Tras analizar las capacidades y limitaciones que posee la estructura MWP-LCI típica, en este apartado se analiza experimentalmente las características de la estructura MWP-LCI avanzada (I), que se muestra en la Figura 4.10 [119, 120, 121].
Figura 4.10. Implementación experimental de la estructura MWP-LCI avanzada (I).
En esta estructura, en primer lugar, se configuran correspondientemente la fuente ASE y OCC para generar el perfil óptico que se desee. Dicha señal óptica se introduce en un modulador electro-óptico, donde se produce la modulación de la señal eléctrica proporcionada por el VNA. A continuación, la señal modulada se propaga a través de un elemento dispersivo, que en nuestro caso será un carrete de fibra SSMF-28 caracterizado por sus dispersiones de segundo (𝜑2) y tercer orden (𝜑3). La salida del
elemento dispersivo se conduce a un acoplador óptico 50:50, que divide la señal para alimentar los brazos del interferómetro Mach-Zehnder. De nuevo, este interferómetro estará formado por un atenuador y un controlador de la polarización en el brazo superior, mientras que en el brazo inferior se sitúa un VDL para realizar el rol de la muestra. Tras recorrer el interferómetro, las señales ópticas de ambos brazos son combinadas en un acoplador óptico 50:50, generando la interferencia. Finalmente, se realiza la fotodetección de la señal. De nuevo, esta estructura se va a analizar a través de la función de transferencia, obtenida mediante el VNA de forma similar a como se ha realizado en el apartado 4.1.
Como se desarrolla en el capítulo 3, se ha demostrado que esta estructura MWP- LCI es capaz de evitar el CSE haciendo uso de dos casos: el uso del formato de modulación AM-SSB (apartado 3.2.1) y aplicando un modelo sobre la muestra (apartado 3.2.2). En este sentido, los resultados experimentales que se van a mostrar en este apartado, se corresponden con el análisis teórico del apartado 3.2.2, ya que, en los experimentos realizados, el rol de la muestra se ha llevado a cabo mediante el uso de un VDL que simula las mismas condiciones que el modelo desarrollado en dicho apartado.
A continuación, se plantea la medida de la función de transferencia de la estructura MWP-LCI avanzada (I), cuyos resultados se muestran en la Figura 4.11. Para ello, se configura la combinación de fuente ASE y OCC para generar un perfil uniforme de 8.8 nm de ancho de banda (ver inset de la Figura 4.1). Se considera además una modulación AM-DSB ajustada al punto Q y un carrete de fibra SSMF-28 de 10 km como elemento dispersivo con unos parámetros 𝜑2= −222 ps2 y 𝜑3= 1.23 ps3. Por
último, se manipula el VDL para que en el interferómetro se produzca un OPD de 4 mm, retardo que actúa como muestra. A la función de transferencia de la estructura MWP-LCI se añade la medida del CSE para el caso AM.
Fuente ASE PD OCC Acoplador 50:50 OPD VDL Atenuador Polarizador Acoplador 50:50 ( , ) SSMF-28 MOD VNA Entrada RF (Ω) Salida RF (Ω)
Figura 4.11. Resultados experimentales (línea negra) y teóricos (línea azul) de la función de transferencia resultante de la estructura MWP-LCI avanzada (I) con modulación AM-DSB cuando se introduce como muestra un OPD de 4 mm. Se añade la medida del CSE en el caso AM (línea naranja).
En la Figura 4.11 se observa cómo la medida experimental muestra la generación de una resonancia de RF alrededor de 19 GHz, además de un término de DC, tal como predice la Ec. (3.46). Asimismo, se aprecia cómo la posición de la resonancia de RF coincide con el primer nulo del CSE en el caso AM, situándose en una frecuencia muy cercana a los 19 GHz. Como se puede observar, existe una excelente correspondencia entre los resultados experimentales y teóricos. De esta forma comprobamos experimentalmente que la ubicación del modulador y del elemento dispersivo a un lugar previo al interferómetro en esta nueva estructura provocan que el CSE se evite de forma inherente alrededor de la posición donde se genera la resonancia de RF. No obstante, continúa apareciendo un término de DC que impide la correcta medida de las resonancias de RF producidas por OPDs muy bajos.
Como solución a esta limitación, se plantea en el apartado 3.2.3 del capítulo 3 el uso de un fotodetector balanceado (Balanced Photodetector, BPD). Para ello, se modifica la estructura MWP-LCI vista en la Figura 4.10 para considerar un acoplador 2x2 a la salida del interferómetro. De este modo, es posible hacer uso de las dos salidas que poseen estos dispositivos con el objetivo de eliminar la contribución BB y, por extensión, el término de DC. De esta forma, la estructura MWP-LCI avanzada (I) con fotodetector balanceado se muestra en la Figura 4.12 [119, 120, 121]:
Figura 4.12. Implementación experimental de la estructura MWP-LCI avanzada (I) con fotodetección balanceada.
Fuente ASE PD1 OCC Acoplador 50:50 OPD VDL Atenuador Polarizador Acoplador 50:50 ( , ) SSMF-28 MOD VNA Entrada RF (Ω) Salida RF (Ω) PD2 -
Para comprobar las capacidades experimentales de esta estructura cuando se considera la detección balanceada, se realiza la medida de su función de transferencia. En este caso, se considera el mismo escenario que en la obtención de la Figura 4.11 pero empleando una fotodetección balanceada. Los resultados experimentales obtenidos se muestran en la Figura 4.13, junto con la simulación numérica.
Figura 4.13. Resultados experimentales (línea negra) y teóricos (línea azul) de la función de transferencia resultante de la estructura MWP-LCI avanzada (I) con modulación AM-DSB y detección balanceada cuando se introduce como muestra un OPD de 4 mm. Se añade la medida del CSE en el caso AM (línea naranja).
En comparación con los resultados de la fotodetección simple de la Figura 4.11, observamos cómo en la Figura 4.13 el término de DC se ha reducido considerablemente, situándose ahora en un nivel de -30 dB gracias a la detección balanceada. Por otro lado, la resonancia de RF generada por el OPD de 4 mm permanece inalterada en cuanto a su posición o ancho de banda a 3 dB, como demuestra la Ec. (3.52), donde sólo la contribución BB es eliminada. Sí que observamos un aumento del valor de amplitud de 6 dB en la resonancia de RF, debido a la operación realizada en el detector balanceado. De esta forma se consigue eliminar las dos mayores limitaciones vistas en la estructura MWP-LCI típica: se evita el CSE (gracias a la disposición de los elementos en esta estructura) y se consigue eliminar la contribución BB (gracias a la fotodetección balanceada). De esta manera, cualquier resonancia de RF puede ser caracterizada dentro del rango de medida deseado.
A continuación, se muestran las características de esta estructura MWP-LCI en relación a los parámetros clave de sensibilidad, resolución y rango de operación. Se considera el mismo escenario experimental que el descrito para la Figura 4.11 y la Figura 4.13. En la Figura 4.14(a) se representa la sensibilidad obtenida para esta estructura MWP-LCI cuando se considera una detección simple (línea azul) y una detección balanceada (línea naranja). En cuanto a los resultados asociados a la resolución y a la profundidad de penetración mostrados en las Figura 4.14(b) y Figura
4.14(c), respectivamente, se considera una fotodetección balanceada, ya que los resultados obtenidos mediante una detección simple son similares.
Figura 4.14. Parámetros MWP-LCI asociados a la estructura MWP-LCI avanzada (I) con modulación AM-DSB. Se representa en (a) la sensibilidad para una fotodetección simple (línea azul) y balanceada (línea naranja). En (b) se representa la resolución y en (c) la profundidad de penetración, en ambos casos cuando se considera la detección balanceada. Las líneas continuas representan los resultados teóricos mientras que los puntos se asocian con los resultados experimentales.
En el caso de la Figura 4.14(a) se muestra el resultado para la sensibilidad tanto en el caso de detección simple como balanceada. Observamos que, para una detección simple, los valores de sensibilidad aumentan conforme lo hace el valor del OPD. Este comportamiento es muy similar al mostrado en la Figura 4.6(d), donde se emplea la estructura MWP-LCI típica y una modulación SSB. En ambos casos, se evitan los efectos producidos por el CSE, por lo que el comportamiento obtenido para la sensibilidad es muy parecido, sin apreciarse desvanecimientos para ciertos OPDs. En el caso de OPDs de mayor valor, es decir, cuando la contribución de ruido (recordemos que es generada por la contribución BB) es menor, la sensibilidad alcanza unos valores de 55 dB. Si ahora nos fijamos en la sensibilidad para la detección balanceada, se observa claramente como la atenuación de la contribución BB provoca que el ruido se reduzca drásticamente, permitiendo obtener unos valores de sensibilidad que se sitúan alrededor de los 60 dB en todo el rango de OPDs. Al aumento del valor de la sensibilidad también contribuye el aumento de la amplitud de pico de las resonancias de RF que, en comparación con la detección simple, supone un aumento de 6 dB. Para OPDs bajos, observamos que el valor de sensibilidad es algo menor debido a que la operación realizada en el detector balanceado no es perfecta, por lo que todavía existe un ruido residual. A pesar de este hecho, el aumento de sensibilidad respecto a la detección simple en OPDs bajos es notable, mejorándose en 30 dB.
La resolución obtenida para esta estructura MWP-LCI se muestra en la Figura 4.14(b). De la misma forma que en casos anteriores, los valores obtenidos se sitúan en torno a las 121 µm de resolución, ya que el perfil óptico empleado vuelve a ser el perfil uniforme con 8.8 nm de ancho de banda. Asimismo, al emplear un carrete de fibra SSMF-28 de 10 km no se observan la degradación de la función de transferencia, por lo que la resolución se mantiene constante en dicho rango. Como se ha comentado previamente, el cambio de tipo de detección no afecta al ancho a 3
dB de las resonancias de RF, por lo que la resolución tanto para una detección simple como balanceada serán idénticos.
Por último, el rango de operación alcanzado para esta estructura MWP-LCI se puede observar en la Figura 4.14(c). En este caso, se emplea un carrete SSMF-28 de 10 km de longitud obteniéndose una penetración máxima de 5.6 mm. En cuanto a la relación entre el OPD introducido y la frecuencia central de la resonancia de RF correspondiente, volvemos a observar una relación lineal con una pendiente de 0.218 mm/GHz. Al evitarse de forma inherente el CSE en esta estructura, no se observan puntos problemáticos en lo que se refiere al rango de operación por lo que se podría aumentar la longitud del carrete de fibra SSMF-28 para aumentar así la penetración máxima del sistema.
De esta forma, se ha demostrado que la estructura MWP-LCI avanzada (I) es capaz de superar las dos limitaciones que poseía la estructura MWP-LCI típica: se evita el CSE de manera inherente gracias a la nueva ubicación de la etapa de modulación y se elimina el término de DC a través del uso de la fotodetección balanceada.