INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LOPÉZ MATEOS” SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
MEDICIÓN DEL PERFIL DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN EN FIBRAS
ÓPTICAS UTILIZANDO LA TÉCNICA DEL CAMPO CERCANO
(MÉTODO INDIRECTO).
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA EN
TELECOMUNICACIONES
P R E S E N T A.
ING. MARIA GUADALUPE CORDERO PARRA
DIRECTOR.
CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABLAS
ÍNDICE DE FOTOGRAFIAS
ÍNDICE DE PROGRAMAS EN MATLAB RESUMEN
ABSTRACT JUSTIFICACIÓN OBJETIVO
INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES
CAPÍTULO I.
PERFIL DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN DE DIFERENTES FIBRAS ÓPTICAS Y LA IMPORTANCIA DE SU MEDICIÓN PARA UNA ÓPTIMA CARACTERIZACIÓN DEL MEDIO ÓPTICO
1.1 Introducción 15
1.2 Características que proporciona el perfil del índice de refracción
15
1.3 Métodos de medición del perfil del índice de refracción 16
1.3.1 Método de reflexión 16
1.3.2 Método de refracción 19
1.3.3 Método de interferómetro de bloques 22
CAPÍTULO II
MÉTODO INDIRECTO DE MEDICIÓN DEL PERFIL DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN UTILIZANDO EL MÉTODO DE CAMPO CERCANO.
2.1 Características del método 25
CAPÍTULO III.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA LA MEDICIÓN INDIRECTA DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN EN DIFERENTES FIBRAS ÓPTICAS UTILIZANDO LA TÉCNICA DE CAMPO CERCANO
3.1 Componentes del arreglo experimental. 30
3.2 Construcción del sistema. 30
3.2.1 Transmisor. 31
3.2.2 Fibra óptica 31
3.2.3 Receptor. 32
3.3.3 Esquema del arreglo experimental 34
CAPÍTULO IV.
MEDICIÓN INDIRECTA DEL PERFIL DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN UTILIZANDO EL MÉTODO DE CAMPO CERCANO
4. Diagrama a bloques de la medición de las intensidades 36 de la luz en el campo cercano.
4.1 Medición de la distribución de la intensidad de la luz del campo cercano.
37
4.1.1 Primera etapa de la medición de la intensidad de distribución de la fibra óptica aplicando la técnica de campo cercano
39
4.1.2 Segunda etapa de la medición de la intensidad de distribución de la fibra óptica aplicando la técnica de campo cercano
40
4.1.3 Primera etapa de la medición de la intensidad de distribución del diodo láser aplicando la técnica de campo cercano.
42
4.1.4 Segunda etapa de la medición de la intensidad de distribución del diodo láser aplicando la técnica de campo lejano.
CAPÍTULO V.
PROCESAMIENTO DE LOS DATOS OBTENIDOS DE LA MEDICIÓN DEL PERFIL DE ÍNDICE DE REFRACCIÓN CON DIFERENTES FIBRAS ÓPTICAS. ANÁLISIS DE ERRORES
5.1 Procesamiento de los datos medidos en la fibra óptica multimodo, aplicando el método de campo cercano.
47
5.1.1 Procesamiento de los datos proporcionados por la fibra multimodo en prueba.
48
5.1.2 Procesamiento de los datos proporcionados por la segunda fibra multimodo en prueba.
49
5.1.3 Procesamiento de los datos proporcionados por la el diodo láser.
50
5.2 Análisis de los errores obtenidos 51 CAPÍTULO VI.
Análisis de los Resultados
6.1 Análisis de los resultados obtenidos del perfil del índice 54 De refracción calculado y el reconstruido por el
Método de campo cercano.
6.2 Propuesta de la implementación de un laboratorio especial 57 Para caracterización de fibras ópticas.
6.3 Material requerido para la implementación del laboratorio 57 6.4 Prácticas propuestas para el laboratorio de fibras ópticas 59
CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA.
APÉNDICE 1: FOTOS DEL ARREGLO EXPERIMENTAL. APÉNDICE 2: PROGRAMAS.
ÍNDICE DE FIGURAS
1 Arreglo experimental del método de reflexión 18 2 Arreglo experimental del método de refracción 21 3 Arreglo experimental del método de campo cercano 28 4 Diagrama a bloques del arreglo experimental para la
medición de las intensidades de luz en campo cercano
36
5 Diagrama de flujo del programa utilizado para la reconstrucción del índice de refracción a partir de la medida de la intensidad de distribución de campo cercano
6 Perfil de índice de refracción de la fibra óptica de prueba 1 con 50μm del radio del núcleo y con 1.5, 1.48 del índice de refracción del núcleo y del revestimiento respectivamente
48
7 Distribución de la Intensidad de Campo Cercano en la Fibra óptica multimodo de prueba.
43
8 Distribución de la Intensidad de Campo Cercano en la Fibra óptica multimodo de prueba.
50
9 Perfil de índice de refracción de la fibra óptica de prueba 1 con 50μm del radio del núcleo y con 1.5, 1.48 del índice de refracción del núcleo y del revestimiento respectivamente
55
10 Distribución de la Intensidad de Campo Cercano en la Fibra óptica multimodo de prueba 2, con 25μm del radio del núcleo y con 1.47, 1.46 del índice de refracción del núcleo y del revestimiento respectivamente
56
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1. Acoplamiento del láser con la fibra óptica 29 Fotografía 2. Fibra óptica fija, con referencia al ángulo 0° 30 Fotografía 3. Acoplamiento del láser con la fibra óptica 55 Fotografía 4. Acoplamiento de la fibra óptica y el lente de
microscópico
56
Fotografía 5. Acoplamiento del transmisor y del receptor 57 Fotografía 6. Movimiento horizontales del fotodiodo del centro
hacia la derecha en el campo cercano
58
Fotografía 7. Nuevamente se acopla el fotodiodo en el centro del campo cercano donde se registra la potencia mayor
59
Fotografía 8. Movimiento horizontales del fotodiodo del centro hacia la derecha en el campo cercano
60
Fotografía 9. Movimiento horizontales del fotodiodo del centro hacia la izquierda en el campo cercano
61
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Intensidades medidas de la posición 0 a -3.5cm 35 Tabla 2. Intensidades medidas de la posición 0 a +3.5cm 37 Tabla 3. Intensidades medidas del ángulo 0° a -50°, diodo
láser.
39
láser.
Tabla 5. Intensidades medidas del ángulo 0° a +50°, diodo láser.
41
ÍNDICE DE PROGRAMAS EN MATLAB
Programa para la reconstrucción del perfil del índice de refracción. 63 Programa para el cálculo teórico del perfil del índice de refracción 64 Calculo de la intensidad de campo cercano 65
En este trabajo se expone la reconstrucción del perfil del índice de refracción en las fibras ópticas usando el método de campo cercano así como la propuesta de la implementación de un laboratorio para el estudio de las características ópticas, geométricas y de transmisión necesarias para la caracterización de las fibras ópticas, aplicando diferentes técnicas.
El método de campo cercano esta basado en medir la intensidad de distribución de luz que sale del extremo de la fibra óptica.
La detección de la intensidad de distribución de luz que sale en el extremo de la fibra óptica se realiza con un fotodiodo InGaAs y un lente de microscopio para magnificar el área de exploración del campo cercano, los datos que proporciona el fotodiodo son procesados por el software CASSY®LAB.
Este sistema es eficiente en la reconstrucción del perfil del índice de refracción a través de la medida de la intensidad de distribución del campo cercano en el extremo de la fibra óptica, con una alta aproximación y con la característica de no ser una técnica destructiva.
This work shows the reconstruction of refractive index profile of optical fibers applying the near field technique, also, this work makes a propose about the creation of laboratory for optical fibers for studying their optical, geometric and transmission characteristics, applying different techniques.
