WO2004044538A1 - Dispositivo analizador de espectros opticos por difusion brillouin y procedimiento de medida asociado - Google Patents

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WO2004044538A1
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signal
optical
probe
segment
fiber
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PCT/ES2003/000392
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Francisco M. Lopez Torres
Carlos Heras Vila
Pilar Blasco Herranz
Juan Ignacio Garces Gregorio
Rafael Alonso Esteban
Francisco Villuendas Yuste
Jesus Subias Domingo
Francisco Javier Pelayo Zueco
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Fibercom S.L.
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    • G—PHYSICS
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    • G01M11/319—Reflectometers using stimulated back-scatter, e.g. Raman or fibre amplifiers

Definitions

  • the present invention concerns a device for spectral analysis of optical signals based on the Stimulated Brillouin Diffusion effect and associated measurement procedure using the optical amplification of the signals by the Brillouin Diffusion effect itself.
  • the Brillouin Diffusion effect allows selective optical amplification of a certain component of the optical spectrum of the signal to be analyzed, which will be called the problem signal, for its measurement with a determined dynamic resolution, sensitivity and range.
  • the problem signal is introduced into an optical fiber together with a narrow band optical signal, which we will call a probe signal, centered on a certain wavelength, which propagates in the opposite direction to that of the problem signal.
  • a probe signal centered on a certain wavelength, which propagates in the opposite direction to that of the problem signal.
  • an output signal is generated inside the fiber that travels in the opposite direction to the probe signal and whose intensity is determined by the product of the intensities of the first two signals, so that of said output signal it is possible to obtain a measurement of a spectral component of said problem signal, this component being determined by the central wavelength of said probe signal.
  • European Patent EP-1-199549-A1 describes a device that uses the Brillouin Diffusion effect on an optical fiber for spectroscopic measurements and constitutes the most recent background with a field of invention close to that described herein. .
  • the main innovation included in the present invention is the use of optical amplification by the Brillouin Diffusion effect, combined with the spectral selectivity provided by the Brillouin Diffusion effect itself as a result of the narrowness of the Brillouin gain curve in one optical fiber.
  • the problem and probe signals are introduced into the optical fiber in which the effect takes place at opposite ends and with opposite propagation directions, unlike the configuration described in EP-1- 199549-A1. This difference is associated with substantially different principles of operation of the device that allow obtaining a high level of optical amplification of the problem signal together with the high spectral selectivity of the Brillouin effect.
  • the resolution in the measurement of optical spectra with the device described in the present invention is determined by the spectral width of the Brillouin gain curve, and is not based on any passive filtering of the problem signal by systems with diffraction networks, Fabry interferometers -
  • the Brillouin Diffusion effect requires a high degree of spatial coherence of the incident signal.
  • the degree of coherence necessary for the generation of Brillouin Diffusion can be easily obtained using lasers such as semiconductor with external cavity, usually used as tunable sources in optical fiber characterization equipment.
  • the phenomenon of Spontaneous Brillouin Diffusion occurs in a single-mode optical fiber when the optical power level exceeds a certain threshold level of the order of a few milliwatts of power in the fiber.
  • a second signal called a problem signal, that propagates in the opposite direction to the incident signal is introduced into the same optical fiber, the effect called Stimulated Brillouin Diffusion occurs.
  • the magnitude of the melted back power by stimulated Brillouin effect is directly determined by the much weaker intensity of the problem signal. If the interaction length between the probe signal and the problem signal is sufficiently wide, the light beam or optical signal resulting from the Brillouin Diffusion may be of an intensity comparable to that of the probe signal, but governed by the magnitude of the signal problem that stimulates her. There is therefore an effect of Optical Amplification by Diffusion Brillouin.
  • Brillouin Diffusion Amplification has a selective wavelength character: it occurs exclusively in a narrow spectral range (with an approximate width of 0.05 pm in the near infrared zone, ⁇ ⁇ 1.5 ⁇ m) around the wavelength determined by the probe signal, slightly offset by the Doppler effect mentioned above (with an approximate value of 0.1 nm in silica optical fibers and in the aforementioned near infrared).
  • a wavelength scan of the probe signal acts as a tunable amplifier probe over the spectrum of the problem signal.
  • the measurement procedure of optical spectra according to the present invention is based on the Selective Optical Amplification by Brillouin Diffusion of a narrow range of the spectrum of the problem signal centered on the wavelength set by the probe signal (except the displacement due to Doppler effect), so that a wavelength scan of the probe allows to obtain a wide range of the spectrum of the problem signal
  • the Brillouin Diffusion optical spectrum analyzer device and associated measurement procedure object of the present invention achieves the objectives set by incorporating a narrow band tunable optical source, a fiber optic segment, an optical circulator that allows access to said segment by one of its ends, a second optical access through the opposite end of said fiber optic segment, a detection system and a control and data acquisition system.
  • Said fiber optic segment is capable of receiving an optical probe signal through said optical circulator which in turn comes from said tunable optical source.
  • said fiber segment is capable of receiving, through said second access, a problem optical signal to be measured, from an external source.
  • Said fiber segment is the material medium suitable for the interaction by Brillouin effect between the probe signal and the problem signal, said optical circulator obtaining an optical output signal, which is then conducted to said detection system.
  • this electrical signal is applied to said control and data acquisition system to obtain a measure of the spectral component of said problem signal corresponding to the wavelength of said probe signal.
  • the spectrum of the problem signal is obtained by said control system, which performs a wavelength scan of the probe signal and the composition of the measurements obtained as a function of said scan.
  • the device according to the present invention incorporates the following components to improve its operating characteristics: i. an optical isolator in said second access of the optical fiber to prevent the output of any optical signal that could influence the external source generating the problem signal; Y ii. a polarization controller located between said circulator and said fiber segment to avoid loss of efficiency in the interaction by Brillouin effect due to the difference in the polarization states of the problem and probe optical signals.
  • the device of the present invention may optionally include, to reach the ultimate limits in terms of performance, the following elements: iii. an optical amplifier located at the output of said tunable optical source to increase the applied intensity of the probe signal and thereby improve the sensitivity of the device and the dynamic range of measurement; and iv. one or more modulators, of amplitude or polarization, which allow the use of a synchronous detection system in the measurement process, in order to reach the maximum degree of sensitivity possible in the measurement.
  • the spectroscopic optical signal measurement procedure for selective optical amplification of Brillouin Broadcast signals includes the following steps: i. introduction of an optical signal probe from an optical source or tunable laser at one end of a fiber optic segment, ii. introduction of a problem optical signal to be analyzed, from an external source, and object of the measurement, which crosses an optical isolator prior to its entry through the opposite end of the optical fiber, iii. optimization of the alignment of the polarization of the probe signal with that of the problem signal, by means of a polarization controller located between the optical circulator and the input of the probe signal in the fiber optic segment, iv. interaction in the fiber optic segment of the probe signal and the problem signal generated by an output signal, v.
  • the following final steps can be carried out: viii. amplification of the probe signal by means of an optical amplifier after its output from the tunable optical or laser source and prior to the input of the probe signal into the optical circulator, and ix. modulation, in amplitude or polarization, of the probe signal or of the problem signal, or both, synchronously with the detection system.
  • Fig. 1 schematically shows the interconnection circuit with the basic elements included in the device of the present invention
  • Fig. 2 schematically shows an alternative to the circuit of Figure 1 with the inclusion of optional elements such as the optical amplifier 8 and the external modulators 9,
  • iii. Fig. 3 shows a graphical representation of the optical spectra of the signals involved in the device as a function of the wavelength scan of the probe signal.
  • the present invention concerns an optical spectrum analyzer device 12 based on Brillouin Diffusion Amplification and associated measurement method comprising a tunable narrow source optical source 1, a fiber optic segment 2, an optical circulator 4, a polarization controller 5, an optical isolator 6, a detection system 3 and a control and data collection system 7, as can be seen in Fig. 1.
  • the probe A signal must have a sufficient spectral energy density to trigger the Brillouin Diffusion phenomenon in the chosen material medium (of the order of milliwatts of power in an optical fiber).
  • the probe signal A must have a spectral width less than that of the spectral profile of the Brillouin gain (ge), so that the latter really determines the resolution of the spectrometric technique (of the order of 0.05 pm, for the Near infrared zone: ⁇ ⁇ 1.5 ⁇ m).
  • the generating source 1 of the probe signal A must, in practice, allow the variation of the central wavelength of the probe signal, that is, it must be tunable. In this way the output signal can be transferred through different points of the spectrum, which allows to know the level of intensity that the problem signal has around different wavelengths.
  • the tuning characteristics of source 1 directly determine the spectral range, accuracy, reproducibility and corresponding analog characteristics of the measurement technique.
  • a semiconductor laser with tunable external cavity is capable of providing much smaller spectral widths than the resolution of the measurement and allows tuning ranges of the order of 100 nm with high accuracy and repeatability.
  • optical fiber the following considerations must be taken into account: i.
  • the optical fiber 2 to be used as a material medium for the interaction by Brillouin effect must be of the single mode type in the range of the measured wavelengths, to preserve the spatial coherence of the light beams, probe and problem signals, in interaction .
  • the efficiency of the effect is inversely proportional (equal to the optical power of the beams) to the effective area of the light beams in interaction. The efficiency will be greater, therefore, the smaller the area of the fiber optic core.
  • the use of "displaced dispersion" or similar type optical fiber is preferable, since it has an effective area almost half that of the standard single-mode fiber.
  • the length of fiber optic 2 to be used is of the order of kilometers to obtain maximum performance in the Brillouin Amplification process that accumulates along the length of the fiber.
  • the optical circulator 4 its mission is to decouple the two directions of light propagation at the end of the fiber without significant loss of intensity, which is essential to be able to introduce on the one hand the probe signal A and on the other get the output signal C, more effectively than a fiber optic coupler.
  • optical isolator 6 it is used to prevent the output of any optical signal that could influence the source of the problem signal 10.
  • the fiber segment 2 receives at one of its ends, through said circulator 4, an optical signal probe A which in turn comes from said tunable optical source 1. On the opposite end, it receives through said insulator 6, a problem optical signal B that is desired to be measured from an external source 10.
  • Said fiber segment 2 is the suitable material medium for the interaction by Brillouin effect between the probe signal A and the problem signal B, obtaining by said optical circulator 4, an optical output signal C, which is conducted to said detection system 3.
  • a direct light detection chain is proposed as detection system 3, without special requirements regarding dynamic response or sensitivity.
  • Optical signal detection can be done at low frequency or
  • this electrical signal is applied to said control system 7 to obtain a measurement of the component of the problem signal B as a function of the wavelength of the probe signal TO.
  • the spectrum 12 of the problem signal B is obtained by said control system 7, which performs a wavelength scan 11 of the probe signal A and the graphic composition of the measurements obtained as a function of said scan 11.
  • the spectrum 12 of the problem signal B is obtained by means of the wavelength scan 11 of the emission of the tunable laser.
  • the detected output signal C corresponds to the magnitude of the spectral component of the problem signal B, amplified (by Stimulated Brillouin effect) with a gain that depends on the intensity of the probe A signal from the tunable source.
  • the contribution to the reflected output signal is determined by a product gB-ls (s) -lp ( s - ⁇ D), where g B is a coefficient of Brillouin gain (characteristic of the interaction fiber), the s ( ⁇ s ), l p ( ⁇ ) represent the intensities of the probe and problem signals respectively, as functions of the wavelength, ⁇ .
  • the intensity lp ( ⁇ s - ⁇ o) of the test signal is that corresponding to the wavelength of the probe ( ⁇ s ), except for the displacement by Doppler effect (13) ( ⁇ o) previously mentioned (see Fig. 3).
  • the device of the present invention can incorporate a series of optional elements that allow reaching the maximum performance compatible with the fundamentals of the measurement procedure.
  • These optional elements are: i. an optical amplifier 8 located at the output of said tunable optical source 1 to increase the applied intensity of the probe signal A; and ii. a first modulator 9, of amplitude or polarization, which works synchronously with the detection system 3, located between the polarization control 5 and the fiber segment 2.
  • a second modulator 14 can be included instead of the first modulator , of amplitude or polarization, between the insulator 6 and the fiber segment 2 that also works synchronously with the detection system 3.
  • first modulator 9 between the polarization control 5 and the fiber segment 2
  • second modulator 14 between the insulator 6 and the fiber segment 2.
  • polarization controller 5 instead of by the first modulator 9.
  • a first modulator 9 with polarization modulation will be employed working synchronously and positioned as mentioned above between the polarization control 5 and the fiber optic segment 2.
  • the use of an optical amplifier 8 is intended to achieve high levels in the output signal, starting from weak problem signal levels (l p ), by means of an increase in the factor (l s ) corresponding to the intensity of the probe signal.
  • the dynamic range of the detection chain it is possible to modulate either the probe signal A, or the problem signal B, or both signals.
  • modulations may be amplitude or polarization (periodic evolution of the polarization state) by means of a specific system (9, 14 in Figure 2).
  • the modulation is transferred to the intensity of the detected output signal C, which allows an improvement in the signal-to-noise ratio by means of synchronous detection techniques.
  • the dependence that with the polarization has the efficiency of the Brillouin Dispersion provides the mechanism of transfer of the modulation to the detected output signal C.
  • the optical spectrum analyzer device based on the Brillouin Diffusion Optical Amplification effect described in the present invention achieves, to the extent, the following performance: i.
  • a high spectral resolution determined exclusively by the width associated with the Brillouin effect (of the order of 0.05 pm for the near infrared zone, that is, ⁇ ⁇ 1.5 ⁇ m); ii. high sensitivity, so that the minimum detectable power is of the order of 1 nW / pm (for response times in the detection chain of the order of 1 ms); Y iii. a wide dynamic range, greater than 80 dB, adjusting the sensitivity of the system by means of the total gain level in the Brillouin Broadcast Amplification.
