RESUMEN: Un láser en anillo de fibra dopada con erbio (LAFDE) con fibras monomodo estrechadas no adiabáticas concatenadas, actuando como filtro sintonizable dentro de la cavidad, es presentado en este artículo. Estas fibras monomodo estrechadas no adiabáticas concatenadas presentan un ancho de banda más estrecho y una profundidad de modulación mayor que un sola fibra estrechada. La sintonización de este filtro óptico se llevó a cabo aplicando una perturbación controlada en las fibras estrechadas. El funcionamiento de este láser se demostró experimentalmente en el laboratorio, obteniendo un rango de sintonización de 20.8nm (1544.5nm-1565.3nm).ABSTRACT: An erbium doped fiber ring laser (EDFRL) that incorporates four non-adiabatic concatenated single-mode fiber tapers (acting as tunable filter in the laser cavity) is presented. These concatenated fiber tapers integrates a filter with a narrower band-pass and a higher modulation depth than a single taper. The tuning of this filter was implemented applying a controlled perturbation in the fiber taper. The proposed laser architecture was successfully demonstrated in the laboratory in which a tuning range of 20.8nm (1544.5nm- 1565.3nm) were measured

Becue, Nicolás

Díaz Lucas, Silvia

Lomer Barboza, Mauro Matías

Lázaro Urrutia, José Miguel

López Amo, Manuel

López Higuera, José Miguel

Quintela Incera, Antonio

Quintela Incera, María Ángeles

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6ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’09   M. A. QUINTELA  et al. Láser de fibra usando como filtro óptico fibras monomodo estrechadas no adiabáticas  Fiber ring laser using non-adiabatic single-mode fiber tapers as a tunable filter M A QUINTELA1, N. BECUE1, A. QUINTELA1 , J.M. LÁZARO1, M. LÓMER1, S. DÍAZ2, M. LÓPEZ-AMO2 Y J M LOPEZ-HIGUERA1 1. Grupo de Ingeniería Fotónica, Universidad de Cantabria, Avda. Los Castros s/n 2. Departmento de Ingeniería Eléctrica y electrónicag, Universidad Pública de Navarra, Pamplona, Spain. Persona de contacto: Mª Ángeles QUINTELA  (quintelm@unican.es). RESUMEN:  Un láser en anillo de fibra dopada con erbio (LAFDE) con fibras monomodo estrechadas no adiabáticas concatenadas, actuando como filtro sintonizable dentro de la cavidad, es presentado en este artículo. Estas fibras monomodo estrechadas no adiabáticas concate-nadas presentan un ancho de banda más estrecho y una profundidad de modulación ma-yor que un sola fibra estrechada. La sintonización de este filtro óptico se llevó a cabo aplicando una perturbación controlada en las fibras estrechadas. El funcionamiento de es-te láser se demostró experimentalmente en el laboratorio, obteniendo un rango de sintoni-zación de 20.8nm (1544.5nm-1565.3nm).  Palabras clave: láser de fibra, fibra dopada con erbio, fibras estrechadas, filtro sintonizable ABSTRACT:  An erbium doped fiber ring laser (EDFRL) that incorporates four non-adiabatic concate-nated single-mode fiber tapers (acting as tunable filter in the laser cavity) is presented. These concatenated fiber tapers integrates a filter with a narrower band-pass and a higher modulation depth than a single taper. The tuning of this filter was implemented applying a controlled perturbation in the fiber taper. The proposed laser architecture was success-fully demonstrated in the laboratory in which a tuning range of 20.8nm (1544.5nm-1565.3nm) were measured.  Key words: fiber laser, erbium doped fiber, fibers tapers, tunable filters  1.- Introducción Desde hace más de 20 años, las fibras estre-chadas han sido usadas típicamente como acopladores de fibra [1] y como sensores ópticos de parámetros físicos [2] [3]. Una de las características más importantes de las fibras estrechadas es que la interacción de la luz  con el entorno tiene lugar justo en la zona delgada de la fibra. Esta propiedad permite el desarrollo de sensores de humedad o de índice de refracción [4]. Además, en las fibras estrechadas no adiabáticas, la interfe-rencia entre modos, principalmente entre el LP01 y LP02, se puede emplear, por ejemplo, para medir movimientos angulares y /o esti-ramientos [5]. Las fibras estrechadas también se pueden emplear como filtros ópticos sin-tonizables. Estos filtros