Técnica y dispositivo para conformar el espectro de ganancia del efecto Brillouin en guías de onda ópticas (en adelante guías).

Inyectando una radiación luminosa o "bombeo" en guías, se puede inducir otra radiación -dispersión (scattering) de Brillouin- centrada en otra frecuencia. Esta dispersión puede ser espontánea o estimulada por otra radiación contra-propagante ("semilla") y amplificarla en la banda espectral de ganancia de Brillouin cuyo perfil depende de las propiedades de la guía y del bombeo.

Esta invención propone la conexión de N guías concatenadas y/o en estrella, bombeadas todas ellas con la/s misma/s fuente/s de bombeo como técnica para conformar la respuesta espectral de Brillouin del conjunto de guías que constituyen el dispositivo base. Puede emplearse en la elaboración de dispositivos y subsistemas ópticos (ópticamente sintonizables o no). Puede implementarse en tecnología de fibra óptica y usarse para amplificación, filtrado, medida y en general, procesado de señales ópticas

Técnica y dispositivo para conformar el espectro de ganancia de Brillouin en guías de onda ópticas.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector de instrumentación óptica y opto-electrónica para detección y medida. Sirve para desarrollar nuevos dispositivos y subsistemas (ópticamente sintonizable o no) aptos para conformar las características de señales ópticas y desempeñar funciones de amplificación, filtrado y en general, procesado de radiaciones fotónicas, entre otras posibilidades.

Estado de la técnica

Inyectando convenientemente una radiación luminosa o "bombeo" en guías de onda ópticas, se puede inducir otra radiación luminosa centrada en otra frecuencia cuyo espectro es debido al efecto no lineal conocido como "scattering" de Brillouin que, puede traducirse por dispersión o esparcimiento (en adelante: dispersión). Dicha dispersión puede ser espontánea o estimulada por otra radiación contra-propagante que puede denominarse "semilla" y producir amplificación en la banda espectral de ganancia de Brillouin, cuyo perfil es dependiente de las propiedades de la guía de onda y de las de la radiación bombeo. Definiendo un bombeo y una guía de onda se obtiene un espectro de ganancia con un perfil dado, que en general es muy estrecho.

La dispersión de Brillouin sobre fibras ópticas es ampliamente utilizada en el área de los sensores distribuidos de parámetros físicos relativos, tales como, el strain, la temperatura y valores asociados, así como en la medida de espectros con resoluciones muy elevadas. Se emplea asimismo en la selección de señales ópticas, modulación electro-óptica y en la elaboración de giroscopios.

La patente europea EP-1-199549-A1 describe un dispositivo que utiliza el efecto de dispersión Brillouin en una fibra óptica para la elaboración de medidas espectroscópicas. La patente norteamericana US004001791 B2 describe un aparato y un método para incrementar la sensibilidad y eficiencia de sistemas de transmisión y procesado sobre fibras ópticas. Por otra parte la patente española ES-2-207417-A1 y la norteamericana US7405820B2 describen el uso de la amplificación óptica mediante el efecto de la dispersión Brillouin combinada con la selectividad espectral que proporciona el propio efecto de dispersión Brillouin como consecuencia de la estrechez de la curva o perfil de ganancia Brillouin en una fibra óptica.

La principal innovación que se incluye en la presente invención es el hecho de conectar ópticamente varios segmentos de guías de onda ópticas (que pueden ser fibras) en la obtención del espectro de ganancia Brillouin. Cada guía de onda óptica puede tener, en general, propiedades y longitudes diferentes.

Se propone la utilización de N guías de onda ópticas concatenadas (en línea o serie) y/o en estrella (en paralelo) todas ellas bombeadas con la/s misma/s fuente/s de bombeo como técnica para conformar la respuesta espectral de Brillouin del conjunto de guías de onda que constituyen, en esencia, el dispositivo base propuesto.

Con esta técnica se pueden lograr bandas espectrales de dispersión Brillouin cuyos perfiles y sus anchos de banda sean conformados a consecuencia de que la respuesta global del dispositivo, resulta de la superposición de todas las ganancias Brillouin del conjunto de guía concatenadas; en un caso dan lugar al dispositivo en sí y en otro caso se puede efectuar la función inversa es decir, una respuesta global descomponerla en N respuestas parciales (caso de conexión en estrella), entre otras posibilidades. De una forma, puede servir para ampliar bandas pasantes y en otro para efectuar funciones de multiplexación o demultiplexación de portadoras (incluso, en ambos casos con capacidad de conferirles sintonía óptica a través del control del bombeo). El hecho de emplear más de una guía de onda óptica, es la principal diferencia en la elaboración y aprovechamiento de la técnica de scattering de Brillouin comparada con las invenciones precedentes en las que emplean una sola fibra óptica.