This near field technique is based in the measured of irradiance distribution of light in the end face optical fiber.
The exploration of the irradiance distribution of light in the end face optical fiber is made by photodiode InGaAs and a microscopy lent for magnifying the exploration area in the near field, the data are processing by software CASSY®LAB.
The detection of distribution intensity in the end face of optical fiber is made by a photodiode InGaAs and also a microscopy lens for magnifying the exploration area in the near field, the data acquired are processed by CASSY®LAB software.
This system is efficient in the reconstruction of refractive index profile using the measure of irradiance distribution in the near field through the end face optical fiber, and have a high approximation and it’s not a destructive technique.
El desarrollo de un arreglo experimental basado en la técnica de campo cercano que permita la reconstrucción del perfil del índice de refracción de las fibras ópticas, permite determinar alteraciones en la misma y estudiar el rendimiento que la fibra óptica tendrá para ser implementado en las redes de telecomunicaciones.
La construcción de un arreglo experimental para la medición de la intensidad de distribución del campo cercano en diferentes fibras ópticas donde se emplean los instrumentos ópticos en conjunto con la electrónica programable da origen a un sistema práctico y funcional, donde se demuestra que puede ser implementado un laboratorio donde se realicen estudios de la fibra óptica, así como, permita la caracterización de este medio de transmisión y esta pueda ser empleada en los sistemas de telecomunicaciones asegurando una alta eficiencia en su desempeño.
Construcción de un arreglo experimental para medir la intensidad de distribución del campo cercano en fibras ópticas para determinar el perfil del índice de refracción y poder reconstruirlo por medio de la potencia calculada.
Proponer la implementación de un laboratorio para el estudio de fibras ópticas que permita a los estudiantes de Licenciatura y Posgrado de la ESIME Zacatenco realizar la construcción de este y otros arreglos experimentales para las diferentes técnicas, así como, el desarrollo de prácticas que permitan el estudio de las características ópticas, geométricas y de transmisión de las fibras ópticas.
Los métodos de medición del perfil del índice de refracción consisten en dos partes: un acoplamiento entre la fuente de luz para la excitación de la fibra óptica y un acoplamiento de la fibra óptica con el receptor junto con dispositivos electrónicos que realicen el procesamiento de detección de la intensidad de distribución en el extremo de salida de la fibra óptica.
La función esencial de los métodos para obtener el perfil del índice de refracción, es medir la intensidad de distribución de la luz y obtener las variaciones del índice de refracción con una alta aproximación sin ser destructivos y con un mínimo de errores sistemáticos.
En este trabajo se presenta el método de campo cercano para obtener la reconstrucción del perfil del índice de refracción en fibras ópticas de manera indirecta siendo una técnica no destructiva. Se utiliza equipo óptico que se tiene en el laboratorio de Física, el cual es utilizado para el desarrollo de prácticas de geometría óptica. Está técnica proporciona resultados de alta aproximación.
El conocimiento del perfil del índice de refracción permite calcular parámetros de transmisión de las fibras ópticas y sobre una base teórica determina las propiedades de geométricas.
Se han desarrollado varios métodos para la medición del perfil del índice de refracción. La exactitud del método, el equipo necesario para desarrollarlo y las aplicaciones son las que determinan el método adecuado para la medición.
Existen métodos que requieren la preparación de la fibra: cortarla, pulirla, limpiarla, introducirla en celdas con aceites o sustancias químicas, para realizar el acoplamiento con la fuente. En este trabajo no se realizó este procedimiento, se partió de una fibra óptica lista para ser implementada en un sistema de telecomunicaciones.
Se presenta la implementación del método del campo cercano para medir el perfil del índice de refracción en fibras ópticas multimodo y monomodo por medio de la medición de la intensidad de distribución de luz que sale en el extremo de la fibra óptica.
Una vez obtenidas las intensidades de la distribución de la luz se realiza el cálculo de la potencia para poder reconstruir el perfil del índice de refracción.
Se enfoco en el acoplamiento del extremo de la fibra óptica con el receptor óptico, aquí se realiza la alineación óptica con el fotodiodo para la exploración del campo cercano que requiere movimientos lineales para medir la intensidad de la distribución de la luz en el extremo de la fibra óptica en prueba.
Se implemento en el sistema un procesador (microcontrolador) con un motor a pasos que realiza los movimientos lineales del receptor, permitiendo obtener la distribución de las intensidades por medio del software CASSY®LAB para procesarlas después en algoritmos realizados en MATLAB para obtener la reconstrucción del perfil del índice de refracción.
CAPÍTULO I.
PERFIL DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN DE DIFERENTES FIBRAS ÓPTICAS
Y LA IMPORTANCIA DE SU MEDICIÓN PARA UNA ÓPTIMA
CARACTERIZACIÓN DEL MEDIO ÓPTICO
La caracterización del perfil del índice de refracción de las fibras ópticas es de fundamental importancia para la determinación de sus propiedades geométricas, ópticas y de transmisión. Las características, tales como el ancho de banda, las perdidas de señal y la eficiencia del acoplamiento se relacionan con el perfil del índice de refracción [1].
El índice de refracción también permite estudiar el proceso de fabricación de las fibras ópticas y para desarrollar los modelos de procesos analíticos adecuados, útiles para relacionar el proceso en si mismo con los parámetro ópticos.
1.2 CARACTERÍSTICAS QUE PROPORCIONA EL PERFIL DEL ÍNDICE DE
REFRACCIÓN
El perfil del índice de refracción es la variación gradual del índice de refracción sobre sección transversal de la fibra óptica, por lo que todo lo que acontece en la fibra se refleja en el perfil del índice de refracción. La dispersión modal, clasifica a las fibras ópticas en fibras de índice gradual y en fibras de índice escalonado [1],[2].
La propagación de los modos depende de la forma del perfil del índice de refracción, clasificando las fibras ópticas en monomodo, esto es, que solo un haz de luz se propaga a lo largo del eje de la fibra, y multimodo, que es cuando en la fibra óptica se propagan más de un modo. Existen fibras ópticas monomodo de índice escalonado y fibras multimodo de índice escalonado y de índice parabólico, [4], [5].
En las fibras ópticas multimodo el perfil del índice de refracción proporciona el ancho de banda, número de modos, pérdidas de señal por acoplamientos de la fuente con la fibra.
La variación del índice de refracción nos proporciona la dispersión modal que se produce por los diferentes modos de propagación que recorren distintas trayectorias en diferente tiempo, los rayos que recorren mayor camino lo hacen por la periferia del núcleo, la velocidad de propagación del modo en el medio dieléctrico depende del índice de refracción, si el índice de refracción es menor que en el centro se propagan con mayor velocidad, por lo tanto la mayor longitud de recorrido se compensa con la mayor velocidad.
Diferentes métodos se han desarrollado para medir el perfil del índice de refracción de las fibras ópticas. En general es difícil medir el perfil del índice de refracción debido a las dimensiones micrométricas de la fibra óptica, y las diferencias pequeñas del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento [3], [4]. Los diferentes métodos de definición que existen son los siguientes:
• Método de reflexión
• Método de refracción
• Método de interferómetro de bloques
• Método de campo cercano
1.3.1 MÉTODO DE REFLEXIÓN
Uno de los métodos más simples para obtener el perfil del índice de refracción es el método de reflexión, en el cual su principio físico de operación está basado en la reflectividad de una superficie dieléctrica que depende de la diferencia de los índices refractivos del medio alrededor, por ejemplo el aire y el vidrio de la fibra [14],[10].
En principio del método de reflexión es aplicable para fibras ópticas, sin embargo, la mayoría de las fibras ópticas sufren de tensiones internas y fragmentación durante la manufactura y la preparación de la fibra donde se le realizan cortes, por esta razón la aplicación es prácticamente limitada a las fibras ya preparadas con conectores.
