Influencia del acoplamiento acusto-óptico en la propagación no lineal de pulsos de luz en una fibra óptica adelgazada

Abstract

En esta tesis de maestría, se estudia teórica y experimentalmente la influencia del acoplamiento acusto-óptico en la propagación no lineal de un pulso utra-corto a través de una fibra óptica adelgazada. Se presenta un detallado procedimiento analítico para el cálculo del coeficiente de acoplamiento acusto-óptico entre los modos co-propagantes en fibras ópticas adelgazadas, específicamente, el modo fundamental del núcleo y los modos de ´ordenes inferiores del revestimiento. Se establece la distribución de campo eléctrico usando las ecuaciones analíticas para los modos co-propagantes del núcleo y del revestimiento. Basados en los efectos de la curvatura local, se modelan las variaciones lineales y no lineales del índice de refracción. Se presenta un conjunto de ecuaciones y parámetros con el fin de calcular la influencia del efecto acusto-óptico en la propagación no lineal de un pulso a través de una fibra óptica adelgazada. Las fibras ópticas adelgazadas son fabricadas en el grupo de investigación de Fotónica y Optoelectrónica de la Universidad Nacional de Colombia -sede Medellín a partir de un fibra óptica mono modo comercial por un proceso de alargamiento que consiste en estirar la fibra mientras se produce un calentamiento simultáneo. Las fibras adelgazadas son elementos que ofrecen buenas oportunidades para aplicaciones tanto de investigación básica como dispositivos de detección debido a características como la alta concentración de la luz y un fuerte campo evanescente alrededor de la cintura, entre otras. Se midió, por medio de un interferómetro Mach-Zehnder, la dispersión de la fibra adelgazada fabricada y se presenta el modelo de ajuste, se realiza una comparación con la dispersión de una fibra estándar para calibrar el experimento, donde las cifras numéricas mostraron un error experimental porcentual de aproximadamente ∼ 5 % respecto a los valores teóricos. Se presentan los montajes esquemáticos implementados con el fin de observar el acoplamiento acusto-óptico de forma experimental, para lo cual se usa un láser de femtosegundos como fuente de pulsos ultra cortos. Se observó un incremento en el ancho de banda de ∆λ = 30 nm de la respuesta a la red de periodo largo (LPFG: por sus siglas en inglés) inducida en la transmisión del modo del núcleo debido a los fenómenos no lineales que propiciaron la generación de longitudes de onda. Además, los resultados del procedimiento de simulación y de experimentación confirman la validez de los modelos teóricos propuestos.

Abstract: In this master thesis, it has been studied both theoretically and experimentally the inuence of the acousto-optic coupling in nonlinear pulse propagation through tapered fiber optics. A detailed procedure to compute analytically the acousto-optic coupling coefficient among copropagating modes in tapered optical fibers is presented, specifically between the fundamental core mode and lowest-order cladding modes. Electric field distributions are calculated using analytical equations for core and cladding co-propagating modes. Based on the effect of local bending, linear and nonlinear variations in the refractive index are modeled. A set of equations and parameters are presented in order to analyze the inuence of the acousto-optic effect in the nonlinear propagation of a pulse through an tapered optical fiber. Tapered optical fibers are produced from a commercial single-mode fiber by a stretching process which consists in physical exertion of the fiber at two points while heating occurs simultaneously in the middle. Tapered fibers are elements that ofter good opportunities for research applications such as detection devices since they ofter high concentration of light and a strong evanescent field around the tapered region, among others. All the fabrication process was made in the research group of Photonics and Opto-electronics at Universidad Nacional de Colombia - Medellin. The manufactured tapered fiber's dispersion was measured using a Mach-Zehnder interferometer and an adjustment model was presented. A comparison with standard fiber dispersión was made to calibrate the experiment; numerical data showed an experimental percentage error of approximately 5% with respect to the theoretical values. Furthermore, the implemented schematic setups are presented. To observe the acousto-optic coupling experimentally, a femtosecond laser source of ultra short pulses was utilized. An increase in the bandwidth of ∆λ = 30nm was achieved in response to a long period fiber grating (LPFG) induced in the core mode transmission; this was due to nonlinear phenomena that led to the generation of wavelengths. In addition, the results of the simulation process and the experimentation confirm the validity of the proposed theoretical models.