ES2305190T3 - Amplificador de fibra de doble revestimiento. - Google Patents
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Abstract
Amplificador de fibra óptica que comprende un núcleo monomodo con un índice n1 de refracción, un primer revestimiento alrededor de dicho núcleo con un índice n2 de refracción y al menos un revestimiento adicional alrededor de dicho primer revestimiento con un índice n3 de refracción, al tiempo que dicho primer revestimiento incluye una sección transversal en una región en forma de anillo con un índice n4 de refracción dopada con material de tierra rara que rodea dicho núcleo monomodo, caracterizado porque dicho primer revestimiento muestra al menos parcialmente un índice n2 de refracción radial en función del radio desde el centro del núcleo que es casi continuamente decreciente.
Description
Amplificador de fibra de doble
revestimiento.
La invención se refiere a un amplificador de
fibra óptica que comprende un núcleo monomodo, un primer
revestimiento alrededor de dicho núcleo y al menos un revestimiento
adicional alrededor de dicho primer revestimiento, al tiempo que
dicho primer revestimiento incluye un anillo dopado con material de
tierra rara que rodea dicho núcleo monomodo.
Los campos modales rígidamente confinados de
láseres y amplificadores de guía de ondas de un solo modo o de
pocos modos conducen a una interacción muy fuerte entre cualquier
luz guiada por ondas y el medio activo en el núcleo para guía de
ondas. Por lo tanto, una cantidad comparativamente pequeña de medio
de ganancia es suficiente para proporcionar la ganancia en estos
dispositivos. Específicamente, la ganancia es elevada para una
determinada energía almacenada, así como para una determinada
potencia de bomba absorbida.
Sin embargo, esta interacción eficaz entre el
modo y el medio de ganancia puede ser perjudicial. Ciertamente, en
un láser o amplificador, la ganancia de paso único alcanzable está
limitada a cierto valor máximo (por ejemplo 50 dB). La razón es
que, a máximo nivel, una fracción importante de la potencia de la
bomba se convierte a emisión espontánea amplificada (ASE). Una
ganancia 10 dB más alta por resultado aproximadamente 10 dB más de
ASE. A estas ganancias, la potencia extra de la bomba requerida para
incrementar adicionalmente la ganancia será prohibitivamente
elevada. Puesto que la ASE limita la ganancia del dispositivo,
limita también la energía almacenada en los medios de ganancia.
Esto a su vez limita obviamente la cantidad de energía que un
impulso puede extraer del dispositivo. En consecuencia, es limitada
la energía de impulso que puede ser obtenida de láseres
amplificadores de guía de ondas.
Adicionalmente, en láseres y amplificadores
bombeados ópticamente es esencial optimizar la interacción entre el
medio de ganancia y el campo amplificado o haz de señal generada así
como la interacción entre el haz de la bomba y el medio de
ganancia. Sin embargo, en láseres y amplificadores bombeados
típicamente por revestimiento típicamente la interacción con el haz
de la bomba es sensiblemente más pequeña que la interacción con el
haz de la señal. Entonces, para un dispositivo que absorbe
eficazmente la bomba, la interacción con el haz de la señal será
mucho más fuerte de lo que se requiere. Desafortunadamente, este
exceso de interacción es acompañado con frecuencia por el exceso de
pérdidas para el haz de señal.
En la Patente US 6.288.835 se describe un
amplificador óptico de guía de ondas con propiedades de interacción
perfeccionadas entre la luz guiada a lo largo de una guía de ondas y
los dopantes de tierra rara dentro de un medio activo confinando
dicho medio activo que es la región amplificadora a un anillo dentro
de un revestimiento alrededor del núcleo de dicha guía de ondas.
Las regiones del anillo son seleccionadas preferiblemente allí
donde la intensidad del haz de señal es sustancialmente más pequeña
que su intensidad pico, en una sección transversal del dispositivo
de guía de ondas perpendicular a la dirección de propagación del haz
de la señal. De este modo, la interacción entre un haz de luz de
señal y un medio activo se reduce considerablemente sin cambiar
necesariamente las propiedades del medio de ganancia o reducir el
confinamiento de la luz de señal.
La luz de bombeo se suministra mediante un láser
de elevada potencia acoplado preferiblemente en el revestimiento
alrededor del núcleo de dicha guía de ondas. La energía luminosa
suministrada al revestimiento de este modo se absorberá por el
núcleo tan pronto como los rayos de luz amplificados se propaguen en
el revestimiento a través de la interfaz entre el núcleo y el
revestimiento. Obviamente, la eficacia del bombeo de energía está
en su mayor parte condicionada por la eficacia del acoplamiento
entre el núcleo y el revestimiento. Sin embargo, se origina un
problema con las interfaces cilíndricas de núcleo/revestimiento, es
decir que algunos rayos de luz transmitidos por el revestimiento
seguirán una trayectoria helicoidal alrededor del núcleo sin
incidir nunca sobre la interfaz. La energía transmitida por estos
rayos se inyecta por lo tanto en vano al revestimiento, debido a
que nunca se utiliza para amplificar la señal transportada por el
núcleo.
Se han propuesto diversas soluciones para
resolver este problema, en particular en los documentos US5.949.941
y WO02/03510 produciendo protuberancias radiales en la superficie
externa del revestimiento que comprende el medio activo o diseñando
dicha superficie siguiendo una forma parecida a la poligonal. Se
logra entonces un claro realce del acoplamiento de modo de forma
que se espera que la potencia de la bomba esté más enfocada sobre
la zona dopada de tierra rara. Sin embargo, para algunas
configuraciones de amplificadores, la eficacia de conversión de
potencia es todavía demasiado baja para ser competitiva y su
fabricación puede ser muy costosa.
El objeto de la presente invención es diseñar un
amplificador de fibra óptica con una eficacia de conversión de
potencia optimizada entre la luz de bombeo y la luz de señal sin que
implique un método de fabricación costoso.
\newpage
Este objeto se logra de acuerdo con la invención
según se define en la reivindicación 1 para un amplificador de
fibra óptica que comprende un núcleo monomodo, un primer
revestimiento alrededor de dicho núcleo y al menos un revestimiento
adicional alrededor de dicho primer revestimiento al tiempo que
dicho primer revestimiento incluye un anillo dopado con material de
tierra rara que rodea dicho núcleo monomodo. Ventajosamente, el
primer revestimiento está diseñado con un índice de refracción
radial que sigue una función decreciente casi continua al aumentar
el radio. La utilización de un índice de refracción que decrece
continuamente para el revestimiento en el borde externo del medio
activo en forma de anillo optimiza la eficacia del acoplamiento
entre el núcleo y el revestimiento. Entonces no es ya necesario
elegir un modo complicado y costoso para fabricar la forma
poligonal para el borde externo de dicho primer revestimiento.
Desarrollos ventajosos de la invención se
describen en las reivindicaciones subordinadas, la descripción
siguiente y los dibujos.
Una realización a modo de ejemplo de la
invención se explicará ahora adicionalmente haciendo referencia a
los dibujos adjuntos, en los que:
la fig. 1 ilustra un ejemplo de la distribución
del índice de refracción a lo largo de una sección transversal del
núcleo y el primer revestimiento de un amplificador de fibra óptica
según la invención;
la fig. 2 ilustra diversas distribuciones
posibles del índice de refracción a lo largo de una sección
transversal particularmente del primer revestimiento de un
amplificador de fibra óptica según la invención;
la fig. 3 ilustra diferentes configuraciones del
solapado entre los modos en la región dopada en forma de anillo
según la invención;
la fig. 4 ilustra la propiedad de solapado en
función directa de la pendiente del índice de refracción radial del
primer revestimiento según la invención.
En la figura 1 se muestra una sección
transversal de la parte central de un amplificador de fibra óptica
según la invención. En el centro de tal guía de ondas se diseña un
núcleo monomodo con el índice n1 de refracción más elevado de la
fibra. Tal núcleo monomodo está rodeado por un primer revestimiento
con un índice n2 de refracción sustancialmente más bajo que n1. Al
menos un revestimiento adicional con índice n3 de refracción se
diseña alrededor de dicho primer revestimiento. La región activa con
índice n4 de refracción utilizada para el bombeo se define en una
geometría de anillo en sección transversal alrededor de dicho núcleo
monomodo. Se obtiene dopando dicha región con átomos de tierra rara
como Erbio (Er) o Yterbio (Yb).
La novedad de la presente invención es elegir
que el índice de refracción radial del primer revestimiento en
función del radio se adapte a una función decreciente continua según
se muestra en la figura 1. Esto optimizará el solapado entre la
región dopante y los modos para transmitir la señal de la bomba
poniendo más potencia en los modos de la constante de propagación
más elevada según se compara con los modos de valores de la
constante de propagación más bajos que se espera que estén más
atenuados a lo largo de la fibra por el fenómeno de mezclado de
modos.
De esta manera, un máximo de la luz de bombeo
acoplada en la región activa en forma de anillo con el índice n4 de
refracción se utilizará para luces de señal del amplificador
transmitidas a través del núcleo monomodo con índice n1 de
refracción.
