Fibra óptica de amplificación y procedimiento para fabricarla.

Fibra óptica de amplificación que tiene un núcleo central y un revestimiento óptico rodeando el núcleo central,

en el que el núcleo central está basado en una matriz de sílice que comprende nanopartículas, cuyas nanopartículas están compuestas de un material de matriz que comprende iones de dopado de, al menos, un elemento de tierras raras y siendo el material de matriz alúmina (Al2O3) o una combinación de alúmina (Al2O3) y óxido de fósforo (P2O5), donde la concentración de los iones de dopado se encuentra comprendida entre el 0,01% en peso y el y 1% en peso, preferiblemente entre el 0,01 y el 0,2% en peso del peso total del núcleo central y donde la distancia entre los iones de dopado de las nanopartículas es de, al menos, 0,4 nanómetros y donde la concentración de iones de dopado en la nanopartícula está comprendida entre el 0,1 y el 20% en peso del peso total de dicha nanopartícula.

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Descripción Fibra óptica de amplificación y procedimiento para fabricarla [0001] La presente invención se refiere a una fibra óptica amplificadora que tiene un núcleo central y un revestimiento óptico rodeando el núcleo central, en la que el núcleo central se basa en una matriz de sílice que comprende nanopartículas, cuyas nanopartículas están compuestas de un material de matriz que comprende iones de dopado de, al menos, un elemento de tierras raras. Las fibras ópticas amplificadoras pueden ser utilizadas, por ejemplo, en amplificadores ópticos para enlaces de transmisión óptica de alta tasa binaria. [0002] La presente invención se refiere además a un amplificador óptico y un láser óptico que comprenden la presente fibra óptica amplificadora. Además, la presente invención se refiere a un procedimiento para preparar una suspensión de nanopartículas, cuyas nanopartículas están compuestas de un material de matriz que comprende iones de dopado de, al menos, un elemento de tierras raras. Además, la presente invención se refiere a un procedimiento para fabricar la presente fibra óptica amplificadora. Además, la presente invención se refiere a la utilización de la fibra óptica presente. [0003] El documento de patente US 2003/0175003 de los presentes inventores se refiere a fibras ópticas de amplificación que comprenden nanopartículas en la matriz del núcleo central. Esta publicación está relacionada con la mejora de la forma de ganancia accesible de amplificadores ópticos mediante la presencia de nanopartículas en la matriz, teniendo cada tipo de nanopartícula descrita una combinación elemento/matriz de tierra rara específica. Las nanopartículas de acuerdo con el documento US 2003/0175003 se preparan a través de un proceso de sol-gel, utilizando un compuesto metálico que forma el elemento activo (por ejemplo, acetato de erbio) . Durante este proceso este metal se somete a formación de complejos formando un núcleo organometálico, utilizando primeros y segundos alcóxidos metálicos (por ejemplo, alúmina y sílice) . El metal activo es así rodeado por óxidos de metales originados a partir de estos primeros y segundos alcóxidos metálicos. [0004] La presente invención se refiere a mejorar la eficiencia de la amplificación por la fibra óptica dentro de una forma de ganancia especificada, por ejemplo mediante la reducción del consumo de potencia de bomba requerido. [0005] Un amplificador óptico es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente sin la necesidad de convertir primero dicha señal óptica en una señal eléctrica. Las fibras ópticas amplificadoras y, en particular las llamadas fibras de amplificación dopadas (DFAs) , utilizan una fibra óptica dopada como medio de ganancia para amplificar una señal óptica. La señal óptica a amplificar y un láser de bombeo se multiplexan en la fibra óptica dopada, y la señal es amplificada a través de la interacción con los iones de dopado tal como se explicará en más detalle más adelante. Estas DFAs están involucradas en numerosas aplicaciones ópticas. [0006] El dopado de fibras ópticas con el elemento de tierra rara erbio (Er) , proporciona los llamados amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs) . Estos EDFAs se utilizan en redes de telecomunicaciones ópticas de larga y ultra larga distancia a 1550 nm para amplificar las señales ópticas transmitidas. Estos EDFAs se pueden bombear de manera eficaz con un láser de bombeo a una longitud de onda de 980 nm o 1480 nm, exhibiendo ganancia en la región de 1550 nm. La ganancia se define como la potencia de la señal de salida dividida por la potencia de la señal de entrada. La potencia de la señal de entrada corresponde a la potencia de la señal óptica a la entrada de la fibra óptica amplificadora. La potencia de la señal de salida corresponde a la potencia de la señal óptica a la salida de la fibra amplificadora, es decir, a la señal amplificada. La potencia de salida es la suma de la potencia de la señal de entrada y la energía de bombeo que se transforma en potencia de señal; esta energía de bombeo se iguala al periodo de potencia de bombeo de la eficiencia de la bomba. La ganancia es por lo tanto una medida de la capacidad del amplificador para aumentar la potencia de una señal óptica. [0007] El dopado con iterbio (Yb) se utiliza a menudo en fibras ópticas para EDFAs para mejorar la eficacia de absorción de la señal de bomba de erbio través de la transferencia de energía entre Yb y Er. Además, los iones de Yb pueden ser también utilizados por sí solos en aplicaciones de láser de alta potencia. [0008] Las fibras ópticas para EDFAs presentan generalmente un núcleo central compuesto de una matriz a base de sílice que contiene dopado con iones de erbio en una concentración de iones de erbio comprendida entre 250 ppm (0, 025% en peso) y 1.000 ppm (0, 1% en peso) . Los iones de erbio son la fuente de la ganancia óptica y los resultados de ganancia de la emisión estimulada de transiciones electrónicas a un estado de menor energía desde un estado de energía superior previamente ocupado por una fuente de bombeo. [0009] Estas fibras ópticas para EDFAs comprenden con frecuencia co-dopado con otros elementos para mejorar la amplificación, por ejemplo, para ampliar y/o aplanar la banda de amplificación o la ventana de amplificación, siendo la gama de longitudes de onda ópticas para las que el amplificador produce una ganancia útil. Un ejemplo es una fibra óptica co-dopada con erbio y aluminio que permite la amplificación en la banda C de multiplex de división de longitud de onda (WDM) de 1520 a 1570 nm. Otras aplicaciones y otras posiciones de banda pueden alcanzarse mediante la correcta elección del elemento de tierras raras, ya sea solo o en combinación de dos o más de los mismos. [0010] Es bien sabido que la amplificación óptica en una fibra óptica dopada con tierras raras se obtiene introduciendo en la fibra óptica una señal de bombeo que excita los iones de tierras raras (por ejemplo, iones E08291059

