PROGRAMA DE POSGRADO EN CIENCIAS EN ÓPTICA CON ORIENTACIÓN
EN OPTOELECTRÓNICA
Multiplexores de fibra óptica para tecnología WDM en
comunicaciones ópticas
TESIS
que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtener el grado de
DOCTOR EN CIENCIAS
Presenta:
MARCO ANTONIO FÉLIX LOZANO
MULTIPLEXORES DE FIBRA ÓPTICA PARA TECNOLOGÍA WDM EN COMUNICACIONES ÓPTICAS
Resumen aprobado por:
___________________________ Dr. David Salazar Miranda
Director de Tesis
En este trabajo se presenta el estudio teórico y experimental de multiplexores y demultiplexores compuestos por acopladores de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas, con enfoque particular en obtener dispositivos multiplexores/demultiplexores que puedan cubrir un amplio rango de operación para diferentes sistemas WDM y DWDM.
Se proponen dos tipos de dispositivos distintos: acopladores individuales diseñados para tener selectividad en longitud de onda, y dispositivos interferométricos tipo Mach-Zehnder compuestos por dos acopladores simétricos. Se realizaron estudios teóricos y experimentales sobre estos dos dispositivos, los cuales comprenden análisis teórico de funcionamiento, identificación de parámetros que dependen de la longitud de onda durante el proceso de fabricación, desarrollo de métodos y sistemas para fabricación, y caracterización de ambos tipos de dispositivos fabricados. Se inició trabajando con acopladores de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas, pero éstos presentaron limitantes para separación de longitudes de onda con 4 nm o menor diferencia. Por este motivo, se optó por utilizar interferómetros Mach-Zehnder de fibra óptica, con los que además de haber superado estas limitantes tecnológicas al obtener una separación de longitudes de onda con diferencia de 0.08 nm, se supera la capacidad actual para multiplexión y demultiplexión en sistemas DWDM (~0.2 nm).
Para entender y poder explicar de una mejor manera el comportamiento WDM de ambos dispositivos, fue necesario realizar un estudio teórico y experimental sobre el comportamiento de la luz que se propaga a través de las fibras ópticas adelgazadas que componen los dispositivos fabricados.
En lo que respecta a las aportaciones tecnológicas de este trabajo realizado, se presenta el desarrollo de un sistema para fabricar acopladores, el cual se basa en trabajos previos realizados por el grupo de óptica integrada de CICESE, agregando nuevas ideas para mejorar el proceso de fabricación de acopladores. Además se obtuvieron ecuaciones para determinar la separación de longitud de onda para ambos dispositivos, basadas en datos experimentales del proceso de fabricación de ambos dispositivos, las cuales ofrecen gran ayuda para el diseño de multiplexores/demultiplexores.
OPTICAL FIBER MULTIPLEXERS FOR WDM TECHNOLOGY IN OPTICAL COMMUNICATIONS
Abstract approved by:
___________________________
Dr. David Salazar Miranda
Thesis Director
In this work, a theoretical and experimental study of multiplexers and demultiplexers composed by fused bitapered fiber optic couplers is presented, with a particular focus on obtaining multiplexer/demultiplexer devices that can cover a wide range of operation for different WDM and DWMD systems.
Two types of devices are presented: wavelength selective designed couplers and Mach-Zehnder interferometric devices composed by two symmetrical couplers. Theoretical and experimental studies on these devices were made, in which the following are included: theoretical operation analysis, identification of wavelength dependent parameters during the fabrication process, development of fabrication methods and systems, and spectral characterization setups for both devices. We began working with fused bitapered fiber optic couplers, but these devices presented limitations for separating two wavelengths with 4 nm or narrower difference. For this reason, we decided to use all fiber Mach-Zehnder interferometers, which besides overriding the technological problem found in couplers by separating two wavelengths with 0.08 nm difference, they surpass the capacity of the currently narrower wavelength separation DWDM systems (0.2 nm).
In order to understand and explain in the best possible manner the WDM behavior of both devices, it was necessary to theoretically and experimentally study the propagation of light through the tapered optical fibers that compose the fabricated couplers.
With respect to the technological knowledge provided by this work, the development of a fused bitapered fiber optic couplers fabrication system is presented, which is based on previous work done by the Integrated Optics group at CICESE, adding new ideas to improve the couplers fabrication method. Besides this, equations that determine the wavelength separation capacity of both devices were obtained, based on the fabrication process experimental data. These equations provide great help for multiplexers and demultiplexers design.
A mis padres Margarito Félix Soto y María Isabel Lozano por su apoyo incondicional durante todo el doctorado. El grado obtenido fue gracias a ustedes y es para ustedes.
A mis hermanos Alberto y Andrés por su apoyo y por siempre haber estado al pendiente de mi doctorado.
A mi novia Diana por su apoyo y comprensión durante mi ausencia por motivo del doctorado.
Al Dr. David Salazar por haberme aceptado como su tesista, por su gran apoyo brindado durante toda la tesis en la dirección de la misma, por tener confianza en mi forma de trabajar durante la tesis, y por su enorme paciencia en los momentos difíciles de la tesis.
Al Dr. Heriberto Márquez por haber sido un gran tutor durante toda la tesis, por su gran apoyo moral cuando no salían las cosas, y por sus sugerencias en la parte experimental de la tesis, las cuales fueron indispensables para la realización de la misma.
A los miembros de mi comité de tesis, Dr. Alfonso García y Dra. Verónica Vázquez por sus valiosas sugerencias y observaciones que fortalecieron de gran manera mi trabajo de tesis.
Al Dr. Horacio Soto por sus sugerencias y observaciones durante la tesis, y por apoyarme para mi desempeño profesional en mi estancia en la empresa Motorola.
A Robert Jones y Fernando Moreno, gerentes de producto e Ingeniería en el sector de Banda Ancha de la empresa Motorola, por su gran apoyo durante mi estancia en la empresa.
A Jessica Ángel Valenzuela por el gran apoyo que me brindó en el laboratorio de películas delgadas y por su apoyo moral brindado durante toda la tesis.
A Joel Castro Chacón por su apoyo indispensable brindado durante el trabajo experimental que realizamos en equipo para obtener nuestros respectivos grados.
A Andolsa Arévalo por el apoyo brindado en experimentos.
A Miguel Farfán, Javier Camacho, Georgina Navarrete, Marcia Padilla, Efrén García, Luis Ríos, Fabián Alonso, Eliseo Hernández, Víctor Ruiz por sus sugerencias y comentarios, y por siempre haber estado en disposición de ayudarme.
A Javier Dávalos por sus sugerencias y por auxiliarme siempre que ocupaba algo en los talleres de pulido y soplado de vidrio.
A Ricardo Núñez, que gracias a sus comentarios técnicos sobre manejo de instrumentos, pude obtener resultados indispensables para mi tesis.
A las secretarias Olga, Carmen y en especial a Ana (secretaria del grupo de óptica integrada) por haber estado siempre en disposición de ayudarme.
Al personal del taller mecánico por su valiosa ayuda en la fabricación de las piezas requeridas en el sistema utilizado durante la tesis.
A Néstor Perea y Carlos Torres por sus asesorías en algunos experimentos y en cuestiones teóricas, y por su amistad brindada.
A los Dres. Pedro Negrete y Roger Cudney, coordinadores del departamento de óptica en turno, por su apoyo brindado en cuestión escolar y normativa.
Al Dr. Anatolii Khomenko por su apoyo como director del departamento de Óptica.
Al Dr. Raúl Rangel por sus valiosos comentarios y asesoría para obtener la publicación del artículo requerido para la obtención del grado.
A Pedro Leree e Isaac Fimbres por su soporte técnico en computación.
