DISPOSITIVO PARA EL ANALISIS ESPECTRAL POR MEDIO DEL EFECTO DE AMPLIFICACION OPTICA POR DIFUSION BRILLOUIN Y METODO DE MEDIDA ASOCIADO.

Dispositivo para el análisis espectral de señales ópticas basado en el efecto de Difusión Brillouin Estimulada y procedimiento de medida asociado que utiliza la amplificación óptica de las señales por el propio efecto de Difusión Brillouin.

El efecto de Difusión Brillouin permite la amplificación óptica selectiva de una determinada componente del espectro óptico de la señal a analizar, que se denominará señal problema, para su medida con una resolución, sensibilidad y rango dinámicos determinados. La señal problema se introduce en una fibra óptica conjuntamente con una señal óptica de banda estrecha, que denominaremos señal sonda, centrada en una determinada longitud de onda, que se propaga en sentido contrario al de la señal problema interaccionando ambas señales, debido al efecto Brillouin, en el interior de la fibra

Dispositivo para el análisis espectral por medio del efecto de amplificación óptica por difusión Brillouin y método de medida asociado.

Sector de la técnica

La presente invención concierne a un dispositivo para el análisis espectral de señales ópticas basado en el efecto de Difusión Brillouin Estimulada y procedimiento de medida asociado que utiliza la amplificación óptica de las señales por el propio efecto de Difusión Brillouin. En este dispositivo, el efecto de Difusión Brillouin permite la amplificación óptica selectiva de una determinada componente del espectro óptico de la señal a analizar, que se denominará señal problema, para su medida con una resolución, sensibilidad y rango dinámicos determinados.

Para este fin, la señal problema se introduce en una fibra óptica conjuntamente con una señal óptica de banda estrecha, que denominaremos señal sonda, centrada en una determinada longitud de onda, que se propaga en sentido contrario al de la señal problema. Cuando ambas interaccionan, debido al efecto Brillouin, en el interior de la fibra se genera una señal de salida que viaja en sentido contrario a la señal sonda y cuya intensidad está determinada por el producto de las intensidades de las dos primeras señales, de modo que de dicha señal de salida es posible obtener una medida de una componente espectral de dicha señal problema, estando esta componente determinada por la longitud de onda central de dicha señal sonda.

Estado de la técnica

La patente americana US4997277 describe un método y un aparato para evaluar la distribución de varias propiedades de una fibra óptica a lo largo de tu dirección longitudinal. La fibra óptica se caracteriza por el cambio la forma de onda de la señal luminosa debido al efecto no lineal de la amplificación Brillouin. En este documento las señales son conocidas y la fibra óptica desconocida.

La presente invención también hace uso de la propiedad de interacción Brillouin pero con la diferencia principal de que en la presente invención la fibra óptica es conocida siendo una señal de prueba el objeto de las medidas.

La patente europea EP-1-199549-A1 describe un dispositivo que utiliza el efecto de Difusión Brillouin en una fibra óptica para la realización de medidas espectroscópicas y constituye el antecedente más reciente con un campo de invención próximo al que se describe en el presente documento.

La principal innovación que se incluye en la presente invención es el uso de la amplificación óptica por el efecto de Difusión Brillouin, combinado con la selectividad espectral que proporciona el propio efecto de Difusión Brillouin como consecuencia de la estrechez de la curva de ganancia Brillouin en una fibra óptica.

Para obtener el efecto de amplificación Brillouin, las señales problema y sonda se introducen en la fibra óptica en que tiene lugar el efecto por extremos opuestos y con sentidos de propagación contrarios, a diferencia de la configuración que se describe en la patente EP-1-199549-A1. Esta diferencia está asociada a unos principios de operación del dispositivo sustancialmente diferentes que permiten la obtención de un elevado nivel de amplificación óptica de la señal problema junto con la alta selectividad espectral del efecto Brillouin.

La resolución en la medida de espectros ópticos con el dispositiva descrito en la presente invención está determinada por la anchura espectral de la curva de ganancia Brillouin, y no se basa en ningún filtrado pasivo de la señal problema mediante sistemas con redes de difracción, interferómetros Fabry- Perot u otros sistemas análogos.

Descripción de la invención

Cuando, en determinadas condiciones, se propaga un haz de luz o señal óptica, con suficiente intensidad por un medio material, se produce una respuesta no lineal del medio que da lugar a la aparición del efecto conocido como Difusión Brillouin Espontánea. Por este efecto, una parte de la luz de la señal incidente es difundida en sentido opuesto al de la señal incidente, con un pequeño desplazamiento en la longitud de onda (??_D) del haz retrodifundido respecto al incidente. Este desplazamiento se debe al efecto Doppler.

