dispositivos de fibra óptica basados en la interacción acusto

DISPOSITIVOS DE FIBRA ÓPTICA BASADOS EN LA INTERACCIÓN
ACUSTO-ÓPTICA
M. Delgado-Pinar, A. Díez, J. Mora, J. L. Cruz y M. V. Andrés
ICMUV-Departamento de Física Aplicada
Universidad de Valencia, E-46100, Burjassot, Valencia, España
e-mail: [email protected]
1. La interacción acusto-óptica
Cuando se propaga una onda acústica a lo largo de una fibra óptica, el índice de
refracción del material se modifica periódicamente debido al efecto elasto-óptico. De esta
manera se hace posible el acoplamiento entre los modos que se propagan por la guía. El
acoplamiento entre dos modos será particularmente eficiente cuando se verifique la condición
de ajuste de fases entre ellos:
2π
LB =
=Λ
(1)
∆β
donde LB es la longitud de batido, ∆β es la diferencia entre los factores de propagación de los
dos modos y Λ es la longitud de onda acústica.
En el caso de una fibra monomodo el acoplamiento tendrá lugar entre el modo
fundamental LP01 y los modos del revestimiento. Cuando la onda acústica es de flexión, la
perturbación en el índice de refracción en la sección de la fibra es antisimétrica, por lo que el
acoplamiento será a modos del revestimiento de la familia LP1n [1]. Cuando la onda acústica
que se propaga es longitudinal, la perturbación en el índice de refracción es simétrica, con lo
que sólo es posible acoplamientos entre el modo fundamental y los modos de la familia LP0n .
Dada una longitud de interacción L, la potencia transportada por cada modo varía
periódicamente con el coeficiente de acoplamiento C. Variando la amplitud de la onda
acústica es posible controlar la transferencia de potencia. Dado que el proceso es periódico, el
acoplamiento llega a un valor máximo a partir del cual la luz vuelve a transferirse al modo del
corazón, de manera que tras un ciclo, la luz vuelve a ser guiada por el modo fundamental. Por
otra parte, la longitud de onda de la resonancia, o sea la que cumple la condición de ajuste de
fase, se puede sintonizar variando la frecuencia de la onda acústica.
2. Aplicaciones
2.a. Atenuador variable
Una de las aplicaciones más inmediatas del efecto acusto-óptico es la implementación
de un atenuador variable en fibra óptica. La figura 1(a) muestra un ejemplo de esta aplicación.
La respuesta de este dispositivo es sintonizable en longitud de onda y en amplitud.
2.b. Modulación de la potencia reflejada por una red de Bragg
El acoplamiento acusto-óptico permite controlar la potencia reflejada por una red de
Bragg grabada en el corazón de la fibra [2]. Cuando la luz se propaga por el revestimiento
debido a la interacción acusto-óptica, la reflexión en la red es muy baja, con lo que variando
la amplitud de la onda acústica se puede controlar la potencia reflejada por la red.
La figura 1(b) muestra el espectro de reflexión de una red cuando aplicamos distintas
amplitudes de la onda acústica.
-35
0
-40
0V
(a)
-45
R (dB)
T (dB)
-5
(b)
-10
5V
(b)
-50
20 V
(c)
-55
-15
1520
(a)
-60
1530
1540
1550
1560
1570
-65
1545
λ (nm)
1546
1547
1548
1549
1550
λ (nm)
Figura 1. (a) Espectro de transmitancia para distintas amplitudes de la onda acústica. La frecuencia acústica es
1220 kHz y la longitud de interacción es 6 cm. (b) Reflectancia de una red de Bragg para diferentes voltajes de la
señal de RF. La frecuencia de la onda acústica es 1410 kHz y la longitud de interacción es de 10 cm.
2.c. Dispositivo add-drop dinámico
En este dispositivo se aprovecha el carácter periódico del acoplamiento entre modos
debido a la interacción acusto-óptica para evitar la reflexión de una red de Bragg situada en el
corazón de la fibra [3]. La longitud de interacción se ajusta para que a la salida del dispositivo
el acoplamiento haya realizado un ciclo completo. En L/2 se sitúa una red de Bragg, coincidiendo con el punto de máxima transferencia de potencia al modo acoplado del revestimiento.