Todos los métodos eléctricos requieren un digitalizador o un voltímetro digital si la información es para ser procesada directamente en una computadora. El problema común en todos los métodos es el requerimiento que distinga las fluctuaciones minuciosas de la luz reflejada. La técnica de procesamiento de señales digitales puede requerir un gran número de niveles de digitalización [6].
El contraste de la intensidad de luz reflejada puede ser realizado para emparejar parcialmente el índice de refracción del extremo de la fibra. Aunque es parcial el emparejar el índice reduciría la cantidad total de luz reflejada, las fluctuaciones relativas causadas por las variaciones del índice de refracción a través de la cara del extremo de la fibra serían aumentadas.
La reflexión del extremo de la fibra debe ser suprimida por inmersión en aceite para emparejar el índice de refracción y así evitar superposición de la luz falsa en la señal deseada. Otras fuentes sistemáticas de error son las superficies contaminadas con sustancias tales como grasas o agua adheridas a la cara del extremo de la fibra óptica. La reflexión de luz predomina en el sentido de una capa muy delgada de la superficie del material. Así, una película fina de agua puede distorsionar la medición del índice de refracción. Se requiere un gran cuidado para mantener limpia la superficie del vidrio. Es mejor utilizar un pedazo recientemente cortado de fibra óptica si es posible sumergido en aceité limpio que empareje el índice de refracción.
Por estos puntos comentados y otras complicaciones, el método de reflexión es inherentemente destructivo. El perfil del índice de la fibra no puede ser obtenido a menos que uno de los extremos de la fibra sea accesible. Si el índice es medido en diferentes puntos a lo largo de la misma fibra, ésta es averiada repetidamente.
En la Ec. (1.1) se muestra el cálculo del método de reflexión, el cual mide la diferencia del índice del núcleo n(r) menos el índice del revestimiento n2. La cantidad F=F(r) puede ser considerada como la cantidad de potencia reflejada de la región del núcleo si normalizamos la luz reflejada tal que la potencia reflejada del revestimiento es contada como la unidad, Pc=1.
(
)
(
)
(
) (
)
2 2
2 0
2
2 0 2 0
1
( ) n n F
n r n
n n n n F
− −
− =
En la Fig. 1, se muestra el arreglo experimental del método de reflexión. La luz del láser es modulada para realzar la señal por la detección sensible en el amplificador. La combinación del plato de λ/4 convierte la luz polarizada linealmente a polarización circular. La luz reflejada es polarizada con sentido opuesto a la rotación circular, pasando por el plato de λ/4 de regreso, se convierte a polarización lineal en un ángulo 0° para su orientación original, la luz pase a un foco y a través de un orificio pequeño logrando que la luz espacial sea filtrada, así poder enfocar posteriormente a un punto más agudo. Un segundo lente enfoca al rayo que es amplificado por pasar de una porción gruesa de la placa de vidrio como divisor del rayo. El rayo pasa a través de la placa de vidrio y es enfocado por un lente de microscopio, sobre el extremo de la fibra óptica. Una pequeña porción del rayo incidente es desviada a un detector de una celda solar y es usada para monitorear la estabilidad del láser. El otro extremo de la fibra es sumergido en un aceite que sirve para emparejar el índice de refracción para reducir la luz reflejada no deseada. La luz reflejada es dividida por la placa de vidrio gruesa. Una parte es enviada a la pantalla. El tamaño del punto observado en la pantalla es minimizado para ajustarse al punto enfocado en la fibra. El tamaño del punto minimizado en la pantalla indica que el rayo esperado de la luz enfocada es precisamente localizado en el extremo de la fibra óptica. La segunda parte de la luz reflejada es interceptada por un fotodiodo PIN en cual es amplificado.
Fig.1 Arreglo experimental del método de reflexión
El método de reflexión no tiene alta aproximación, además esta propenso a errores sistemático debido a que es muy sensible a la contaminación de la superficie del extremo de la fibra.
1.3.2 MÉTODO DE REFRACCIÓN
En el método de refracción, la luz es inyectada dentro de un extremo de la fibra, pero en lugar de detectar la cantidad de luz que es atrapada en el núcleo, la cantidad de luz que es desviada desde el núcleo es monitoreada. La refracción, dependiente del radio (fibra óptica), de los rayos de la luz entrando en la fibra a través de un extremo de la fibra y saliendo a través de la interfaz núcleo revestimiento, es el principio de operación del método de la refracción [7],[13].
entre el núcleo y el revestimiento se obtiene de la siguiente manera. Usando una relación para la intensidad de la potencia de luz radiada dentro de un elemento de ángulo sólido dΩ.
( )
(
)
( )
2 2 2 2 2
2 2 sin 'max sin ''min
cL d
cL P P r n r n n
P
θ θ −
− = − (1.2)
Obtenemos por integración la cantidad total de luz Pd(r) alcanzada por el detector. El límite superior θ’ es determinado por la apertura de entrada, mientras que θ’min es determinado indirectamente por la pantalla en el rayo de salida.
En este método se necesita la calibración, la Ec. (1.2) proporciona la expresión deseada para la diferencia del cuadrado del índice de refracción del núcleo y del revestimiento en términos de la potencia detectada Pd(r) cuando el rayo de entrada es enfocado sobre el núcleo, y PcL cuando el rayo de entrada es enfocado sobre el revestimiento. También se necesita conocer el ángulo máximo θ’max del rayo de entrada definido por la abertura de entrada, y el ángulo mínimo θ”min definido por la pantalla en el rayo de salida. Ambos ángulos son accesibles de medir, pero necesitan ser conocidos por alta exactitud desde la diferencia de los cuadrados de las dos funciones de seno que deben ser calculados. La diferencia de números de magnitud similar son difíciles de calcular con alta exactitud. Si es posible, es preferible determinar el factor de [Pd(r) - PcL ] / PcL por una medición calibrada. Es necesario utilizar la fibra de prueba con una fibra de vidrio plana de índice de refracción constante conocido para que tome el lugar de la fibra de prueba. La medición de la calibración, usada en una fibra plana con índice de refracción constante, solo proporciona una buena prueba para el funcionamiento apropiado del equipo de medición. Una muestra del perfil distorsionado es una indicación que el equipo no está trabajando correctamente. El arreglo de la fuente y el detector puede ser invertido.
En la Fig. 2, se observa el arreglo experimental del método de refracción en donde, el rayo del láser primero pasa a través de un plato de
reflejada y así mejorar la estabilidad y convertir la polarización lineal en polarización circular con esto se reduce la dependencia de la polarización y de la reflectividad de la interfaz vidrio-aire.
LASER
ACOPLAMIENTO ÓPTICO
AMPLIFICADOR INTERFAZ LENTE OBJETIVO MICROMETRO
ELECTRONICO
CÉLULA CON LIQUIDO
FOTODIODO LENTES CONVEXO
[image:22.612.175.473.136.447.2]Y BICONVEXO
Fig. 2 Arreglo experimental del método de refracción
Una vez convertida a polarización circular la luz del láser es enfocada sobre un orificio de aproximadamente 50 μm de diámetro con el fin de filtrar las contribuciones de salida de los modos del láser transversal indeseables de mayor orden. El rayo de luz es filtrado espacialmente puede ser enfocado en un punto más pequeño. El rayo de luz para a través de los lentes para proporcionar una iluminación uniforme cruzando la apertura del segundo lente el cual enfoca la luz dentro de la cara del extremo de la fibra óptica como la apertura numérica del segundo lente es mayor que la apertura numérica de la fibra óptica se asegura que parte de la luz será refractada fuera del núcleo de la fibra.
