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Modeling and experimental electro-optic response of dielectric lithium niobate waveguides used as electric field sensors

CELSO GUTIERREZ MARTINEZ Joel Santos Aguilar RAUL OCHOA VALIENTE MISAEL SANTIAGO BERNAL ADOLFO MORALES DIAZ (2011)

In this paper, the static optical transfer function of dielectric lithium niobate (LiNbO₃) electro-optic sensors is modeled and experimentally measured. This function represents the transmitted optical power at the output of an optical waveguide in a LiNbO₃ crystal which acts as an electric field sensor. The sensor is electrode-less and operates as a dielectric probe. Under such a condition, the electric field is present in the dielectric media surrounding the waveguide and the measured field intensity is determined by the boundary condition between the media and the LiNbO₃ crystal. The electro-optic transfer function is theoretically modeled and experimentally measured. Such a transfer function shows a sinusoidal shape, from which the half-wave electric field, the optical extinction ratio and the linear and nonlinear regions can be determined. LiNbO₃ electric field sensors are inherently wide band, and a sensing scheme is tested, showing a high-linearity sensing detection of high-intensity and wide-band electric fields.

Article

LiNbO₃ crystals Electro-optic sensors Polarization interferometers Static optical function transfer Electric field sensing CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA ÓPTICA

Reconfiguring the frequency response of dispersive-channel radio over fiber systems by using fiber photonic filters: application to transmission of multiplexed microwave subcarriers

CELSO GUTIERREZ MARTINEZ Joel Santos Aguilar MISAEL SANTIAGO BERNAL ADOLFO MORALES DIAZ JOSE ALFREDO TORRES FORTIZ JACOBO MEZA PEREZ (2012)

Radio over fiber schemes using multimode lasers and dispersive optical channel show a periodic band-pass microwave frequency response. Such a response can be used for implementing photonic microwave filters or for multiplexing modulated microwave subcarriers. The reconfiguration of the frequency response using optical retarders acting as photonic filters is demonstrated in this article. The multiplexed transmission of two data-modulated microwave subcarriers on two adjacent transmission windows is also described. ©VC 2012 Wiley Periodicals, Inc. Microwave Opt Technol Lett 54:1869–1874, 2012; View this article online at wileyonlinelibrary.com. DOI 10.1002/mop.26972

Article

Multimode lasers Fiber optics dispersion Photonic filters Optical delays Radio over fiber Microwaves Electro-optic modulators CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA ÓPTICA

Desarrollo de dispositivos fotónicos optofluídicos

JOSE GABRIEL AGUILAR SOTO (2011)

En esta tesis se han desarrollado dispositivos optofluídicos basados en el efecto de

interferencia multimodal, de manera que su respuesta óptica puede modificarse

mediante el intercambio de líquidos con diferente índice de refracción.

Doctoral thesis

Fibre optic sensors Wave guides Fluids Reflactive index CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Diseñoo, fabricación y utilización de antenas en sistemas de comunicación híbridos fibra-radio operando en el rango de las frecuencias de microondas

ANTONIO BAYLON FUENTES (2011)

Hoy en día, las comunicaciones ópticas han tenido un crecimiento dramático y sus

aplicaciones son cada vez más amplias en las redes de acceso de datos. Esto debido a

que los sistemas de comunicación por fibra óptica presentan bajas pérdidas, un incremento considerable en la capacidad del ancho de banda, inmunidad electromagnética, etc., en relación con los sistemas de comunicación convencionales. Actualmente, los sistemas

de comunicación ópticos tienen aplicaciones en sistemas RoF (Radio over Fiber,

radio sobre fibra) o HFR (Hybrid Fiber-radio, híbridos fibra-radio), los cuales permiten

reducir costos y tener acceso a zonas donde no es posible llegar por medio de fibra o

cables.

Este trabajo se sitúa en el área de investigación de las comunicaciones ópticas,

en particular en sistemas híbridos con técnicas de transmisión fibra-radio. El objetivo

principal es diseñar y fabricar antenas de microcinta operando a una frecuencia de resonancia

de 2.8 GHz, y posteriormente utilizarlas en un sistema a fibra óptica empleando

modulación externa, con el cual se transmite y recibe video analógico. Se presenta el

estado del arte de las técnicas de transmisión fibra-radio. Posteriormente, se presenta un

estudio de los dispositivos ópticos y electrónicos que constituyen un sistema de comunicación

por fibra óptica, y de forma particular, se analiza el principio matemático sobre

el cual se basa el funcionamiento del modulador de intensidad electro-óptico utilizado

en este trabajo. A continuación, se presenta la teoría que explica el funcionamiento de

una antena, su modelado, diseño y caracterización eléctrica. Después, se realiza la caracterización de los dispositivos utilizados, como son la fuente y el fotodetector óptico.

Finalmente, se presenta el montaje experimental donde se utilizan las antenas fabricadas

en un sistema de comunicación a fibra óptica, dando lugar a lo que se conoce como

un sistema híbrido fibra-radio.

Master thesis

Microstrip antennas Fibre optic sensors Systems of the communications CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA

Design and fabrication of photonic devices based on multimode interference

JOSE ENRIQUE ANTONIO LOPEZ (2012)

The actual tendency on microfabrication of device structures based on

optical fibers have yield to multiple interesting applications. This because them

rapid response and great capacity for data transmission. Such devices are

developed by using either a combination of single mode and multi-mode

fibers or by using them separately. On many occasions, it is necessary to

introduce some other materials in order to improve their performances and to

provide responses not accessible using just fibers. That is the case of the

devices presented in this Thesis, which are based on the multimode

interference effect arising in MMFs.

In the present work we have developed the following devices:

We present the design and implementation of a micro-displacement

sensor. The structure is composed by a piece of MMF spliced to another

segment of SMF. Then, another SMF is inserted into a capillary tube filled

with index matching liquid. Since the refractive index of the liquid is higher

than the one of the tube, a liquid multimode guide (diameter of 125 μm) is

induced between the inner fibers. As a result, when the fibers are separated

this effectively increases the length of the MMF. Since the peak wavelength

response of MMI devices is very sensitive when the MMF length is modified.

Two liquid level sensors were developed using two different MMF: a

standard 105/125 and a special MMF. The 105/125 MMF provides discrete

operation, while the special MMF provides both continuous and discrete liquid

level sensing. In both cases multiplexing is achieved by using different MMF

lengths in the MMI device, and the refractive index of the liquid can be also

measured. The use of the special fiber has the advantage that its sensing

range can be increased during continuous level sensing by using a longer

MMF which correspond to higher self-imaging orders.

A temperature sensor consisting of a MMF without cladding surrounded by

index matching liquid was showed. Since the liquid used has a higher thermooptic

coefficient than silica, when the sensor is heated the MMI spectral

response is significantly modified. We show also that by reducing the core

diameter of the MMF the sensitivity is further enhanced.

An optofluidically tunable bandpass filter for fiber laser applications is

demonstrated.

La tendencia actual en la fabricación de dispositivos basados en fibras ópticas conlleva a múltiples aplicaciones de estas debido a su rápida respuesta y a su gran capacidad de transmisión de datos. Tales dispositivos se elaboran combinando las múltiples características de las fibras, ya sea utilizando solo SMF o solo MMF, o haciendo una combinación de ambas fibras. Además, en algunos dispositivos se hace uso de otros materiales para lograr una mejor manipulación de ellos o para alcanzar resultados que no se podrían lograr utilizando solamente las fibras. Tal es el caso de los dispositivos elaborados en esta tesis, ellos son basados en el efecto de MMI. Por lo tanto, es necesario usar SMF y MMF para elaborar estructuras mono modo, multimodo y mono modo. Los dispositivos obtenidos son los siguientes: Fue diseñado un sensor de micro-desplazamiento donde un segmento de MMF empalmado con un segmento de SMF, y otra SMF son insertados dentro de un tubo capilar llena con un líquido de índice de acoplamiento. Ya que el índice de refracción del líquido es más grande que el del tubo, se forma una guía multimodal liquida (diámetro de 125 μm) entre ambas fibras dentro del tubo. Cuando las fibras son separadas, se incrementa la longitud de la MMF. Fueron elaborados dos sensores para nivel de líquidos usando para estos casos dos diferentes MMF; una estándar 105/125 y una especial MMF. La MMF 105/125 provee operación discreta, mientras que la MMF especial provee ambas, detección de nivel continúa y discreta. En ambos casos se puede lograr operación multiplexada usando diferentes longitudes de MMF en el dispositivo MMI, y el índice de refracción del líquido puede también ser medido. El uso de la fibra especial tiene la ventaja de que su rango acción puede ser incrementado durante la detección continua usando una MMF más larga que corresponde a altos ordenes de autoimágenes. Un sensor de temperatura que consiste de una MMF sin revestimiento rodeado por un líquido de índice de acoplamiento fue demostrado. Ya que el líquido usado tiene un coeficiente termo-óptico más alto que la sílice, cuando el sensor es calentado, la respuesta espectral del MMI se modifica significativamente. Demostramos también que reduciendo el diámetro del núcleo de la MMF la sensibilidad es aún mayor.

Doctoral thesis

Laser tuning Fiber lasers Fibre optic sensors Multimode interference CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Investigación de rejillas dinámicas en fibras ópticas dopadas con erbio

MARCOS ANTONIO PLATA SANCHEZ (2007)

Original results on investigation of Two-Wave Mixing (TWM) via dynamic Bragg

reflectance gratings recorded in Er-doped single-mode optical fibers with saturable

optical absorption/gain are reported. Experiments were performed in all-fiber

interferometer with Sagnac configuration at the wavelength 1549 nm using fibers

obtained from different providers and of different physical length.

With the purpose of initial evaluations of not saturated optical density,

birefringence, contact losses, and saturation power, the fiber samples were characterized

using conventional optical spectroscopy, wavelength scanning, nonlinear optical

transmission, and fluorescence based techniques. Both the stationary TWM and transient

TWM with rectangular and sinusoidal phase modulation of one recording beam, indicate

effective formation of an amplitude, not shifted type grating with the amplitude ≈ 8±0.5

times inferior to the theoretical estimate based on evaluation of the fiber optical density

and saturation power. Experiments on TWM in birefringent fibers with parallel

polarizations of the recording waves excluded polarization mismatch as a possible

reason of the TWM efficiency reduction and showed possibility of the grating recording

by waves of orthogonal polarizations.

Transient TWM signals observed in fibers with optical pumping at 980 nm, were

found to be of the inverted sign, with much shorter formation time and with relative

amplitude approximately two times lower than in case of recording using saturable

absorption.

Preliminary results in configuration of linear interferometer suitable for adaptive

detection of mechanical vibrations indicate significant increase of the TWM signal

amplitude as compared with symmetric recording in Sagnac configuration.

En este trabajo se reportan resultados originales sobre la investigación del Mezclado de

Dos Ondas (MDO) por las rejillas de reflexión de Bragg dinámicas, grabadas en fibras

ópticas monomodo dopadas con erbio con absorción/ganancia óptica saturable. Los

experimentos fueron llevados a cabo en un interferómetro constituido por elementos de

fibra óptica con configuración de Sagnac a la longitud de onda de 1549 nm, usando

fibras de diferentes proveedores y de diferente longitud física.

Las muestras de fibra óptica fueron caracterizadas usando técnicas de

espectroscopia óptica convencional, barrido de longitud de onda, transmisión óptica no

lineal y de fluorescencia, con el propósito de realizar evaluaciones iniciales de densidad

óptica no saturada, birrefringencia, pérdidas por contactos y potencia de saturación.

Tanto el MDO estacionario como el MDO transitorio con modulación de fase

rectangular y sinusoidal, indican la formación efectiva de una rejilla de amplitud no

desplazada con eficiencia de ≈8±0.5 veces inferior a la estimación teórica basada en

evaluaciones de densidad óptica y potencia de saturación de la fibra óptica. En fibras

birrefringentes, se realizaron experimentos de MDO usando ondas de grabado con

polarizaciones paralelas, los resultados excluyen la diferencia de polarización (entre las

ondas) como una posible razón de la reducción en la eficiencia del MDO y muestran la

posibilidad de grabación de rejillas con ondas contra propagándose con polarizaciones

ortogonales.

Se encontraron señales transitorias de MDO para fibras bombeadas ópticamente

con 980 nm, con el signo invertido, con tiempo de formación mucho más corto y con la

amplitud relativa aproximadamente dos veces más baja que en el caso de grabación

usando absorción saturable.

Resultados preliminares en configuración de interferómetro lineal apropiado para

detección adaptativa de vibraciones mecánicas, indican un incremento significativo en la

amplitud de la señal relativa de MDO, comparándola con la encontrada en la

configuración simétrica de Sagnac.

Doctoral thesis

Bragg gratings Optical fibres Fibre optic sensors CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA FIBRAS ÓPTICAS

Photonic devices based on specialty fibers

DANIEL LOPEZ CORTES (2012)

The photonics technology is arising and making great strides. The expectation is that photonic devices will partially replace existing semiconductor devices. The remarkable characteristics of photonic devices create an additional dimension like enlarged bandwidth, energy saving and larger communication distances. Moreover, photonic devices are less sensitive to interference and have unique physical characteristics. And recently, the manufacturing of photonic devices in fibers with special geometries and properties, open a wide variety of applications.

In this thesis we use specialty optical fibers (SOF), also called micro structured optical fibers (MOF), to manufacture an all-fiber photonic device based on the electro-optical Kerr effect. The combination of microfluidics and the techniques to provide internal electrodes inside the fiber were employed to manufacture a Kerr cell into a fiber, where the whole device is completely spliced. The active element is a three-hole fiber with internal electrodes in the side-holes and a liquid core of nitrobenzene, which is fully enclosed. In this way we can exploit electrically driven liquid-core fibers and demonstrate the removal of the major limitations of Kerr cells in the past, allowing for complete in-line fiber integration, safe use, and relatively low switching voltage.

Complementary a temperature sensor was developed using the multimode interference (MMI) effect in multimode fiber (MMF). In this case the key component is a special MMF without core (No-Core fiber) spliced to a single mode fiber (SMF) to form the MMI device. For this application the MMI device is placed in a glass tube filled partially with ethylene-glycol. As the temperature increases the level of the glycol is increased, and since the fiber does not have a clad, the liquid around the fiber will modify the MMI spectral response. Using this approach a sensitivity of 0.4421 nm/°C is achieved, and the sensor allows for great flexibility regarding sensitivity and temperature range.

La tecnología fotónica está emergiendo y creciendo a pasos agigantados. En un futuro no muy lejano se espera que los dispositivos fotónicos sustituyan gran parte de los dispositivos semiconductores que se usan hoy en día. Se han creado nuevas expectativas con las magníficas características de los dispositivos fotónicos, como el amplio ancho de banda que poseen, el ahorro de energía y la capacidad para transmitir información a distancias muy largas. Además de que son menos sensitivos a la interferencia y tienen características físicas únicas. Y recientemente, la fabricación de dispositivos fotónicos en fibra óptica con propiedades y geometrías especiales, abren la posibilidad para una gran variedad de aplicaciones.

En el presente trabajo de tesis se usan fibras especiales, también llamadas fibras ópticas micro estructuradas (FOM), para fabricar un dispositivo fotónico completamente en fibra, basado en el efecto Kerr electo-óptico. El uso de micro fluidos junto con la técnica de inserción de electrodos dentro de la fibra misma, nos permitió la fabricación de una celda Kerr en la fibra óptica, donde todo el dispositivo está completamente empalmado. El elemento activo es una fibra con tres huecos, la cual contiene los electrodos en los huecos fuera de eje y un núcleo líquido con nitrobenceno, el cual está completamente encerrado dentro de la fibra. De esta forma se pueden explotar las características de una fibra con núcleo líquido manipulada eléctricamente y mostrar que es posible eliminar las limitaciones que se tenían en el pasado en la celda Kerr, permitiendo por completo la integración de ésta en fibra, con uso seguro y un bajo voltaje relativo.

Complementariamente un sensor de temperatura fue desarrollado usando el efecto de interferencia multimodal (MMI) en fibras multimodales (MMF). En este paso el componente principal es una fibra multimodo especial que no contiene núcleo, empalmada a una fibra monomodo para formar el dispositivo MMI. Para esta aplicación, El dispositivo MMI es colocado en un tubo de vidrio parcialmente lleno de etileno de glicol. Conforme la temperatura se va incrementando el nivel del glicol aumenta y debido a que la fibra no tiene revestimiento, el líquido alrededor de la fibra modificara la respuesta espectral del MMI. Usando esta aproximación, una sensibilidad de 0.4421 nm/°C es obtenida y el sensor permite una gran flexibilidad respecto a la sensibilidad y el rango de temperatura.

Doctoral thesis

Fibre optic sensors Optical fibers Optical switches CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

Investigación de solitones formados en el rompimiento de pulsos en fibras ópticas no lineales

BALDER ARTURO VILLAGOMEZ BERNABE (2013)

Este trabajo lleva a cabo un estudio numérico y analítico sobre la propagación de pulsos

dentro de una fibra óptica estándar (SiO2). Varios artículos sobre este tema han sido

publicados en distintas revistas de ámbito internacional [14-15], debido a la importancia

que tiene la fibra óptica en el área de las comunicaciones. El modelo usado para describir

los fenómenos físicos que afectan al pulso dentro de la fibra va aumentando su nivel de

complejidad desde considerar a los pulsos como solitones escalares hasta el estudio del

carácter vectorial de los solitones dentro de una fibra óptica con alta birrefringencia.

Doctoral thesis

Nonlinear equations Nonlinear optics Nonlinear programming Fibre optic sensors CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA

FIBER OPTIC FABRY-PEROT INTERFEROMETER FOR CONTACTLESS SENSING

Carlos Moreno-Hernández (2016)

"This dissertation proposes and demonstrates a contactless FFPI refractometer for solid and liquid samples; providing the necessary insight to understand the operation principle of an FFPI and how this interferometer was improved by replacing the lead-in fiber with an optimized diameter tapered-down fiber tip. This FFPI structure enhancement in parallel with a custom interrogation software routine allowed to increase considerably the extrinsic FFPI air cavity to 80mm, such cavity lengths can only be achieved using beam collimating lenses. The increased size of the cavity makes it possible to introduce inside it easy-to-handle transparent glass samples, of a couple of millimeters thick, to obtain its refractive index, geometrical thickness, and the distance to the lead-in fiber tip simultaneously and in real time.

The proposed method also worked for liquid samples, we were able to detect different water contents in ethanol achieving a limit detection level of 0.5%. This interferometric technique can be used to develop a simple method to detect biofuels adulteration due to the presence of water.

Se propone y demuestra un refractómetro sin contacto basado en el interferómetro Fabry-Perot en fibra (FFPI) para medir muestras sólidas y líquidas. El FFPI en paralelo con una rutina de software de interrogación a la medida permitió aumentar considerablemente la cavidad de aire del FFPI extrínseco hasta en 80 mm, tal longitud de cavidad sólo se había logrado utilizando una lente colimadora de haz. El incremento del tamaño de la cavidad hizo posible introducir muestras de vidrio transparentes, de un par de milímetros de grosor, para obtener su índice de refracción, espesor geométrico, y posición de la muestra a la punta de la fibra de forma simultánea y en tiempo real. Lo anterior permitió obtener el CTO y el CET de un bloque de PDMS, de un centímetro de espesor. Al medir muestras líquidas, se detectaron diferentes contenidos de agua disuelta en etanol, alcanzando un límite de detección del 0,5%."

Doctoral thesis

FIBER OPTIC SENSING, FIBER OPTIC SENSORS, FIBER FABRY-PEROT INTERFEROMETER, TAPERED FIBER TIPS CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA FIBRAS ÓPTICAS

Diseño de un circuito de calibración aplicado a sensores ISFET

ERICK GUERRERO RODRIGUEZ (2012)

Los humanos siempre han tratado de extender sus capacidades físicas para facilitar

la vida cotidiana. Lo han logrado con la invención de los motores y los sistemas de

comunicación, entre otros. Sin embargo, con el desarrollo de los sensores, la humanidad

ha encontrado la manera de extender, además, artificialmente los sentidos. Tal es el

caso, por ejemplo, de los sensores de temperatura, infrarrojos, de humedad, etc.

Un sensor es un dispositivo que transforma señales de diferentes dominios de

energía hacia el dominio eléctrico [1]. Las amplias aplicaciones que pueden encontrarse

para los sensores van desde el monitoreo ambiental y monitoreo en procesos

industriales hasta aplicaciones en la medicina, donde su uso facilita el diagnóstico

médico. Su aplicación junto con sistemas de mecanización e información, pretende

convertirse en la tercera revolución industrial, con la completa automatización o robotización [1].

El mercado actual de los sensores ha avanzado hacia los llamados sensores inteligentes,

es decir, sistemas de sensores integrados que contienen en un solo chip las funciones

de sensado, interfaz, procesamiento de señales e inteligencia (autodiagnóstico,

autoidentificación y autoadaptación). Para la realización de estos sistemas de sensores

inteligentes, la tecnología CMOS es la más adecuada, debido a la capacidad de

integración del sensor con su electrónica asociada. El esfuerzo en la realización de

sensores en tecnología estándar de Circuitos Integrados (CI) o compatibles con esta

tecnología no sólo ayudaría en la reducción de los costos para la producción en masa

del sensor, sino que también hará más fácil integrar las funciones deseadas en circuitos

electrónicos junto con el dispositivo [2].

Master thesis

ISFET Sensors Calibration CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA