rejilla de Bragg de fibra

Las rejillas de tipo I, grabadas tanto en fibra hidrogenada como no hidrogenada de todo tipo, se conocen comúnmente como rejillas estándar y se fabrican en fibras de todo tipo bajo cualquier condición de hidrogenación . Típicamente, el espectro de reflexión de una rejilla de tipo I es igual a 1-T, donde T es el espectro de transmisión. Esto significa que los espectros de reflexión y transmisión son complementarios y la pérdida de luz por reflexión en el revestimiento o por absorción es insignificante. Las rejillas de tipo I son las más utilizadas de todos los tipos de rejillas y las únicas disponibles comercialmente en el momento de redactar este texto.

Rejilla regenerada escrita después del borrado de una rejilla de tipo I en fibra de germanosilicato hidrogenado de todo tipo.

Las rejillas de tipo IA se observaron por primera vez en 2001 ^{[ 5 ]} durante experimentos diseñados para determinar los efectos de la carga de hidrógeno en la formación de rejillas IIA en fibra de germanosilicato. En contraste con la disminución prevista (o "desplazamiento al azul") de la longitud de onda de Bragg de las rejillas, se observó un gran aumento (o "desplazamiento al rojo").

Estudios posteriores demostraron que el aumento de la longitud de onda de Bragg comenzaba una vez que una rejilla de tipo I inicial alcanzaba su reflectividad máxima y empezaba a debilitarse. Por este motivo, se la denominó rejilla regenerada.

La determinación del coeficiente de temperatura de las rejillas de tipo IA demostró que era inferior al de una rejilla estándar grabada en condiciones similares.

La diferencia clave entre la inscripción de rejillas de tipo IA y IIA es que las rejillas IA se escriben en fibras hidrogenadas, mientras que las rejillas de tipo IIA se escriben en fibras no hidrogenadas. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Se trata de rejillas que se forman cuando la parte negativa del cambio de índice inducido supera a la parte positiva. Generalmente se asocia con una relajación gradual de la tensión inducida a lo largo del eje y/o en la interfaz. Se ha propuesto que estas rejillas se denominen tipo In (para rejillas de tipo 1 con un cambio de índice negativo; la denominación tipo II podría reservarse para aquellas que se forman claramente por encima del umbral de daño del vidrio). ^{[ 8 ]}

Investigaciones posteriores de Xie et al. demostraron la existencia de otro tipo de rejilla con propiedades de estabilidad térmica similares a las de la rejilla de tipo II. Esta rejilla exhibió un cambio negativo en el índice medio de la fibra y se denominó tipo IIA. Las rejillas se formaron en fibras de germanosilicato con pulsos de un láser de colorante bombeado por XeCl con frecuencia duplicada . Se demostró que la exposición inicial formó una rejilla estándar (tipo I) dentro de la fibra que experimentó un pequeño desplazamiento al rojo antes de borrarse. Una exposición posterior mostró que se reformó una rejilla que experimentó un desplazamiento constante al azul mientras aumentaba su intensidad. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Se trata de rejillas que se regeneran a temperaturas más elevadas tras la eliminación de rejillas, generalmente de tipo I y, aunque no siempre, en presencia de hidrógeno. Se han interpretado de diversas maneras, incluyendo la difusión de dopantes (siendo el oxígeno la interpretación más popular actualmente) y el cambio estructural del vidrio. Trabajos recientes han demostrado que existe un régimen de regeneración más allá de la difusión, donde las rejillas pueden operar a temperaturas superiores a 1295  °C, superando incluso a las rejillas de femtosegundos de tipo II. ^{[ 11 ]} Estas resultan extremadamente atractivas para aplicaciones de ultra alta temperatura.

Se crean rejillas dañadas mediante excitación multifotónica con láseres de alta intensidad que superan el umbral de daño del vidrio. Los láseres empleados suelen ser pulsados ​​para alcanzar estas intensidades. Entre ellos se incluyen los avances recientes en excitación multifotónica con pulsos de femtosegundos, donde las escalas de tiempo cortas (equivalentes a los tiempos de relajación locales) ofrecen una localización espacial sin precedentes del cambio inducido. La red amorfa del vidrio se transforma generalmente mediante una vía de ionización y fusión diferente, dando lugar a cambios de índice más elevados o creando, mediante microexplosiones, huecos rodeados de vidrio más denso.

Archambault et al. demostraron que era posible grabar rejillas con una reflectancia de aproximadamente el 100 % (>99,8 %) mediante un único pulso UV en fibras de la torre de estirado. Se demostró que las rejillas resultantes eran estables a temperaturas de hasta 800  °C (hasta 1000  °C en algunos casos, e incluso superiores con la grabación mediante láser de femtosegundos). Las rejillas se grabaron utilizando un único  pulso de 40 mJ de un láser de excímero a 248  nm. Además, se observó un umbral bien definido a unos 30  mJ; por encima de este nivel, la modulación del índice aumentaba en más de dos órdenes de magnitud, mientras que por debajo de 30  mJ, la modulación del índice crecía linealmente con la energía del pulso. Para facilitar la identificación, y en reconocimiento de las diferencias en la estabilidad térmica, denominaron rejillas de tipo I a las fabricadas por debajo del umbral y rejillas de tipo II a las fabricadas por encima del umbral. El examen microscópico de estas rejillas mostró una trayectoria de daño periódica en el sitio de la rejilla dentro de la fibra [10]; por lo tanto, las rejillas de tipo II también se conocen como rejillas dañadas. Sin embargo, estas grietas pueden estar muy localizadas, de modo que no desempeñan un papel importante en la pérdida por dispersión si se preparan adecuadamente. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Básicamente hay dos cantidades que controlan las propiedades del FBG. Estas son la longitud de la rejilla,${\displaystyle L_{g}}$, dado como

${\displaystyle L_{g}=N\Lambda }$

y la resistencia de la rejilla,${\displaystyle \delta n_{0}\eta }$Sin embargo, hay tres propiedades que deben controlarse en una FBG. Estas son la reflectividad, el ancho de banda y la intensidad del lóbulo lateral. Como se muestra arriba , en el límite de rejilla fuerte (es decir, para valores grandes de .${\displaystyle \delta n_{0}}$) el ancho de banda depende de la intensidad de la rejilla, y no de la longitud de la rejilla. Esto significa que la intensidad de la rejilla se puede usar para establecer el ancho de banda. La longitud de la rejilla, efectivamente${\displaystyle \scriptstyle N}$Luego, se puede usar para establecer la reflectividad máxima, que depende tanto de la intensidad como de la longitud de la rejilla. El resultado es que la intensidad del lóbulo lateral no se puede controlar, y esta simple optimización produce lóbulos laterales significativos. Se puede variar una tercera cantidad para ayudar con la supresión de lóbulos laterales. Esto es la apodización del cambio del índice de refracción. El término apodización se refiere a la gradación del índice de refracción para aproximarse a cero en el extremo de la rejilla. Las rejillas apodizadas ofrecen una mejora significativa en la supresión de lóbulos laterales al tiempo que mantienen la reflectividad y un ancho de banda estrecho. Las dos funciones que se utilizan típicamente para apodizar una FBG son la gaussiana y el coseno elevado.

El perfil del índice de refracción de la rejilla puede modificarse para incorporar otras características, como una variación lineal en su periodo, denominada chirp . La longitud de onda reflejada varía con el periodo de la rejilla, ampliando el espectro reflejado. Una rejilla con chirp presenta la propiedad de generar dispersión ; es decir, las distintas longitudes de onda reflejadas por la rejilla experimentarán diferentes retardos. Esta propiedad también se ha utilizado en el desarrollo de sistemas de antenas de matriz en fase y en la compensación de la dispersión del modo de polarización .