1.3.3 MÉTODO DE INTERFERÓMETRO DE BLOQUES
Este método requiere que se corte un bloque de fibra óptica. Además, las dos caras del bloque necesitan estar paralelas de modo que la preparación de la muestra tome considerable esfuerzo. Para que valga la pena, el método de bloque necesita ofrecer algo que otro método más simple no puede proporcionar. La recompensa especial ofrecida por el método de interferómetro de bloque es de alta precisión porque los métodos basados en interferómetro son intrínsecamente muy exactos. Además no hay necesidad de calibrarlo [9],[12].
Como todos los métodos descritos, el método de bloque requiere un microscopio. La precisión mas exacta puede ser alcanzada si se dispone de un microscopio de interferencia.
La operación principal de un microscopio de interferencia consiste de dos microscopios en paralelo que están perfectamente emparejados para proporcionar la misma longitud de trayectoria óptica. La luz incidente es dividida por un divisor de rayos, y por pasar a través de la muestra del bloque de la fibra y una muestra de referencia en la otra. Después se magnifican las dos imágenes que son combinadas por un segundo rayo divisor y son vistos con un ocular. Si son idénticos los objetos serán vistos o más simple todavía, si no se pone ningún objeto en las ramas del microscopio, el campo visto por el ocular puede ser uniformemente brillante u oscuro dependiendo de las fases relativas de las dos ondas de luz recombinadas. En caso de un cambio de fase relativo de 180° el campo de visión puede ser oscuro; puede ser luz si las dos ondas interfieren constructivamente. En este modo del ajuste perfecto, las mediciones pueden ser difícilmente tomadas. Por esta razón, los dos frentes de onda de la recombinación se inclinan levemente relativo el uno al otro. Esto causa regiones de interferencia constructiva y destructiva alternadas a través del campo de visión dando por resultado un patrón de luz paralelo y oscuro.
CAPÍTULO II
MÉTODO INDIRECTO DE MEDICIÓN DEL PERFIL DEL ÍNDICE DE
REFRACCIÓN UTILIZANDO EL MÉTODO DE CAMPO
CERCANO.
2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MÉTODO
El método seleccionado para medir de forma indirecta el perfil del índice de refracción es el método de campo cercano.
proporcional a la diferencia entre el índice de refracción del núcleo y el revestimiento n(r)-n2.
Las ventajas importantes de este método es que es de fácil implementación, no requiere equipo especial, se puede trabajar con cualquier fibra, no es necesario destruir la fibra, y es un método de alta aproximación [8].
2.2 TEORÍA DEL ARREGLO DEL MÉTODO DE CAMPO CERCANO
Tenemos que derivar las expresiones matemáticas necesarias para calcular la distribución del índice de refracción de la densidad de la potencia de luz del campo cercano en el extremo de la fibra. Se considera que la luz es lanzada dentro de un extremo de la fibra por una fuente de luz (2.1). La fuente emite una cantidad de potencia [4], [14].
0cos sin
dP=I θ θ θ φd d dxdy, (2.1)
de un elemento del área de la fuente dx dy dentro del elemento de ángulo sólido dΩ. El medio dieléctrico entre la fuente y la fibra es aire, el índice de refracción n0. En la entrada de la fibra el ángulo θ es cambiado por la refracción según la ley de Snell (2.2).
( )
0sin sin f
n θ =n r θ , (2.2)
esto es fácil de transformar (2.1) de adentro y afuera de la fibra escribiendo.
(
2)
(
( )
2) (
0
1
cos sin sin / 2 sin
2
)
2
f
d d n r n d
θ θ θ = θ = θ , (2.3)
El detector observa el campo cercano (en el extremo de la fibra) enfocado en un punto pequeño de esta extremo y recibe la luz escapada de todos los ángulos posibles. El ángulo máximo θc dentro de la fibra es limitado por el requerimiento de que solo los rayos atrapados alcancen el detector. De la distribución del índice de refracción del núcleo (2.4).
( ) cos f /
n r θ =β k =const, (2.4)
también es válido para cualquier rayo dado. En (2.4) β es la constante de propagación del modo correspondiente y k es la constante de propagación en el espacio libre. Un rayo atrapado debe tener β >n2k. El rayo limitado con β =n2k que es justo un corte, así como el ángulo máximo permitido en un punto dentro r dado en la relación (2.4)
2
( ) cos c
n r θ =n , (2.5)
donde n2 es el valor del índice del revestimiento. El ángulo de rayo maximo en un punto dado r es así obtenido como:
2
cosθc =n / ( )n r , (2.6)
La potencia Pd alcanza al detector de la pequeña área Ad (la cual depende de las condiciones de enfoque de la óptica del detector) en el radio r sigue:
( )
( )
(
)
( )
2 2 2 sin 0 22 0 0
0 2 2 0 2 2 0 sin , 2 . c d d f d
I A n r
P r d d
n I A
n r n n π θ φ θ π = ⎡ ⎤ = ⎣ − ⎦
∫
∫
(2.7)En (2.7) es claro que el detector registra la potencia proporcional en la diferencia del cuadrado del índice del núcleo en el punto de observación r menos el cuadrado del índice del revestimiento. La cantidad máxima de potencia Pm es recibida cuando el detector es enfocado en el radio en el cual ocurren los valores máximos del índice. Sin embargo, actualmente muchas fibras exhiben una depresión del índice central así que el índice maximo nm no necesariamente ocurre sobre el eje. En términos de la potencia máxima que puede ser recibida obtenemos (2.8).
( )
(
)
( )
2 2 2 2
2 m 2 d /
En muchos ejemplos de interés práctico la diferencia n(r)-n2 es pequeña, así que podemos escribir n2
( )
r −n22 =2n2⎣⎡n r( )
−n2⎤⎦m
Si esta
aproximación es aceptable, entonces:
( )
2(
m 2)
d( )
/n r −n = n −n P r P , (2.9)
La ecuación (2.8) o (2.9) permite determinar la diferencia el índice de refracción de la densidad de potencia de luz del campo cercano medido. Los medios para determinar nm–n2 son propuestos por (2.6), el cual da el ángulo máximo que un arreglo puede atrapar en un radio r en el núcleo de la fibra. Los valores posibles más grandes de este ángulo de rayo máximo θcm es alcanzado en el radio donde n(r) toma estos valores máximos nm . Para dejar la fibra, el ángulo es cambiado por una refracción
θm de acuerdo por la ley de Snell y la ecuación (2.6).
1 2 2 2 2 0 0
sin msin m 1
m mc
m
n n n
n n n
θ = θ = ⎛⎜ − ⎞⎟
⎝ ⎠ , (2.10)
Así, obtenemos la siguiente expresión para la deseada, hasta hora, diferencia del índice desconocido
2 2 2 2
2 0sin
m m
n −n =n θ , (2.11)
El ángulo θm puede ser medido en la radiación de campo lejano. Tan pronto como la luz escapa del extremo de la fibra forma un cono de iluminación cuya frontera angular es θm, este ángulo de campo lejano es modificado mediante difracción si el radio del núcleo de la fibra es pequeño. El método de campo cercano para medir la máxima diferencia del índice nm–n2 trabaja mejor en fibras cuyos diámetros de núcleo son más grandes que la longitud de onda de la luz.
En la Fig. 3, se muestran los diferentes componentes necesarios para realizar el arreglo experimental referido al método del campo cercano, la fibra óptica es excitada en uno de sus extremos con una fuente de luz, los lentes objetivos son utilizados para enfocar y alinear el rayo de luz que sale en el extremo de la fibra óptica con la pantalla y el receptor, se utiliza un amplificador para amplificar las intensidades medidas y se utiliza una interfaz para procesar estas intensidades en una PC.
Figura 3 Arreglo experimental del método de campo cercano.
Fig. 3 Arreglo experimental del método de campo cercano.