A Dolores Sarracino y Citlali Romero por su apoyo en el departamento de servicios escolares, y por su apoyo para realizar mi estancia en la empresa Motorola.
A Ivonne Best por su gran calidad humana al abogar por los apoyos económicos de todos los estudiantes de CICESE, y por su apoyo para realizar mi estancia en la empresa Motorola.
Al proyecto CONACYT 6599, titulado “Estudio de acopladores fabricados por fusion de fibras ópticas y sus aplicaciones”.
Resumen II
Abstract III
Agradecimientos IV
Contenido VI
Lista de figuras IX
Lista de tablas XIII
CAPÍTULO I: Introducción 1
I.1 Multiplexores en telecomunicaciones ópticas 1
I.2 Acopladores de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas como multiplexores WDM. 3
I.3 Interferómetros tipo Mach-Zehnder compuestos por acopladores como multiplexores WDM 5
I.4 Multiplexores WDM compuestos por acopladores de fibras ópticas 5
I.5 Objetivo 7
I.6 Objetivos particulares 7
I.7 Organización de la Tesis 9
CAPÍTULO II: Fibras ópticas adelgazadas 11
II.1 Definición de fibra óptica 11
II.2 Propagación de la luz en una fibra óptica con índice de refracción escalón 12
II.3 Fibras ópticas adelgazadas 14
II.4 Propagación de luz en fibras ópticas adelgazadas 15
II.5 Método para adelgazar fibras ópticas 19
II.5.1 Selección de las fibras utilizadas 20
II.5.2 Preparación de fibras ópticas para ser adelgazadas 21
II.5.3 Medición de adelgazamiento de fibras ópticas 22
II.5.4 Medición de pérdidas de potencia óptica en fibras 24
II.6 Estudio térmico para adelgazamiento de fibras ópticas 26
II.7 Desarrollo de programa que describe la propagación de luz a través de fibras ópticas adelgazadas 29
II.8 Adelgazamiento adiabático de fibras ópticas 33
CAPÍTULO III: Respuesta WDM de multiplexores compuestos por acopladores de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas 37
III.1 Acoplador de fibras ópticas 37
III.2 Intercambio de potencia óptica entre dos fibras ópticas cercanas 38
III.3 Determinación de ecuaciones acopladas y coeficientes de acoplamiento 39
III.5 Transferencia de potencia óptica entre modos de una guía compuesta 43
III.6 Coeficiente de acoplamiento en coordenadas cilíndricas 44
III.7 Dependencia del coeficiente de acoplamiento con respecto a la
longitud de onda 46
III.8 Dependencia del coeficiente de acoplamiento en función de la longitud de onda con respecto a parámetros de fabricación de
acopladores WDM 48
III.9 Fabricación de acopladores WDM 52
III.10 Interferómetro tipo Mach-Zehnder de fibra óptica 54
III.11 Descripción del funcionamiento del interferómetro Mach-Zehnder
de fibra óptica 55
III.12 Dependencia con respecto a la longitud de onda del
interferómetro Mach-Zehnder de fibra óptica 60
III.13 Fabricación de interferómetro M-Z de fibra óptica 64
CAPÍTULO IV: Resultados y conclusiones 69
IV.1 Algoritmo del programa que describe la propagación
de luz por fibras ópticas adelgazadas 69
IV.2 Perfil de adelgazamiento de fibras ópticas 79
IV.3 Demostración experimental de punto de transición entre
guiado por interfaz núcleo-cubierta y cubierta-núcleo 81 IV.4 Caracterización de respuesta espectral de acopladores 85 IV.5 Capacidad para separación de longitud de onda de un
acoplador de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas 90
IV.6 Caracterización de respuesta espectral y contraste de
interferómetro tipo Mach-Zehnder de fibra óptica 95
IV.7 Capacidad para separación de longitud de onda de un
interferómetro Mach-Zehnder de fibra óptica 97
IV.8 Análisis de contraste en interferómetros M-Z de fibra óptica fabricados 100
IV.9 Conclusiones 103
Bibliografía 109
APÉNDICE A: Sistema para adelgazar fibras ópticas 113 A.1 Descripción de elementos que componen el sistema para
adelgazar fibras ópticas 113
APÉNDICE B: Fabricación de acopladores de fibras ópticas
fusionadas y adelgazadas 122
B.1 Preparación de fibras ópticas previa a fusión 122
B.2 Sistema para fabricar acopladores WDM 123
B.3 Funcionamiento del sistema para fabricar acopladores WDM 131
B.4 Precalentado de las fibras 133
B.5 Estiramiento y adelgazamiento de la región fusionada del
acoplador WDM 134
B.6 Final de fusión y adelgazamiento en el proceso de fabricación
del acoplador WDM 136
1. Diagrama a bloques básico de un sistema WDM 2
2. Estructura básica de una fibra óptica 12
3. Estructura básica de una fibra óptica adelgazada 15
4. Las amplitudes de las funciones Bessel del primer tipo y Bessel modificada de segundo tipo deben de coincidir en valor en la interfaz núcleo-cubierta para cada modo guiado en una fibra de guiado débil 17
5. Proceso de adelgazamiento de una fibra óptica 19
6. Elementos básicos que componen un sistema para adelgazar fibras ópticas 20
7. Región en que se desforra el tramo de fibra 22
8. Fotografía de una fibra sin adelgazar 23
9. Fotografía de una fibra adelgazada 23
10. Arreglo experimental básico para medición de pérdidas de potencia óptica en fibras 24
11. Módulo de fuente de luz de diodo láser y módulo de medidor de potencia óptica 25
12. Gráficas obtenidas de las distribuciones modales en núcleo y cubierta de una región monomodal de la fibra óptica adelgazada bajo análisis 30
13. Gráfica obtenida de la distribución modal en una región multimodal de la fibra óptica adelgazada bajo análisis 31
14. Puntos analizados en una fibra óptica SMF-28 adelgazada, con el perfil de adelgazamiento de nuestro sistema para adelgazar fibras 32
15. Distribuciones modales obtenidas en cada uno de los puntos analizados 32
16. Arreglo experimental utilizado para analizar adiabaticidad en fibras ópticas adelgazadas 34
17. Imagen de una fibra adelgazada obtenida con la empalmadora 35
18. Geometría básica de un acoplador de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas 37
19. Ejes de coordenadas para analizar el intercambio de potencia óptica entre dos fibras ópticas cercanas 39
20. Parámetros que se pueden monitorear para determinar la dependencia en longitud de onda de un acoplador durante el proceso de fabricación 49
21. Simulación de potencia óptica monitoreada en el puerto de salida 1 de un acoplador. La gráfica en la parte superior muestra el caso de separación en longitud de onda con diferencia amplia. La gráfica en la parte inferior muestra el caso de separación en longitud de onda con diferencia un poco más angosta 51
23. Fotografía del sistema para fabricar acopladores 53
24. Interferómetro tipo Mach-Zehnder compuesto por dos acopladores 50/50 empalmados 54
25. Potencia en ambos puertos de salida de un interferómetro tipo Mach-Zehnder de fibra óptica, suponiendo una DCO de 5mm 59
26. Capacidad para separación de longitud de onda de un interferómetro tipo Mach-Zehnder de fibra óptica, en función de la diferencia de camino óptico 62
27. Respuesta WDM simulada de un interferómetro tipo Mach-Zehnder para dos valores distintos de diferencia de camino óptico. a) DCO = 3 mm para producir una separación de longitudes de onda con una diferencia de 0.25 nm. b) DCO = 10 mm para producir una separación de longitudes de onda con una diferencia de 0.08 nm 63
28. Punto simulado para detenido del proceso de fabricación de un acoplador 50/50 65
29. Comparación del tamaño de la fibra óptica SM-28 con el tamaño del vernier utilizado para medir diferencia de camino óptico 66
30. Pasos seguidos en el proceso automático de empalme de fibras ópticas 67
31. Diagrama a bloques del programa que describe la propagación de luz por fibras ópticas adelgazadas 70
32. Ventana del programa en que se pide al usuario que proporcione el valor de la longitud de adelgazamiento en la fibra 71
33. Gráfica del punto proporcionado por el usuario dentro de la función que describe la fibra óptica adelgazada 71
34. Número de veces que una función de Bessel Jl tiene un valor de cero 74
35. Batimiento entre modos pares 75
36. Batimiento entre modos impares 75
37. Gráfica de las distribuciones modales correspondientes a los primeros ocho órdenes de las funciones de Bessel 76
38. Perfil de adelgazamiento de fibras ópticas de nuestro sistema 80
39. Radios de fibras ópticas medidos por medio de un microscopio con retícula graduada 80
40. Arreglo experimental para fabricación de acopladores con porcentajes de potencia óptica 99/1 82
41. Región en que se obtuvieron los datos experimentales, graficados sobre la curva correspondiente al perfil de adelgazamiento característico de nuestro sistema 84 42. Arreglo experimental para obtener la respuesta espectral de dispositivos
canales WDM con diferencia amplia 86
43. Respuesta espectral de un dispositivo con capacidad para separar
longitudes de onda correspondientes a canales WDM con diferencia
amplia 87
44. Arreglo experimental para obtener la respuesta espectral de dispositivos con capacidad para separar longitudes de onda
correspondientes a canales WDM con diferencia angosta 88
45. Respuesta espectral de un dispositivo con capacidad para separar
longitudes de onda correspondientes a canales WDM con diferencia
angosta 89
46. Análisis de datos de potencia óptica capturados en un puerto de
salida de un acoplador durante el proceso de fabricación 91
47. Ajuste de curva a los datos de los acopladores WDM fabricados 94 48. Monitoreo de la potencia óptica en un puerto de salida para un barrido
en longitud de onda aplicado en un puerto de entrada de un
interferómetro Mach-Zehnder fabricado 96
49. Datos experimentales correspondientes a interferómetros tipo
Mach-Zehnder graficados junto con la ecuación (65) del capítulo III,
encontrada teóricamente 99
50. Elementos que componen el sistema para estirar fibras ópticas 114
51. Elementos que proporcionan el tratamiento térmico en el sistema 114 52. Elementos que componen los sujetadores de fibras ópticas 115 53. Las flechas indican la dirección de desplazamiento de los sujetadores,
lo cual es producido por los motores de pasos 117
54. Motor de pasos y tornillo sin fin sujetado al eje del motor 117 55. Etapa de potencia con conexión al puerto paralelo de la PC
y a los motores de pasos 119
56. Acoplamiento del haz proporcionado por el diodo láser a un cable de fibra óptica con conectores tipo FC, por medio de un objetivo con
amplificación de 6.3X 124
57. Medidor utilizado para monitorear la potencia óptica transferida 125 58. Elementos del sistema utilizados para aplicar la flama proporcionada
por el soplete sobre el micro horno cerámico 127
59. Ventana del programa Windaq en la que se muestra el monitoreo
de potencia óptica durante el proceso de fabricación de un acoplador 129
60. Fotografía de la tarjeta para adquisición de datos utilizada 130 61. Comportamiento oscilatorio de la potencia óptica en un puerto
de salida de un acoplador durante el proceso de fabricación. Se realizaron cambios en la compresión de datos para una
62. Fotografía de varios acopladores encapsulados y removidos del sistema
I. Especificaciones de la fuente de luz y detector utilizados para
medición de pérdidas 26
II. Caracterización de temperatura máxima alcanzada por
distintos niveles de flujo de gas de la fuente térmica 27
III. Tiempo requerido para reblandecer fibras ópticas para
diferentes niveles de flujo de gas de la fuente térmica 29
IV. Datos obtenidos de la fabricación de los acopladores con
porcentajes de potencia óptica 99/1 83
V. Características de acopladores WDM fabricados 92
VI. Características de interferómetros tipo Mach-Zehnder fabricados 98
VII. Características de acopladores ~50/50 fabricados para integrar
interferómetros tipo Mach-Zehnder 101
VIII. Contraste obtenido en los interferómetros tipo Mach-Zehnder
INTRODUCCIÓN
I.1 Multiplexores en telecomunicaciones ópticas.
En los últimos años, la tecnología óptica ha tenido gran impacto en el desarrollo de
sistemas que tradicionalmente proporcionaban innovaciones y soluciones a problemas por
medio de sistemas eléctricos y electrónicos. Hoy en día, productos y sistemas en
prácticamente todas las áreas comprendidas desde productos para consumo popular y
entretenimiento [1], hasta sistemas complejos para las áreas de medicina [2],
telecomunicaciones [3] y procesamiento de señales ópticas [4], han recurrido a funciones
ópticas y optoelectrónicas para su innovación y desarrollo. Las principales ventajas de estos
sistemas ópticos y optoelectrónicos son gran capacidad de ancho de banda para manejo de
información y alta inmunidad al ruido electromagnético.
En lo que se refiere al área de telecomunicaciones ópticas, la utilización de redes
basadas en fibra óptica ha aumentado grandemente. Hoy en día las redes de fibra óptica no
solo se utilizan para realizar enlaces a larga distancia para comunicar ciudades, sino que
también se utilizan para realizar enlaces más cortos en redes metropolitanas y locales.
Además, los principales fabricantes de equipo para proveer diversos servicios de banda
ancha, como por ejemplo teléfono IP [5], Internet de alta velocidad y video en demanda [6],
por mencionar algunos, ya ofrecen equipo con conexión directa a fibra óptica para
reduzcan suficientemente en costo para llegar a una gran cantidad de consumidores, el
requerimiento de expansión de ancho de banda en las redes de fibra óptica ya instaladas
será indispensable.
La tecnología WDM es la más rentable y con mayor aplicación para la expansión de
redes de fibra óptica que se encuentran actualmente instaladas. WDM es la multiplexión
por división de longitud de onda, donde por medio de un dispositivo multiplexor se
inyectan varios haces de luz con diferente longitud de onda en el extremo de entrada de una
fibra óptica. Todos los haces se propagan a través de la fibra óptica. En el extremo de
salida, otro dispositivo llamado demultiplexor separa los haces para su enrutamiento hacia
receptores ópticos correspondientes a cada haz separado.
Figura 1. Diagrama a bloques básico de un sistema WDM
La principal ventaja de la tecnología WDM es que multiplica el ancho de banda de
sistemas convencionales que utilizan un solo haz de luz por el número de haces con
longitud de onda distinta que viajan a través de la fibra. Los nuevos sistemas WDM han
longitud de onda entre haces inyectados es menor que 1 nm, con lo que se pueden
desarrollar sistemas capaces de utilizar más de 40 haces, cada uno correspondiendo a un
canal DWDM [8].
Los principales elementos que constituyen sistemas WDM son los multiplexores y
demultiplexores (MUX/DEMUX). Existen varios métodos para fabricar estos dispositivos,
utilizando óptica integrada [9], películas delgadas multicapas [10], reflectores y rejillas de
Bragg [11], dispositivos ópticos no lineales [12] y acopladores de fibras ópticas [13-16]. De
los últimos mencionados trata este trabajo de tesis.
I.2 Acopladores de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas como multiplexores WDM.