En las rejillas de Bragg de fibra (FBG) estándar, la variación del índice de refracción se produce a lo largo de la fibra (el eje óptico ) y suele ser uniforme en todo su ancho. En una FBG inclinada (TFBG), la variación del índice de refracción se produce en ángulo con respecto al eje óptico. El ángulo de inclinación en una TFBG afecta a la longitud de onda reflejada y al ancho de banda.

Normalmente, el período de la rejilla es del mismo tamaño que la longitud de onda de Bragg, como se muestra arriba . Para una rejilla que refleja a 1500  nm, el período es de 500  nm, utilizando un índice de refracción de 1,5. Se pueden usar períodos más largos para lograr respuestas mucho más amplias que las posibles con una rejilla de Bragg estándar. Estas rejillas se denominan rejillas de fibra de período largo . Suelen tener períodos de rejilla del orden de 100 micrómetros a un milímetro, y por lo tanto son mucho más fáciles de fabricar. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Las rejillas de Bragg de fibra con desplazamiento de fase (PS-FBG) son una clase importante de estructuras de rejilla que tienen aplicaciones interesantes en comunicaciones ópticas y detección debido a sus características de filtrado especiales. ^{[ 19 ]} Este tipo de rejillas se pueden reconfigurar mediante un encapsulado y un diseño de sistema especiales. ^{[ 20 ]}

Se utilizan diferentes recubrimientos de estructura difractiva para rejillas de Bragg de fibra con el fin de reducir el impacto mecánico en el desplazamiento de la longitud de onda de Bragg entre 1,1 y 15 veces en comparación con una guía de onda sin recubrimiento. ^{[ 21 ]}

Las estructuras de Bragg de fibra direccionadas (AFBS) constituyen una clase emergente de FBG desarrolladas para simplificar la interrogación y mejorar el rendimiento de los sensores basados ​​en FBG. La respuesta en frecuencia óptica de una AFBS presenta dos muescas de banda estrecha, con un espaciado entre ellas dentro del rango de radiofrecuencia (RF) . Este espaciado se denomina frecuencia de direccionamiento de la AFBS y es único para cada AFBS en un sistema. La longitud de onda central de la AFBS puede definirse sin necesidad de escanear su respuesta espectral, a diferencia de las FBG convencionales, que se analizan mediante interrogadores optoelectrónicos. El circuito de interrogación de una AFBS se simplifica significativamente en comparación con los interrogadores convencionales y consta de una fuente óptica de banda ancha, un filtro óptico con una respuesta en frecuencia lineal inclinada predefinida y un fotodetector . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Este fue el primer método ampliamente utilizado para la fabricación de rejillas de Bragg de fibra óptica y emplea interferencia de dos haces . En este método, el láser UV se divide en dos haces que interfieren entre sí, creando una distribución periódica de intensidad a lo largo del patrón de interferencia. El índice de refracción de la fibra fotosensible cambia según la intensidad de la luz a la que está expuesta. Este método permite modificar de forma rápida y sencilla la longitud de onda de Bragg, que está directamente relacionada con el período de interferencia y depende del ángulo de incidencia de la luz láser .

Se pueden fabricar perfiles de rejilla complejos exponiendo una gran cantidad de rejillas pequeñas, parcialmente superpuestas, en secuencia. Se pueden introducir propiedades avanzadas, como cambios de fase y profundidad de modulación variable, ajustando las propiedades correspondientes de las subrejillas. ^{[ 25 ]} En la primera versión del método, las subrejillas se formaron mediante exposición con pulsos UV, pero este enfoque tenía varios inconvenientes, como grandes fluctuaciones de energía en los pulsos y baja potencia promedio. Se ha demostrado un método de escritura secuencial con radiación UV continua que supera estos problemas y ahora se utiliza comercialmente. ^{[ 26 ]} La fibra fotosensible se traslada mediante un carro con cojinetes de aire controlado interferométricamente. Los haces UV interferentes se enfocan en la fibra y, a medida que la fibra se mueve, las franjas se mueven a lo largo de la fibra mediante espejos de traslación en un interferómetro. Como los espejos tienen un rango limitado, deben reiniciarse cada período y las franjas se mueven en un patrón de diente de sierra. Todos los parámetros de la rejilla son accesibles en el software de control, por lo que es posible fabricar estructuras de rejilla arbitrarias sin necesidad de realizar cambios en el hardware.

