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 denomina núcleo y está rodeada 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 .
Existen dos tipos diferentes de fibras de doble revestimiento. La primera se desarrolló al principio de 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 modifican 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 luz de la señal. El revestimiento interior y el núcleo juntos guían la luz de bombeo , 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 .
En las fibras 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 también se denomina fibra de revestimiento interior deprimido y fibra de perfil W (debido al hecho de que un gráfico simétrico de su perfil de índice de refracción se asemeja superficialmente a la letra W). [1]
Este tipo de fibra de doble revestimiento tiene la ventaja de tener pérdidas por microcurvatura muy bajas . También tiene dos puntos de dispersión cero y una dispersión baja en un rango de longitud de onda mucho más amplio que la fibra de revestimiento simple estándar. Dado que la dispersión de estas fibras de doble revestimiento se puede diseñar en gran medida, estas fibras se pueden utilizar para compensar la dispersión cromática en comunicaciones ópticas y otras aplicaciones.
En las fibras modernas de doble revestimiento para amplificadores de fibra de alta potencia y láseres, el revestimiento interior tiene un índice de refracción más alto que el revestimiento exterior. Esto permite que el revestimiento interior guíe la luz por 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 radiancia , se utilicen como fuente de bombeo óptico. La luz de bombeo se puede acoplar fácilmente en el 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 llama bombeo de revestimiento , que es una alternativa al bombeo de núcleo convencional , en el que la luz de bombeo se acopla al núcleo pequeño. La invención del bombeo de revestimiento 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 potencia continua de hasta varios kilovatios, mientras que la luz de señal en el núcleo mantiene una calidad de haz cercana a la difracción limitada . [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 la luz en el revestimiento no llegan al núcleo y, por lo tanto, no se pueden utilizar para bombearlo. [5] En el lenguaje de la óptica geométrica , la mayoría de los rayos de la luz de bombeo 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 de modos [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 inútil excitar dicho modo en el amplificador de fibra de doble revestimiento. Las cicatrices pueden distribuirse más o menos uniformemente en las llamadas fibras caóticas [9], que tienen una forma de sección transversal más complicada y proporcionan una distribución más uniforme de la intensidad en el revestimiento interior, lo que permite un uso eficiente de la luz de bombeo. Sin embargo, la cicatrización se produce incluso en fibras caóticas.
Una forma casi circular con una pequeña deformación en espiral parece ser la más eficiente para las fibras caóticas. En una fibra de este tipo, el momento angular de un rayo aumenta en cada reflexión desde la pared lisa, hasta que el rayo golpea el "trozo", en el que la curva espiral se rompe (ver figura a la derecha). El núcleo, ubicado en las proximidades 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 trozo, 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 espacios vacíos amplios, ninguno de estos espacios vacíos cubre el núcleo.
La propiedad de los DCF con revestimiento en forma de espiral se puede interpretar como la 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 ser compensada por la presión en el trozo. Por lo tanto, ningún modo puede evitar el trozo. Los modos pueden mostrar cicatrices fuertes a lo largo de las trayectorias clásicas (rayos) y espacios amplios, 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 más pequeño 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 desprende del teorema sobre el comportamiento en el borde 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 evita 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 en el núcleo. [11]
La fibra de doble revestimiento cónico (T-DCF) es una fibra cuyos revestimientos exterior e interior y diámetros del núcleo varían suavemente con la longitud. El núcleo en el lado angosto de la T-DCF admite la propagación del modo fundamental solamente, mientras que en el lado ancho el núcleo puede guiar muchos modos. Sin embargo, se demostró experimentalmente que la luz lanzada al extremo angosto de una T-DCF se propaga al núcleo ancho sin ningún cambio en el contenido del modo. [12] Como resultado, en el extremo ancho (sustancialmente multimodo) de la T-DCF la luz se propaga solamente 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 de él.
El comportamiento exponencial de la eficiencia de absorción de bombeo en el núcleo no es obvio. Se podría esperar que algunos modos del revestimiento (o algunos rayos) estén mejor acoplados al núcleo que otros; por lo tanto, la dependencia "verdadera" podría ser una combinación de varias exponenciales. Solo la comparación con simulaciones justifica esta aproximación, como se muestra en la figura anterior y a la derecha. En particular, esta aproximación no funciona para fibras circulares, véase el trabajo inicial de Bedo et al., citado a continuación. Para fibras caóticas, se acerca a la unidad. El valor de se puede estimar mediante análisis numérico con propagación de ondas, expansión por modos o mediante trazado de rayos de óptica geométrica , y los valores 0,8 y 0,9 son solo parámetros de ajuste empíricos, que proporcionan un buen acuerdo de la estimación simple con simulaciones numéricas para dos clases específicas de fibras de doble revestimiento: circular offset y rectangular. Obviamente, la estimación simple anterior falla cuando el parámetro offset se vuelve pequeño en comparación con el tamaño del revestimiento.
El factor de llenado se acerca a la unidad especialmente rápido en el revestimiento en forma de espiral, debido al comportamiento especial del límite de los modos del Laplaciano de Dirichlet . [10] Los diseñadores de fibras 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 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 absorberse en el núcleo a lo largo de la longitud corta; la estimación anterior se aplica en este caso optimista. En particular, cuanto mayor sea el paso en el índice de refracción del revestimiento interior al exterior, mejor confinado estará el bombeo. 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 lo corto que puede ser un láser de fibra de doble revestimiento eficiente, debido a la reducción del tamaño del revestimiento interior.
Para formas de revestimiento adecuadas, el factor de relleno , definido anteriormente, se acerca a la unidad; la siguiente mejora es posible en varios tipos de conicidad del revestimiento; [14] Se sugieren formas no convencionales de dicho revestimiento. [15]
Las guías de onda planas con un medio de ganancia activa ocupan una posición intermedia entre los láseres de estado sólido convencionales y los láseres de fibra de doble revestimiento. La guía de onda 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]
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