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 a su vez 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 las 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 finales de los años 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 luz de señal. El revestimiento interior y el núcleo juntos guían la luz de la bomba , 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 el más bajo. En la mayoría de los casos, el revestimiento exterior está hecho de un material polimérico en lugar de vidrio .
En la fibra de doble revestimiento para compensación de la dispersión, la capa de revestimiento interior tiene un índice de refracción más bajo que la capa exterior. Este tipo de fibra también se denomina fibra de revestimiento interior deprimido y fibra de perfil W (por el hecho de que el trazado simétrico de su perfil de índice de refracción se parece superficialmente a la letra W). [1]
Este tipo de fibra de doble revestimiento tiene la ventaja de tener pérdidas por microflexión 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 de revestimiento único. Dado que la dispersión de tales fibras de doble revestimiento se puede diseñar en gran medida, estas fibras se pueden usar para compensar la dispersión cromática en comunicaciones ópticas y otras aplicaciones.
En las fibras modernas 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 interior guíe la luz mediante reflexión interna total de la misma manera que lo hace el núcleo, pero para un rango diferente de longitudes de onda. Esto permite utilizar láseres de diodo , que tienen alta potencia pero baja radiancia , como fuente de bomba óptica. La luz de la bomba se puede acoplar fácilmente al revestimiento interior grande y se propaga a través del revestimiento interior mientras 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 se acopla al núcleo pequeño. La invención del bombeo de revestimiento por parte de un equipo de investigación de fibras Polaroid (H. Po, et al. ) revolucionó el diseño de amplificadores y láseres de fibra. [3] Utilizando este método, los láseres de fibra modernos pueden producir energía continua de hasta varios kilovatios, mientras que la señal luminosa en el núcleo mantiene una calidad del haz casi limitada por la 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 llegan al 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 pasan a través del núcleo y, por lo tanto, no pueden bombearlo.El trazado de rayos , [6] las simulaciones de la propagación paraxial [7] y el análisis modal [8] dan resultados similares.
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 dicho modo en el amplificador de fibra de doble revestimiento. Las cicatrices pueden distribuirse de manera más o menos uniforme en las llamadas fibras caóticas [9] , 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.
Una forma casi circular con una pequeña deformación en espiral parece ser la más eficaz para 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 espiral (ver figura a la derecha). El núcleo, situado 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 cerca del fragmento y no pueden evitar el núcleo si se coloca allí. Un ejemplo de modos se muestra en la figura siguiente y a la derecha. Aunque algunos de los modos muestran cicatrices y amplios huecos, ninguno de estos huecos cubre el núcleo.
La propiedad de los DCF con revestimiento en forma de espiral puede interpretarse como la conservación del momento angular. El cuadrado de la derivada de una moda en la frontera 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 debería compensarse mediante 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 razón para hacer el trozo más grande que el núcleo; un trozo grande no localizaría las cicatrices lo suficiente como para proporcionar acoplamiento con el núcleo. No hay razón para localizar las cicatrices dentro de un ángulo menor que el núcleo: la pequeña derivada del radio hace que la fabricación sea menos robusta; cuanto más grande es, mayores son las fluctuaciones de forma que se permiten sin romper la condición . Por lo tanto, el tamaño del trozo debe ser del mismo orden que el tamaño del núcleo.
Más rigurosamente, la propiedad del dominio en forma de espiral se deriva del teorema sobre el comportamiento límite de los modos del Laplaciano de Dirichlet . [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 logra el mejor acoplamiento de la bomba al núcleo. [11]
La fibra de doble revestimiento cónica (T-DCF) es una fibra cuyos revestimientos exterior e interior y diámetros del núcleo varían suavemente con la longitud. El núcleo en el lado estrecho del T-DCF admite la propagación únicamente del modo fundamental , mientras que en el lado ancho el núcleo puede guiar muchos modos. Sin embargo, se demostró experimentalmente que la luz lanzada hacia el extremo estrecho de un T-DCF se propaga hacia el núcleo ancho sin ningún cambio en el contenido del 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 del 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.
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]
dónde
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 del mismo.
El comportamiento exponencial de la eficiencia de absorción de la bomba en el núcleo no es evidente. Se podría esperar que algunos modos del revestimiento (o algunos rayos) se acoplen mejor al núcleo que otros; por lo tanto, la dependencia "verdadera" podría ser una combinación de varias exponenciales. Sólo la comparación con simulaciones justifica esta aproximación, como se muestra en la figura de arriba a la derecha. En particular, esta aproximación no funciona para fibras circulares; consulte el trabajo inicial de Bedo et al., citado más adelante. 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 óptico geométrico , 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: circular desplazada y rectangular. Obviamente, la simple estimación anterior falla cuando el parámetro de compensación se vuelve pequeño en comparación con el tamaño del revestimiento.
El factor de llenado se acerca especialmente rápidamente a la unidad en el revestimiento en forma de espiral, debido al comportamiento especial de los límites de los modos del Dirichlet Laplaciano . [10] Los diseñadores de fibras de doble revestimiento buscan un compromiso razonable entre la forma optimizada (para el acoplamiento eficiente de la bomba al núcleo) y la simplicidad de la fabricación de la preforma utilizada para estirar las fibras.
La escala de potencia de un láser de fibra está limitada por efectos no lineales no deseados, como la dispersión Brillouin estimulada y la dispersión Raman estimulada . Estos efectos se minimizan cuando el láser de fibra es corto. Sin embargo, para un funcionamiento eficiente, la bomba debe quedar absorbida en el núcleo a lo largo de su longitud 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 proporciona una estimación de qué tan corto puede ser un láser de fibra de doble revestimiento eficiente, debido a la reducción del tamaño del revestimiento interior.
Para buenas formas de revestimiento, el factor de relleno , definido anteriormente, se aproxima a la unidad; la siguiente mejora es posible con varios tipos de ahusamiento del revestimiento; [14] Se sugieren formas no convencionales de dicho revestimiento. [15]
Las guías de ondas planas con un medio de ganancia activo ocupan 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]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ) Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )