Estructura del Trabajo

Este trabajo se organiza en ocho capítulos. Los seis principales se corresponden con los seis grandes objetivos abordados en esta tesis y definidos en la sección anterior.

 Capítulo 2: “Scattering Brillouin” cubre los fundamentos teóricos básicos de los procesos físicos que tienen lugar dentro de la fibra cuando implementamos sensores Brillouin. Se centra en especial en el scattering Brillouin estimulado, que se utiliza para desarrollar los sistemas de monitorización descritos en el capítulo 3.

 Capítulo 3: “Sensores distribuidos de fibra óptica basados en scattering Brillouin” se centra en introducir dos técnicas diferentes usadas para implementar sensores distribuidos de fibra óptica basados en SBS, BOTDA y BOCDA. Se presenta el modelo teórico para proporcionar un mayor entendimiento del comportamiento de estos sensores y se discuten los principales factores que limitan su funcionamiento.

 Capítulo 4: “Eliminación del ruido de polarización” se presenta y demuestra un nuevo método que permite la eliminación del ruido de polarización en un sensor BOTDA que se basa en el uso de detección balanceada, de la que se habla en profundidad, y en la utilización de señales de sonda Stokes y anti-Stokes con estados de polarización ortogonales. También se presenta una mejora de ésta técnica, conseguida añadiendo una despolarización de la señal de bombeo.

 Capítulo 5: “Sensor distribuido BOTDA interferométrico” se describe y demuestra una nueva técnica que se basa en la medida del desfase no lineal inducido por el scattering Brillouin para conseguir obtener de forma distribuida la temperatura/deformación en la fibra óptica. Este método explota la característica de no reciprocidad que posee el efecto de SBS, introduciendo un interferómetro de Sagnac en el esquema de un sensor estándar BOTDA.

 Capítulo 6: “Precisión en la determinación del BFS en sistemas BOTDA con medidas de fase” se realiza un análisis estadístico del error producido cuando se determina el perfil de frecuencia Brillouin (BFS) empleando medidas del BPS. También, se propone y valida experimentalmente una expresión matemática para la incertidumbre del BFS

en función de diferentes parámetros experimentales. Finalmente, se comparan los resultados teóricos y experimentales obtenidos con la incertidumbre en la determinación de la frecuencia que obtenemos con el ajuste cuadrático clásico del BGS bajo similares condiciones de medida, es decir, mismo rango de barrido espectral, paso de frecuencia, y lo que es más importante, bajo las mismas condiciones de SNR.

 Capítulo 7: “Sensor interferométrico distribuido BOCDA con procesado temporal” se propone y demuestra experimentalmente un nuevo esquema de medida del BPS insertando un SI, del mismo modo que se hacía en el capítulo 5 en un BOTDA estándar, pero en este caso en una estructura BOCDA con análisis temporal, de modo que el ruido de correlación debido al interferómetro se puede reducir gracias a la naturaleza de las señales moduladas usadas. Este trabajo es la primera demostración de un BOCDA capaz de realizar medidas del BPS.

 Por último, se presentan las conclusiones y líneas abiertas de este trabajo en el Capítulo 8.

La dispersión es un proceso físico en el cual ondas, tales como la luz, son forzadas a desviarse de su trayectoria lineal debido a la presencia de una o más inhomogeneidades presentes en el medio que atraviesan. La mencionada desviación, también conocida como scattering, puede tener diferente naturaleza dependiendo de la intensidad de las variables que están presentes en el fenómeno. Si se considera la luz como una onda electromagnética que se propaga por una fibra óptica (medio dieléctrico), el scattering puede ser espontáneo o estimulado, dependiendo de la intensidad de la luz que viaja por el medio.

Figura 2.1: Representación gráfica de los espectros de los tres procesos de scattering espontáneos en fibras ópticas [1].

Cuando el proceso de scattering tiene lugar en las fibras ópticas, el proceso de scattering le quitará algunos fotones a la onda incidente produciendo al mismo tiempo fotones dispersados. Estos fotones dispersados podrán estar desplazados en dirección, frecuencia y fase. Dependiendo de la energía transferida desde el medio a los fotones dispersados, el scattering

Frecuencia

Anti-Stokes Stokes

~ 9-11 GHz

puede ser elástico o inelástico. El scattering es elástico cuando los fotones dispersados mantienen su energía, teniendo así la misma frecuencia que la onda incidente, como es el caso del scattering Rayleigh. Si, por el contrario, los fotones dispersados tienen diferente frecuencia debido a una transferencia de energía desde o hacia el medio, hablamos de scattering inelástico. Dentro de este segundo grupo se encuentran el scattering Brillouin y el scattering Raman. La Figura 2.1 representa los espectros de estos tres tipos de scattering cuando estos son espontáneos.

El scattering Brillouin estimulado (SBS) es un proceso óptico no lineal observado por primera vez por Chiao et al. en 1964 [2] en cristales de zafiro y cuarzo. Se manifiesta a través de la generación de una curva de ganancia y/o atenuación contra-propagante y desplazada en frecuencia cuando una señal coherente y con una potencia que supera el umbral se introduce por uno de los extremos de una fibra óptica. Es justamente, por el hecho de que el SBS produce una banda de amplificación y/o atenuación a otra frecuencia, el motivo por el que este fenómeno físico limita la potencia de canal en las telecomunicaciones ópticas. Sin embargo, este efecto tan perjudicial sobre los sistemas de comunicaciones puede aprovecharse para la realización de láseres muy estrechos espectralmente [3], amplificadores Brillouin en fibra de banda estrecha [4], filtros ópticos de banda estrecha y espectro controlado [5], además de sensores distribuidos, como los que nos ocupan en esta tesis.

En este capítulo abordaremos la descripción y el desarrollo detallado del fenómeno scattering Brillouin por la enorme importancia que presenta este efecto no lineal en el marco de esta tesis doctoral. Aunque en primer lugar revisaremos brevemente el efecto de scattering Brillouin espontáneo, nos centraremos sobre todo en el SBS, ya que éste constituye la base de la tesis. Empezaremos introduciendo el concepto de electrostricción, relacionándolo con el SBS estimulado ya que, debido a su capacidad para crear una gran cantidad de fonones acústicos, es el mecanismo necesario para generar este scattering en la fibra óptica. Pasaremos a resumir el desarrollo teórico que permite obtener las principales ecuaciones que gobiernan el proceso de SBS. A continuación, mostraremos una estimación de la potencia umbral necesaria para generar este fenómeno no lineal, y comentaremos algunas de sus limitaciones de potencia. Por último abordaremos la influencia que tienen diversos parámetros, tanto intrínsecos como extrínsecos, sobre las propiedades de este scattering, haciendo especial hincapié en la dependencia que tiene el SBS con la polarización. Para examinar las propiedades de polarización del SBS se llevará a cabo un análisis vectorial completo tanto en el espacio de Jones como en el de Stokes.

El objetivo de este capítulo es, por tanto, revisar todos los conceptos necesarios para entender en profundidad este proceso óptico no lineal necesario para la implementación de los sensores Brillouin, BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) y BOCDA (Brillouin Optical Correlation Domain Analysis), sobre los que discutiremos en profundidad en el capítulo siguiente.