  • the method of spectroscopic measurement of optical signals for selective optical amplification of Brillouin Diffusion signals includes the following steps: i. the introduction of an optical signal probe A from an optical source or tunable laser 1 by one end of a fiber optic segment 2, ii. the introduction of an optical signal problem B to be analyzed, from an external source 10, and object of the measurement, which crosses an optical isolator 6 prior to its entry through the opposite end of the optical fiber 2, iii. optimization of the alignment of the polarization of the probe signal A with that of the problem signal B, by means of a polarization controller 5 located between the optical circulator 4 and the input of the probe signal A in the fiber optic segment 2, iv.
  • the following phases can optionally be carried out: viii. amplification of the probe signal by means of an optical amplifier 8 after its output from the tunable optical or laser source 1 and prior to the input of the probe A signal into the optical circulator 4, and ix.
  • modulation, of the amplitude or polarization, of the probe signal A by means of a first modulator 9 located between the polarization control 5 and the fiber optic segment 2 and which works synchronously with the detection system 3.
  • This last stage can be substituted or complemented with a modulation stage, of the amplitude or polarization, of the problem signal B by means of a second modulator 14 located between the optical isolator 6 and the fiber optic segment 2 and which works synchronously with the detection system 3.

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Abstract

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.

Description

DISPOSITIVO ANALIZADOR DE ESPECTROS ÓPTICOS POR DIFUSIÓN BRILLOUIN Y PROCEDIMIENTO DE MEDIDA ASOCIADO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
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.
ANTECEDENTES
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 dispositivo 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.
EXPOSICIÓN 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 (Δλo) 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 no-lineal, 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 extema, 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 retrod ¡fundida 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, λ ~ 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 segmento de fibra es el medio material adecuado para la interacción por efecto Brillouin entre la señal sonda y la señal problema, obteniéndose por dicho circulador óptico una señal óptica de salida, que entonces es conducida a dicho sistema de detección.
Una vez detectada y obtenida una señal eléctrica proporcional, ésta señal eléctrica es aplicada a dicho sistema de control y adquisición de datos para obtener una medida de la componente espectral de dicha señal problema correspondiente a la longitud de onda de dicha señal sonda.
Además, se obtiene el espectro de la señal problema mediante dicho sistema de control, que realiza un barrido en longitud de onda de la señal sonda y la composición de las medidas obtenidas en función de dicho barrido.
El dispositivo según la presente invención incorpora los siguientes componentes para mejorar sus características de funcionamiento: i. un aislador óptico en el dicho segundo acceso de la fibra óptica para impedir la salida de cualquier señal óptica que pudiera influir sobre la fuente externa generadora de la señal problema; y ii. un controlador de la polarización situado entre dicho circulador y dicho segmento de fibra para evitar la pérdida de eficiencia en la interacción por efecto Brillouin debida a la diferencia en los estados de polarización de las señales ópticas problema y sonda. Además, el dispositivo de la presente invención puede incluir, de manera opcional, para alcanzar los límites últimos en cuanto a sus prestaciones, los siguientes elementos: iii. un amplificador óptico situado a la salida de dicha fuente óptica sintonizable para aumentar la intensidad aplicada de la señal sonda y con ello mejorar la sensibilidad del dispositivo y el rango dinámico de medida; y iv. uno o varios moduladores, de amplitud o polarización, que permiten la utilización de un sistema de detección síncrona en el proceso de medida, a fin de alcanzar el máximo grado de sensibilidad posible en la medida.