Para que se produzca el efecto de Difusión Brillouin, al igual que para otros efectos de carácter nolineal, se requiere muy alta densidad espacial de potencia óptica en el medio material, tal como la que se consigue con facilidad actualmente en fibras ópticas monomodo, en las que se pueden inyectar potencias hasta del orden de 1 W, de manera continua, en áreas del orden de 50-100 µm².

Además y de forma específica, el efecto de Difusión Brillouin requiere un alto grado de coherencia espacial de la señal incidente. El grado de coherencia necesario para la generación de la Difusión Brillouin se puede obtener con facilidad empleando láseres tales como los de semiconductor con cavidad externa, usados habitualmente como fuentes sintonizables en equipos de caracterización de fibras ópticas.

Con un grado de coherencia suficiente en la fuente de luz, el fenómeno de Difusión Brillouin Espontáneo se produce en una fibra óptica monomodo cuando el nivel de potencia óptica supera un cierto nivel umbral del orden de unos pocos miliwatios de potencia en la fibra.

Cuando, además de la señal incidente (que denominamos señal sonda) se introduce en la misma fibra óptica una segunda señal, denominada señal problema, que se propaga en sentido opuesto al de la señal incidente, se produce el efecto denominado Difusión Brillouin Estimulada.

En estas circunstancias, un pequeño nivel de potencia en la segunda señal o señal problema, si tiene las características espectrales adecuadas, produce una fuerte reducción en el nivel umbral para que se produzca la Difusión Brillouin, de manera que la magnitud de esta difusión se intensifica en respuesta al estímulo proporcionado por la señal problema.

La magnitud de la potencia retrodifundida por efecto Brillouin estimulado está directamente determinada por la mucho más débil intensidad de la señal problema. Si la longitud de interacción entre la señal sonda y la señal problema es suficientemente amplia, el haz de luz o señal óptica resultante de la Difusión Brillouin puede ser de una intensidad comparable con la de la señal sonda, pero regida por la magnitud de la señal problema que la estimula. Se produce, por tanto, un efecto de Amplificación óptica por Difusión Brillouin.

La Amplificación por Difusión Brillouin tiene un carácter selectivo en longitud de onda: se produce exclusivamente en un estrecho rango espectral (con una anchura aproximada de 0,05 pm en la zona del infrarrojo próximo, ? ~ 1,5 µm) en torno a la longitud de onda determinada por la señal sonda, ligeramente desplazada por el efecto Doppler mencionado anteriormente (con un valor aproximado de 0,1 nm en fibras ópticas de sílice y en el citado infrarrojo próximo).

Modificando la longitud de onda de la señal sonda se amplifican selectivamente distintas componentes espectrales de la señal problema. Un barrido en longitudes de onda de la señal sonda actúa de sonda amplificadora sintonizable sobre el espectro de la señal problema.

El procedimiento de medida de espectros ópticos según la presente invención se basa en la Amplificación óptica Selectiva por Difusión Brillouin de un estrecho rango del espectro de la señal problema centrado en la longitud de onda fijada por la señal sonda (salvo el desplazamiento por efecto Doppler), de manera que un barrido en longitud de onda de la sonda permite obtener un amplio rango del espectro de la señal problema.

El dispositivo analizador de espectros ópticos por Difusión Brillouin y procedimiento de medida asociado objeto de la presente invención, consigue los objetivos planteados al incorporar una fuente óptica sintonizable de banda estrecha, un segmento de fibra óptica, un circulador óptico que permite el acceso a dicho segmento por uno de sus extremos, un segundo acceso óptico por el extremo opuesto de dicho segmento de fibra óptica, un sistema de detección y un sistema de control y adquisición de datos.

Dicho segmento de fibra óptica es susceptible de recibir a través de dicho circulador óptico una señal óptica sonda que a su vez procede de dicha fuente óptica sintonizable.

Por otro lado, dicho segmento de fibra es susceptible de recibir a través de dicho segundo acceso una señal óptica problema que se desea medir, procedente de una fuente externa.

Dicho...

