Novel photonic systems and devices exploiting the Raman effect in optical fiber

Abstract

El efecto Raman es un importante efecto no lineal con aplicaciones principalmente en el campo de la espectroscopía y de la fibra óptica. Desde finales del siglo XX y gracias al abaratamiento y la mejora de las fuentes de bombeo, se ha extenido su uso para la amplificación de señales en comunicaciones ópticas. En esta tesis se estudian dos tipos particulares de amplificadores Raman: los láseres ultralargos (URFLs) y los polarizadores Raman. A lo largo de la última década se ha demostrado en diversos sistemas de comunicación que la eficiente distribución de ganancia en largas distancias ofrecida por los URFLs permite, en diversas aplicaciones, lograr un equilibrio casi óptimo entre el ruido y los efectos no lineales, lo cual repercute en mejoras en el rendimiento del sistema. No obstante, una de las principales fuentes de error en este tipo de amplificadores es la transferencia de ruido de intensidad relativa (RIN) entre las fuentes de bombeo y la señal. El primer capítulo de resultados incide en la problemática del RIN, centrándose en su análisis numérico para un caso específico de URFL, los láseres aleatorios de fibra, cuya particularidad radica en carecer de cavidad delimitada, dependiendo en su lugar del scattering Rayleigh para proveer al sistema de retroalimentación distribuida. A continuación se estudian tres aplicaciones de los URFLs (al análisis óptico de dominio temporal basado en efecto Brillouin para la determinación distribuida de temperatura y tensión, a la mejora de los interferómetros de Sagnac para medidas giroscópicas y a las comunicaciones a larga distancia con modulación de fase) de forma tanto numérica como, en el caso de las comunicaciones coherentes, experimental, en las que el uso de este tipo de amplificación permite una mejora del rendimiento. Los polarizadores Raman son un tipo especial de amplificador Raman en el cual no sólo se amplifica la señal, sino que se la polariza haciendo uso de la dependencia de la ganancia Raman con el estado de polarización relativo. En esta tesis se presenta el primer análisis teórico general de la evolución del estado de la polarización de la señal en sistemas con amplificación Raman, incluyendo el resto de efectos no lineales. Este análisis concluye con la obtención de un sistema de ecuaciones diferenciales que puede resolverse de manera numérica para describir las principales características de los polarizadores Raman. Como ventaja, este sistema es válido en todas las situaciones de interés y requiere un tiempo de cálculo inferior a otros sistemas similares. Se expone también una aproximación analítica de aplicación a un gran número de casos. Finalmente, se presenta un método para la reducción de la inestabilidad de amplitud en este tipo de dispositivos basada en la depolarización rápida de las señales de entrada.