CAPÍTULO III.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA LA MEDICIÓN
INDIRECTA DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN EN DIFERENTES FIBRAS
ÓPTICAS APLICANDO LA TÉCNICA DE CAMPO CERCANO
3.1 COMPONENTES DEL ARREGLO EXPERIMENTAL.
Los componentes utilizados en el arreglo experimental, para aplicar los métodos de campo cercano para la medición de la intensidad de distribución en fibras ópticasb son los siguientes:
3. Motor a pasos.
4. Microcontrolador MC68HC11 5. Fotodiodo InGaAs
6. Software CASSY®LAB. 7. Amplificador Operacional. 8. Rieles ópticos necesarios. 9. Lentes Microscópicos.
10. Pantalla con orificio del tamaño de un alfiler. 11. Medidor de Potencia
3.2 CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA.
El desarrollo del trabajo se realizó de la siguiente forma:
a) Análisis de los métodos de medición de perfil del índice de refracción.
b) Selección del sistema de medición.
c) Diseño y construcción del sistema óptico.
d) Procesamiento de las intensidades entregadas por el receptor óptico.
e) Reconstrucción del perfil del índice de refracción.
f) Análisis de los resultados.
3.3. DIAGRAMA A BLOQUES DE LA MEDICIÓN DE LAS INTENSIDADES DE LA LUZ EN EL CAMPO CERCANO.
la fibra óptica en prueba. En arreglo se compone de una parte transmisora y una parte receptora como
FD: Fotodiodo FO: Fibra Óptica PO: Pantalla con orificio
MCHC11: Microcontrolador 68HC11
Amplificador,
motor a pasos y MCHC11
Fibra óptica de prueba
Cámara Obscura
PC
FD F.O
Fuentes de luz
PO
[image:32.612.89.551.126.315.2]CASSY LAB
Fig. 4 diagrama a bloques del arreglo experimental para la medición de las intensidades de luz en campo cercano
3.3.1 TRANSMISOR.
La parte del transmisor se compone de una fuente de luz junto con el acoplamiento a la fibra óptica. Se utilizó un diodo láser de 660nm de longitud de onda para excitar la fibra óptica, de la cual se estudiará el perfil del índice de refracción.
El acoplamiento de la fibra óptica con la fuente de luz debe de excitar a todos los modos de una pieza de fibra óptica.
La alineación del diodo láser se realiza sobre los rieles ópticos sin que la fibra óptica este colocada, esto con el fin de conocer la intensidad del diodo láser emitida y tener un punto de referencia con ayuda de un pantalla donde se refleja el punto de luz que proporciona el rayo láser.
óptica, tomando como referencia un aparato que permitirá realizar movimientos lineales milimétricos, siendo la referencia el centro en 0 y realiza desplazamientos de derecha a izquierda horizontalmente, y de arriba hacia abajo, verticalmente.
Ambos, el extremo de la fibra óptica en prueba y el fotodiodo tendrán la misma referencia.
Es necesario realizar los movimientos lineales para aplicar la técnica de campo cercano en rangos de ±3.5cm, que es la longitud donde el fotodiodo detectó las variaciones de la intensidad de distribución de salida en el extremo de la fibra óptica.
Las fibras ópticas seleccionadas para realizar la medición del perfil del índice de refracción son:
• Fibra óptica multimodo con un diámetro de núcleo de 50μm
• Fibra óptica multimodo con un diámetro de núcleo de 25μm
En la Foto 1 se muestra una parte del receptor, donde se ve claramente el aparato micrométrico que ayudara a realizar movimientos lineales para el alineamiento del receptor con el extremo de la fibra.
3.3.2 RECEPTOR.
El receptor se compone de un fotodiodo junto con una placa la cual contiene un orificio de tamaño micrométrico, por donde pasará la luz del extremo de la fibra, ambos montados en una base con movimientos milimétricos y lentes microscópicos.
El receptor explora el campo cercano que proporciona el extremo de la fibra óptica registrando la intensidad de distribución de la luz de un punto muy estrecho que es filtrado por un plato con orificio enfrente del fotodiodo.
La exploración del campo cercano se realiza en un área muy pequeña y muy cerca de la salida del extremo de la fibra óptica. Para poder trabaja en estas condiciones se utilizaron los lentes microscópicos, primero para alinear la mancha de luz que sale del extremo de la fibra con la pantalla con orificio y el fotodiodo y después para explorar el área del campo cercano.
El alineamiento del receptor con el acoplamiento de la fibra óptica y el láser se realiza primero sin el receptor, en lugar del receptor se coloca una pantalla para identificar donde esta situada la mancha de luz que proporciona el extremo de la fibra óptica, esto es a que altura se debe colocar los componentes del receptor.
La medición de la potencia de salida del extremo de la fibra óptica se realiza primero sin receptor con un medidor de potencia asiendo los ajustes necesarios para encontrar la potencia máxima. Se coloca la pantalla con orificio y se mide la potencia para no perder el punto máximo. Se coloca el fotodiodo y se mide la potencia asegurándose estar en el punto máximo.
Una vez alineado y en el punto máximo se empieza explorar el campo cercano. La pantalla con orificio que se coloca enfrente del fotodiodo filtra las contribuciones de los modos del láser transversales de mayor orden, de esta manera es mas fácil enfocar el rayo de luz en el fotodiodo par la exploración del campo cercano.
campo son muy pequeños. Los movimientos del receptor se realizan por medio de un motor a pasos controlado por un microcontrolador MC68HC11. Los resultados de las intensidades medidas se muestran en Tabla 1. Intensidades medidas de la posición 0 a -3.5cm
Es necesario regresar al punto cero donde la intensidad es máxima y sin perder la alineación óptica.
La segunda etapa de exploración del campo cercano se realiza del punto máximo con movimientos lineales de 0.1mm hacia la izquierda hasta donde los valores de la intensidad del campo cercano son pequeños. Los resultados de las intensidades medidas se muestran en Tabla 2. Intensidades medidas de la posición 0 a +3.5cm.
Una característica importante, es que el fotodiodo es colocado a una distancia de 5 a 6μm a la salida de la fibra óptica. Esto se logra con la ayuda de lentes de microscopio para poder trabajar a esta distancia.
Un amplificador operacional, es conectado al fotodiodo, con la finalidad de amplificar las intensidades detectadas por el mismo, a su vez, se requiere conectar una interfaz del amplificador operacional a una PC para procesar los datos.
La interfaz utilizada es un programa de nombre CASSY®LAB, es un software que permite trabajar con óptica geométrica, se compone de varias interfaces, en especial la interfaz utilizada en este caso, es una interfaz que permite conectar, por medio del puerto serial, el amplificador operacional a la PC, con la finalidad de capturar los datos de la intensidad medidas que detecta el fotodiodo y después hacer los procesos necesarios para obtener la distribución emitida del campo cercano y así determinar calcular la potencia y realizar la reconstrucción del perfil del índice de refracción de la fibra óptica en prueba.
En la Foto 2, se muestra de manera general el desarrollo experimental implementado.
Foto 2. Arreglo experimental general
CAPÍTULO IV.
4. DIAGRAMA A BLOQUES DE LA MEDICIÓN DE LAS INTENSIDADES DE LA LUZ EN EL CAMPO CERCANO.
La “Fig. 4”, muestra el diagrama a bloques del equipo que será implementado para aplicar el método de campo cercano en la medición de intensidad de la distribución de la luz que se entrega en el extremo de la fibra óptica en prueba. En arreglo se compone de una parte transmisora y una parte receptora como
FD: Fotodiodo FO: Fibra Óptica PO: Pantalla con orificio
MCHC11: Microcontrolador 68HC11
Amplificador,
motor a pasos y MCHC11
Fibra óptica de prueba
Cámara Obscura
PC
FD F.O
Fuentes de luz
Fig. 4 diagrama a bloques del arreglo experimental para la medición de las intensidades de lus en campo cecano
4.1 MEDICIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN DE LA INTENSIDAD DE LA LUZ DEL
CAMPO CERCANO.