En lo que se refiere a acopladores de fibras ópticas para realizar funciones en
sistemas WDM, un acoplador de fibra óptica fabricado por medio de la técnica de fibras
fusionadas y adelgazadas [13] es una guía de onda compuesta por dos fibras ópticas que se
encuentran fundidas lateralmente y tienen una geometría de adelgazamiento para hacer más
corta la distancia entre los ejes centrales de las dos fibras.
En los acopladores se presenta el fenómeno de intercambio de potencia óptica entre
fibras (crosstalk), en el cual ocurre un intercambio de potencia óptica cuando los campos
que se propagan por una fibra adelgazada se extienden para propagarse por la cubierta de
ésta, lo cual puede excitar los campos que se propagan por una segunda fibra adelgazada.
La cantidad de intercambio de potencia óptica depende del traslape entre los campos
eléctricos de las dos fibras adelgazadas. Este intercambio de potencia óptica define la
operación básica de un acoplador de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas, que es la
inyectada en un puerto de entrada [17]. La teoría que describe el acoplamiento de luz entre
las dos fibras ópticas adelgazadas que componen un acoplador [30], muestra que el
coeficiente de acoplamiento tiene una dependencia directa en forma de una función
exponencial negativa con respecto a la distancia entre los ejes centrales de las dos fibras.
De la misma manera, esta distancia también tiene un comportamiento en forma de
exponencial negativa proporcionado directamente por el radio del núcleo descrito por el
perfil de adelgazamiento del sistema utilizado para adelgazar fibras ópticas.
Estudios realizados anteriormente demuestran que con un diseño apropiado, estos
acopladores pueden funcionar como dispositivos selectivos de longitud de onda [18,19], y
más específicamente, funcionar como multiplexores y demultiplexores utilizados en
sistemas WDM [20-22]. Durante el proceso de fabricación de acopladores existen varios
parámetros que se pueden monitorear para determinar la dependencia en longitud de onda
del acoplador, y así poder determinar la capacidad de separación de dos canales WDM del
acoplador fabricado. Un parámetro que muestra facilidad para monitoreo durante el proceso
de fabricación es el número de ciclos de transferencia total de potencia entre fibras, con el
cual se puede determinar la capacidad potencial de separación en longitud de onda de un
acoplador fabricado.
Otros estudios realizados anteriormente, revelan que es difícil obtener acopladores
con capacidad para separar dos canales DWDM con diferencia en longitud de onda menor
I.3 Interferómetros tipo Mach-Zehnder compuestos por acopladores como multiplexores
WDM.
Un interferómetro tipo Mach-Zehnder de fibra óptica es un dispositivo que puede
ser obtenido empalmando los puertos de dos acopladores simétricos 50/50 [24-26]. En este
dispositivo, la luz insertada por uno de los puertos de entrada es dividida por medio de un
acoplador simétrico para ser guiada hacia dos caminos ópticos distintos, en los que se
propaga un porcentaje de potencia óptica muy similar (∼50%). Variando el valor de la
diferencia de camino óptico entre los dos brazos que componen el dispositivo, se genera
interferencia en la región fusionada y adelgazada de un segundo acoplador. La diferencia
entre valores de potencia óptica máxima y mínima, correspondientes a interferencia
constructiva y destructiva, respectivamente, dictan la cantidad de potencia óptica en los
puertos de salida del dispositivo. El comportamiento de dos longitudes de onda que se
requieren separar, correspondientes a interferencia constructiva para un máximo de
potencia óptica en un puerto, e interferencia destructiva para un mínimo de potencia óptica
en el otro puerto, es dictado por la diferencia de camino óptico del interferómetro tipo
Mach-Zehnder de fibra óptica.
En este trabajo de tesis se plantea un estudio teórico y experimental de la capacidad
para separación de longitud de onda de interferómetros tipo Mach-Zehnder de fibra óptica.
I.4 Multiplexores WDM compuestos por acopladores de fibras ópticas.
Englobando estudios realizados anteriormente sobre ambos dispositivos propuestos,
las limitantes tecnológicas que presentan los dispositivos fabricados. Por este motivo, se
plantea realizar estudios teóricos y experimentales sobre ambos dispositivos, los cuales
comprenden análisis teórico de funcionamiento, identificación de parámetros que dependen
de la longitud de onda durante el proceso de fabricación, desarrollo de métodos y sistemas
para fabricación, y caracterización de ambos tipos de dispositivos fabricados.
Para entender y poder explicar de una mejor manera el comportamiento WDM de
ambos dispositivos, es necesario realizar un estudio teórico y experimental sobre el
comportamiento de la luz que se propaga a través de las fibras ópticas adelgazadas que
componen los dispositivos fabricados. Para esto, se debe obtener experimentalmente la
función que describe el perfil de adelgazamiento del sistema para fabricar acopladores, la
cual a su vez debe ser introducida en las ecuaciones que describen la respuesta WDM de
acopladores para obtener la influencia de este perfil de adelgazamiento sobre la capacidad
WDM de los acopladores fabricados. Además se requiere un estudio sobre fibras ópticas
adelgazadas para obtener el punto de transición de guiado de luz por interfaz
núcleo-cubierta a guiado por interfaz núcleo-cubierta-aire, lo cual es necesario para tener una interacción
en la interfaz cubierta-aire de la fibra adelgazada, y así lograr acoplamiento de luz entre las
dos fibras adelgazadas que componen un acoplador.
En este trabajo de tesis se plantea el estudio teórico y experimental de multiplexores
y demultiplexores compuestos por acopladores de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas,
con enfoque particular en obtener la multiplexión/demultiplexión de dos canales WDM con
la menor diferencia en longitud de onda posible. Se plantea adaptar un sistema para fabricar
acopladores reportado previamente por el grupo de óptica integrada de CICESE [17], para
rangos de operación en sistemas WDM. Se proponen dos tipos de dispositivos distintos:
acopladores individuales diseñados para tener selectividad en longitud de onda, y
dispositivos interferométricos tipo Mach-Zehnder compuestos por dos acopladores
simétricos. Cada uno de estos dos dispositivos basados en acopladores de fibras ópticas
fusionadas y adelgazadas tiene un diseño, características de fabricación y rangos de
operación particulares. Se plantea la obtención de ecuaciones para determinar la separación
de longitud de onda para ambos dispositivos, basadas en datos experimentales del proceso
de fabricación de ambos dispositivos. Este tipo de dispositivos ya se encuentra en el
mercado, sin embargo existe poca información publicada sobre la respuesta en longitud de
onda con respecto a los principales parámetros involucrados durante el proceso de
fabricación.
I.5 Objetivo.
Estudio teórico y experimental sobre acopladores de fibras ópticas fusionadas y
adelgazadas. Obtención de dispositivos multiplexores y demultiplexores para sistemas
WDM y DWDM utilizando acopladores de fibras ópticas.
I.6 Objetivos particulares.
• Desarrollo de un programa que proporcione una descripción gráfica de la variación en
la distribución modal del campo electromagnético que se propaga a través de fibras
• Desarrollo de un sistema para adelgazar y fusionar fibras ópticas mediante un
tratamiento térmico.
• Comprobación experimental del punto de transición entre guiado por interfaz
núcleo-cubierta y guiado por interfaz núcleo-cubierta-aire para fibras ópticas adelgazadas, obtenido
por medio del análisis del punto de inicio de transferencia de luz entre las fibras que
componen acopladores de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas.
• Desarrollo de un sistema motorizado y controlado por una PC para fabricar acopladores
de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas con propiedades para división de potencia
óptica y selectividad de longitud de onda.
• Determinación teórica de la influencia que tienen los parámetros involucrados en el
proceso de fabricación de acopladores de fibras ópticas sobre el comportamiento
espectral del coeficiente de acoplamiento, y análisis de estos parámetros durante el
proceso de fabricación de acopladores para determinar el parámetro óptimo para ser
monitoreado experimentalmente.
