Medición y simulación del acoplo cruzado de potencia entre núcleos en fibras de imagen de plástico

Abstract

RESUMEN: La fibra óptica es una tecnología fundamental en el desarrollo asociado a la Industria 4.0. A pesar de que la mayoría de las aplicaciones están centradas en el intercambio de datos, el mayor crecimiento tecnológico en los últimos años está asociado al campo de los sensores. Los sensores fotónicos basados en fibra óptica son una alternativa realista para la medición de infinidad de magnitudes físicas, ellos bridan un gran rendimiento en comparación con los sensores tradicionales. La biomedicina, y en específico la endoscopía, constituye uno de los principales campos de aplicación donde existe una demanda creciente de sensores basados en fibras óptica. Las fibras de imagen son usadas en este hábito, ya que poseen características ventajosas en la detección y transmisión de imágenes en pequeñas cavidades. Se estructuran por miles de núcleos incrustados en un revestimiento común, mayormente están fabricadas de vidrio o polímeros. Estas últimas ofrecen una alternativa eficiente y barata para la fabricación de endoscopios, de ahí, la importancia de su estudio. El proceso de transmisión de imágenes por una fibra óptica multinúcleo está mayormente afectado por el acoplo de potencia (diafonía) entre núcleos, de ahí que en este trabajo se pretende realizar un análisis y caracterización del mismo para una fibra óptica de imagen de plástico. Para cumplir con este objetivo se realizó un análisis simulado y experimental usando dos fuentes láser, cada una con diferente longitud de onda. En el análisis simulado se obtuvo una cuantificación de la potencia acoplada para frecuencias de luz cercanas a los extremos del rango visible, demostrando que a medida que aumenta la longitud de onda aumenta la diafonía. Los resultados experimentales validaron el método de simulación BPM-Matlab para medir la diafonía. Además, se adquirieron valores de las potencias acopladas en las diferentes vecindades del núcleo excitado, similares a los obtenidos en las simulaciones. La influencia de la curvatura de la fibra en la simetría de la distribución espacial del acoplo de potencia y como los modos de mayor orden predominan en los núcleos adyacentes al excitado fue demostrada. Se justificó el por qué para algunos métodos de endoscopia es mejor utilizar bandas de frecuencias cercas al ultravioleta y como el efecto del acoplo de más del 70% de energía puede presentarse como inconveniente en longitudes de onda cercanas a 400 nm.

ABSTRACT: Fiber optics is a fundamental technology for the development associated with Industry 4.0. Although most of its applications concern data exchange, the greatest technological growth in recent years is related to the field of sensors. Photonic sensors based on fiber optics are a realistic alternative for the measurement of an infinite number of physical variables, providing higher performances than traditional sensors. Biomedicine, and specifically endoscopy, is one of the main fields of application with a growing demand for fiber optic-based sensors. Imaging fibers are used in this field since they have advantageous characteristics in the detection and transmission of images in small cavities. Their structure consists of thousands of cores embedded in a shared cladding, mostly made of glass or polymers. The plastic ones offer an efficient and cheap alternative for manufacturing endoscopes, hence the importance of studying them. The process of image transmission through a multicore optical fiber is mostly affected by the power coupling (crosstalk) between cores, hence in this work we intend to perform an analysis and characterization of it, for a plastic image optical fiber. To meet this objective, a simulated and experimental analysis was performed using two laser sources, each one with a different wavelength. In the simulated analysis, a quantification of the coupled power was obtained for light frequencies near the boundaries of the visible range, demonstrating that as the wavelength increases, the crosstalk increases as well. The experimental results validated the BPM-Matlab simulation method for measuring crosstalk. In addition, values of the coupled powers in the different surroundings of the excited core were acquired, values similar to those obtained in the simulations. It was therefore demonstrated how the fiber curvature influences the symmetry of the spatial distribution of the power coupling and how higher-order modes predominate in the cores adjacent to the excited one. It was then justified why for some endoscopy methods it is better to use frequency bands near the ultraviolet, and how the effect of coupling of more than 70% of energy can be a drawback at wavelengths near 400 nm.