Er3+ en EDFAs) . Cuando una señal óptica pasa a través de esta parte de la fibra óptica, un fotón similar al fotón incidente puede ser emitido desde los iones que se encuentran en estado excitado, cuyo ion vuelve al estado fundamental. Esto se explica en más detalle en la figura 1 que se describe más adelante. La señal óptica incidente será entonces duplicada y el ion de tierra rara está listo para otro ciclo de excitación y desexcitación. Este proceso se llama emisión estimulada. Si tal porción de una fibra se combina con una cavidad resonante compuesta por dos espejos o de rejillas de Bragg, se obtiene una fibra óptica láser. La longitud de onda y la potencia de dicha fibra óptica láser, depende de la naturaleza y cantidad del elemento de tierras raras utilizado como dopante. [0011] Hay una creciente demanda continua de sistemas WDM que dará lugar a mercados crecientes de sistemas mejores y más rápidos. Tales sistemas de nueva generación tendrán que incluir amplificadores más eficaces y láseres que sean compatibles con aplicaciones de alta potencia. [0012] Un punto clave en el desarrollo de los amplificadores de fibra óptica más eficaces es la posibilidad de superar la limitación de ganancia o saturación. La potencia de la señal de salida está limitada debido a un número finito de iones de tierras raras y la potencia de bomba. Así que, cuando la potencia de entrada es baja, se puede tener una ganancia alta porque los iones de tierras raras y la potencia de bomba no están saturados. Si aumenta la potencia de entrada, se puede aumentar la potencia de salida de la misma manera, aumentando concurrentemente la potencia de bomba, de manera que puede mantenerse el nivel de ganancia. Cuando se alcanza el límite de potencia de bomba y la concentración de tierras raras, la potencia de salida alcanza su límite, así que la ganancia no puede ser mantenida. Si la potencia de la señal de entrada aumenta por encima del límite de potencia de bombeo, la ganancia disminuye. Se ha alcanzado la saturación de la ganancia. Esto explica por qué a señal de potencia de entrada baja, puede obtenerse un aumento en la potencia de salida y alta ganancia. También explica por qué a potencia de señal de entrada alta, la potencia de la señal de salida es máxima y la ganancia disminuye hasta llegar a un mínimo. Esta limitación de ganancia viene impuesta por los esquemas de bombeo utilizados actualmente. La potencia de los esquemas de bombeo actuales se limita a bombas láser de 750 mW disponibles en el mercado. Además, por razones técnicas y de costos, tales como disipación de calor y consumo de energía, los sistemas actuales de bombeo se limitan a menudo a una combinación de dos únicas bombas que... [Seguir leyendo]

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1. Fibra óptica de amplificación que tiene un núcleo central y un revestimiento óptico rodeando el núcleo central, en el que el núcleo central está basado en una matriz de sílice que comprende nanopartículas, cuyas 5 nanopartículas están compuestas de un material de matriz que comprende iones de dopado de, al menos, un elemento de tierras raras y siendo el material de matriz alúmina (Al2O3) o una combinación de alúmina (Al2O3) y óxido de fósforo (P2O5) , donde la concentración de los iones de dopado se encuentra comprendida entre el 0, 01% en peso y el y 1% en peso, preferiblemente entre el 0, 01 y el 0, 2% en peso del peso total del núcleo central y donde la distancia entre los iones de dopado de las nanopartículas es de, al menos, 0, 4 nanómetros y donde la concentración de iones de dopado en la nanopartícula está comprendida entre el 0, 1 y el 20% en peso del peso total de dicha nanopartícula.

2. Fibra óptica de amplificación de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la concentración de iones de dopado en la nanopartícula está comprendida entre el 0, 5 y el 15% en peso del peso total de dicha 15 nanopartícula.

3. Fibra óptica de amplificación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el material de matriz de las nanopartículas tiene una energía de fonón que es menor que el 20% de la brecha de energía entre el nivel de amplificación y el nivel de estado fundamental del elemento de tierra rara durante el bombeo, más preferiblemente menor del 15% de la brecha de energía.

4. Fibra óptica de amplificación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el material de la matriz de las nanopartículas tiene una energía de fonón de, al menos, el 25% de la brecha de energía entre el nivel de bombeo y el nivel de amplificación del elemento de tierra rara durante el bombeo y a lo sumo el 22%, preferiblemente el 18, 5% de la diferencia de energía entre el nivel de amplificación y el nivel de estado fundamental del elemento de tierras raras durante el bombeo.

5. Fibra óptica de amplificación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el material de matriz de las nanopartículas es amorfo.

6. Fibra óptica de amplificación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la matriz a base de sílice del núcleo central está dopada con, al menos, un elemento seleccionado del grupo, que consta de germanio, fósforo, flúor, el boro y una o más combinaciones de los mismos.

7. Fibra óptica de amplificación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la concentración total de alúmina en el núcleo central es igual o inferior al 4% en peso, preferiblemente igual o inferior al 3, 5% en peso respecto del peso total del núcleo central.

8. Fibra de amplificación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el elemento de tierras raras, se selecciona entre el grupo, que consiste en erbio, iterbio, tulio, y una combinación de estos elementos, preferiblemente de erbio con iterbio.

9. Fibra óptica de amplificación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la fibra óptica tiene pérdidas de atenuación de fondo iguales o inferiores a 4 dB/km a 1200 nm, 45 preferiblemente iguales o inferiores a 2 dB/km a 1200 nm.

10. Fibra óptica de amplificación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el tamaño de las nanopartículas es igual o inferior a 100 nm, preferiblemente igual o inferior a 50 nm, más preferiblemente igual o inferior a 20 nm.

11. Utilización de una fibra óptica amplificadora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes en un amplificador óptico o un láser óptico.

12. Amplificador óptico que comprende, al menos, una longitud de una fibra óptica amplificadora de acuerdo 55 con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

13. Laser óptico que comprende, al menos, una porción de una fibra óptica amplificadora de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 y 12.

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14. Procedimiento para fabricar una fibra óptica amplificadora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, comprendiendo dicho procedimiento las siguientes etapas: I) preparar una suspensión de nanopartículas, compuestas de un material de matriz que comprende iones de dopado de, al menos, un elemento de tierras raras y siendo el material de matriz alúmina (Al2O3) o una combinación de alúmina (Al2O3) y óxido de fósforo (P2O5) , II) proporcionar un tubo hueco a base de sílice que tiene una capa porosa interna, preparada mediante un proceso de deposición química en fase de vapor (CVD) ; III) impregnar la capa porosa interna del tubo hueco obtenido en la etapa II) con la suspensión obtenida en la etapa I) ;

IV) aplicar calor a la capa porosa interior dopada obtenida en la etapa III) para eliminar el agua residual y reforzar las nanopartículas; V) vitrificar y colapsar el tubo hueco obtenido en la etapa IV) para obtener una preforma óptica; VI) opcionalmente enfundar o sobre-revestir la preforma óptica obtenida en la etapa V) para obtener una preforma óptica con relación modificada entre el diámetro del núcleo central y el diámetro de revestimiento óptico; VII) estirar la preforma óptica obtenida en la etapa V) o la etapa VI) para obtener una fibra óptica que tiene un núcleo central y un revestimiento óptico, rodeando el núcleo central, en la que el núcleo central se basa en una matriz de sílice que comprende nanopartículas, cuyas se componen de nanopartículas de un material de matriz que comprende iones de dopado de, al menos un elemento de tierras raras y siendo el material de matriz alúmina (Al2O3) o una combinación de alúmina (Al2O3) y óxido de fósforo (P2O5) , en la que la concentración de los iones está comprendida entre el 0, 01 y el 1% en peso, preferiblemente entre el 0, 01 y el 0, 2% en peso del peso total del núcleo central y en la que la distancia entre los iones en las partículas es, al menos, 0, 4 nanómetros y en el que la concentración de iones de dopado en la nanopartícula está comprendida entre el 0, 1 y el 20% en peso del peso total de la nanopartícula.