WO2020136428A1 - Conversor modal sintonizable - Google Patents

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WO2020136428A1
WO2020136428A1 PCT/IB2018/060706 IB2018060706W WO2020136428A1 WO 2020136428 A1 WO2020136428 A1 WO 2020136428A1 IB 2018060706 W IB2018060706 W IB 2018060706W WO 2020136428 A1 WO2020136428 A1 WO 2020136428A1
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WO
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electrodes
optical fiber
core
fiber
optical
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Application number
PCT/IB2018/060706
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Inventor
Erick Estefen REYES VERA
Pedro Ignacio TORRES TRUJILLO
Original Assignee
Instituto Tecnologico Metropolitano
Universidad Nacional De Colombia
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/028—Optical fibres with cladding with or without a coating with core or cladding having graded refractive index
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters

Definitions

  • the present invention relates to devices for performing conversion between spatial modes of light within optical fibers.
  • Optical fibers are very attractive information transmission means for implementing communications over long distances due to their high noise immunity, high bandwidth, low power losses, electromagnetic immunity, their flexibility, cost and weight, among other characteristics.
  • An alternative that allows achieving higher transmission rates in optical communication systems is the implementation of multiplexing techniques, among which stand out wavelength division multiplexing (WDM) and division multiplexing. Polarization (PDM).
  • WDM wavelength division multiplexing
  • PDM Polarization
  • SDM spatial multiplexing technique
  • This multiplexing technique is characterized, mainly, by being a small variation of the current transmission techniques in standard single-mode fibers, in the sense that they only allow the propagation of a few high-order modes, as is the case of the LPoi modes, LPn and LP21.
  • the latter has become the most interesting alternative since it would allow its implementation in a more direct way, since by working with fibers in a few ways (FMF), it makes possible their processing with the processing systems of currently installed signs.
  • FMF fibers in a few ways
  • modal converters are based on spatial light modulators, Bragg networks or long period networks, among others.
  • the use of spatial light modulators requires the use of coupling systems (such as lenses) with the optical fibers, which makes their implementation difficult and increases the complexity of the entire system.
  • modal converters usually do not include effective control mechanisms that allow modal conversion to be precisely controlled or its reversibility guaranteed. Lack of precise control prevents conversion between arbitrary modes, which significantly limits the range of some devices.
  • optical devices that operate based on the elasto-optical effect, from which a mechanical stress applied to a material alters its optical properties such as its refractive index or birefringence.
  • photonic devices that incorporate electrodes adjacent to the core of optical fibers are known. By passing current through these electrodes, they are heated and expanded, putting pressure on the core of the fiber and thus altering its refractive index.
  • these devices are not oriented to modal conversion. These are aimed at controlling the polarization of the light that travels through the fiber or at pulsing lasers entirely with optical fiber.
  • the precision of these optical devices is also affected by the difficulty of expanding or heating the fiber homogeneously or selectively. In other words, a proper optical control process requires the ability to precisely control mechanical stress and / or temperature in specific regions of the optical fiber.
  • the present invention relates to devices for performing modal conversion of optical signals.
  • the devices disclosed herein comprise an optical fiber, one or more electrodes arranged along the optical fiber, and electro-thermal modulators that control the thermal expansion of the one or more electrodes (300) by controlling the current through them. .
  • the one or more electrodes When changing its temperature, the one or more electrodes expand or contract and generate pressure changes on the nucleus of the optical fiber whereby, due to the elasto-optical effect, the refractive index of the fiber is changed.
  • This change in the optical properties inside the fiber allows altering the spatial modes of light that are excited and can propagate inside the device in a controlled way, thus facilitating modal conversion.
  • the optical fiber of the device disclosed herein is a multimode optical fiber, preferably in a few ways and microstructured.
  • the number of propagation modes allowed in the device depends on the wavelength of the signal at interior of the optical fiber, the materials that constitute it, as well as the structure of the fiber, particularly the diameter of the core and the geometry of the microstructure.
  • the device incorporates one or more electrodes arranged along the fiber in such a way that they are adjacent to the core of the optical fiber.
  • the coefficient of thermal expansion of the one or more electrodes must be greater than that of the core in order to ensure that they exert pressure on the core and the cladding of the optical fiber, which arises as a consequence of the thermal expansion that occurs when current is passed through them, high enough to induce the elasto-optical effect on the core.
  • the device of the present invention also includes electro-thermal modulators which are connected to the one or more electrodes and pass an electric current through them.
  • electro-thermal modulators By Joule effect, the temperature of the one or more electrodes will depend on the current injected by the electro-thermal modulators.
  • the electro-thermal modulators indirectly control the temperature of the one or more electrodes and, consequently, the refractive index of the fiber.
  • electro-thermal modulators can control the temperature of a thermoelectric device with which the temperature of the fiber is directly altered, causing the same effect.
  • the present invention stands out because the modal conversion is not due to a mechanism or effect external to the fiber, but is achieved by the effect of the expansion of the one or more internal electrodes, which are adjacent to the nucleus of the fiber or heating it. In this way, it is possible to control the propagation modes inside the fiber without the need for additional elements. Furthermore, precise control of current through the one or more electrodes allows modal conversion to be tunable and reversible.
  • Figure 1 shows a cross-sectional view of the device (100) according to an embodiment of the present invention where the fiber (100) is microstructured.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of the device (100) according to an embodiment of the present invention where the fiber (100) is not microstructured.
  • Figure 3 shows a schematic diagram of the operation of the device (100) according to the present invention.
  • Figure 4 shows a cross-sectional view of the device (100) according to an embodiment of the present invention which includes a thermoelectric device (410) and sensors (500).
  • the present invention relates to devices that allow to change the spatial mode of an optical signal inside an optical fiber, known as modal converters.
  • the devices (100) disclosed herein comprise an optical fiber (200), one or more electrodes (300) arranged along the optical fiber (200) such that they are adjacent to the core (210) of the optical fiber, and electro-thermal modulators (400) with which the thermal expansion of the one or more electrodes (300) is controlled by controlling the current through them.
  • the devices (100) disclosed herein allow modal conversion to be performed without the need for external elements to the optical fiber (100). In addition, the facility to control the fiber temperature (100) with high precision favors the conversion performance.
  • the device (100) comprises an optical fiber (200) which acts as a waveguide for the optical signals during the modal conversion process.
  • the optical fiber 200 includes a core 210 which can have a constant refractive index or a gradual gradient.
  • the optical fiber (200) further comprises a cladding (230).
  • the diameter of the core (210) of the optical fiber (200) is such that it allows accommodating more than one spatial mode of light.
  • the number of propagation modes allowed in the device (100) depends on the wavelength of the signal inside the fiber (100) as well as on the structure of the fiber (100), particularly the diameter of the core (210) and the geometry of the microstructure (220).
  • the optical fiber 200 is a multimode fiber in few ways. Even more preferably, the optical fiber 200 is configured to accommodate between 2 and 20 spatial modes throughout the optical range.
  • the optical fiber (100) is a micro-structured optical fiber.
  • the optical fiber (100) comprises a microstructure (220) of longitudinal air holes.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of the present invention where the electrodes (300) are arranged around the air microstructure (220).
  • Figure 2 shows another embodiment of the invention where the device (100) comprises a traditional optical fiber (200) where the electrodes (300) surround the core (210).
  • the device (100) incorporates one or more electrodes (300) arranged along the fiber (200). These one or more electrodes (300) are embedded in the fiber and are adjacent to the core (210), in such a way that any volumetric or thermal change experienced by the one or more electrodes (300) will have a corresponding effect on the core ( 210) of the fiber (200). Preferably, the electrodes (300) are embedded in the cladding (230) of the optical fiber (200). [0023] An electric current is passed through the electrodes (300), which, by Joule effect, changes its temperature. Consequently, the one or more electrodes (300) expand or contract and generate controlled pressure changes on the core (210) of the optical fiber (200).
  • these pressure changes alter the refractive index of the fiber (200) and, therefore, it is possible to control the spatial modes of light inside the device (100), thus allowing modal conversion .