También se puede utilizar una fotomáscara con las características de rejilla deseadas en la fabricación de rejillas de Bragg de fibra óptica. La fotomáscara se coloca entre la fuente de luz ultravioleta y la fibra fotosensible. La sombra de la fotomáscara determina la estructura de la rejilla en función de la intensidad de la luz transmitida que incide sobre la fibra. Las fotomáscaras se utilizan específicamente en la fabricación de rejillas de Bragg de fibra óptica con modulación de frecuencia (chirp) , que no se pueden fabricar mediante un patrón de interferencia.

También se puede utilizar un único haz láser UV para «escribir» la rejilla en la fibra punto por punto. En este caso, el láser tiene un haz estrecho igual al período de la rejilla. La principal diferencia de este método radica en los mecanismos de interacción entre la radiación láser infrarroja y el material dieléctrico: absorción multifotónica e ionización por efecto túnel . ^{[ 27 ]} Este método es especialmente aplicable a la fabricación de rejillas de fibra de período largo . El método punto por punto también se utiliza en la fabricación de rejillas inclinadas.

Originalmente, la fabricación de la fibra óptica fotosensible y la escritura de la rejilla de Bragg se realizaban por separado. Hoy en día, las líneas de producción suelen extraer la fibra de la preforma y escribir la rejilla en una sola etapa. Además de reducir los costos y el tiempo, esto permite la producción en masa de rejillas de Bragg de fibra. La producción en masa facilita especialmente las aplicaciones en estructuras inteligentes que utilizan un gran número (3000) de rejillas de Bragg integradas a lo largo de una sola fibra.

La principal aplicación de las rejillas de Bragg de fibra óptica (FBG) se encuentra en los sistemas de comunicaciones ópticas. Se utilizan específicamente como filtros de rechazo de banda . También se emplean en multiplexores y demultiplexores ópticos con un circulador óptico , o multiplexor óptico de adición/extracción (OADM). La figura 5 muestra cuatro canales, representados por cuatro colores, incidiendo sobre una FBG a través de un circulador óptico. La FBG está configurada para reflejar uno de los canales, en este caso el canal 4. La señal se refleja de vuelta al circulador, donde se dirige hacia abajo y se descarta del sistema. Dado que el canal se ha descartado, se puede añadir otra señal en ese mismo canal en el mismo punto de la red.

Un demultiplexor se puede lograr mediante la conexión en cascada de múltiples secciones de caída del OADM, donde cada elemento de caída utiliza una FBG ajustada a la longitud de onda que se va a demultiplexar. Por el contrario, un multiplexor se puede lograr mediante la conexión en cascada de múltiples secciones de suma del OADM. Los demultiplexores FBG y los OADM también pueden ser sintonizables. En un demultiplexor o OADM sintonizable, la longitud de onda de Bragg de la FBG se puede ajustar mediante la deformación aplicada por un transductor piezoeléctrico . La sensibilidad de una FBG a la deformación se analiza más adelante en el apartado de sensores de rejilla de Bragg de fibra .

