Fibra

Efectos no lineales

n(λ, I): mezcla de cuatro ondas y esparcimiento Raman y Brillouin

Idea clave. A potencias altas, el índice de refracción depende también de la intensidad de la luz: $n(\lambda, I)$ . De ahí salen dos familias de efectos: la mezcla de cuatro ondas, el más grave en sistemas WDM, y el esparcimiento inelástico (Raman y Brillouin), que además se puede aprovechar.

El índice depende de la intensidad

Hasta ahora, $n$ dependía de la λ (dispersión). Con potencias del orden de 1 W depende también de la intensidad de la fuente: $n(\lambda, I)$ . Como el núcleo es tan estrecho (≈ 8 µm), la intensidad se dispara aunque la potencia no parezca tan grande.

A esas intensidades, dos fotones se juntan y excitan la molécula de SiO₂: se absorben dos fotones en lugar de uno.

Mezcla de cuatro ondas

Cuando hay varios canales muy próximos (pocos nm, como en DWDM) y van en fase, se mezclan: aparecen señales nuevas en las sumas y restas de sus frecuencias ( $f_i + f_j - f_k$ ), y esas señales caen encima de otros canales. El resultado es diafonía y trasvase de potencia, y puede llegar a destruir las señales.

De todos los efectos no lineales en la fibra, es el más grave. Se minimiza:

Reduciendo la potencia todo lo posible.
No dejando D = 0: con algo de dispersión entre canales próximos, dejan de ir en fase. Por eso se usa fibra de dispersión desplazada no nula (tema 3).

Esparcimiento elástico e inelástico

En el esparcimiento, la luz sufre colisiones con la estructura molecular del medio. No es absorción: la luz sigue siendo luz, aunque cambie de dirección y, a veces, de frecuencia. Las moléculas de SiO₂ están en continua vibración, como muelles:

Si el choque es elástico, la luz sale con la misma frecuencia (Rayleigh).
Si es inelástico, hay intercambio de energía. Si la molécula le quita energía a la luz, la frecuencia baja; si se la da (el muelle estaba comprimido y la suelta), la frecuencia sube.

Así salen tres líneas: la roja (Stokes: la luz pierde energía, f ↓), la verde (colisiones elásticas, la central) y la violeta (anti-Stokes: la molécula le da energía a la luz, f ↑).

Raman y Brillouin

Raman: la luz interactúa con la vibración de las moléculas (fonones ópticos). Las líneas quedan a THz de la central. Cuando se hace estimulado sirve para amplificar: es el amplificador Raman.
Brillouin: la luz interactúa con el sonido dentro del vidrio (fonones acústicos), una vibración coherente que aparece por la excitación térmica, de forma instantánea. Las líneas quedan a solo GHz. Se usa para filtros y demoduladores.

Esparcimiento estimulado: si se bombardea la fibra con luz, muchas moléculas quedan vibrando en un estado excitado. Si después pasa luz a la frecuencia adecuada, las moléculas se desexcitan y le dan fotones iguales a los que pasan: la señal gana potencia.

Se conecta con

03DispersiónCon D = 0 los canales van en fase y aparece la mezcla de cuatro ondas: por eso se deja un poco de dispersión.
11Amplificadores ópticosEl Raman aprovecha un efecto no lineal de la propia fibra: el esparcimiento Raman estimulado.
12WDMLa mezcla de cuatro ondas solo aparece con canales muy juntos y potentes: es un problema del DWDM.

Preguntas de examen

Descríbeme el fenómeno de la mezcla de cuatro ondas. ¿Cómo influye en las comunicaciones ópticas y cómo se minimiza la degradación que introduce?

Es un fenómeno no lineal: se debe a que el índice depende de la intensidad del láser a potencias altas (del orden de 1 W). Influye en los sistemas DWDM, donde los canales están muy próximos (pocos nm) y, además, en fase: dos señales se mezclan y dan señales en la suma y la resta de sus frecuencias, que pueden coincidir con otros canales y destruir las señales.

Se minimiza reduciendo la potencia todo lo posible y no dejando D = 0: con algo de dispersión entre canales próximos dejan de ir en fase. Por eso la fibra de dispersión desplazada se hace sin dispersión nula, con una dispersión baja que no destruya la multiplexación. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

Explica lo que es el esparcimiento inelástico y cuáles son sus aplicaciones.

El esparcimiento es un proceso en el que la luz sufre múltiples colisiones con la estructura molecular del medio; no es absorción. Las moléculas de SiO₂ están vibrando: si la molécula está comprimida, le da energía a la luz (línea anti-Stokes, f ↑); si está descomprimida, gana energía y la luz la pierde (línea Stokes, f ↓). En el elástico (Rayleigh) la frecuencia no cambia.

Brillouin: la energía se intercambia con vibraciones de sonido (fonones acústicos), a GHz. Se usa en demoduladores y filtros.
Raman: con la vibración de las moléculas (fonones ópticos), a THz. Estimulado, se usa para amplificación óptica.

(Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

¿Por qué en la fibra aparecen efectos no lineales con potencias que no parecen tan grandes?

Porque lo que cuenta es la intensidad (potencia por área), y el núcleo de una monomodo es tan estrecho (≈ 8 µm) que la intensidad es muy alta. Con potencias del orden de 1 W el índice ya depende de la intensidad. (Respuesta redactada a partir de los apuntes y del PDF de clase.)

Material del curso usado: Apuntes de Miguel · Comunicaciones Ópticas (PDF de clase), §2.4.