El procedimiento de medida espectroscópica de señales ópticas para la amplificación óptica selectiva de señales por Difusión Brillouin incluye los siguientes pasos: i. introducción de una señal óptica sonda procedente de una fuente óptica o láser sintonizable por un extremo de un segmento de fibra óptica, ii. introducción de una señal óptica problema a analizar, procedente de una fuente externa, y objeto de la medida, que atraviesa un aislador óptico previamente a su entrada por el extremo opuesto de la fibra óptica, iii. optimización de la alineación de la polarización de la señal sonda con la de la señal problema, mediante un controlador de polarización situado entre el circulador óptico y la entrada de la señal sonda en el segmento de fibra óptica, iv. interacción en el segmento de fibra óptica de la señal sonda y la señal problema que genera una señal de salida, v. separación de la señal sonda y la señal de salida mediante un circulador óptico situado en el extremo de entrada de la señal sonda en el segmento de fibra óptica, vi. detección de la señal de salida mediante un sistema de detección directa de luz, y vii. análisis y toma de datos mediante un sistema de control conectado a la fuente óptica o láser sintonizable y al sistema de detección. Opcionalmente, para alcanzar el máximo rendimiento en el procedimiento de medida, se pueden llevar a cabo los siguientes pasos finales: viii. amplificación de la señal sonda mediante un amplificador óptico tras su salida de la fuente óptica o láser sintonizable y previamente a la entrada de la señal sonda en el circulador óptico, y ix. modulación, en amplitud o polarización, de la señal sonda o de la señal problema, o de ambas, de manera síncrona con el sistema de detección.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La invención se comprenderá mejor a partir de la descripción detallada de unos ejemplos de realización de la misma con referencia a los dibujos adjuntos, en los que: i. la Fig. 1 muestra esquemáticamente el circuito de interconexión con los elementos básicos comprendidos en el dispositivo de la presente invención, ii. la Fig. 2 muestra esquemáticamente una alternativa al circuito de la Figura 1 con la inclusión de elementos opcionales como son el amplificador óptico 8 y los moduladores externos 9, y iii. la Fig. 3 muestra una representación gráfica de los espectros ópticos de las señales que intervienen en el dispositivo en función del barrido en longitud de onda de la señal sonda. DESCRIPCIÓN DE UNA FORMA PREFERENTE DE REALIZACIÓN
Por lo descrito anteriormente y haciendo referencia a las figuras, la presente invención concierne a un dispositivo analizador de espectros 12 ópticos basado en Amplificación por Difusión Brillouin y procedimiento de medida asociado que comprende una fuente óptica sintonizable 1 de banda estrecha, un segmento de fibra óptica 2, un circulador óptico 4, un controlador de polarización 5, un aislador óptico 6, un sistema de detección 3 y un sistema de control y toma de datos 7, como puede verse en la Fig. 1.
Respecto a la fuente 1 y la señal sonda A que ésta genera han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: i. La señal sonda A debe tener una densidad energética espectral suficiente para desencadenar el fenómeno de Difusión Brillouin en el medio material elegido (del orden de miliwatios de potencia en una fibra óptica). ii. La señal sonda A debe tener una anchura espectral inferior a la del perfil espectral de la ganancia de Brillouin (ge), para que sea ésta última la que determine realmente la resolución de la técnica espectrométrica (del orden de 0,05 pm, para la zona del infrarrojo próximo: λ ~ 1 ,5 μm). iii. La fuente generadora 1 de la señal sonda A debe, en la práctica, permitir la variación de la longitud de onda central de la señal sonda, es decir, debe ser sintonizable. De este modo se puede trasladar la señal de salida por distintos puntos del espectro, lo que permite conocer el nivel de intensidad que la señal problema tiene en torno a distintas longitudes de onda. iv. Las características de sintonizabilidad de la fuente 1 determinan directamente el rango espectral, precisión, reproducibilidad y características análogas correspondientes de la técnica de medida. Hoy en día, un láser semiconductor con cavidad externa sintonizable es capaz de proporcionar anchuras espectrales mucho menores que la resolución de la medida y permite rangos de sintonización del orden de 100 nm con alta precisión y repetitividad.
Respecto al medio material de interacción 2, fibra óptica, han de tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: i. La fibra óptica 2 a utilizar como medio material para la interacción por efecto Brillouin ha de ser de tipo monomodo en el rango de las longitudes de onda de medida, para preservar la coherencia espacial de los haces de luz, señales sonda y problema, en interacción. ii. La eficiencia del efecto es inversamente proporcional (a igualdad de potencia óptica de los haces) al área efectiva de los haces de luz en interacción. Será mayor la eficiencia, por tanto, cuanto menor sea el área del núcleo de la fibra óptica. En concreto, para λ ~ 1 ,5 μm, es preferible el uso de fibra óptica de tipo "dispersión desplazada" o similar, ya que tiene un área efectiva casi la mitad de la de la fibra monomodo estándar. iii. La longitud de fibra óptica 2 a utilizar es del orden de kilómetros para obtener el máximo rendimiento en el proceso de Amplificación Brillouin que se acumula a lo largo de la longitud de la fibra.
Respecto al circulador óptico 4 tiene por misión desacoplar los dos sentidos de propagación de la luz en el extremo de la fibra sin pérdida significativa de intensidad, lo que resulta imprescindible para poder introducir por una parte la señal sonda A y por otra obtener la señal de salida C, con mayor eficacia que un acoplador de fibra óptica.
Respecto al controlador de la polarización 5 situado entre dicho circulador 4 y dicho segmento de fibra 2 permite evitar la pérdida de eficiencia en el efecto de Difusión Brillouin provocada por las distintas posibles polarizaciones de las señales ópticas en interacción.
Respecto al aislador óptico 6 se usa para impedir la salida de cualquier señal óptica que pudiera influir sobre la fuente de la señal problema 10.
Para realizar la medida mediante el dispositivo de análisis espectral por Difusión Brillouin, el segmento de fibra 2 recibe por uno de sus extremos, a través de dicho circulador 4, una señal óptica sonda A que a su vez procede de dicha fuente óptica sintonizable 1. Por el extremo contrario, recibe a través de dicho aislador 6, una señal óptica problema B que se desea medir procedente de una fuente externa 10. Dicho segmento de fibra 2 es el medio material adecuado para la interacción por efecto Brillouin entre la señal sonda A y la señal problema B, obteniéndose por dicho circulador óptico 4, una señal óptica de salida C, que es conducida a dicho sistema de detección 3.
Se propone como sistema de detección 3 una cadena de detección directa de luz, sin requerimientos especiales en cuanto a respuesta dinámica ni sensibilidad. La detección de la señal óptica se puede hacer a baja frecuencia o
"frecuencia cero"; no se precisa, por tanto, una cadena de detección con tiempos de respuesta especialmente rápidos.
Una vez detectada y obtenida una señal eléctrica proporcional a dicha señal de salida C, ésta señal eléctrica es aplicada a dicho sistema de control 7 para obtener una medida de la componente de la señal problema B en función de la longitud de onda de la señal sonda A.
Además, se obtiene el espectro 12 de la señal problema B mediante dicho sistema de control 7, que realiza un barrido 11 en longitud de onda de la señal sonda A y la composición gráfica de las medidas obtenidas en función de dicho barrido 11.
La simple utilización en un osciloscopio para la visualización de la señal eléctrica extraída del detector, en el que incide la señal de salida, sincronizada con una señal eléctrica para gobernar el barrido 11 continuo de la longitud de onda de la señal sonda, permite obtener, en tiempo real, una representación del perfil espectroscópico de la señal problema B.
Según el procedimiento a realizar con el dispositivo de la presente invención, el espectro 12 de la señal problema B se obtiene mediante el barrido 11 en longitud de onda de la emisión del láser sintonizable. La señal de salida detectada C corresponde a la magnitud de la componente espectral de la señal problema B, amplificada (por efecto Brillouin Estimulado) con una ganancia que depende de la intensidad de la señal sonda A procedente de la fuente sintonizable. En concreto, en cada punto de la fibra en que tiene lugar la interacción, la contribución a la señal de salida reflejada está determinada por un producto gB-ls( s)-lp( s-ΔλD), donde gB es un coeficiente de ganancia Brillouin (característico de la fibra de interacción), e ls(λs), lp(λ) representan las intensidades de las señales sonda y problema respectivamente, como funciones de la longitud de onda, λ. La intensidad lp(λs-Δλo) de la señal problema es la correspondiente a la longitud de onda de la sonda (λs), salvo el desplazamiento por efecto Doppler (13) (Δλo) anteriormente comentado (véase Fig. 3).
Además, el dispositivo de la presente invención puede incorporar una serie de elementos opcionales que permiten alcanzar las máximas prestaciones compatibles con los fundamentos del procedimiento de medida. Estos elementos opcionales son: i. un amplificador óptico 8 situado a la salida de dicha fuente óptica sintonizable 1 para aumentar la intensidad aplicada de la señal sonda A; y ii. un primer modulador 9, de amplitud o polarización, que trabaja de forma síncrona con el sistema de detección 3, situado entre el control de polarización 5 y el segmento de fibra 2. Como alternativa se puede incluir en lugar del primer modulador un segundo modulador 14, de amplitud o polarización, entre el aislador 6 y el segmento de fibra 2 que trabaja también de forma síncrona con el sistema de detección 3. También es posible emplear un primer modulador 9, entre el control de polarización 5 y el segmento de fibra 2, y un segundo modulador 14 entre el aislador 6 y el segmento de fibra 2. En el primer caso, y si se usa la modulación por polarización, ésta podría ser realizada por el controlador de polarización 5 en lugar de por el primer modulador 9. Preferentemente se empleará un primer modulador 9 con modulación en polarización trabajando de forma síncrona y situado como se ha mencionado anteriormente entre el control de polarización 5 y el segmento de fibra óptica 2. La utilización de un amplificador óptico 8 tiene por objeto conseguir elevados niveles en la señal de salida, partiendo de niveles de señal problema (lp) débiles, por medio de un incremento en el factor (ls) correspondiente a la intensidad de la señal sonda.
Por otra parte, para aumentar, en su caso, el rango dinámico de la cadena de detección, es posible modular o bien la señal sonda A, o bien la señal problema B, o bien ambas señales. Estas modulaciones pueden ser de amplitud o de polarización (evolución periódica del estado de polarización) por medio de un sistema específico (9, 14 en la figura 2). En todos los casos, la modulación se transfiere a la intensidad de la señal de salida detectada C, lo que permite una mejora del cociente señal-ruido mediante técnicas de detección síncrona. En el caso de la modulación de polarización, la dependencia que con la polarización tiene la eficacia de la Dispersión Brillouin proporciona el mecanismo de transferencia de la modulación a la señal de salida detectada C. Si se modula la señal problema B, es posible, por detección síncrona, discriminar la señal de la contribución de la Difusión Brillouin Espontánea. Si se modula la señal sonda A, es posible discriminar la señal de la potencia continua asociada a la luz directa transmitida con la señal problema B. Finalmente, si se modulan ambas señales A y B, es posible, detectando a una frecuencia suma (o diferencia) de las de modulación, discriminar la señal respecto a cualquier otra contribución de fondo presente en la señal detectada. Finalmente, el dispositivo analizador de espectros ópticos basado en el efecto de Amplificación Óptica por Difusión Brillouin que se describe en la presente invención alcanza, en la medida, las siguientes prestaciones: i. una alta resolución espectral determinada exclusivamente por la anchura asociada al efecto Brillouin (del orden de 0,05 pm para la zona del infrarrojo próximo, es decir, λ ~ 1 ,5 μm); ii. una alta sensibilidad, de forma que la potencia mínima detectable es del orden de 1 nW/pm (para tiempos de respuesta en la cadena de detección del orden de 1 ms); y iii. un amplio rango dinámico, superior a 80 dB, ajusfando la sensibilidad del sistema por medio del nivel de ganancia total en la Amplificación por Difusión Brillouin.
El procedimiento de medida espectroscópica de señales ópticas para la amplificación óptica selectiva de señales por Difusión Brillouin según la presente invención, incluye las siguientes etapas: i. la introducción de una señal óptica sonda A procedente de una fuente óptica o láser sintonizable 1 por un extremo de un segmento de fibra óptica 2, ii. la introducción de una señal óptica problema B a analizar, procedente de una fuente externa 10, y objeto de la medida, que atraviesa un aislador óptico 6 previamente a su entrada por el extremo opuesto de la fibra óptica 2, iii. optimización de la alineación de la polarización de la señal sonda A con la de la señal problema B, mediante un controlador de polarización 5 situado entre el circulador óptico 4 y la entrada de la señal sonda A en el segmento de fibra óptica 2, iv. interacción en el segmento de fibra óptica 2 de la señal sonda A y la señal problema B que genera una señal de salida C, v. separación de la señal sonda A y la señal de salida C mediante un circulador óptico 4 situado en el extremo de entrada de la señal sonda A en el segmento de fibra óptica 2, vi. detección de la señal de salida C mediante un sistema de detección directa de luz 3, y vii. análisis y toma de datos mediante un sistema de control 7 conectado a la fuente óptica o láser sintonizable 1 y al sistema de detección 3. Además, se pueden llevar a cabo opcionalmente las siguientes fases: viii. amplificación de la señal sonda mediante un amplificador óptico 8 tras su salida de la fuente óptica o láser sintonizable 1 y previamente a la entrada de la señal sonda A en el circulador óptico 4, y ix. modulación, de la amplitud o la polarización, de la señal sonda A mediante un primer modulador 9 situado entre el control de polarización 5 y el segmento de fibra óptica 2 y que trabaja de forma síncrona con el sistema de detección 3. Esta última etapa puede ser sustituida o complementada con una etapa de modulación, de la amplitud o la polarización, de la señal problema B mediante un segundo modulador 14 situado entre el aislador óptico 6 y el segmento de fibra óptica 2 y que trabaja de forma síncrona con el sistema de detección 3.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Dispositivo para el análisis de espectros ópticos por Difusión Brillouin, que comprende una fuente óptica (1), un segmento de fibra óptica (2), un circulador óptico (4) de acceso a dicho segmento (2) por uno de sus extremos, un segundo acceso óptico (6), un sistema de detección (3) y un sistema de control (7), donde dicho segmento de fibra (2) es susceptible de recibir por dicho circulador óptico (4) una señal óptica sonda (A), procedente de dicha fuente óptica (1 ) y por dicho segundo acceso (6) una señal óptica problema (B), cuyo espectro (12) se desea medir, procedente de una fuente externa (10), aportando el segmento de fibra (2) un medio material adecuado para una interacción por efecto Brillouin entre las señales sonda (A) y problema (B), obteniéndose por dicho circulador óptico (4), una señal óptica de salida (C), que es conducida a dicho sistema de detección (3) y una señal eléctrica derivada de dicha detección es aplicada a dicho sistema de control (7) proporcionando una medida de la componente espectral de la señal problema (B) en función de la longitud de onda de la señal sonda (A) y obteniéndose el espectro (12) de la señal problema por dicho sistema de control (7), caracterizado porque la entrada de la señal problema (B) al segmento de fibra óptica se realiza a través del acceso óptico (6) y por el extremo opuesto al de entrada de la señal sonda (A), teniendo intercalado dicho acceso un aislador óptico (6) para impedir la salida de cualquier señal óptica que pudiera influir sobre la fuente externa (10) y porque dicho dispositivo comprende un controlador de la polarización (5) situado entre dicho circulador óptico (4) y dicho segmento de fibra (2) para evitar la pérdida de eficiencia provocada por las distintas polarizaciones de las señales ópticas sonda (A) y problema (B).
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 óptico (8) situado a la salida de dicha fuente óptica sintonizable (1) para aumentar la intensidad aplicada de la señal sonda (A) 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 de detección (3), 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 de polarización (5) y el segmento de fibra (2), de forma que la modulación se realiza sobre la señal sonda (A).
6.- Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque incorpora un segundo modulador (14) situado entre el segmento de fibra (2) y el aislador (6), de forma que la modulación se realiza sobre la señal problema (B).
7.- Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque incorpora un primer modulador (9) situado entre el control de polarización (5) y el segmento de fibra (2) y un segundo modulador (14) situado entre el segmento de fibra (2) 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 las reivindicaciones 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, λ ~ 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 dicho rango dinámico alcanza un valor del orden de 80 dB, siendo ajustada 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 óptica (2) 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 de polarización (5) puede ejercer las funciones de primer modulador (9) modulando la señal sonda (A).
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 por Difusión Brillouin que incluye: a. la introducción de una señal óptica sonda (A) procedente de una fuente óptica sintonizable (1) por un extremo de un segmento de fibra óptica (2) tras atravesar un circulador óptico (4), b. la introducción de una señal óptica problema (B) a analizar y objeto de la medida en el segmento de fibra óptica (2) procedente de una fuente externa
(10), c. la interacción de la señal sonda (A) y la señal problema (B) para generar una señal de salida (C), d. la detección de la señal de salida (C) mediante un sistema de detección directa de luz (3), y e. el análisis y la toma de datos mediante un sistema de control (7) conectado a la fuente óptica sintonizable (1) y al sistema de detección (3), caracterizado porque para la interacción de la señal sonda (A) y la señal problema (B) se dan las siguientes etapas: a. la introducción de la señal óptica problema (B), tras atravesar un aislador óptico (6), en la fibra óptica (2) por el extremo opuesto al de introducción de la señal sonda (A), b. la optimización de la alineación de la polarización de la señal sonda
(A) con la de la señal problema (B), mediante un controlador de polarización (5) situado entre el circulador óptico (4) y la entrada de la señal sonda (A) en el segmento de fibra óptica (2), c. la interacción en el segmento de fibra óptica (2) de la señal sonda (A) y señal problema (B) que genera una señal de salida (C), y d. la separación de la señal sonda (B) y señal de salida (C) mediante un circulador óptico (4) situado en el extremo de entrada de la señal sonda (A) en el segmento de fibra óptica (2).
18.- Procedimiento de medida, según la reivindicación 17, caracterizado porque comprende una etapa de amplificación de la señal sonda (A) mediante un amplificador óptico (8) tras su salida de la fuente óptica sintonizable (1 ) y previamente a la entrada de la señal sonda (A) en el circulador óptico (4).
19.- Procedimiento de medida, según las reivindicaciones 17 y 18, caracterizado porque comprende una etapa de modulación de la señal sonda
(A) mediante un primer modulador (9) situado entre el control de polarización (5) y el segmento de fibra óptica (2) y que trabaja de forma síncrona con el sistema de detección (3).
20.- Procedimiento de medida, según las reivindicaciones 17 y 18, caracterizado porque comprende una etapa de modulación de la señal problema
(B) mediante un segundo modulador (14) situado entre el aislador óptico (6) y el segmento de fibra óptica (2) y que trabaja de forma síncrona con el sistema de detección (3).
21.- Procedimiento de medida, según las reivindicaciones 17 y 18, caracterizado porque comprende una etapa de modulación de la señal sonda (A) mediante un primer modulador (9) situado entre el control de polarización (5) y el segmento de fibra óptica (2) y que trabaja de forma síncrona con el sistema de detección (3) y una etapa de modulación de la señal problema (B) mediante un segundo modulador (14) situado entre el aislador óptico (6) y el segmento de fibra óptica y que trabaja de forma síncrona con el sistema de detección (3).
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