• Desarrollo de métodos y arreglos experimentales para caracterizar la respuesta espectral
de los dispositivos multiplexores/demultiplexores fabricados.
• Desarrollo de métodos para fabricar acopladores de fibras ópticas fusionadas y
adelgazadas, e interferómetros tipo Mach-Zehnder de fibra óptica, para funcionar como
multiplexores y demultiplexores de dos longitudes de onda correspondientes a canales
WDM y DWDM, utilizando el sistema desarrollado para fabricar acopladores de fibras
• Obtención de ecuaciones para determinar la separación de longitud de onda para ambos
dispositivos que puedan ser utilizadas para el diseño de multiplexores y
demultiplexores, basadas en datos experimentales del proceso de fabricación de ambos
dispositivos.
I.7 Organización de la Tesis.
El capítulo I consiste en una introducción al tema del que trata la Tesis, así como los antecedentes que se tienen y el planteamiento del trabajo a realizar para alcanzar el objetivo
principal y los objetivos particulares.
En el capítulo II se presenta teoría sobre fibras ópticas y el efecto que el
adelgazamiento produce sobre el campo electromagnético que se propaga a través de éstas.
Se describe el desarrollo de un sistema para adelgazar fibras ópticas y el método a seguir
para obtener éstas. Se explican las características principales de las fibras ópticas
adelgazadas y la manera en que se obtuvieron estas características experimentalmente. Por
medio de un programa desarrollado, se explica la evolución del campo electromagnético
que se propaga a través de una fibra óptica adelgazada.
El capítulo III corresponde a la descripción de los dispositivos propuestos en esta
tesis para funcionar como multiplexores/demultiplexores: acopladores de fibras ópticas
fusionadas y adelgazadas con propiedades para WDM e interferómetros tipo Mach-Zehnder
compuestos por acopladores de fibras ópticas. Se describe la teoría referente al mecanismo
físico que hace posible que se acople luz entre dos fibras ópticas adelgazadas que se
encuentran fusionadas lateralmente. Se explica la teoría de funcionamiento de ambos
dispositivos con respecto a la longitud de onda de la luz que se propaga a través de éstos.
Se describe un sistema para fabricar acopladores, así como los métodos para fabricación de
ambos dispositivos.
En el capítulo IV se presenta un análisis de los resultados obtenidos
experimentalmente y su concordancia con el análisis teórico realizado. Al final se presentan
CAPÍTULO II
FIBRAS ÓPTICAS ADELGAZADAS
En este capítulo se describe el adelgazamiento de fibras ópticas. Se comienza con la
explicación de teoría sobre fibras ópticas y el efecto que tiene el adelgazamiento sobre el
campo electromagnético que se propaga a través de éstas. Después se describe el proceso
necesario para adelgazar fibras ópticas y el sistema utilizado para obtener éstas. Se
concluye con la descripción de un programa desarrollado para obtener la distribución modal
en fibras ópticas adelgazadas y la descripción teórica y experimental del concepto de
adelgazamiento adiabático en fibras ópticas.
II.1 Definición de fibra óptica.
La fibra óptica es una guía de onda dieléctrica fabricada principalmente por dióxido
de Silicio y materiales dopantes ópticos diversos. La estructura básica de una fibra óptica,
la cual se muestra en la figura 2, consiste en una parte central llamada núcleo con índice de
refracción nnúcleo y radio rnúcleo, que se encuentra rodeada por un material llamado cubierta
con índice de refracción ncubierta y radio rcubierta. En éstas se cumple con la condición nnúcleo >
ncubierta para que sea posible tener el fenómeno de reflexión total interna [29] y así las ondas
electromagnéticas viajen por la fibra con baja atenuación al ser confinadas casi en su
Figura 2. Estructura básica de una fibra óptica.
II.2 Propagación de la luz en una fibra óptica con índice de refracción escalón.
Para analizar la propagación de la luz a través de una fibra óptica con índice de
refracción escalón [29] como la que se muestra en la figura 2, la cual será utilizada en este
trabajo de tesis, se hace uso de la teoría electromagnética. El objetivo es determinar el
campo electromagnético que se propaga, el cual debe de satisfacer las ecuaciones de
Maxwell en la región de frontera del cilindro dieléctrico formado por el núcleo y la cubierta
de la fibra. Cada una de las componentes del campo electromagnético debe de satisfacer la
ecuación de Helmholtz en coordenadas cilíndricas [29],
0 k n dz d d d r 1 dr d r 1 dr
d 2 2
2 2 2 2 2 2 2 = + + + + Ψ Ψ φ Ψ Ψ Ψ (1)
donde n = nnúcleo en el núcleo (r < rnúcleo) y n = ncubierta en la cubierta (r > rnúcleo), k
= 2π / λ es el número de onda y λ es la longitud de onda. El radio de la cubierta se asume
que es lo suficientemente grande para considerarse como infinito en esta ecuación [30]. La
amplitud compleja Ψ = Ψ(r,φ,z) representa cualquier componente transversal de campo
coordenadas cilíndricas. Se debe de buscar una solución que tome la forma de una onda
viajando en dirección z con una constante de propagación β para que la dependencia de Ψ
con respecto a z sea de exp-jβz. Como Ψ debe de ser una función periódica del ángulo φ, con
periodo 2π, asumimos que la dependencia con respecto a φ es armónica de la forma exp-jlφ,
donde l es un número entero. Por lo tanto tenemos [29],
Ψ(r,φ,z) = ψ(r) exp-jlφ exp-jβz (2)
donde l = 0, ±1, ±2,..., que al sustituirlo en la ecuación de Helmholtz da una
ecuación diferencial ordinaria para ψ(r):
0 r l k n dr d r 1 dr d 2 2 2 2 2 2 2 = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − + + ψ β ψ ψ (3)
La onda que se propaga por la fibra es confinada siempre y cuando la constante de
propagación sea más pequeña que el número de onda en el núcleo (β < nnúcleok), y más
grande que el número de onda de la cubierta (β > ncubiertak), por lo tanto es conveniente
definir 2 2 2 núcleok n
u= −β (4)
y
2 2 cubierta
2 n k
w= β − (5)
de manera que para todas las ondas confinadas, u2 y w2 sean positivas, y por lo tanto, u y w sean reales. Entonces se tienen ecuaciones para núcleo y cubierta separadas:
0 r l u dr d r 1 dr d 2 2 2 2 2 = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + + ψ ψ ψ
0 r l w dr d r 1 dr d 2 2 2 2 2 = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ψ ψ ψ
r > a (cubierta) (7)
Las soluciones a estas ecuaciones diferenciales son en forma de funciones Bessel
[31],
ψ(r) = Jl(ur) para el núcleo (8)
ψ(r) = Kl(wr) para la cubierta (9)
Jl(ur) es la función Bessel de primer tipo y orden l, la cual oscila como una función
sinusoidal, pero con un decaimiento en amplitud [31]. Kl(wr) es la función de Bessel
modificada del segundo tipo y orden l, la cual decae en amplitud exponencialmente al
incrementarse r [31]. Este tipo de funciones serán utilizadas para expresar los campos
electromagnéticos que se propagan a través de las fibras ópticas adelgazadas y las
estructuras compuestas por dos fibras ópticas que se explicarán en las siguientes secciones.
II.3 Fibras ópticas adelgazadas.
El motivo por el que se adelgazan fibras ópticas es proporcionar un mecanismo
físico para interactuar con la luz que se propaga a través de fibras ópticas, el cual es
necesario para la fabricación de dispositivos como acopladores e interferómetros
compuestos por fibras ópticas. Esta interacción se puede realizar siempre y cuando se haya
obtenido la condición de conversión de modo que se propaga por el núcleo a modo que se
propaga por la cubierta, confinado por medio de la interfaz cubierta-aire. La estructura
Figura 3. Estructura básica de una fibra óptica adelgazada.