Puede ser preferible elegir dicha función
decreciente continua del índice n2 de refracción radial con una
pendiente negativa. Es también ventajoso regular el índice de
refracción radial para que disminuya sólo casi en el borde externo
de la región (n4) activa en forma de anillo. En ese caso, es
concebible fijar substancialmente el índice n4 de refracción de la
región activa a algún valor constante posiblemente coincidente con
el máximo valor n2_max del índice n2 de refracción radial del
primer revestimiento.
En el presente caso según se muestra en la
figura 1, la región activa dopada con átomos de tierra rara está
casi directamente contigua a dicho núcleo monomodo. Es posible
también considerar que la región activa en la sección transversal
en forma de anillo se incluya parcialmente en dicho núcleo monomodo.
El tamaño de dicha región activa se ha de elegir según la
aplicación predestinada. Preferiblemente, el radio r1 inferior se
elegirá alrededor de 3 a 3,5 \mum y el radio r2 superior
alrededor de 6 \mum.
Cuando el primer revestimiento que rodea el
núcleo monomodo se define con un índice n2 de refracción radial
según la invención, no es ya necesario romper la simetría circular
de su superficie exterior de sección transversal como en la técnica
anterior. Por lo tanto, es posible y preferible desde un punto de
vista de fabricación diseñar dicho primer revestimiento
sustancialmente con una forma externa concéntrica.
\newpage
Puede ser ventajoso elegir para el índice de
refracción radial del primer revestimiento una función típica
utilizada en el diseño de fibras ópticas clásicas para transmisión
de señales y definida mediante la siguiente función:
n2(r) =
n2_max* {1 - 2 \Delta
[(r-r1)/(r2-r1)] ^
\alpha}
en la que \Delta = (n2_max^2 - n3
^ 2)/2*n2_max ^ 2). El radio r se define entre r1 y r2, siendo r1 el
radio externo del núcleo monomodo o la región activa y r2 el radio
externo del primer revestimiento. El parámetro \alpha puede tomar
cualquier valor al tiempo que el caso \alpha \rightarrow
\infty es idéntico a la función de tipo escalonado (véase figura
2) ya expuesto en la precedente técnica anterior
comentada
Para satisfacer los requisitos de la presente
invención, es necesario que cuando se utilice la función anterior
para n2(r) se elija el parámetro \alpha preferiblemente
mayor que 1, por ejemplo, \alpha = 2 ó 3. En la figura 3 se
muestran diferentes resultados del solapado entre los modos y la
región activa en forma de anillo (región dopada) en función del
índice de grupo de modos. Parece claramente que no hay necesidad de
realizar una forma externa con simetría circularmente discontinua
para el incremento del mezclado de modos. En la figura 4 el
solapado para el primer modo se muestra en función de \alpha. La
línea de puntos representa el valor asintótico cuando \alpha
tiende al infinito. Se puede alcanzar una clara eficacia de
conversión de potencia de bomba más elevada cuando se usa la
presente invención ya que la figura 4 muestra un mejor solapado con
la región dopada activa con átomos de tierra rara.
Claims (7)
1. Amplificador de fibra óptica que comprende un
núcleo monomodo con un índice n1 de refracción, un primer
revestimiento alrededor de dicho núcleo con un índice n2 de
refracción y al menos un revestimiento adicional alrededor de dicho
primer revestimiento con un índice n3 de refracción, al tiempo que
dicho primer revestimiento incluye una sección transversal en una
región en forma de anillo con un índice n4 de refracción dopada con
material de tierra rara que rodea dicho núcleo monomodo,
caracterizado porque dicho primer revestimiento muestra al
menos parcialmente un índice n2 de refracción radial en función del
radio desde el centro del núcleo que es casi continuamente
decreciente.
2. Amplificador de fibra óptica según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicha función
decreciente se define con una pendiente negativa.
3. Amplificador de fibra óptica según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho anillo muestra
un casi constante índice n4 de refracción radial, al tiempo que el
índice n2 de refracción radial comienza a decrecer casi en el borde
externo de dicho anillo.
4. Amplificador de fibra óptica según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho anillo está casi
directamente contiguo a dicho núcleo monomodo.
5. Amplificador de fibra óptica según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho anillo está
parcialmente incluido en dicho núcleo monomodo.
6. Amplificador de fibra óptica según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho anillo se define
con un radio inferior de alrededor de 3 \mum ó 3,5 \mum y un
radio superior de alrededor de 6 \mum.
7. Amplificador de fibra óptica según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho primer
revestimiento muestra una forma externa sustancialmente concéntrica
a lo largo del eje óptico de dicha fibra.
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