El principal reto de este trabajo es poder explorar el campo cercano, se asume que todos los modos guiados de una fibra óptica multimodo son excitados de la misma forma, de esta manera podemos conocer la distribución de la intensidad que permite determinar la distribución de potencia del campo cercano P(r) que nos indica la variación de la potencia óptica con la distancia radial. La meta principal del presente trabajo, es estudiar la radiación del campo cercano emitida en el extremo de una fibra monomodo.
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
a n n
a n r n P r
P 2 2
2 2
0 0
− −
= , (4.1)
El diámetro del núcleo en fibras ópticas momomodo es 5μm y del revestimiento 75 μm. El diámetro del núcleo en fibras ópticas multimodo es 50 μm y del revestimiento es de 125 μm.
( )
( )
r a a r f n rn ⎥ 〈
⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Δ −
= 2 0 1 2 ;
2
, (4.2)
La distribución de potencia del campo cercano es:
( )
( )
⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = a r f P r P 10 , (4.3)
Podemos estimar el perfil descrito por la función que depende del núcleo del radio y de la distancia radial se obtendrá la distribución de potencia óptica del campo cercano
La resolución de la medida es principalmente limitada por la apertura numérica de la fibra óptica NA. El límite de la resolución es acotado por el diámetro del lente que se coloca en la salida de la fibra
NA D
f r
λ λ 0.61
22 .
1 =
=
Δ , (4.4)
De la potencia radial obtenida se puede calcular el perfil del índice de refracción al invertir la ecuación de onda escalar. Así la distribución radial del campo modal R(r) satisface dicha ecuación:
( )
[
2 2]
02 0 2 2 = − +
+ k n r n R
dr dR r l dr R d
eff , (4.5)
donde está el índice neff eficaz del modo ( =B/k0) y k=2 es la longitud de onda del espacio libre . La distribución de potencia modal P(r) es:
( )
r KR( )
rP = 2 , (4.6)
donde K es una constante de proporcionalidad. En términos de P(r), la ecuación de onda escalar se puede modificar a
( )
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = dr dP r P dr dP dr P d P P n r n eff 2 2 4 2 2 2 2 0 2 2 π λDe esta manera una obtención exacta de P(r) puede conducir a una obtención del perfil del índice de refracción n2 (r) .
Las precauciones que se tomaron en cuenta antes de realizar las mediciones y evitar errores en las mismas, son las siguientes:
Tanto en el área del transmisor como en el área del receptor, los rieles ópticos utilizados deberán estar perfectamente fijos y alineados.
Los instrumentos ópticos, en donde se fijaron tanto el extremo de la fibra óptica como el fotodiodo, también deberán de estar perfectamente fijos para evitar cualquier movimiento que provocara un desajuste en las alineaciones previamente hechas.
En el extremo del receptor, los elementos deberían de meterse en una caja obscura, para evitar que el fotodiodo detectara fuentes de luz externas al experimento.
Las mediciones se iniciaron una vez acoplada la fuente de luz con la fibra óptica y está a su vez alineada a los elementos del receptor.
4.1.1 PRIMERA ETAPA DE LA MEDICIÓN DE LA INTENSIDAD DE DISTRIBUCIÓN
DE LA FIBRA ÓPTICA APLICANDO LA TÉCNICA DE CAMPO CERCANO
El motor a pasos, inició sus movimientos desde la posición 0 con movimientos lineales en las coordenadas espaciales en el x y y con incrementos de 0.1 mm. El motor a pasos se diseñó, para que en cada paso se detuviera un intervalo de tiempo de alrededor de 1seg, suficiente para registrar la intensidad en cada punto. Las primeras mediciones que se realizaron fueron de 0 a 3.5 cm, después de 0 a -3.5 cm.
Una vez detectada cada intensidad con el fotodiodo, los datos se fueron registrando y guardando en la PC, gracias a la interfaz de CASSY LAB utilizado.
FIBRA 1 MULTIMODO a=50μM; n1=1.5; n2=1.48
FIBRA 2 MULTIMODO a=25μM; n1=1.47; n2=1.46
DISTANCIA INTENSIDAD DISTANCIA INTENSIDAD -3.5 22.493 -3.5 21.603 -3.4 22.493 -3.4 21.604 -3.3 22.494 -3.3 21.604 -3.2 22.494 -3.2 21.604 -3.1 22.494 -3.1 21.604 -3.0 22.495 -3.0 21.605 -2.9 22.495 -2.9 21.605 -2.8 22.495 -2.8 21.605 -2.7 22.496 -2.7 21.606 -2.6 22.496 -2.6 21.606 -2.5 22.496 -2.5 21.606 -2.4 22.497 -2.4 21.606 -2.3 22.497 -2.3 21.607 -2.2 22.497 -2.2 21.607 -2.1 22.498 -2.1 21.607 -2.0 22.498 -2.0 21.607 -1.9 22.498 -1.9 21.607 -1.8 22.498 -1.8 21.607 -1.7 22.498 -1.7 21.608 -1.6 22.499 -1.6 21.608 -1.5 22.499 -1.5 21.608 -1.4 22.499 -1.4 21.608 -1.3 22.499 -1.3 21.608 -1.2 22.499 -1.2 21.608 -1.1 22.499 -1.1 21.608
-1.0 22.5 -1.0 21.608
-0.9 22.5 -0.9 21.609
-0.8 22.5 -0.8 21.609
-0.7 22.5 -0.7 21.609
-0.6 22.5 -0.6 21.609
-0.5 22.5 -0.5 21.609
-0.4 22.5 -0.4 21.609
-0.3 22.5 -0.3 21.609
-0.2 22.5 -0.2 21.609
-0.1 22.5 -0.1 21.609
[image:41.612.85.521.49.662.2]0 22.5 0 21.609
Como se puede observar en los datos mostrados en la Tabla. 1, la mayor intensidad detectada fue en el ángulo en la posición 0.
Antes de continuar a la segunda etapa de medición, el microcontrolador se restauró, para volver alinear el fotodiodo respecto al eje de la fibra, como originalmente se iniciaron las primeras medidas. Una vez realizado esto, se procedió a las mediciones de la segunda etapa.
4.1.2 SEGUNDA ETAPA DE LA MEDICIÓN DE LA INTENSIDAD DE DISTRIBUCIÓN
DE LA FIBRA ÓPTICA APLICANDO LA TÉCNICA DE CAMPO CERCANO
El motor a pasos, inició nuevamente sus movimientos en la posición 0 ahora hacia +3.5 con los mismos incrementos de 0.1 mm.
Una vez detectada cada intensidad con el fotodiodo, los datos se fueron registrando y guardando en la PC, gracias a la interfaz de CASSY LAB utilizado. Las intensidades registradas, se muestran en la Tabla 2.
FIBRA 1 MULTIMODO a=50μM; n1=1.5; n2=1.48
FIBRA 2 MULTIMODO a=25μM; n1=1.47; n2=1.46
1.7 22.498 1.7 21.608 1.6 22.498 1.6 21.608 1.5 22.499 1.5 21.608 1.4 22.499 1.4 21.608 1.3 22.499 1.3 21.608 1.2 22.499 1.2 21.608 1.1 22.499 1.1 21.608 1.0 22.499 1.0 21.609
0.9 22.5 0.9 21.609
0.8 22.5 0.8 21.609
0.7 22.5 0.7 21.609
0.6 22.5 0.6 21.609
0.5 22.5 0.5 21.609
0.4 22.5 0.4 21.609
0.3 22.5 0.3 21.609
0.2 22.5 0.2 21.609
0.1 22.5 0.1 21.609
[image:43.612.92.519.48.355.2]0 22.5 0 21.609
Tabla 2. Intensidades medidas de la posición 0 a +3.5cm
Hasta aquí, las mediciones se realizaron sin ningún problema, como se puede observar en las tablas de las mediciones reportadas la intensidad máxima se encuentra en la posición cero que nos indica el centro del núcleo de la fibra donde la intensidad es la máxima, y la lectura de las otras intensidades corresponden a lo esperado.
4.1.3 PRIMERA ETAPA DE LA MEDICIÓN DE LA INTENSIDAD DE DISTRIBUCIÓN
DEL DIODO LÁSER APLICANDO LA TÉCNICA DE CAMPO CERCANO.
Una vez obtenidos los datos proporcionados por la fibra óptica de prueba, es necesario tener los datos de las intensidades del diodo láser.
El diodo láser se fijó en el mismo lugar donde se fijó la fibra óptica para la exploración del campo lejano, el funcionamiento del fotodiodo es el mismo que para la exploración del campo lejano con movimientos angulares con incrementos de cada paso de 1° de 90° que es la posición donde la intensidad del campo es máxima hasta 50°.
-5 61.4 -4 62 -3 62.5 -2 62.8 -1 63.4 0 64.5
Tabla 3. Intensidades medidas del ángulo 0° a -50°, diodo láser.
4.1.4 SEGUNDA ETAPA DE LA MEDICIÓN DE LA INTENSIDAD DE DISTRIBUCIÓN
DEL DIODO LÁSER APLICANDO LA TÉCNICA DE CAMPO LEJANO.
20 37.3 21 35 22 32.6 23 31.4 24 29.8 25 27.6 26 25.6 27 23.5 28 21.7 29 20 30 19.2 31 16.1 32 14 33 12.7 34 11.6 35 10.4 36 8.2 37 8.2 38 6.6 39 5.6 40 4 41 3.3 42 2.1 43 1 44 0.7 45 0.5 46 0.4 47 0.3 48 0.3 49 0.2 50 0.1
CAPÍTULO V.
PROCESAMIENTO DE LOS DATOS OBTENIDOS DE LA MEDICIÓN DEL
PERFIL DE ÍNDICE DE REFRACCIÓN CON DIFERENTES FIBRAS
5.1 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS MEDIDOS EN LA FIBRA ÓPTICA MULTIMODO, APLICANDO EL MÉTODO DE CAMPO CERCANO.
La aplicación de la técnica de campo cercano en la fibra óptica multimodo significa, estudiar la intensidad de luz del rayo emitido en una fibra multimodo a una distancia de 6μm a 10μm.
La respuesta esperada es, obtener la distribución de la intensidad de la potencia óptica.
Los datos obtenidos fueron procesados en programas realizados en MatLab, en estos algoritmos se programaron las fórmulas sugeridas por la técnica de campo cercano.
La intensidad de radiación emitida por el extremo de la fibra óptica en prueba, una vez aplicado el algoritmo, se obtuvieron los resultados siguientes.
En la Fig. 5, se muestra el diagrama de flujo del programa utilizado para la reconstrucción del índice de refracción a partir de la medida de la intensidad de distribución en campo cercano.
INICIO
INTENSIDADES
Fig. 5 Diagrama de flujo del programa utilizado para la reconstrucción del índice de refracción a partir de la medida de la intensidad de distribución en campo cercano.
5.1.1 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS PROPORCIONADOS POR LA FIBRA MULTIMODO EN PRUEBA.
En la Fig. 6, se muestra el perfil del índice de refracción de la primera fibra analizada, en la parte superior (gráfica roja), se muestra el perfil reconstruido a partir del método de campo cercano. En la parte inferior (gráfica azul), se muestra el perfil del índice de refracción calculado con los datos que proporciona el fabricante.
Δ
n
Fig. 6 Perfil de índice de refracción de la fibra óptica de prueba 1 con 50μm del radio del núcleo y con 1.5, 1.48 del índice de refracción del núcleo y del revestimiento respectivamente
5.1.2 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS PROPORCIONADOS POR LA SEGUNDA FIBRA MULTIMODO EN PRUEBA.
En la Fig. 7, se muestra el perfil del índice de refracción de la segunda fibra analizada, en la parte superior, se muestra el perfil reconstruido a partir del método de campo cercano. En la parte inferior, se muestra el perfil del índice de refracción calculado con los datos que proporciona el fabricante.
Δ
n
Fig. 7 Distribución de la Intensidad de Campo Cercano en la Fibra óptica multimodo de prueba.
5.1.3 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS PROPORCIONADOS POR LA EL DIODO LÁSER.
Fig. 8 Distribución de la Intensidad de Campo Cercano en la Fibra óptica multimodo de prueba
5.2 ANALISIS DE LOS ERRORES
Existen varios errores que se pueden presentase durante el desarrollo del presente trabajo que provocan perdida de potencia óptica.
• Error teórico en el perfil del índice de refracción calculado
• Error debido al intervalo de muestreo
• Error debido al ajuste erróneo del punto cero
Error teórico en el perfil del índice de refracción calculado
El cálculo del perfil del índice de refracción teórico considera el acoplamiento perfecto entre la fuente óptica y la fibra óptica de tal forma que todos los modos de propagación son excitados de la misma forma, que la fibra óptica cuenta con un núcleo uniforme y en el centro, un acoplamiento perfecto con el receptor óptico
Error debido al intervalo de muestreo
El factor de seguridad del intervalo de muestro debe ser determinado por la sensibilidad del receptor óptico de poder medir los cambios de la potencia óptica en el campo cercano.
Error en la resolución espacial
La medición del campo cercano es complicada debido a la pequeña área en la que se tiene que trabajar es demasiado cerca del extremo de la fibra óptica del orden de micrómetros, es necesaria el uso de lentes microscópicos para poder hacer la medición del campo cercano.
Error debido al ajuste erróneo del punto cero
CAPÍTULO VI.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
6.1 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS DEL PERFIL DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN CALCULADO Y EL RECONSTRUIDO POR EL METODO DE CAMPO CERCANO
Las condiciones en el sistema son determinadas por verificar las muestras obtenidas en las mediciones, realizando varias mediciones en las dos fibras utilizadas.
La reconstrucción del perfil del índice de refracción se basa en el cálculo de la potencia óptica por medio de las mediciones realizadas por el sistema óptica implementado, la exactitud depende de estas mediciones y del cálculo hecho. Con estas mediciones se realiza una comparación con el perfil calculado de las fibras ópticas con los parámetros proporcionados por el fabricante y confirmados con nuestras mediciones, y se puede determinar que el método utilizado es eficiente y de alta aproximación.
El modo de propagación del campo cercano es medido con un arreglo en el receptor óptico que considera los modos de propagación excitados de la misma forma y nulifica los modos agujerados por medio de un enmascaramiento del fotodiodo. El patrón del campo cercano es magnificado por un lente de microscópico. La fuente de luz es un láser He-Ne que opera a una longitud de onda de 0.660 nm.
Fig. 9 Perfil de índice de refracción de la fibra óptica de prueba 1 con 50μm del radio del núcleo y con 1.5, 1.48 del índice de refracción del núcleo y del revestimiento respectivamente
Fig. 10 Distribución de la Intensidad de Campo Cercano
en la Fibra óptica multimodo de prueba 2, con 25μm del radio del núcleo y con 1.47, 1.46 del índice de refracción del núcleo y del revestimiento respectivamente
6.2 PROPUESTA DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO ESPECIAL PARA CARACTERIZACIÓN DE FIBRAS ÓPTICAS
las características ópticas, las características geométricas y las características de transmisión.
La implementación del laboratorio requiere elaborar prácticas, para ellos es necesario contar con material de óptica geométrica e implementar aparatos que permitan las mediciones.
Se propone implementar el laboratorio en el área de investigación de posgrado, ya que no cuenta con un laboratorio para el estudio de las fibras ópticas y es necesario para poder realizar trabajos de investigación.
6.3 MATERIAL REQUERIDO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL LABORATORIO
Es necesario un espacio de aproximadamente 6*6 mts2 con mesas acondiciones con tomas de corriente, aparatos de medición, El laboratorio de contar con un cuarto oscuro donde se pueda realizar mediciones.
MATERIAL PARA REALIZA LAS PRACTICAS
• Rieles ópticos.
• Lentes ópticos.
• Filtros ópticos.
• Cámara de CCD especiales para fibras ópticas.
• Espejos especiales para óptica ( reflectores, parabólicos, de bola, media bola, etc.)
• Microscopios electrónicos.
• Lentes de microscopios de diferente Apertura Numérica.
• Pantallas blancas.
• Pantallas con orificios.
• Pantallas con ranuras.
• Elementos micrométricos, milimétricos ópticos para realizar movimientos suaves y precisos.
• Fuentes de luz, diodo láser, láser rojo (cada uno opera con diferentes longitudes de onda), lámpara de alógeno, etc.
• Fotodiodos.
MATERIAL DE ELECTRÓNICA
Son necesarios en las prácticas que requieran una actividad especifica para realizar o diseñar método de medición.
• Osciloscopios.
• Amperímetros.
• Voltímetros.
• Generadores de señales.
• Medidores de potencial.
• Puntas para realizar conexiones.
• Protobord.
MATERIAL ESPECIAL PARA FIBRAS ÓPTICAS
• Fibras ópticas monomodo
• Fibras ópticas multimodo
• Fibras ópticas de diferentes fabricantes
• Fibras ópticas de diferentes longitudes
• Fibras ópticas con conectores
• Conectores para fibras ópticas
• Kits de limpieza para fibras ópticas
• Conectores para fibras ópticas
• Analizador de señales para fibras ópticas.
Este material es necesario para poder estudiar fibras ópticas. Es el material que utilizamos para la realización de este trabajo aproximadamente y que se pudo identificar que era necesario.
En ocasiones es necesario implementar un soporte para las fibras ópticas o el fotodiodo o la pantalla, así como hacer en forma automática movimientos lineales o circulares que requieren implementar circuitos integrados, realizar programas en lenguaje ensamblador por lo que también se hace necesario computadores.
6.4 PRÁCTICAS PROPUESTAS PARA EL LABORATORIO DE FIBRAS ÓPTICAS.
En este laboratorio se pueden desarrollar las siguientes prácticas.
1. Atenuación en fibras ópticas monomodo y multimodo.
3. Índice de refracción en la interfase núcleo revestimiento en fibras ópticas monomodo y multimodo.
4. Dispersión en fibras ópticas monomodo y multimodo.
5. Corte de longitud de onda en fibras ópticas monomodo y multimodo.
6. Dispersión cromática en fibras ópticas monomodo y multimodo.
También se pueden desarrollar la implementación de técnicas especificas, que requieren de equipo y conocimientos especializados en fibras ópticas como:
1. Método de refracción aplicado para la medición del perfil del índice de refracción de las fibras ópticas.
2. Método de reflexión aplicado para la medición del perfil del índice de refracción de las fibras ópticas.
3. Método de refracción aplicado para la medición del perfil del índice de refracción de las fibras ópticas.
4. Método de interferómetro de bloques aplicado para la medición del perfil del índice de refracción de las fibras ópticas.
5. Método del campo cercano para la medición del diámetro de campo modal.
6. Método de desplazamiento para la medición del diámetro de campo modal.
7. Método de apertura variable para la medición del diámetro de campo modal.
8. Método de apertura variable en el campo lejano para la medición del diámetro de campo modal.
CONCLUSIONES.
El método permite reconstruir el perfil del índice de refracción de una forma indirecta pues es necesario calcular la potencia óptica para poder obtenerlo.
El método del campo cercano puede ser mejorado superando las dificultades que encontramos en la realización de este trabajo.
Una de las dificultades que encontramos es, obtener dispositivos que sujetarán y permitieran el movimiento micrométrico para poder acoplar el láser con la fibra óptica, acoplamiento del transmisor con el receptor que se compone de la pantalla con orificio y el fotodiodo.
Los elementos utilizados en la implementación del arreglo experimental fueron adaptados con un propósito específico y provoco retraso en el trabajo, así como, diferentes pruebas en las mediciones de las intensidades de la distribución de la luz.
El trabajo se podría realizar en diferentes fibras sin conectores, si se contara con equipo especial que permitiera cortarla, limpiarla, y colocarla diferentes conectores que permitan instalar diferentes fuente de luz y así poder obtener más información de las fibras ópticas
Este método no requiere ninguna preparación de la fibra óptica, es necesario que la fibra óptica ya cuente con sus conectores, esto implica que la fibra no es destruida pero, limita la aplicación a solo fibras con conectores.
BIBLIOGRAFÍA
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11.Comparision of refractive index measuments of optical fibres by three methods, K.W. Raine, J.G. Baines, R.J. King, IEEE Proceedings, Vol. 135, Pt. J, No. 3, June 1988.
12.Refracted near-field measurements of refractive index and geometry of silica on silicon integrated optical waveguides,Philippe Oberson, Bernard Gisin, Bruno Hetter, and Nicolar Gisin. Appled Optics, Vol. 37, No. 31, 1 November 1988.
13.Nondestructive measurement of refractive index profile for holey fiber performs, Yucheng Zhao, Katja Lyytikaimen, Martijn A. van Eijkelenborg, Simon Fleming, Optics Express 2474, Vol. 11, No. 20, 6 October 2003.
APÉNDICE I
La “Foto 3” muestra el acoplamiento del transmisor que es el acoplamiento del láser con la fibra óptica.
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Foto 3 Acoplamiento del láser con la fibra óptica
1.- Transmisor
Consiste en el acoplamiento del láser con la fibra óptica colocada en un soporte colocado en un riel óptico.
2.- Acoplamiento de la fibra óptica con el orificio de una pantalla para su alineación con el fotodiodo.
4.- Fuente de voltaje para el amplificador.
5.- Amplificador operación utilizado.
Foto 2, se muestra el acoplamiento del orificio de la pantalla y el fotodiodo, para su alineación y exploración del campo cercano.
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Foto 4 Acoplamiento De La Fibra Óptica y el receptor
1.- Acoplamiento del láser con la fibra.
2.- acoplamiento de la fibra con el receptor. 3.- Riel óptico.
La Foto 5, muestra la exploración del campo cercano hacía el lado izquierdo, partiendo del punto máximo de intensidad.
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Foto 5 Exploración del campo cercano.
1.- Acoplamiento del transmisor.
2.- Exploración del campo cercano hacia el lado izquierdo.
La Foto 6, muestra la exploración del campo cercano hacía el lado derecho, partiendo del punto máximo de intensidad. Nuevamente se tiene que alinear el receptor óptico al punto máximo de la intensidad proporcionada en el extremo.
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Foto 6 Movimientos Horizontales Del Fotodiodo Del Centro Hacia La Derecha En El Campo Cercano
1.-Acoplamiento del transmisor.
2.-Exploración del campo cercano hacia el lado derecho.
La Foto 7, se muestra el esquema general del arreglo experimental construido para la implementación de método de campo cercano.
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Foto 7 Arreglo experimental general
1.- Transmisor.
2.- Acoplamiento del transmisor con el receptor. 3.- Amplificador.
4.- Microcontrolador MC68HC11 con motor a pasos. 5.- Interfaz CASSY®LAB.
APENDICE 2.