Además de ser sensible a la deformación , la longitud de onda de Bragg también es sensible a la temperatura . Esto significa que las rejillas de Bragg de fibra se pueden utilizar como elementos sensores en sensores de fibra óptica . En un sensor FBG, la magnitud medida provoca un desplazamiento en la longitud de onda de Bragg,${\displaystyle \Delta \lambda _{B}}$. El desplazamiento relativo en la longitud de onda de Bragg,${\displaystyle \Delta \lambda _{B}/\lambda _{B}}$, debido a una tensión aplicada (${\displaystyle \epsilon }$) y un cambio de temperatura (${\displaystyle \Delta T}$) se da aproximadamente por,

${\displaystyle \left[{\frac {\Delta \lambda _{B}}{\lambda _{B}}}\right]=C_{S}\epsilon +C_{T}\Delta T}$

o,

${\displaystyle \left[{\frac {\Delta \lambda _{B}}{\lambda _{B}}}\right]=(1-p_{e})\epsilon +(\alpha _{\Lambda }+\alpha _{n})\Delta T}$

Aquí,${\displaystyle C_{S}}$es el coeficiente de deformación , que está relacionado con el coeficiente óptico de deformación${\displaystyle p_{e}}$. También,${\displaystyle C_{T}}$es el coeficiente de temperatura , que está compuesto por el coeficiente de expansión térmica de la fibra óptica,${\displaystyle \alpha _{\Lambda }}$y el coeficiente termoóptico ,${\displaystyle \alpha _{n}}$. ^{[ 28 ]}

Las rejillas de Bragg de fibra óptica pueden utilizarse como elementos sensores directos de deformación y temperatura. También pueden emplearse como elementos de transducción, convirtiendo la señal de otro sensor que genera un cambio de deformación o temperatura en la magnitud medida. Por ejemplo, los sensores de gas con rejilla de Bragg de fibra óptica utilizan un recubrimiento absorbente que, en presencia de un gas, se expande generando una deformación medible por la rejilla. Técnicamente, el material absorbente actúa como elemento sensor, convirtiendo la cantidad de gas en una deformación. La rejilla de Bragg, a su vez, transduce esta deformación a un cambio en la longitud de onda.

Específicamente, las rejillas de Bragg de fibra se están utilizando en aplicaciones de instrumentación como sismología , ^{[ 29 ]} sensores de presión para entornos extremadamente hostiles y como sensores de fondo de pozo en pozos de petróleo y gas para medir los efectos de la presión externa, la temperatura, las vibraciones sísmicas y la medición de flujo en línea . Por lo tanto, ofrecen una ventaja significativa sobre los medidores electrónicos tradicionales utilizados para estas aplicaciones, ya que son menos sensibles a la vibración o al calor y, en consecuencia, son mucho más fiables. En la década de 1990, se realizaron investigaciones para medir la deformación y la temperatura en materiales compuestos para estructuras de aeronaves y helicópteros . ^{[ 30 ] [ 31 ]}

Recientemente, el desarrollo de láseres de fibra de alta potencia ha generado un nuevo conjunto de aplicaciones para las rejillas de Bragg de fibra (FBG), que operan a niveles de potencia que antes se consideraban imposibles. En el caso de un láser de fibra simple, las FBG se pueden usar como reflector de alta reflectancia (HR) y acoplador de salida (OC) para formar la cavidad láser. La ganancia del láser la proporciona un tramo de fibra óptica dopada con tierras raras, siendo la forma más común la que utiliza iones Yb³⁺ ^como iones láser activos en la fibra de sílice. Estos láseres de fibra dopados con Yb operaron por primera vez a un  nivel de potencia CW de 1 kW en 2004 ^{[ 32 ]} basados ​​en cavidades de espacio libre, pero no se demostró su funcionamiento con cavidades de rejilla de Bragg de fibra hasta mucho más tarde. ^{[ 33 ]}