  • the present invention makes it possible to alter the spatial modes of light that propagates through the fiber.
  • the coefficient of thermal expansion of the one or more electrodes (300) is different from the coefficient of thermal expansion of the core (210) of the fiber (200).
  • the coefficient of thermal expansion of the one or more electrodes (300) is greater than that of the core (210) in order to exert pressure on the core (210), which arises as a consequence of the thermal expansion that has place when current is passed through them, it is high enough to induce the elasto-optical effect on the core (210).
  • the material of which the one or more electrodes (300) are made according to the present invention is chosen in such a way that it generates significant changes in the refractive index core (210) even when small electrical currents and / or slight thermal changes are applied.
  • the one or more electrodes (300) are metals or metal alloys.
  • the one or more electrodes (300) are metals selected from the group comprising: indium, bismuth, gold, tin, copper, and alloys or combinations thereof. Even more preferably, the one or more electrodes 300 are made of indium.
  • the length of the one or more electrodes (300) is less than the length of the fiber (200).
  • the one or more electrodes (300) are arranged along the fiber (200) discontinuously such that in certain sections of the fiber (200) no electrodes (300) are found.
  • the device (100) disclosed herein may include a thermoelectric device (410) disposed along the optical fiber (200) such that it is adjacent to the core (210) of the optical fiber (200). Said thermoelectric device allows to directly heat the core (210), thus providing an alternative mechanism to produce the modal conversion.
  • the thermoelectric device (410) is comprised of a Peltier cell and a heat sink.
  • the device (100) further comprises an electro-thermal modulator (400) with which the thermal expansion of the one or more electrodes (300) is controlled.
  • the electro-thermal modulator (400) is electrically connected to the one or more electrodes and passes an electric current through them, in such a way that the one or more electrodes (300) are heated and change their volume.
  • the electro-thermal modulator is the actuator that allows the temperature of the one or more electrodes (300) or of the thermoelectric device (410) to be controlled indirectly and, consequently, the refractive index of the core (210) of the fiber ( 200).
  • Figure 3 shows the principle of operation of the device (100) according to the present invention.
  • the modal converter receives an optical signal at the input of the optical fiber (200) which is in an initial spatial mode. Due to the expansion or heating of the one or more electrodes (300), due to the control carried out by the electro-thermal modulator (400), the refractive index of the core (210) of the fiber (200) varies, which causes the optical signal at the output of the fiber 200 to be in a final spatial mode other than the initial spatial mode.
  • the device (100) of the The present invention makes it possible to arbitrarily control the spatial mode at the output of the fiber (200). In this way, modal conversion can be performed between any pair of spatial modes; an arbitrary mode on input can be converted to an arbitrary mode on output.
  • the elasto-optical effect on the core (210) of the fiber (200) is only induced when there are changes in temperature or pressure in the core (210), which only occurs when the electro-thermal modulator (400) it sends a signal to the one or more electrodes (300) or to the thermoelectric device (410). Consequently, according to a preferred embodiment of the invention, the device (100) is configured so that the electro-thermal modulator (400) can be disabled. In this case, no modal conversion occurs and the initial mode at the input of the fiber (200) is equal to the final mode at the output of the fiber.
  • the modal conversion is done by implementing an active control.
  • the optical response of the fiber (100) is initially characterized as a function of the current that the electro-thermal modulator (400) injects to the one or more electrodes (300) or as a function of the temperature of the thermoelectric device (410 ).
  • the modal conversion can be carried out without the need for additional measures.
  • the device (100) includes one or more sensors that allow implementing an active control for the modal conversion.
  • the one or more sensors (500) are located adjacent to the optical fiber (200).
  • the sensors are selected from the group comprising: temperature sensors and humidity sensors.
  • the thermal or mechanical response of the core (210) of the fiber (200) is measured during the modal conversion process, improving the precision of the conversion.
  • the device (100) disclosed herein may include a thermal monitoring system located adjacent to the optical fiber (200) with which it is possible to measure the temperature over time. real to self-regulate the current applied by the electro-thermal modulator, thus keeping the temperature constant.