Objeto de la invención

Por consiguiente, el principal objeto de nuestra invención es proveer de un una técnica y un dispositivo que la implemente, con el fin de incrementar y conformar a voluntad el espectro de ganancia Brillouin en estructuras de guía de onda de luz en general y, en particular, en tecnología de fibras ópticas.

Adicionalmente, con la presente invención se podrá ampliar el ancho espectral de la ganancia Brillouin sobre guías de onda de luz y, con ello, variar la resolución de medida de espectros ópticos por medio de la amplificación óptica usando la dispersión de Brillouin.

Descripción de la invención

El campo óptico que es propagado por una guía de onda, como es el caso de una fibra óptica, interacciona con el medio de acuerdo a las propiedades que tenga el material, tales como, densidad, forma geométrica, estructura física del material, etc. Bajo condiciones propicias de potencia de una onda óptica incidente, que denominaremos "bombeo", y la longitud del medio de propagación, se produce una respuesta no lineal a través de la propiedad de electrostricción del material y con carácter espontáneo. Este efecto se presenta como la dispersión del propio campo óptico que interacciona con el medio, hay un intercambio de energía entre el campo eléctrico y la estructura del material que genera una onda contra-propagante cuya frecuencia está desplazada un valor denominado frecuencia de Brillouin (?_B, valor central del espectro de ganancia de Brillouin), esta señal se conoce como: "Stokes". Este valor depende tanto del medio como de las características de la luz. Como resultado se obtiene una curva en el espectro de la frecuencia: "ganancia de Brillouin". Para obtener el fenómeno descrito se requiere de una densidad espacial de potencia óptica elevada, al igual que un alto grado de coherencia. Actualmente esto no implica mayor inconveniente dada la tecnología existente de láseres que emiten potencias de más de 1 W en rangos de longitud de onda que van desde 500 nm hasta 1800 nm. Un ejemplo de este tipo de fuentes de luz son los láseres de materiales semiconductores con cavidad externa.

Este fenómeno también puede ser estimulado usando una señal óptica adicional, que llamaremos "prueba", de dirección opuesta al bombeo y de igual valor en frecuencia que la señal de Stokes. Así, la intensidad umbral necesaria para la generación del Brillouin se reduce considerablemente. Este procedimiento se conoce como Brillouin estimulado.

Una de las principales características en un sistema basado en el efecto de Brillouin es el ancho de banda (bandwidth) espectral de ganancia Brillouin (??_B). Cuyo valor es determinado, entre otros, por sus características físicas, químicas y la estructura del medio en el que se propaga. El ancho de banda es de gran importancia en el diseño de dispositivos ópticos y en el uso de este fenómeno no lineal en las comunicaciones ópticas o en los sensores distribuidos. El ancho de banda en usando ondas continuas tiene valores típicos cercanos a los 40 MHz. (para longitudes de onda de 1500 nm se habla aproximadamente de 0.05 pm). Es de gran utilidad en el momento de hacer una selección muy fina de señales ópticas, pero a la vez es un inconveniente si se desea construir dispositivos tales como amplificadores, filtros, etc. que requieran de un ancho de banda variable, con formas combinadas o simplemente de mayor valor.

La invención consiste en superponer espectros de ganancia Brillouin, que aislados son estrechos; el efecto puede ser tanto de carácter espontáneo como estimulado. Cada espectro corresponde a un segmento de fibra óptica (o bien, cualquier tipo de guía de onda de luz) cuyas características son diferentes unas de las otras.

Para describir el principio se conectan ópticamente N fibras ópticas en serie o como un arreglo de N entradas por N salidas (N es el número de fibras utilizadas en la elaboración del dispositivo óptico). En el caso estimulado se hace inducir solo la señal que sirva de bombeo para obtener el efecto; si es estimulado, se hace incidir una señal que sirva de bombeo y otra señal contra-propagante que sirva de prueba. La longitud de onda de la señal de prueba se modifica para hacer un barrido en el espectro de frecuencia o en longitud de onda con el fin de obtener el espectro resultante que nos da la información del comportamiento de la luz sobre el conjunto de fibras ópticas. Ahora bien, la curva de ganancia de Brillouin total se obtiene tanto de variar la longitud de onda...

1. Técnica y dispositivo para la conformación del espectro de ganancia Brillouin, que comprende N segmentos concatenados de guía-ondas ópticas de distintas características técnicas (Figura 4.1).

2. Técnica y dispositivo para la conformación del espectro de ganancia Brillouin, que comprende un dispositivo de encaminamiento óptico 1xN (31) a la entrada, un dispositivo de encaminamiento óptico Nx1 a la salida (32) y N segmentos de guía-ondas ópticas (29) de distintas características técnicas conectados cada uno entre una de la N salidas del dispositivo de encaminamiento óptico de entrada y una de las N entradas del dispositivo de encaminamiento óptico de salida consiguiendo un espectro de dispersión Brillouin ensanchado (Figura 4.2).