1. Dispositivo para el análisis de espectros ópticos mediante amplificación óptica por difusión Brillouin, que comprende una fuente (1) óptica sintonizable, de banda estrecha y coherente, un segmento (2) de fibra óptica monomodo, un circulador (4) óptico para acceder a dicho segmento (2) por uno de sus extremos, un segundo acceso (6) óptico en el otro extremo del segmento (2) de fibra, un sistema (3) de detección directa de luz y un sistema (7) de control, que realiza un barrido en longitud de onda de dicha fuente óptica sintonizable y de banda estrecha, donde dicho segmento (2) de fibra es susceptible de recibir por medio de dicho circulador (4) óptico una señal (A) óptica sonda procedente de dicha fuente (1) óptica y, por medio de dicho segundo acceso (6), una señal (B) óptica problema, cuyo espectro (12) va a medirse, procedente de una fuente (10) externa, proporcionando el segmento (2) de fibra un medio material adecuado para una interacción por efecto de amplificación óptica por difusión Brillouin entre la señal (A) sonda y la señal (B) problema, estando dispuesto dicho circulador (4) óptico para obtener una señal (C) óptica de salida, que corresponde a la magnitud de la componente espectral de la señal (B) óptica problema amplificada mediante el efecto de amplificación óptica por difusión Brillouin con una ganancia que depende de la intensidad de la señal (A) óptica sonda, que se conduce a dicho sistema (13) de detección, que genera un voltaje proporcional a la intensidad óptica de la señal (C) óptica de salida, proporcionándose dicho voltaje al sistema (7) de control que determina la longitud de onda de la señal (C) óptica de salida medida según la longitud de onda de la señal (A) sonda obteniéndose de ese modo el espectro (12) de la señal (B) problema por medio de dicho sistema (7) de control, en el que la entrada de la señal (B) problema en el segmento de fibra óptica se realiza a través del acceso (6) óptico y en el extremo opuesto a la entrada de la señal (A) sonda, teniendo intercalado dicho acceso un aislador (6) óptico para impedir la salida de cualquier señal óptica que pudiera influir sobre la fuente (10) externa y en el que dicho dispositivo comprende un controlador (5) de polarización situado entre dicho circulador (4) óptico y dicho segmento (2) de fibra para evitar la pérdida de eficiencia provocada por las distintas polarizaciones de la señal (A) óptica sonda y la señal (B) óptica problema.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha fuente óptica es de tipo láser semiconductor con cavidad externa, sintonizable, de banda estrecha y de alta coherencia.

3. Dispositivo según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho dispositivo incorpora un amplificador (8) óptico situado a la salida de dicha fuente (1) óptica sintonizable para aumentar la intensidad aplicada de la señal (A) sonda y consiguientemente el nivel de sensibilidad de la medida.

4. Dispositivo según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho dispositivo incorpora al menos un modulador (9, 14) que trabaja de forma síncrona con el sistema (3) de detección, de manera que dicho dispositivo de espectrometría alcanza una alta sensibilidad y un amplio rango dinámico en la medida.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque incorpora un primer modulador (9) situado entre el control (5) de polarización y el segmento (2) de fibra, de manera que la modulación se realiza sobre la señal (A) sonda.

6. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque incorpora un segundo modulador (14) situado entre el segmento (2) de fibra y el aislador (6), de manera que la modulación se realiza sobre la señal (B) problema.

7. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque incorpora un primer modulador (9) situado entre el control (5) de polarización y el segmento (2) de fibra, y un segundo modulador (14) situado entre el segmento (2) de fibra y el aislador (6).

8. Dispositivo según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los moduladores (9, 14) pueden realizar una modulación de amplitud o de polarización.

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado porque el primer modulador realiza una modulación de polarización.

10. Dispositivo según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha resolución espectral está limitada por la anchura espectral del efecto Brillouin estimulado.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque dicha resolución espectral alcanza un valor mínimo del orden de 0,05 pm para la zona del infrarrojo próximo, es decir, ? ~ 1,5 µm.

12. Dispositivo según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha sensibilidad alcanza un valor del orden de 1 nW/pm para tiempos de respuesta en la cadena de detección del orden de 1 ms.

13. Dispositivo según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rango dinámico alcanza un valor del orden de 80 dB, ajustándose la sensibilidad del sistema por medio del nivel de ganancia total en la amplificación por difusión Brillouin.

14. Dispositivo según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fibra (2) óptica es una fibra monomodo para el rango de las longitudes de onda de medida o trabajo.

15. Dispositivo según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el controlador (5) de polarización puede ejercer las funciones de primer modulador (9) modulando la señal (A) sonda.

16. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de detección es de baja frecuencia.

17. Procedimiento de medida espectroscópica de señales ópticas para la amplificación óptica selectiva de señales mediante el efecto de amplificación óptica por difusión Brillouin, que incluye: