Para comprender correctamente las implicaciones que las muestras de tipo multicapa, es importante analizar cómo se logra obtener una muestra multicapa en los sistemas MWP-LCI experimentales. Para ello, es necesario recordar que el patrón de interferencia generado en el acoplador óptico de salida del interferómetro implica la interacción del brazo superior (referencia) y del brazo inferior (muestra). Sin embargo, es posible desdoblar el brazo inferior en n sub-brazos siendo cada uno de ellos una capa de una muestra general, que al combinarse formen la contribución del brazo inferior (muestra). El método más sencillo de dividir y combinar las señales de los diferentes sub-brazos del brazo inferior del interferómetro es mediante el uso de un acoplador óptico 1xN a la entrada y un acoplador Nx1 a la salida. En este sentido, se muestra un ejemplo en la Figura 4.19. Como es sabido, el uso de este tipo de acopladores conlleva unas pérdidas intrínsecas que es necesario tener en cuenta cuando se obtenga la función de transferencia del sistema y así poder realizar una lectura correcta de las propiedades de cada una de las resonancias de RF generadas. De este modo, el modelo multicapa experimental puede definirse como:
1 2 n N n n jA
H
e
N
(4.3) donde N representa el número total de capas, 𝐴𝑛 es la reflectividad de cada una de lascapas individuales y 𝜏𝑛 es el retardo temporal asociado a cada una de las capas. El
resultado del cociente 𝐴𝑛⁄𝑁 se asocia con la reflectividad 𝐻𝑛 del apartado 3.4.
En cuanto a las estructuras MWP-LCI que se van a demostrar con muestras multicapa, se ha decidido incluir la estructura MWP-LCI avanzada (I) y la estructura MWP-LCI avanzada (II), ya que en ninguno de estos casos las funciones de transferencia obtenidas están afectadas por el CSE, permitiendo un análisis completo de sus características.
Por ello, se muestra en la Figura 4.19 la implementación experimental de la estructura MWP-LCI avanzada (I) combinada con una detección balanceada cuando se considera una muestra de dos capas, empleándose en este caso acopladores ópticos 50:50 en el brazo inferior.
Figura 4.19. Implementación experimental de la estructura MWP-LCI avanzada (I), detección balanceada y muestra de 2 capas.
Fuente ASE PD1 OCC Acoplador 50:50 VDL 1 Atenuador ( , ) SSMF-28 MOD VNA Entrada RF (Ω) Salida RF (Ω) PD2 - VDL 2 PC 2 PC 1 Acoplador 50:50 Acoplador 50:50 Acoplador 50:50
Como es posible observar, el sistema experimental es similar al propuesto en la Figura 4.12. Sin embargo, el brazo inferior del interferómetro se ha desdoblado para permitir la simulación de una muestra de 2 capas. En cada uno de estos sub-brazos se cuenta con un controlador de polarización (PC) y una línea de retardo (VDL), para mejorar el patrón de interferencia y controlar el retardo introducido por cada capa, respectivamente. Es importante remarcar que cualquier modificación del interferómetro requiere de un nuevo ajuste de los retardos asociados a los elementos que componen cada uno de estos brazos, para que los retardos temporales se generen únicamente controlando los VDLs. En el brazo superior se continúa contando con un atenuador variable para generar la interferencia en condiciones óptimas.
A continuación, se procede a evaluar experimentalmente la estructura MWP-LCI vista en la Figura 4.19. Para la medida de la función de transferencia se considera un perfil óptico uniforme de 8.8 nm, una modulación AM-DSB con el modulador en el punto Q y un carrete de fibra SSMF-28 de 10 km como elemento dispersivo, con
dispersiones de 𝜑2= −222 ps2 y 𝜑3= 1.23 ps3. Como muestra, se configuran dos
VDLs para introducir un OPD1 de 2.1 mm y un OPD2 de 3.2 mm. En primer lugar, se muestra en la Figura 4.20(a) la función de transferencia empleando una detección simple, es decir, cuando sólo se mide uno de los puertos del detector balanceado, mientras que en la Figura 4.20(b) se considera una detección balanceada [119].
Figura 4.20. 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 emplea (a) una fotodetección simple y (b) una fotodetección balanceada. La muestra está compuesta de 2 capas de OPDs 2.1 mm (𝛺1) y 3.2 mm (𝛺2).
Podemos observar en la Figura 4.20(a) como se genera en la función de transferencia capturada un término de DC (inherente en esta estructura) y dos
resonancias de RF en las posiciones 10 GHz (Ω1) y 15 GHz (Ω2). Además, como
consecuencia de las dos capas presentes en la muestra, se genera una auto-reflexión localizada alrededor de 5 GHz, posición que se obtiene como diferencia de las frecuencias centrales de las dos resonancias de RF que la originan (Ω2− Ω1).
(a) (b)
1
2 2 1
Consecuentemente, el OPD que genera dicha auto-reflexión también se puede obtener como la diferencia de los OPDs que la generan (OPD2−OPD1). En lo que se refiere a las amplitudes de las resonancias de RF originales, es decir, de la capa 1 (Ω1) y de la capa 2 (Ω2), hay que tener en cuenta que la contribución LCI se sitúa
típicamente 6 dB por debajo del término de DC. Sin embargo, tal como se muestra en la Ec. (4.3), existen además unas pérdidas adicionales en el sistema experimental por la introducción de los acopladores ópticos 50:50. En concreto, para una muestra de 2 capas, se obtienen unas pérdidas adicionales de 3 dB, por lo que la amplitud de las resonancias de RF se sitúa en los 9 dB, aproximadamente. En cuanto a la amplitud del término de auto-reflexión, ésta depende del valor de reflectividad de las dos capas que lo generan, como se puede ver en la Ec. (3.76) en el factor 𝐻𝑛𝐻𝑚∗. Al considerarse
experimentalmente dos VDLs para la generación de las dos capas de esta muestra, la reflectividad en ambos brazos es la misma, por lo que el término de auto-reflexión también posee una amplitud que se sitúa alrededor de un valor de 9 dB por debajo del término de DC. Si a continuación nos fijamos en la Figura 4.20(b), donde se emplea una detección balanceada, se puede apreciar cómo de nuevo se generan dos resonancias de RF en 10 GHz (Ω1) y 15 GHz (Ω2). Sin embargo, gracias a la
eliminación de la contribución BB, es posible observar como no están presentes ni el
término de DC ni el término de auto-reflexión (Ω2− Ω1). De este modo, únicamente
se aprecia la contribución LCI, obteniéndose una función de transferencia libre de efectos limitantes, como era de esperar a partir de la Ec. (3.77).
A continuación, se va a analizar experimentalmente la estructura MWP-LCI avanzada (II) cuando se considera una muestra multicapa. Se muestra en la Figura 4.21 el esquema experimental considerado [122, 123].
Figura 4.21. Implementación experimental de la estructura MWP-LCI avanzada (II) y muestra de 2 capas.
En este caso, respecto a la estructura vista en la Figura 4.15, se observa el desdoblamiento del brazo inferior en dos sub-brazos, cuyas entradas y salidas se encuentran conectados a unos acopladores ópticos 50:50. En el brazo superior del interferómetro se mantiene el modulador y un atenuador óptico.
En la Figura 4.22 se muestran las funciones de transferencias obtenidas cuando se emplea dicha estructura MWP-LCI con una modulación AM-DSB (Figura 4.22(a))
Acoplador 50:50 Fuente ASE PD OCC Acoplador 50:50 Atenuador ( , ) SSMF-28 MOD VNA Entrada RF (Ω) Salida RF (Ω) Acoplador 50:50 VDL 1 VDL 2 PC 2 Acoplador 50:50 PC 1
y AM-DSBSC (Figura 4.22(b)). Para la caracterización experimental se ha considerado un perfil óptico uniforme de 8.8 nm, un carrete de fibra SSMF-28 de 20
km con 𝜑2= −449 ps2 y 𝜑3= 2.51 ps3 y una muestra de 2 capas con OPDs de 4.2
y 6.3 mm.
Figura 4.22. Resultados experimentales (línea negra) y teóricos (línea azul) de la función de transferencia resultante de la estructura MWP-LCI avanzada (II) modulación (a) AM-DSB y (b) AM-DSBSC. La muestra introducida está compuesta de 2 capas de OPDs 4.2 mm (𝛺1) y 6.3 mm (𝛺2).
En primer lugar, si nos centramos en la Figura 4.22(a), vemos cómo se han
generado dos resonancias de RF en las frecuencias eléctricas 10 GHz (Ω1) y 15 GHz
(Ω2), además de un término de DC en el origen. Por tanto, no observamos en este
caso ninguna resonancia de RF generada como término de auto-reflexión por la interacción entre la capa 1 y la capa 2. Este hecho, como se desarrolla en el apartado 3.4, es inherente de la estructura MWP-LCI avanzada (II), ya que la contribución BB (origen del término de auto-reflexión) es diferente al visto en las otras estructuras propuestas. Seguidamente, si se aplica una modulación AM-DSBSC podemos apreciar en los resultados de la Figura 4.22(b) que se elimina el término de DC, se mantienen las propiedades de las dos resonancias de RF generadas y de nuevo no se observa ningún término de auto-reflexión.
Por tanto, a la vista de los resultados obtenidos, se puede concluir que la estructura MWP-LCI avanzada (II) supone una excelente opción para la medida de muestras multicapa, ya que sus propiedades permiten disponer de todo el rango de operación deseado libre de efectos limitantes.