además de presentar un amplio rango de sintonización, su proceso de fabricación es simple, fiable y barato. Estos filtros ópticos basados en fibra estre-chada se pueden incorporar a la cavidad de TFO-4 - 19 -6ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’09   M. A. QUINTELA  et al. un resonador, lo que permite obtener láseres de fibra sintonizables. En este artículo, se presenta un láser en anillo de fibra dopada con erbio (LAFDE) [6] usando como filtro óptico fibras monomodo estrechadas no adiabáticas concatenadas. Perturbaciones externas controladas fueron aplicadas a las fibras estrechadas con el fin de conseguir un filtro sintonizable. El artículo se organiza de la siguiente forma: en la primera parte se muestran los resultados obtenidos del proceso de fabricación de fi-bras monomodo estrechadas no adiabáticas junto con su caracterización experimental. En la segunda parte, los resultados del diseño y caracterización de un LAFDE  con fibras estrechadas son presentados. Por último, se exponen las conclusiones.  2.- Fabricación y caracterización de fibras estrechadas no adiabáticas. Las fibras estrechas no adiabáticas presentan interesantes propiedades, como la capacidad de medir parámetros externos a partir de la interacción de la luz en la zona estrechada de la fibra [7]. Estas fibras estrechadas se fabri-can realizando una rápido transición del diá-metro de la fibra. La frecuencia normalizada (V) del núcleo de la fibra se reduce propor-cionalmente con la disminución del diámetro de la fibra durante el proceso de fabricación. Cuando Vnúcleo<1, el modo fundamental LP01 es guiado por la cubierta y se puede acoplar con otro modo LP0m, aunque la principal interacción  es con el modo LP02. Cuando Vnúcleo vuelve a ser >1 el modo LP01 viaja por el núcleo de la fibra y es guiado de la misma forma que antes de entrar en la fibra estre-chada. En conclusión, en una fibra estrecha no adiabática la interacción del modo óptico con el medio externo es grande. La potencia transmitida en una fibra estre-chada depende de la diferencia de fase entre los modos acoplados en la fibra estrechada. Por otro lado, esta diferencia de fase depende de la longitud de interacción entre los modos y de la longitud de onda de transmisión. De esta manera, la respuesta espectral, la cual es cuasi-sinusoidal es función de la longitud de onda, se puede sintonizar cambiando la dife-rencia de fase por algún medio, por ejemplo, estirando la fibra estrechada o cambiando las condiciones externas del entorno alrededor de la fibra estrechada. Las fibras estrechadas usadas en este trabajo han sido fabricadas con una máquina des-arrollada en el Grupo de Ingeniería Fotónica de la Universidad de Cantabria (http:/www.teisa.unican.es/gif/). Esta esta-ción de fabricación de fibras estrechadas está compuesta de dos desplazadores de alta pre-cisión que sirven para estirar la fibra, mien-tras una antorcha de oxi-butano, que genera una llama de tamaño aproximado de 2mm, barre linealmente la fibra. Con esta estación es posible fabricar fibras estrechadas adiabá-ticas y no adiabáticas.  Una vez fabricadas las fibras estrechadas, para conseguir su sintonización se colocaron entre dos desplazadores. Cuando estos des-plazadores  se mueven en dirección axial opuesta, la zona estrechada se deforma, y en consecuencia, se produce un desplazamiento de la respuesta espectral. Un ejemplo de la respuesta espectral en transmisión, obtenida experimentalmente, de una fibra estrechada para dos valores de acercamiento entre los extremos de la fibra estrechada (100µm y 200µm) se muestra en la Fig. 1, como ilus-tración de la capacidad de sintonización de estas estructuras.  -3,5-3-2,5-2-1,5-1-0,501480 1500 1520 1540 1560Wavelength (nm)Taper output power (dBm) 100μm 200μm Fig.1: Respuesta espectral de una fibra estrecha-da no-adiabática y sus cambios con las perturba-ciones Como es de esperar, la respuesta espectral es cuasi-sinusoidal y cambia hacia longitudes de onda menores cuando la fibra estrechada se deforma. El efecto de la variación de la geometría de la fibra estrechada en la varia-ción de la respuesta espectral cuando está sometida a perturbaciones no se ha estudiado aún. Sin embargo, si se ha comprobado expe-TFO-4 - 20 -6ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’09   M. A. QUINTELA  et al. rimentalmente la capacidad de repetición del proceso de fabricación de las fibras estrecha-das y de sus efectos asociados. La potencia de salida de la fibra estrechada durante el desplazamiento de 0 a 5mm con una veloci-dad constante  y su retorno a la posición ini-cial (0mm) para dos longitudes de onda dife-rentes se puede observar en la Fig. 2. La po-tencia de salida de la fibra estrechada en el retorno a la posición inicial es claramente un espejo de cuando se desplaza hacia delante, lo que efectivamente demuestra la reproduci-bilidad de la configuración geométrica de la fibra estrechada para una posición específica del desplazador. Fig. 2: Potencia de salida de una fibra estrecha-da durante el desplazamiento (de 0 a 5mm) y (de 5 a 0mm) con una velocidad constante para 2 longitudes de onda, 1450nm y 1590nm. Por otro lado, los láseres de fibra en anillo pueden alcanzar fácilmente el laseo incluso con fibras de erbio con baja concentración empleando longitudes de la cavidad grandes, típicamente mayores de 10m. Esto implica que estos láseres van a presentar múltiples modos longitudinales, lo que provoca efectos indeseados, como saltos de modos. Para con-seguir láseres de fibra en anillo con un com-portamiento monomodo, se requiere un filtro óptico estrecho [8]. La respuesta espectral de fibras estrechadas dispuestas en serie es igual al producto de la respuesta espectral de cada fibra estrechada. En consecuencia, se puede obtener un filtro óptico muy estrecho si se disponen múltiples fibras estrechadas conca-tenadas. Sin embargo, cada fibra estrechada tiene un mínimo de pérdidas de transmisión de 0.5dB, por lo que el número de fibras estrechadas concatenadas va a estar limitado, en la búsqueda de un compromiso entre el ancho de banda y las pérdidas del filtro.  En este trabajo experimental, se han emplea-do 4 fibras estrechadas en serie. Estas han sido fabricadas siguiendo el proceso descrito anteriormente con periodos de la respuesta espectral de 80, 40, 20 y 10nm, respectiva-mente. La respuesta teórica de los 4 filtros en serie se muestra en la Fig. 3. La respuesta espectral total de las fibras estrechadas con-catenadas es más estrecha que la de una sim-ple fibra estrechada, además la profundidad de modulación es también mayor. Fig. 3: Respuesta teórica de 4 fibras estrechadas en serie en función de la longitud de onda. -5-4,5-4-3,5-3-2,5-2-1,5-1-0,500 20 40 60 80 100Tiempo (s)Potencia de salida (dBm)-5-4,5-4-3,5-3-2,5-2-1,5-1-0,500 20 40 60 80 100Tiempo (s)Potencia de salida (dBm)00,20,40,60,811,21450 1470 1490 1510 1530 1550 1570 1590 1610Wavelength (nm)Power (AU)TFO-4 - 21 -6ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’09   M. A. QUINTELA  et al. Cada fibra estrechada no-adiabática presenta una respuesta diferente a las perturbaciones externas. En consecuencia, es muy importan-te caracterizar experimentalmente la depen-dencia de los cambios espectrales con las perturbaciones para cada fibra estrechada de manera independiente. El cambio de la res-puesta espectral en función del acercamiento de los extremos de la fibra estrechada ha sido medido para cada una de las fibras estrecha-das. Los resultados experimentales se mues-tran en la Fig. 4. En estas gráficas se repre-senta las longitudes de onda donde la trans-misión de cada fibra estrechada es máxima en función del valor de acercamiento de los extremos de la fibra estrechada. Como se puede observar en la figura, para obtener un desplazamiento de la longitud de onda donde se obtiene el máximo de transmisión hay que aplicar un acercamiento diferente para cada fibra estrechada.  3.- Demostración experimental de un láser de fibra en anillo El esquema del montaje del LAFDE se muestra en la Fig. 5. La cavidad está formada por un filtro en fibra sintonizable a partir de fibras estrechadas, como se ha descrito en los apartados anteriores, un aislador óptico, un controlador de polarización (PC), un acopla-dor óptico 3dB y un WDM 1480/1550nm. El filtro sintonizable determina la longitud de onda de laseo del LAFDE. El aislador asegu-ra la oscilación unidireccional en la cavidad y el controlador de polarización compensa la ganancia dependiente de polarización. La luz es acoplada a la salida a través de un acopla-dor óptico. La fibra dopada con erbio fue bombeada con un láser de bombeo a 1480nm. La longitud y el pico de absorción a 1530nm de la fibra dopada con erbio fueron de 26m y 4.4dB/m, respectivamente. Como ejemplo de los resultados obtenidos, en la Fig. 6 se muestra el espectro óptico de salida del LAFDE laseando en 8 longitudes de onda diferentes para una potencia de bombeo de 150mW a 1480nm. Para conseguir la oscila-ción en una longitud de onda específica, los extremos de cada fibra estrechada tienen que moverse según los resultados experimentales mostrados en la Fig. 4. Además, como era de esperar, cada fibra estrechada tiene una in-fluencia específica en la señal de salida. La fibra estrechada con menor periodo espectral, en este caso 10nm, permite la sintonización SP:10nm10,51111,51212,51313,51414,51495 1515 1535 1555 1575 1595 1615 1635Longitud de onda (nm)Acercamiento (mm)SP: 20nm00,511,522,51495 1515 1535 1555 1575 1595 1615 1635Longitud de onda (nm)Acercamiento (mm)SP: 40nm00,050,10,150,20,250,30,350,40,451495 1515 1535 1555 1575 1595 1615 1635Longitud de onda (nm)Acercamiento (mm)SP: 80nm0,250,270,290,310,330,350,370,390,410,430,451495 1515 1535 1555 1575 1595 1615 1635Longitud de onda (nm)Acercamiento (mm)Fig. 4: Longitudes de onda donde la transmisión de cada fibra estrechada es máxima en fun-ción del acercamiento de los extremos de cada fibra estrechada para 4 diferentes fibras estre-chadas con diferente periodo espectral (SP). TFO-4 - 22 -6ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’09   M. A. QUINTELA  et al. fina del láser. La fibra estrecha con un perio-do espectral intermedio, en este caso 20nm y 40nm, reduce los lóbulos secundarios. Fi-nalmente, la fibra estrechada con mayor pe-riodo espectral permite la optimización de la potencia de salida. El rango de sintonización máximo obtenido con este LAFDE fue de 20.8nm (1544.5nm-1565.3nm).   Salida 1480nm  Filtro  (fibra estrechada)   Aislador  WDM  Acoplador PCFibra dopada con erbio Bombeo  Fig. 5: Montaje experimental de un LAFDE sintonizable. -65-55-45-35-25-15-55151530 1540 1550 1560 1570 1580Longitud de onda (nm)Potencia de salida (dBm) Fig. 6: Espectro óptico de salida de un LAFDE funcionando en diferentes longitudes de onda para una potencia de bombeo de 150mW a 1480nm. 4.- Conclusión La aplicación de fibras estrechadas como filtro sintonizable en láseres de fibra se pre-senta en este trabajo. La respuesta espectral de las fibras estrechadas, las cuales son cua-si-sinusoidales, cambia cuando se aplica una perturbación controlada. Además, los cam-bios de la respuesta espectral dependen del periodo de la respuesta espectral de una fibra estrechada no-adiabática. La evolución de las longitudes de onda en las que se produce el máximo de transmisión en función del acer-camiento de los extremos de la fibra estre-chada ha sido obtenida experimentalmente para varias fibras estrechadas con diferentes periodos espectrales. Por otro lado, para ob-tener un filtro óptico con un menor ancho de banda y una profundidad de modulación mayor se han dispuesto varias fibras estre-chas en serie. Estas propiedades fueron usa-das para diseñar un filtro óptico óptimo para su aplicación en láseres de fibra. Se ha mon-tado y verificado experimentalmente un LAFDE con 4 fibras estrechadas no-adiabáticas en serie como filtro óptico. El láser de fibra presenta un rango de sintoniza-ción de 20.8nm. Agradecimientos: Este trabajo ha sido en parte realizado con los medios aportados por el proyecto TEC2007-67987-CO2 Referencias [1] R. G. LAMONT, D. C. JOHNSON and K. 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LACROIX AND F. GONTHIER, “Tapered single-mode fibres and devices. Part1: Adiabatic Criteria,” IEEE Proceedings, vol. 138, p. 12, 1991. [8] S. LACROIX, F. GONTHIER, J. BURES, “All-fiber wavelength filter from successive biconical tapers,” Optics Letters, vol. 11, no. 10, p. 671, 1986.    TFO-4 - 23 -

Fiber ring laser using non-adiabatic single-mode fiber tapers as a tunable filter

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