displaystyle S}$ es el área de la sección transversal del revestimiento

${\displaystyle r}$ es el radio del núcleo (que se considera circular)

${\displaystyle \alpha }$es el coeficiente de absorción de la luz de la bomba en el núcleo

${\displaystyle L}$ es la longitud de la fibra de doble revestimiento, y

${\displaystyle F}$es un parámetro de ajuste adimensional , que a veces se denomina "factor de llenado"; .${\displaystyle 0<F<1}$

El factor de llenado puede depender de la distribución inicial de la luz de la bomba, la forma del revestimiento y la posición del núcleo dentro de él.

El comportamiento exponencial de la eficiencia de absorción de la bomba en el núcleo no es obvio. Se podría esperar que algunos modos de revestimiento (o algunos rayos) estén mejor acoplados al núcleo que otros; por lo tanto, la dependencia "verdadera" podría ser una combinación de varios exponenciales. Solo la comparación con simulaciones justifica esta aproximación, como se muestra en la figura de arriba y a la derecha. En particular, esta aproximación no funciona para fibras circulares, ver el trabajo inicial de Bedo et all, citado a continuación. Para fibras caóticas, se acerca a la unidad. El valor de puede estimarse mediante análisis numérico con propagación de ondas, expansión por modos o mediante trazado de rayos de óptica geométrica${\displaystyle F}$${\displaystyle F}$, y los valores 0.8 y 0.9 son sólo parámetros de ajuste empíricos, que proporcionan una buena concordancia de la estimación simple con simulaciones numéricas para dos clases específicas de fibras de doble revestimiento: desplazamiento circular y rectangular. Obviamente, la estimación simple anterior falla cuando el parámetro de compensación se vuelve pequeño en comparación con el tamaño del revestimiento.

El factor de llenado se acerca a la unidad con especial rapidez en el revestimiento en forma de espiral, debido al comportamiento límite especial de los modos del Dirichlet Laplacian . ^{[10] Los} diseñadores de fibra de doble revestimiento buscan un compromiso razonable entre la forma optimizada (para el acoplamiento eficiente de la bomba en el núcleo) y la simplicidad de fabricación de la preforma utilizada para estirar las fibras.${\displaystyle F}$

La escala de potencia de un láser de fibra está limitada por efectos no lineales no deseados, como la dispersión de Brillouin estimulada y la dispersión de Raman estimulada . Estos efectos se minimizan cuando el láser de fibra es corto. Sin embargo, para un funcionamiento eficiente, la bomba debe absorberse en el núcleo a lo largo de la parte corta; la estimación anterior se aplica en este caso optimista. En particular, cuanto mayor sea el paso en el índice de refracción desde el revestimiento interior al exterior, mejor confinada estará la bomba. Como caso límite, el paso del índice puede ser del orden de dos, del vidrio al aire. ^[13] La estimación con factor de llenado da una estimación de cuán corto puede ser un láser de fibra de doble revestimiento eficiente, debido a la reducción en el tamaño del revestimiento interior.

Estructuras alternativas

Para buenas formas de revestimiento, el factor de llenado , definido anteriormente, se acerca a la unidad; la siguiente mejora es posible en varios tipos de ahusamiento del revestimiento; ^[14] Se sugieren formas no convencionales de dicho revestimiento. ^[15]${\displaystyle F}$

Las guías de onda planas con un medio de ganancia activa toman una posición intermedia entre los láseres de estado sólido convencionales y los láseres de fibra de doble revestimiento. La guía de ondas plana puede confinar una bomba multimodo y un haz de señal de alta calidad, lo que permite un acoplamiento eficiente de la bomba y una salida limitada por difracción. ^{[7] [16]}