3. Técnica y dispositivo para la conformación del espectro de ganancia Brillouin, que comprende un dispositivo de encaminamiento óptico 1xN (31) a la entrada/salida, y N segmentos de guía-ondas ópticas (32) de distintas características técnicas formando un dispositivo de una entrada/salida y N salidas/entradas (Figura 4.2 derecha).

4. Técnica y dispositivo para la conformación del espectro de ganancia Brillouin, que comprende un dispositivo de encaminamiento óptico 1xN (31) a la entrada, un dispositivo de encaminamiento óptico Nx1 a la salida (32) y N dispositivos según reivindicación 1 que comprende 2 y/o más guía-ondas ópticas concatenadas formando un dispositivo una entrada/salida y una salida/entrada.

5. Técnica y dispositivo para la conformación del espectro de ganancia Brillouin, que comprende un dispositivo de encaminamiento óptico 1xN (31) a la entrada/salida, y N dispositivos según reivindicación 1 que comprende 2 y/o más guía-ondas ópticas concatenadas formando un dispositivo una entrada/salida y N salidas/entradas.

6. Dispositivos para la conformación del espectro de ganancia Brillouin construidos como asociaciones serie, paralelo o ambas, de las técnicas y dispositivos según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5.

7. Técnica y dispositivo según reivindicación 1, caracterizado por tramos de guía-ondas ópticas de idéntica o distinta longitud.

8. Técnica y dispositivo según reivindicación 2, caracterizado por tramos de guía-ondas ópticas de idéntica o distinta longitud.

9. Técnica y dispositivo según reivindicación 3, caracterizado por tramos de guía-ondas ópticas de idéntica o distinta longitud.

10. Técnica y dispositivo según reivindicación 1 caracterizado por uno o varios elementos de tensión y/o compresión de guía-onda asociados a uno o varios tramos de guía-ondas ópticas de distintas características técnicas para poder desplazar el espectro correspondiente a la técnica y el dispositivo según reivindicación 1.

11. Técnica y dispositivo según reivindicación 2, 4 caracterizado por uno o varios elementos de tensión y/o compresión de guía-onda asociados a uno o varios tramos de guía-ondas ópticas de distintas características técnicas para poder desplazar el espectro correspondiente a la técnica y el dispositivo según reivindicación 2, 4.

12. Técnica y dispositivo según reivindicación 3, 5 caracterizado por uno o varios elementos de tensión y/o compresión de guía-onda asociados a uno o varios tramos de guía-ondas ópticas de distintas características técnicas para poder desplazar el espectro correspondiente a la técnica y el dispositivo según reivindicación 3, 5.

13. Técnica y dispositivo según reivindicación 1 caracterizado por uno o varios sistemas de calentamiento o enfriamiento asociados a uno o varios tramos de guía-ondas ópticas de distintas características técnicas para poder desplazar el espectro correspondiente a la técnica y el dispositivo según reivindicación 1.

14. Técnica y dispositivo según reivindicación 2, 4 caracterizado por uno o varios sistemas de calentamiento o enfriamiento asociados a uno o varios tramos de guía-ondas ópticas de distintas características técnicas para poder desplazar el espectro correspondiente a la técnica y el dispositivo según reivindicación 2, 4.

15. Técnica y dispositivo según reivindicación 3, 5 caracterizado por uno o varios sistemas de calentamiento o enfriamiento asociados a uno o varios tramos de guía-ondas ópticas de distintas características técnicas para poder desplazar el espectro correspondiente a la técnica y el dispositivo según reivindicación 3, 5.

16. Técnica caracterizada por la utilización de fuentes de bombeo sintonizables que permitan desplazar de forma absoluta el espectro del dispositivo según reivindicación 1.

17. Técnica caracterizado por la utilización de fuentes de bombeo sintonizables que permitan desplazar el espectro del dispositivo según reivindicación 2, 4.

18. Técnica caracterizado por la utilización de fuentes de bombeo sintonizables que permitan desplazar el espectro del dispositivo según reivindicación 3, 5.

19. Procedimiento de filtrado selectivo de señales ópticas utilizando las técnicas y dispositivos de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y 5 y de las asociaciones de dispositivo de invención descritas en la reivindicación 6.

20. Técnicas de procesado óptico de señales basados en bandas de paso o rechazo de bandas de frecuencia generadas utilizando las técnicas y dispositivos de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y 5, y de las asociaciones de dispositivo de invención descritas en la reivindicación 6.

21. Técnicas de procesado óptico de señales basados en la modulación del espectro de ganancia Brillouin de los dispositivos según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y 5, y las asociaciones de dispositivo de invención descritas en la reivindicación 6 mediante la aplicación de señales variables a los elementos de tensionado y/o compresión de la guía-onda según reivindicaciones 10, 11 y 12.