Esta es una fibra con reducción gradual de radio obtenida por medio de estiramiento
aplicado por un mecanismo para calentar y tensionar los extremos de fibras ópticas [32].
Existen varios mecanismos para estirar fibras reportados previamente [17,33], cada uno de
éstos tiene un perfil de adelgazamiento característico dictado por la fuente de calor y el
mecanismo para tensionar los extremos de las fibras. A continuación se explica la
propagación de luz en fibras adelgazadas y el mecanismo utilizado en este trabajo de tesis
para adelgazar fibras.
II.4 Propagación de luz en fibras ópticas adelgazadas.
La variación en el radio de una fibra óptica adelgazada produce cambios en la
geométricas y de composición de material de la fibra (índice de refracción) con la longitud
de onda de la luz que se propaga. Se define por
2 cubierta 2
núcleo
núcleo n n
r 2
V = −
λ π
(10)
Para V < 2.4048 la fibra solamente soporta un modo de propagación, el fundamental
[29]. Valores del parámetro V mayores que éste permiten la propagación de más de un
modo. Las distribuciones de modos que se propagan con una sola dirección de polarización
en núcleo y cubierta, el cual es el caso para fibras ópticas de guiado débil [34], se describen
por φ l cos ) W ( K ) r wr ( K ) U ( J ) r ur ( J A A A l núcleo l l núcleo l l cubierta , x núcleo , x ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ = núcleo núcleo r r r r >
<
( )
( )
12 11
donde Jl y Kl son las funciones Bessel del primer tipo y Bessel modificada de
segundo tipo, respectivamente, de orden l. r y φ son coordenadas cilíndricas, Al es la
amplitud del campo eléctrico en la interfaz núcleo-cubierta [34], y los parámetros U y W se
definen por 2 2 2 núcleo núcleo
núcleo r n k
ur
U = = −β (13)
2 2 cubierta 2
núcleo
núcleo r n k
wr
W = = β − (14)
y están relacionados con el parámetro V por
2
2 W
U
V = + (15)
Se puede ver en las ecuaciones (13) y (14) que la constante de propagación en
núcleo y cubierta puede tener valores kncubierta < β < knnúcleo, los cuales dependen del
Los valores de las constantes de propagación para los modos de núcleo y cubierta
deben de ser iguales en la interfaz núcleo-cubierta de la fibra para cada modo guiado. Para
el caso de fibras ópticas con guiado débil, donde la magnitud de las componentes
longitudinales del campo que se propaga es despreciable con respecto a la magnitud de las
componentes transversales [35], las amplitudes de las funciones Bessel del primer tipo y
Bessel modificada de segundo tipo deben de coincidir en valor en esta interfaz para que la
igualdad en valores de las constantes de propagación se cumpla. El caso para una fibra
óptica monomodal se muestra en la figura 4.
Figura 4. Las amplitudes de las funciones Bessel del primer tipo y Bessel modificada de segundo tipo deben de coincidir en valor en la interfaz núcleo-cubierta para cada modo guiado en una fibra de guiado débil.
En esta igualdad en valores de amplitud de las funciones que describen las
distribuciones modales en núcleo y cubierta de la fibra, se basa el criterio elegido para
pueda guiar luz, por lo que ésta escapa del núcleo para ser guiada por la frontera
cubierta-aire, lo cual se explica a continuación.
Cuando el radio del núcleo en una fibra óptica es reducido por medio de
adelgazamiento a un valor que provoca en la ecuación (10) que V < 1, se llega a un punto
en el cual el valor de la constante de propagación en el núcleo es β = kncubierta, por lo cual
debido a que el radio del núcleo rnúcleo es muy pequeño, el núcleo de la fibra es despreciable
para guiar la luz. Entonces la propagación de la luz es a través de la cubierta, confinada por
medio de la interfaz cubierta-aire. En este punto en que el modo fundamental que se
propagaba por el núcleo, pasa a propagarse por la cubierta, hay un nuevo valor para el
parámetro V de la fibra adelgazada mostrado en la ecuación (16). Este nuevo valor es muy grande, resultando que la nueva guía con interfaz cubierta-aire sea multimodal.
2 aire 2
cubierta cubierta
aire
cubierta n n
r 2
V − = −
λ π
(16)
El punto en que un modo guiado por el núcleo en una fibra adelgazada pasa a ser
guiado por la cubierta ha sido previamente estudiado. Algunos autores utilizan un valor de
V = 1 para obtener este punto [30,35,36]. En un artículo se muestra una gráfica en la cual se
puede deducir que este punto sucede para valores 0.5 < V < 1 [34]. Otro artículo muestra el desarrollo para obtener este punto basándose en una relación entre las dimensiones de los
diámetros de núcleo y la cubierta [37]. Una demostración experimental de este punto de
II.5 Método para adelgazar fibras ópticas.
Una fibra óptica se adelgaza aplicando simultáneamente calor y una tensión
controlada en los extremos de la fibra. Al calentarse la fibra a una temperatura mayor a 900
°C, ésta se reblandece; una vez reblandecida, al aplicar tensión sobre los extremos de ésta
como se muestra en la figura 5, la región sobre la que se aplica la fuente de calor se estira,
incrementándose la longitud de la región cilíndrica calentada, en la cual por ley de
conservación de materia, se disminuye el área de la sección transversal de este cilindro, lo
cual da como resultado el adelgazamiento de la fibra.
Figura 5. Proceso de adelgazamiento de una fibra óptica.
Para lograr esto, se pueden utilizar como fuentes térmicas un arco eléctrico, la flama
producida por un soplete que utiliza gases diversos, o bien una resistencia que se calienta
con el flujo de corriente sobre ésta [17,33]. La fuente térmica se puede aplicar directamente
calor [17]. Para estirar la fibra, se utilizan sujetadores que jalan los extremos de la fibra en
direcciones contrarias. Las tensiones pueden ser controladas por varios medios: pesas,
resortes, o motores de pasos [17,32,33]. En la figura 6 se muestran los elementos básicos
con los que debe de contar un sistema para adelgazar fibras ópticas.
Figura 6. Elementos básicos que componen un sistema para adelgazar fibras ópticas.
A continuación se explican los pasos seguidos para obtener y caracterizar fibras
ópticas adelgazadas, utilizando un sistema para adelgazamiento de fibras ópticas que se
describe en el apéndice A.
II.5.1 Selección de las fibras utilizadas.
Los dispositivos que se van a fabricar serán principalmente utilizados en el área de
telecomunicaciones ópticas, por lo que las fibras seleccionadas para fabricarlos deben de
cumplir con las características que se requieren dentro de esta área. Por este motivo fue que
monomodales para longitudes de onda comprendidas dentro de la banda C que serán las
utilizadas [38]. Éstas tienen los siguientes parámetros:
Atenuación: ≤ 0.3 dB/km
Diámetro del núcleo: 8.2 μm
Diámetro de la cubierta: 125 μm
Δn = 0.36 %
Abertura numérica (NA): 0.14
II.5.2 Preparación de fibras ópticas para ser adelgazadas.
Un proceso de preparación previo al adelgazamiento se debe de aplicar a las fibras
ópticas. Este proceso fundamental de preparación es sencillo, sin embargo se debe realizar
cuidando mucho la limpieza de las fibras utilizadas. Los pasos a seguir son los siguientes:
1) Cortar el tramo de fibra óptica con pinzas especiales, considerando que la longitud de
este tramo sea suficiente para que los extremos de la fibra puedan ser sujetados.
2) Dejar remojando la región de la fibra que se va a adelgazar en acetona grado técnico
fórmula (CH3)2CO durante un lapso de 2 minutos. Esta región debe de estar centrada
dentro del tramo de fibra cortado.
3) Remover con pinzas especiales el forro de plástico exterior de la fibra (Jacket) en la
región remojada en acetona. Esta región debe de ser por lo menos 2 cm más larga que la
longitud abarcada por la fuente térmica utilizada, por el motivo de que el forro de
plástico no debe de quemarse, pues su combustión puede contaminar la fibra
Figura 7. Región en que se desforra el tramo de fibra.
4) Limpiar la región desforrada con un pedazo de tela y alcohol.
II.5.3 Medición de adelgazamiento de fibras ópticas.
Para medir el diámetro de las fibras ópticas adelgazadas, se utilizó un microscopio
con objetivo de 20x y un ocular con retícula graduada. La retícula contiene una línea que se
desplaza para hacer mediciones al girar una perilla graduada en 100 pasos. Para establecer
el valor en micrómetros que tiene el desplazamiento de un paso, se coloca sobre el
portaobjetos del microscopio un pedazo de fibra desforrada, y se cuenta el número de pasos
que necesita recorrer la línea al mover la perilla para abarcar el diámetro de la fibra, el cual
Figura 8. Fotografía de una fibra sin adelgazar.
Ya establecido el valor de cada paso, se coloca sobre el portaobjetos la fibra
adelgazada por analizar, y de igual manera que con la fibra desforrada, se cuenta el número
de pasos de su diámetro. Por regla de tres se determina el valor del diámetro de la fibra
adelgazada.
II.5.4 Medición de pérdidas de potencia óptica en fibras.
Es muy importante realizar mediciones confiables de pérdidas de potencia óptica en
fibras y dispositivos compuestos por éstas. Por este motivo, se optó por utilizar conectores
tipo FC temporales para conectividad entre fuente de luz, fibra a la que se va a medir el
nivel de pérdidas y medidor de potencia óptica. En la figura 10 se muestra un arreglo
experimental básico para medición de pérdidas de potencia óptica en fibras.
Figura 10. Arreglo experimental básico para medición de pérdidas de potencia óptica en fibras.
El hecho de utilizar conectores temporales en vez de permanentes se debe a que,
aunque éstos pueden potencialmente introducir un mayor error en la medición de potencia
óptica, su fabricación es mucho más rápida. Además, teniendo el cuidado apropiado, éstos
se pueden estar quitando y volviendo a colocar en la fibra, lo cual como se verá en los
capítulos III y IV, es indispensable para remover los dispositivos fabricados fuera del
arreglo experimental utilizado.
La fabricación de conectores temporales es muy importante, pues la luz además de
esta misma cantidad después de que el conector haya sido conectado y desconectado en
varias ocasiones. Para lograr que la cara de la fibra en el conector, o en otras palabras la
sección transversal de la fibra, quede libre de rayaduras o fracturas y que muestre un perfil
plano sin ángulo con respecto al conector, se debe de pulir con lijas de diferentes grosores.
En el apéndice B de la referencia [28] se describe este proceso.
La fuente de luz y medidor de potencia óptica utilizados son los modelos OV-DLS
y OV-PM, respectivamente, del fabricante FIS. Éstos tienen sus respectivas entradas o
salidas tipo FC para ser conectados a cables de fibra óptica que cuenten con este tipo de
conectores. Estos equipos se muestran en la figura 11, y sus respectivas especificaciones se
muestran en la tabla I.
Tabla I. Especificaciones de la fuente de luz y detector utilizados para medición de pérdidas.
FUENTE DE LUZ MEDIDOR DE POTENCIA ÓPTICA
Diodo láser Fotodiodo de unión PIN de Germanio
Longitud de onda de operación
1550 nm
Rango dinámico
70 dB (–65 dBm a +5 dBm)
Potencia luminosa
1 mWatt
Longitudes de onda de operación
850, 1300 y 1550 nm
Ancho espectral
2 nm
Precisión: ± 0.3 dB para rango dinámico
entre –65 dBm a +5 dBm
Una vez que se colocaron los conectores a la fibra que se va caracterizar, se procede
a inyectar luz en uno de los conectores y detectarla en el otro. La medición de pérdidas en
esta fibra que se va a caracterizar se hace con respecto a la medición en una fibra de
referencia que cuenta con conectores permanentes y su bajo nivel de pérdidas es certificado
por el fabricante. Para lograr esta medición referenciada, se hace una calibración previa del
medidor de potencia óptica como se describe en el apéndice C de la referencia [28].
II.6 Estudio térmico para adelgazamiento de fibras ópticas.
La temperatura necesaria para que se pueda deformar una fibra óptica compuesta
tensión como se menciona en la sección II.5, es de 900 °C, y para fundirla es de 1713 °C,
por lo que necesitamos utilizar una fuente térmica que alcance temperaturas de estos
órdenes. Además, el calentamiento debe de ser uniforme en una región de las fibras de
aproximadamente 1 cm para que la fusión de las fibras no sea muy puntual, y así cumplir
con la condición de adiabaticidad que se explica en la sección II.8.
La fuente térmica seleccionada fue un soplete que utiliza gas propano, pues la
temperatura máxima que alcanzó esta flama al medirla fue de 1265 °C, la cual no es
suficiente para fundir totalmente las fibras, pero sí las reblandece y fusiona lateralmente
muy bien. Los datos de la caracterización de la flama proporcionada por el soplete se
muestran en la tabla II, donde se identificaron varias posiciones para controlar el flujo de gas proporcionado por el soplete.
Tabla II. Caracterización de temperatura máxima alcanzada por distintos niveles de flujo de gas de la fuente térmica.
POSICIÓN TEMPERATURA °C
1 (Flujo mínimo) 1087
2 1195
3 1239
Con el fin de uniformizar el calentamiento de la fibra con la flama del soplete, se
optó por utilizar un tubo cerámico de 7.5 cm de longitud, diámetro interno de 1.6 mm, y
diámetro externo de 3.2 mm. Este tubo funciona como un micro horno para que la flama no
se aplique directamente a las fibras, sino que se aplique al tubo cerámico con las fibras
contenidas en el interior de éste, colocadas exactamente en el centro, evitando así que el
momento proporcionado por el flujo de gas no deforme la región calentada. Además este
tubo se puede utilizar también para encapsular la región adelgazada de la fibra.
La fuente térmica también se caracterizó para determinar el tiempo que tarda en
alcanzar la temperatura para la cual las fibras se reblandecen dentro del micro horno, y así
poder iniciar la aplicación de tensión para adelgazarlas. La temperatura óptima para
reblandecimiento, determinada experimentalmente, es de 950 °C, por lo que la
caracterización se realizó basándonos en esta temperatura. Los datos de esta caracterización
se muestran en la tabla III. Esta caracterización tiene gran importancia para determinar el
punto de inicio de adelgazamiento y la velocidad con que se van a adelgazar las fibras
Tabla III. Tiempo requerido para reblandecer fibras ópticas para diferentes niveles de flujo de gas de la fuente térmica.
POSICIÓN TIEMPO REQUERIDO PARA ALCANZAR 950 °C (seg)
1 (Flujo mínimo) 30
2 20
3 16
4 (Flujo máximo) 14
II.7 Desarrollo de programa que describe la propagación de luz a través de fibras ópticas
adelgazadas.
Para visualizar la variación en la distribución modal de la luz que se propaga a
través de fibras ópticas adelgazadas, desarrollamos un programa que calcula y grafica la
distribución modal con respecto al diámetro proporcionado por el perfil de adelgazamiento
característico del sistema para adelgazar fibras y la longitud de onda de la luz que se
propaga. Es importante mencionar que el objetivo principal del desarrollo de este programa
es proporcionar una visualización de la variación en la distribución modal, sacrificando
exactitud en las distribuciones reales que deben de ser obtenidas en cada sección de la fibra
adelgazada examinada. El algoritmo de este programa desarrollado se muestra en la sección
Para el caso de propagación monomodal, se calculan y grafican las distribuciones
modales en núcleo y cubierta de las ecuaciones (11) y (12), con respecto a los radios de
núcleo y cubierta definidos por el perfil de adelgazamiento. Esto se muestra en la figura 12.
Figura 12. Gráficas obtenidas de las distribuciones modales en núcleo y cubierta de una región monomodal de la fibra óptica adelgazada bajo análisis.
Cuando el radio del núcleo de la fibra adelgazada corresponde a un valor de
parámetro V menor que 0.5, el cual es el mínimo para que ocurra el punto de transición de guiado por núcleo [34], el programa recalcula el parámetro V para luz guiada por la interfaz
cubierta-aire, utilizando la ecuación (16). El resultado de esto, como se mencionó
anteriormente en II.4, es una distribución multimodal, la cual calculamos utilizando la
ecuación de distribución de potencia obtenida por Snitzer [39]. Esta ecuación es utilizada
para obtener la distribución de potencia para cada modo permitido en esta región
los modos permitidos para el caso de una región multimodal, con respecto al radio de la
cubierta de la fibra adelgazada bajo análisis, se muestra en la figura 13.
Figura 13. Gráfica obtenida de la distribución modal en una región multimodal de la fibra óptica adelgazada bajo análisis.
Como ejemplo, se muestran en la figuras 14 y 15 varias distribuciones modales para
distintos puntos analizados de una fibra óptica SMF-28 adelgazada, con el perfil de
adelgazamiento de nuestro sistema para adelgazar fibras. La longitud de onda propuesta
Figura 14. Puntos analizados en una fibra óptica SMF-28 adelgazada, con el perfil de adelgazamiento de nuestro sistema para adelgazar fibras.
II.8 Adelgazamiento adiabático de fibras ópticas.
Un requisito fundamental para que no escape la luz al propagarse por fibras ópticas
adelgazadas es que el adelgazamiento sea adiabático, haciendo referencia a un proceso
térmico adiabático, en el cual no hay pérdida de calor. El adelgazamiento adiabático en una
fibra óptica adelgazada se obtiene con una variación muy lenta del radio r(z) con respecto al
estiramiento en la fibra, de esta forma no se produce acoplamiento entre los modos de más
alto orden en la interfaz cubierta-aire. Este criterio establecido por Snyder y Love [30] se
define por
b ) z ( ) z (
z r z r
<< ∂ ∂
(17)
donde
β Δ
π
2
zb = (18)
zb es la longitud de batimiento entre los dos modos de más bajo orden que se
propagan (LP01 y LP11), Δβ es la diferencia entre las constantes de propagación de estos dos
modos y z es la longitud de estiramiento de la fibra.
Con el fin de determinar si las fibras adelgazadas obtenidas con nuestro sistema
para adelgazar fibras son adiabáticas, realizamos una comparación entre las pérdidas de luz
obtenidas en fibras adelgazadas con nuestro sistema y fibras adelgazadas por medio de una
empalmadora con capacidad para adelgazar fibras. Los experimentos realizados se
El primer experimento realizado fue adelgazar una fibra SMF-28 con nuestro
sistema, monitoreando el nivel de pérdida de luz a la salida de la fibra adelgazada. El
arreglo experimental utilizado se muestra en la figura 16.
Figura 16. Arreglo experimental utilizado para analizar adiabaticidad en fibras ópticas adelgazadas.
La fibra adelgazada obtenida tuvo una relación de diámetro de cubierta máximo a
mínimo de 125/3.3, con un estiramiento en la fibra de 40 mm. Calculando la pendiente
lineal de adelgazamiento con estos valores dφ/dz, lo cual da una aproximación con error
promedio de 13.92 μm con respecto a la curva en forma exponencial negativa que describe
el perfil de adelgazamiento de nuestro mecanismo de la ecuación (69) del capítulo IV,
tenemos que
003 . 0 dz
dφ = (19)
Esto representa una variación muy lenta del radio de la fibra con respecto al
estiramiento de ésta, lo cual produce una pérdida de luz medida de 0.3 dB (<7%). Este bajo
nivel de pérdida muestra que con el perfil de adelgazamiento de nuestro sistema se está
El segundo experimento realizado fue adelgazar otra fibra SMF-28, esta vez
utilizando una empalmadora Ericsson FSU 995 FA, monitoreando la pérdida de luz de
igual forma que en el experimento anterior. En la figura 17 se muestra una imagen de la
fibra adelgazada obtenida con la empalmadora.
Figura 17. Imagen de una fibra adelgazada obtenida con la empalmadora.
La relación obtenida de diámetro de cubierta máximo a mínimo en esta fibra fue de
125/32, con un estiramiento en la fibra de 2 mm. La pendiente lineal calculada fue de
047 . 0 dz
dφ = (20)
produciendo una pérdida de 3 dB (50%) de la luz. Esta alta pérdida y variación más rápida
del radio de la fibra con respecto al estiramiento, comparada con las obtenidas por medio de
nuestro sistema para adelgazar fibras, demuestran que esta fibra adelgazada por medio de la
CAPÍTULO III
RESPUESTA WDM DE MULTIPLEXORES COMPUESTOS POR
ACOPLADORES DE FIBRAS ÓPTICAS FUSIONADAS Y
ADELGAZADAS
En este capítulo se describen dos tipos de dispositivos basados en acopladores de
fibras ópticas fusionadas y adelgazadas que funcionan como multiplexores en sistemas
WDM. Se comienza explicando la teoría de funcionamiento y el método para fabricar un
acoplador de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas con propiedades para separación de
dos longitudes de onda distintas, el cual es el primer dispositivo propuesto en esta tesis.
Posteriormente se explica la teoría de funcionamiento y método para fabricación de un
interferómetro tipo Mach-Zehnder de fibra óptica, compuesto por dos acopladores
simétricos de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas, el cual es el segundo dispositivo
propuesto en esta tesis.
III.1 Acoplador de fibras ópticas.
Un acoplador de fibra óptica fabricado por medio de la técnica de fibras fusionadas
y adelgazadas [13] está compuesto por dos fibras que se encuentran fundidas lateralmente y
tienen una geometría de adelgazamiento para hacer más corta la distancia entre los ejes
Figura 18. Geometría básica de un acoplador de fibras ópticas fusionadas y adelgazadas.
El grado de fusión de los acopladores descritos durante esta tesis es muy
aproximado a cero [14], lo cual significa que las dos fibras que integran el acoplador se
encuentran ligeramente fusionadas, preservando su estructura cilíndrica con radio de
cubierta rcubierta constante para cada sección transversal analizada en la fibra. Además, el
sistema para adelgazar fibras utilizado, el cual se describe en el apéndice A, estira las dos
fibras con una longitud igual, por lo tanto, las dos fibras adelgazadas pueden ser
consideradas idénticas.
Los acopladores de fibras ópticas tienen gran aplicación en las áreas de
telecomunicaciones y sensores [24,43,44]. Con un diseño apropiado, éstos pueden
funcionar como divisores de potencia óptica o como dispositivos con selectividad en
longitud de onda. En ambos casos, su principal función es el enrutamiento de señales
ópticas.
En este capítulo se describirá el funcionamiento de acopladores de fibras ópticas