notas y referencias

1. S. Kawakami, S. Nishida (1974). "Características de una fibra óptica doblemente revestida con un revestimiento interior de bajo índice". Revista IEEE de Electrónica Cuántica . 10 (12): 879–887. Código bibliográfico : 1974IJQE ... 10..879K . doi : 10.1109 / JQE.1974.1068118 .
2. D. Kouznetsov, JV Moloney (2003). "Amplificador / láser de fibra bombeada por diodos incoherentes de alta eficiencia, alta ganancia, corta longitud y potencia escalable". Revista IEEE de Electrónica Cuántica . 39 (11): 1452–1461. Código bibliográfico : 2003IJQE ... 39.1452K . CiteSeerX 10.1.1.196.6031 . doi : 10.1109 / JQE.2003.818311 . 
3. H. Po; E. Snitzer; L. Tumminelli; F. Hakimi; NM Chu; T. Haw (1989). "Láser de fibra Nd de alto brillo doblemente revestido bombeado por GaAlAs phased array". Actas de la Conferencia de comunicación por fibra óptica . PD7.
4. Y. Jeong; J. Sahu; D. Payne; J. Nilsson (2004). "Láser de fibra de núcleo grande dopado con iterbio con potencia de salida de onda continua de 1,36 kW" (PDF) . Optics Express . 12 (25): 6088–6092. Código Bib : 2004OExpr..12.6088J . doi : 10.1364 / OPEX.12.006088 . PMID 19488250 .  
5. S. Bedö; W. Lüthy; HP Weber (1993). "El coeficiente de absorción eficaz en fibras de doble revestimiento". Comunicaciones ópticas . 99 (5–6): 331–335. Código Bibliográfico : 1993OptCo..99..331B . doi : 10.1016 / 0030-4018 (93) 90338-6 .
6. A. Liu, K. Ueda (1996). "Las características de absorción de las fibras de doble revestimiento circulares, offset y rectangulares". Comunicaciones ópticas . 132 (5-6): 511-518. Código Bibliográfico : 1996OptCo.132..511A . doi : 10.1016 / 0030-4018 (96) 00368-9 .
7. D. Kouznetsov, JV Moloney (2003). "Eficiencia de la absorción de la bomba en amplificadores de fibra de doble revestimiento. II: Simetría circular rota". Revista de la Sociedad Americana de Óptica B . 39 (6): 1259-1263. Código bibliográfico : 2002JOSAB..19.1259K . doi : 10.1364 / JOSAB.19.001259 .
8. D. Kouznetsov, JV Moloney (2003). "Eficiencia de la absorción de la bomba en amplificadores de fibra de doble revestimiento. III: Cálculo de modos". Revista de la Sociedad Americana de Óptica B . 19 (6): 1304-1309. Código bibliográfico : 2002JOSAB..19.1304K . doi : 10.1364 / JOSAB.19.001304 .
9. P. Leproux; S. Février; V. Doya; P. Roy; D. Pagnoux (2003). "Modelado y optimización de amplificadores de fibra de doble revestimiento mediante propagación caótica de bomba". Tecnología de fibra óptica . 7 (4): 324–339. Código Bibliográfico : 2001OptFT ... 7..324L . doi : 10.1006 / ofte.2001.0361 .
10. D. Kouznetsov, JV Moloney (2004). "Comportamiento límite de los modos de un Dirichlet Laplaciano". Revista de Óptica Moderna . 51 (13): 1362-3044. Código bibliográfico : 2004JMOp ... 51.1955K . doi : 10.1080 / 09500340408232504 . S2CID 209833904 . 
11. I. Dristas; T. Sun; KTV Grattan (2007). "Optimización estocástica de fibras de doble revestimiento convencionales y perforadas". Journal of Optics A . 9 (4): 1362-3044. Código Bibliográfico : 2007JOptA ... 9..405D . doi : 10.1088 / 1464-4258 / 9/4/016 .
12. Kerttula, Juho; Filippov, Valery; Ustimchik, Vasily; Chamorovskiy, Yuri; Okhotnikov, Oleg G. (5 de noviembre de 2012). "Evolución del modo en fibras largas ahusadas con alta relación de ahusamiento" . Optics Express . 20 (23): 25461-25470. doi : 10.1364 / OE.20.025461 . ISSN 1094-4087 . PMID 23187363 .  
13. NA Mortensen (2007). "Fibras revestidas de aire: ¿absorción de la bomba asistida por una dinámica de onda caótica?" . Optics Express . 15 (14): 8988–8996. arXiv : 0707.1189 . Código Bibliográfico : 2007OExpr..15.8988M . doi : 10.1364 / OE.15.008988 . PMID 19547238 . S2CID 18952779 .  
14. V. Filippov, Yu. Chamorovskii, J. Kerttula1, K. Golant, M. Pessa, OG Okhotnikov (2008). "Fibra cónica de doble revestimiento para aplicaciones de alta potencia" . Optics Express . 16 (3): 1929-1944. Código bibliográfico : 2008OExpr..16.1929F . doi : 10.1364 / OE.16.001929 . PMID 18542272 . 
15. D. Kouznetsov, JV Moloney (2004). "Entrega de losa de luz de bomba incoherente a amplificadores de fibra de doble revestimiento: un enfoque analítico". Revista IEEE de Electrónica Cuántica . 40 (4): 378–383. Código bibliográfico : 2004IJQE ... 40..378K . doi : 10.1109 / JQE.2004.824695 . S2CID 44609632 . 
16. CL Bonner; T. Bhutta; Pastor DP; AC Tropper (2000). "Estructuras de doble revestimiento y acoplamiento de proximidad para láseres de guía de ondas planas bombeados por barras de diodos" (PDF) . Revista IEEE de Electrónica Cuántica . 36 (2): 236–242. Código bibliográfico : 2000IJQE ... 36..236B . doi : 10.1109 / 3.823470 . S2CID 2849742 .