  • Figure 4 shows the device (100) according to a preferred embodiment of the invention where the thermoelectric device (410), the sensors (500) and the thermal monitoring system (510) are included.

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Abstract

El presente desarrollo se relaciona con dispositivos para la conversión modal de señales en una fibra óptica. Los dispositivos aquí revelados comprenden una fibra óptica de pocos modos, electrodos dispuestos a lo largo de la fibra óptica y moduladores electro-térmicos con los que se controla la corriente eléctrica a través de los electrodos. Al hacer pasar corriente a través de los electrodos, éstos se calientan y aumentan su temperatura. El coeficiente de expansión térmica de los electrodos es tal que, al variar su temperatura, inducen el efecto elasto-óptico en el núcleo de la fibra óptica, generando así un cambio en su índice de refracción. Este cambio en las propiedades ópticas de la fibra óptica permite alterar los modos espaciales de la luz al interior de la fibra óptica de manera controlada y reversible, facilitando así la conversión modal.

Description

CONVERSOR MODAL SINTONIZABLE
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
1. Campo de la Invención
[0001] La presente invención se relaciona con dispositivos para realizar conversión entre modos espaciales de la luz al interior de fibras ópticas.
2. Descripción del arte previo
[0002] Las fibras ópticas son medios de transmisión de información muy atractivos para implementar comunicaciones a través de largas distancias debido a su alta inmunidad al ruido, alto ancho de banda, bajas pérdidas de potencia, inmunidad electromagnética, su flexibilidad, costo y peso, entre otras características. Una alternativa que permite alcanzar tasas de transmisión más altas en sistemas de comunicaciones ópticos es la implementación de técnicas de multiplexación, entre las que se destacan la multiplexación por división de longitud de onda (WDM, por sus siglas en inglés) y la multiplexación por división de polarización (PDM, por sus siglas en inglés). Con el fin de seguir sosteniendo el crecimiento de las redes de comunicación óptica actuales, se hace necesario implementar nuevas técnicas de multiplexación. Por ello, se ha identificado la técnica de multiplexación espacial (SDM) como posible solución a este problema. Esta técnica de multiplexación se caracteriza, principalmente, por ser una pequeña variación de las técnicas de transmisión actuales en fibras monomodo estándar, en el sentido que solo permiten la propagación de unos pocos modos de alto orden, como es el caso de los modos LPoi, LPn y LP21. Esta última, se ha convertido en la alternativa más interesante pues permitiría su implementación de una forma más directa, debido a que al trabajar con fibras de pocos modos (FMF, por su sigla en inglés) hace posible su procesamiento con los sistemas de procesamiento de señales actualmente instalados. [0003] Se conocen en la técnica dispositivos y métodos que implementan multiplexación por división espacial a partir de multiplexación de modos espaciales, en donde cada modo espacial de la luz actúa como un canal de comunicación independiente. Para implementar este tipo de multiplexación, es necesario que cada una de las señales ópticas que se van a transmitir paralelamente, sean enviadas a través de un modo espacial diferente. Para ello, se requiere un conversor modal con el que se cambie el modo espacial de las distintas señales antes de combinarlas y transmitirlas. De esta manera, la multiplexación de modos espaciales es posible independientemente del modo espacial inicial de cada una de las señales. Las necesidades actuales de la industria y la tecnología hacen que la conversión modal en fibras de pocos modos sean de particular interés.
[0004] Son comunes en la técnica las alternativas relacionadas con conversores modales basados en fibras ópticas de pocos modos. Usualmente, los conversores modales están basados en moduladores espaciales de luz, redes de Bragg o redes de periodo largo, entre otros. El emplear moduladores espaciales de luz requiere el uso de sistemas de acople (como lentes) con las fibras ópticas, lo cual dificulta su implementación y aumenta la complejidad del sistema completo. Además, los conversores modales habitualmente no incluyen mecanismos de control efectivos que permitan controlar con precisión la conversión modal o garantizar su reversibilidad. La falta de un control preciso impide que se haga conversión entre modos arbitrarios, lo cual limita significativamente el alcance de algunos dispositivos.
[0005] Por otro lado, existen dispositivos ópticos que operan con base en el efecto elasto-óptico, a partir del cual un estrés mecánico aplicado sobre un material altera sus propiedades ópticas como lo son su índice de refracción o su birrefringencia. En este sentido, son conocidos los dispositivos fotónicos que incorporan electrodos adyacentes al núcleo de fibras ópticas. Al hacer pasar corriente a través de dichos electrodos, éstos se calientan y expanden, ejerciendo una presión sobre el núcleo de la fibra y alterando así su índice de refracción. No obstante, estos dispositivos no están orientados a la conversión modal. Estos están orientados a controlar la polarización de la luz que viaja a través de la fibra o a pulsar láseres completamente a fibra óptica. Además la precisión de estos dispositivos ópticos también se ve afectada por la dificultad de expandir o calentar la fibra de manera homogénea o selectiva. En otras palabras, un proceso adecuado de control óptico requiere la capacidad de controlar con precisión el estrés mecánico y/o la temperatura en regiones específicas de la fibra óptica.
[0006] Existe entonces en la técnica la necesidad de un dispositivo que permita realizar conversión modal sintonizable entre modos arbitrarios de una manera precisa, repetible y reversible.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
[0007] La presente invención se relaciona con dispositivos para realizar conversión modal de señales ópticas. Los dispositivos aquí revelados comprenden una fibra óptica, uno o más electrodos dispuestos a lo largo de la fibra óptica y moduladores electro-térmicos que controlan la expansión térmica de los uno o más electrodos (300) mediante el control de la corriente a través de ellos.
[0010] Al cambiar su temperatura, los uno o más electrodos se expanden o contraen y generan cambios de presión sobre el núcleo de la fibra óptica con lo que, debido al efecto elasto-óptico, se cambia el índice de refracción de la fibra. Este cambio en las propiedades ópticas al interior de la fibra permite alterar los modos espaciales de la luz que se excitan y pueden propagarse al interior del dispositivo de manera controlada, facilitando así la conversión modal.
[0011] La fibra óptica del dispositivo aquí revelado es una fibra óptica multimodo, de manera preferida de pocos modos y microestructurada. El número de modos propagantes permitidos en el dispositivo depende de la longitud de onda de la señal al interior de la fibra óptica, de los materiales que la constituyen, así como de la estructura de la fibra, particularmente el diámetro del núcleo y la geometría de la microestructura.
[0012] Adicionalmente, el dispositivo incorpora uno o más electrodos dispuestos a lo largo de la fibra de tal manera que son adyacentes al núcleo de la fibra óptica. El coeficiente de expansión térmica de los uno o más electrodos debe ser mayor que el del núcleo con el fin de garantizar que estos ejerzan presión sobre el núcleo y el revestimiento de la fibra óptica, que surge como consecuencia de la expansión térmica que tiene lugar cuando se hace pasar corriente a través de éstos, sea lo suficientemente alta como para inducir sobre el núcleo el efecto elasto-óptico.
[0013] El dispositivo de la presente invención incluye también moduladores electro- térmicos los cuales están conectados a los uno o más electrodos y hacen pasar una corriente eléctrica a través de éstos. Por efecto Joule, la temperatura de los uno o más electrodos dependerá de la corriente inyectada por los moduladores electro-térmicos. De esta manera, los moduladores electro-térmicos controlan indirectamente la temperatura de los uno o más electrodos y, consecuentemente, el índice de refracción de la fibra. Adicionalmente, los moduladores electro-térmicos pueden controlar la temperatura de un dispositivo termoeléctrico con el que se altera directamente la temperatura de la fibra provocando el mismo efecto.
[0014] La presente invención se destaca porque la conversión modal no se debe a un mecanismo o efecto externo a la fibra, sino que se logra por efecto de la expansión de los uno o más electrodos internos, los cuales son adyacentes al núcleo de la fibra o al calentamiento de la misma. De esta manera, se logran controlar los modos de propagación al interior de la fibra sin necesidad de elementos adicionales. Más aún, el control preciso de la corriente a través de los uno o más electrodos permite que la conversión modal sea sintonizable y reversible. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
[0015] La Figura 1 muestra una vista transversal del dispositivo (100) de acuerdo con una modalidad de la presente invención en donde la fibra (100) es microestructurada.
[0016] La Figura 2 muestra una vista transversal del dispositivo (100) de acuerdo con una modalidad de la presente invención en donde la fibra (100) no es microestructurada.
[0017] La Figura 3 muestra un diagrama esquemático del funcionamiento del dispositivo (100) de acuerdo con la presente invención.
[0018] La Figura 4 muestra una vista transversal del dispositivo (100) de acuerdo con una modalidad de la presente invención la cual incluye un dispositivo termoeléctrico (410) y sensores (500).
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
[0019] La presente invención se relaciona con dispositivos que permiten cambiar el modo espacial de una señal óptica al interior de una fibra óptica, conocidos como conversores modales. Los dispositivos (100) aquí revelados comprenden una fibra óptica (200), uno o más electrodos (300) dispuestos a lo largo de la fibra óptica (200) de tal manera que son adyacentes al núcleo (210) de la fibra óptica, y moduladores electro-térmicos (400) con los que se controla la expansión térmica de los uno o más electrodos (300) mediante el control de la corriente a través de ellos. Los dispositivos (100) aquí revelados permiten realizar conversión modal sin necesidad de elementos externos a la fibra óptica (100). Además, la facilidad para controlar la temperatura de la fibra (100) con alta precisión favorece el desempeño de la conversión. [0020] El dispositivo (100) de acuerdo con la presente invención comprende una fibra óptica (200) la cual actúa como guía de onda para las señales ópticas durante el proceso de conversión modal. La fibra óptica (200) incluye un núcleo (210) el cual puede tener un índice de refracción constante o de gradiente gradual. La fibra óptica (200) comprende además un revestimiento (230). El diámetro del núcleo (210) de la fibra óptica (200) es tal que permite alojar más de un modo espacial de la luz. El número de modos propagantes permitidos en el dispositivo (100) depende de la longitud de onda de la señal al interior de la fibra (100) así como de la estructura de la fibra (100), particularmente el diámetro del núcleo (210) y la geometría de la microestructura (220). De manera preferida, la fibra óptica (200) es una fibra multimodo de pocos modos. De manera aún más preferida, la fibra óptica (200) está configurada para alojar entre 2 y 20 modos espaciales en todo el rango óptico.
[0021] De acuerdo con una modalidad preferida de la invención, la fibra óptica (100) es una fibra óptica micro-estructurada. De manera preferida, la fibra óptica (100) comprende una microestructura (220) de agujeros longitudinales de aire. La Figura 1 muestra una modalidad preferida de la presente invención en donde los electrodos (300) están dispuestos alrededor de la microestructura (220) de aire. La Figura 2 muestra otra modalidad de la invención en donde el dispositivo (100) comprende una fibra óptica (200) tradicional en donde los electrodos (300) rodean el núcleo (210).
[0022] Es una característica de la presente invención que el dispositivo (100) incorpora uno o más electrodos (300) dispuestos a lo largo de la fibra (200). Estos uno o más electrodos (300) se encuentran embebidos en la fibra y son adyacentes al núcleo (210), de tal manera que cualquier cambio volumétrico o térmico que experimenten los uno o más electrodos (300) tendrá un efecto correspondiente sobre el núcleo (210) de la fibra (200). De manera preferida, los electrodos (300) están embebidos en el revestimiento (230) de la fibra óptica (200). [0023] A través de los electrodos (300) se hace pasar una corriente eléctrica que, por efecto Joule, cambia su temperatura. En consecuencia, los uno o más electrodos (300) se expanden o contraen y generan cambios de presión controlados sobre el núcleo (210) de la fibra óptica (200). Debido al efecto elasto-óptico, estos cambios de presión alteran el índice de refracción de la fibra (200) y, por lo tanto, es posible controlar los modos espaciales de la luz al interior del dispositivo (100), permitiendo así la conversión modal. De esta manera, la presente invención hace posible alterar los modos espaciales de la luz que se propaga a través de la fibra.
[0024] De acuerdo con la presente invención, el coeficiente de expansión térmica de los uno o más electrodos (300) es diferente al coeficiente de expansión térmica del núcleo (210) de la fibra (200). De manera preferida, el coeficiente de expansión térmica de los uno o más electrodos (300) es mayor que el del núcleo (210) con el fin de ejercer presión sobre el núcleo (210), que surge como consecuencia de la expansión térmica que tiene lugar cuando se hace pasar corriente a través de éstos, sea lo suficientemente alta como para inducir sobre el núcleo (210) el efecto elasto-óptico.
[0025] Con el fin de aumentar la eficiencia del dispositivo (100), el material del que se componen los uno o más electrodos (300) de acuerdo con la presente invención se escoge de tal manera que genere cambios significativos en el índice de refracción del núcleo (210) aun cuando se apliquen corrientes eléctricas pequeñas y/o cambios térmicos leves. Según realizaciones preferidas de la invención, los uno o más electrodos (300) son metales o aleaciones metálicas. De manera preferida, los uno o más electrodos (300) son metales seleccionados del grupo que comprende: indio, bismuto, oro, estaño, cobre y aleaciones o combinaciones de los mismos. De manera aún más preferida, los uno o más electrodos (300) están hechos de indio.
[0026] Según modalidades de la presente invención, la longitud de los uno o más electrodos (300) es menor que la longitud de la fibra (200). De acuerdo con otra modalidad, los uno o más electrodos (300) están dispuestos a lo largo de la fibra (200) de manera discontinua de tal manera que en ciertas secciones de la fibra (200) no se encuentran electrodos (300).
[0027] Adicionalmente, el dispositivo (100) aquí revelado puede incluir un dispositivo termoeléctrico (410) dispuesto a lo largo de la fibra óptica (200) de tal manera que sea adyacente al núcleo (210) de la fibra óptica (200). Dicho dispositivo termoeléctrico permite calentar directamente el núcleo (210), proporcionando así un mecanismo alternativo para producir la conversión modal. De acuerdo con una realización preferida, el dispositivo termoeléctrico (410) está compuesto por una celda Peltier y un disipador térmico.
[0028] Es una característica de la presente invención que el dispositivo (100) comprende además un modulador electro-térmico (400) con el que se controla la expansión térmica de los uno o más electrodos (300). El modulador electro-térmico (400) está conectado eléctricamente a los uno o más electrodos y hace pasar una corriente eléctrica a través de éstos, de tal manera que los uno o más electrodos (300) se calientan y cambian su volumen. Por efecto Joule, la temperatura de los uno o más electrodos (300) dependerá de la corriente inyectada por el modulador electro- térmico (400). De esta manera, el modulador electro-térmico es el actuador que permite controlar indirectamente la temperatura de los uno o más electrodos (300) o del dispositivo termoeléctrico (410) y, consecuentemente, el índice de refracción del núcleo (210) la fibra (200).
[0029] La Figura 3 muestra el principio de operación del dispositivo (100) de acuerdo con la presente invención. El conversor modal recibe una señal óptica a la entrada de la fibra óptica (200) la cual está en un modo espacial inicial. Por efecto de la expansión o calentamiento de los uno o más electrodos (300), debido al control efectuado por el modulador electro-térmico (400), el índice de refracción del núcleo (210) de la fibra (200) varía, lo que provoca que la señal óptica a la salida de la fibra (200) esté en un modo espacial final diferente al modo espacial inicial. El dispositivo (100) de la presente invención permite controlar arbitrariamente el modo espacial a la salida de la fibra (200). De esta manera, se puede efectuar la conversión modal entre cualquier par de modos espaciales; un modo arbitrario a la entrada se puede convertir en un modo arbitrario a la salida.
[0030] El efecto elasto-óptico sobre el núcleo (210) de la fibra (200) únicamente se induce cuando hay cambios de temperatura o presión en el núcleo (210), lo cual sólo ocurre cuando el modulador electro-térmico (400) envía una señal a los uno o más electrodos (300) o al dispositivo termoeléctrico (410). En consecuencia, de acuerdo con una modalidad preferida de la invención, el dispositivo (100) está configurado para que el modulador electro-térmico (400) pueda ser deshabilitado. En este caso, no ocurre conversión modal y el modo inicial a la entrada de la fibra (200) es igual al modo final a la salida de la misma.
[0031] De acuerdo con una realización de la presente invención, la conversión modal se hace implementando un control activo. Para ello, se caracteriza inicialmente la respuesta óptica de la fibra (100) en función de la corriente que el modulador electro- térmico (400) inyecta a los uno o más electrodos (300) o en función de la temperatura del dispositivo termoeléctrico (410). Una vez caracterizada la respuesta de la fibra (200), la conversión modal puede llevarse a cabo sin necesidad de medidas adicionales.
[0032] En otra realización de la invención, el dispositivo (100) incluye uno o más sensores que permiten implementar un control activo para la conversión modal. De manera preferida, los uno o más sensores (500) están ubicados adyacentes a la fibra óptica (200). Los sensores se seleccionan del grupo que comprende: sensores de temperatura y sensores de humedad. De acuerdo con esta realización, la respuesta térmica o mecánica del núcleo (210) de la fibra (200) es medida durante el proceso de conversión modal, mejorando la precisión de la conversión. Adicionalmente, el dispositivo (100) aquí revelado puede incluir un sistema de monitoreo térmico ubicado adyacente a la fibra óptica (200) con el cual permite medir la temperatura en tiempo real para autorregular la corriente aplicada por el modulador electro-térmico, manteniendo de esta manera la temperatura constante. La Figura 4 muestra el dispositivo (100) según una realización preferida de la invención en donde se incluyen el dispositivo termoeléctrico (410), los sensores (500) y el sistema de monitoreo térmico (510).

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo sintonizable (100) para la conversión modal de señales ópticas que comprende:
una fibra óptica (200) de pocos modos con un núcleo (210) y un revestimiento
(230);
uno o más electrodos (300) dispuestos a lo largo de la fibra óptica (200) de tal manera que son adyacentes al núcleo (210) de la fibra óptica (200);
un modulador electro-térmico (400) que controla la expansión térmica de los uno o más electrodos (300);
en donde:
el coeficiente de expansión térmica de los uno o más electrodos (300) es mayor que el del núcleo (210) de tal manera que permite inducir el efecto elasto-óptico en el núcleo (210) de la fibra óptica (200).
2. El dispositivo (100) de acuerdo con la Reivindicación 1 en donde la fibra óptica (200) comprende una microestructura (220).
3. El dispositivo (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde la fibra óptica (200) está configurada para alojar entre 2 y 20 modos espaciales en todo el rango óptico.
4. El dispositivo (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde los electrodos (300) están embebidos en el revestimiento (230) de la fibra óptica (200).
5. El dispositivo (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el modulador electro-térmico (400) controla la corriente a través de los uno o más electrodos (300) de tal manera que los uno o más electrodos (300) se calientan y cambian su volumen.
6. El dispositivo (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además un dispositivo termoeléctrico (410) dispuesto a lo largo de la fibra óptica (200) de tal manera que es adyacente al núcleo (210).
7. El dispositivo (100) de acuerdo con la Reivindicación 6 que además comprende un disipador térmico.
8. El dispositivo (100) de acuerdo con las Reivindicaciones 6 o 7 en donde el dispositivo termoeléctrico (410) está compuesto por una celda Peltier.
9. El dispositivo (100) de acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 6 a 8 en donde el modulador electro-térmico (400) controla la corriente a través del dispositivo termoeléctrico (410) de tal manera que la temperatura del dispositivo termoeléctrico (410) cambia haciendo que en la fibra óptica (200) y los uno o más electrodos (300) se calienten y cambie su volumen.
10. El dispositivo (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además uno o más sensores (500).
11. El dispositivo (100) de acuerdo con la Reivindicación 10 en donde los uno o más sensores (500) se seleccionan del grupo que comprende: sensores de temperatura y sensores de humedad.
12. El dispositivo (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además un sistema de monitoreo térmico (510) ubicado adyacente a la fibra óptica (200).
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