Numerosas empresas a nivel mundial fabrican dispositivos monolíticos totalmente de fibra óptica con potencias superiores a 1  kW. La principal ventaja de estos sistemas, en los que los espejos de espacio libre se sustituyen por un par de rejillas de Bragg de fibra (FBG), reside en la eliminación de la necesidad de realineación durante la vida útil del sistema, ya que la FBG se empalma directamente a la fibra dopada y no requiere ajustes. El reto consiste en operar estas cavidades monolíticas a una potencia continua de kW en fibras de gran área modal (LMA), como las de 20/400 (  núcleo de 20 μm de diámetro y  revestimiento interno de 400 μm de diámetro), sin fallos prematuros en los puntos de empalme intracavitarios ni en las rejillas. Una vez optimizadas, estas cavidades monolíticas no requieren realineación durante la vida útil del dispositivo, eliminando así la limpieza y la degradación de la superficie de la fibra del programa de mantenimiento del láser. Sin embargo, el empaquetado y la optimización de los empalmes y las rejillas de Bragg de fibra (FBG) en sí mismas no son triviales a estos niveles de potencia, al igual que la compatibilidad de las distintas fibras, ya que la composición de la fibra dopada con Yb y las diversas fibras pasivas y fotosensibles deben coincidir cuidadosamente en toda la cadena del láser de fibra. Aunque la capacidad de manejo de potencia de la fibra en sí supera con creces este nivel, y posiblemente alcance los >30  kW CW, el límite práctico es mucho menor debido a la fiabilidad de los componentes y las pérdidas por empalme. ^{[ 34 ]}

En una fibra de doble revestimiento existen dos guías de onda: el núcleo dopado con Yb, que forma la guía de onda de la señal, y la guía de onda del revestimiento interno, que sirve para la luz de bombeo. El revestimiento interno de la fibra activa suele tener una forma que dispersa los modos del revestimiento y aumenta la superposición del bombeo con el núcleo dopado. La adaptación de las fibras activas y pasivas para mejorar la integridad de la señal requiere la optimización de la concentricidad núcleo/revestimiento y del MFD a través del diámetro del núcleo y la NA, lo que reduce las pérdidas por empalme. Esto se logra principalmente ajustando todas las especificaciones pertinentes de la fibra. ^{[ 35 ]}

Para optimizar el acoplamiento de la bomba a las fibras, es necesario ajustar el diámetro del revestimiento tanto de la fibra pasiva como de la activa. Para maximizar la potencia de bombeo acoplada a la fibra activa, esta se diseña con un diámetro de revestimiento ligeramente mayor que el de las fibras pasivas que la suministran. Por ejemplo, las fibras pasivas con un diámetro de revestimiento de 395 μm, empalmadas a una fibra activa octogonal con un diámetro de revestimiento de 400 μm, mejoran el acoplamiento de la potencia de bombeo a la fibra activa. Se muestra una imagen de dicho empalme, donde se aprecia el revestimiento con forma de la fibra doblemente revestida dopada. ^{[ 36 ]}

La adaptación de fibras activas y pasivas se puede optimizar de varias maneras. El método más sencillo para adaptar la luz portadora de señal consiste en tener diámetros de núcleo y apertura numérica (NA) idénticos para cada fibra. Sin embargo, esto no tiene en cuenta todas las características del perfil del índice de refracción. La adaptación del diámetro de la fibra modulada (MFD) también se utiliza para crear fibras portadoras de señal adaptadas. Se ha demostrado que la adaptación de todos estos componentes proporciona el mejor conjunto de fibras para construir amplificadores y láseres de alta potencia. Básicamente, se modela el MFD y se desarrollan el NA y el diámetro del núcleo objetivo resultantes. Se fabrica la varilla del núcleo y, antes de estirarla para formar la fibra, se comprueban su diámetro y NA. Basándose en las mediciones del índice de refracción, se determina la relación núcleo/revestimiento final y se ajusta al MFD objetivo. Este enfoque tiene en cuenta los detalles del perfil del índice de refracción, que se pueden medir fácilmente y con alta precisión en la preforma, antes de estirarla para formar la fibra. ^{[ 36 ]}