(B)
(A)
-35
0V
-40
R (dB)
-45
5V
-50
20 V
-55
-60
-65
1545
1546
1547
1548
1549
1550
λ (nm)
Figura 2. (A) Diagrama del dispositivo add–drop dinámico. (B) Espectro de transmitancia a la salida de los
diferentes canales del add-drop: (a) y (c) canales de salida OUT y ADD-DROP cuando no se propaga onda
acústica, (b) y (d) canales de salida OUT y ADD-DROP cuando se propaga una onda de frecuencia 1860 kHz.
La figura 2(A) muestra el diagrama de un dispositivo add-drop diseñado para operar
con tres portadoras ópticas. El sistema incorpora tres redes de Bragg, diseñadas cada una de
ellas para reflejar una portadora óptica, estando la red 2 situada en L/2. Cuando no se propaga
la onda acústica, cada portadora se refleja en la red correspondiente y continúan su
propagación por la línea principal. Cuando hacemos actuar una onda acústica, la portadora λ2
es capaz de sortear la red 2 y pasa a ser detectada en el canal ADD-DROP. La figura 2(B)
muestra la salida de los canales OUT y DROP, tanto en el caso en el que se propaga onda
acústica como en el que no. En el caso en que haber interacción acusto-óptica, la portadora λ2
se elimina de la línea principal prácticamente en su totalidad, mientras que los otros canales
permanecen inalterados. En el canal DROP se detecta un 45% de la potencia de entrada.
2.d. Generación de bandas laterales en una red de Bragg
Cuando se propaga una onda acústica longitudinal a lo largo de una fibra, en cuyo
corazón hemos grabado una red de Bragg lo suficientemente intensa, el período de la red se ve
modulado por la acción de la onda. Esto conlleva la aparición de pares de bandas de reflexión
distribuidos simétricamente a ambos lados de la red. Estas nuevas bandas de reflexión son
sintonizables variando la frecuencia acústica, y sus reflectividades pueden llegar a ser iguales
a la de la red original [4].
La figura 3(a) muestra un esquema del montaje experimental. La red es de 5 cm de
longitud y la longitud de onda de Bragg es 1543.7 nm. La figura 3(b) muestra el espectro de
reflexión de la red cuando una onda acústica de 4 MHz se propaga a lo largo de la fibra. Se
observan dos nuevos pares de picos de reflexión, además del de la red original, que se
corresponden con los dos primeros órdenes de modulación. La separación entre el pico central
y las bandas de reflexión son de 0.4 nm para el primer orden y de 0.8 nm para el segundo.
(a)
Atenuador
acústico
Red de
Bragg
Piezoeléctrico
Generador
RF
Fuente de luz
de banda ancha
(b)
-40
R(dB)
Bocina
-50
-60
Circulador
Detector
-70
1542.4
1543.2
1544.0
1544.8
λ( n m )
Figura 3. (a) Diagrama del montaje experimental. (b) Espectro de reflexión de la red cuando se propaga una
onda acústica longitudinal de frecuencia 4 MHz.
3. Conclusiones
En este trabajo hemos mostrado un conjunto de aplicaciones de la interacción acustoóptica en fibras ópticas. La combinación de la interacción acusto-óptica con otros
componentes, como pueden ser las redes de Bragg, abre todo un abanico de posibilidades para
el diseño e implementación de dispositivos de aplicación al procesado óptico de señales en los
sistemas de comunicaciones ópticas.
Agradecimientos
Los autores agradecen la financiación del MCyT (proyecto TIC2001-2895-C02-01).
Referencias
[1]
[2]
[3]
[4]
T. A. Birks, P. St. J. Russell y D. O. Culverhouse, J. Lightwave Technol. 14 (1996) 2519
D. W. Huang, W. F. Liu, C. W. Wu y C. C. Yang, IEEE Photon. Technol. Lett. 12
(2000) 176
A. Díez, M. Delgado-Pinar, J. Mora, J.L. Cruz y M. V. Andrés, IEEE Photon. Technol.
Lett. 15 (2003) 84
W. F. Liu, P. St. J. Russell y L. Dong, J. Lightwave Technol. 16 (1998) 2006