Untersuchung der Eigenschaften der gesättigten stimulierten Brillouin-Streuung und ihrer Anwendungsmöglichkeiten

Investigation of the properties and applications of the saturated stimulated Brillouin scattering

  • Es ist wohl gerade die Einfachheit seiner Erzeugung, welche den nichtlinearen optischen Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung so interessant für viele Anwendungen in der optischen Signalverarbeitung, der Fasersensorik, der hochauflösenden Spektroskopie und auch der Signalverzögerung und -speicherung macht. Die geringe Verstärkungsbandbreite kann zur selektiven Filterung oder Abtastung optischer Signale eingesetzt werden, was die Grundlage der optischen Spektroskopie aber auch der Lichtspeicherung ist. Darüber hinaus werden Signale innerhalb dieser Bandbreite nicht nur verstärkt, sondern auch abhängig vom Gewinn bzw. der eingestellten Pumpleistung verzögert. Diese Eigenschaft ist die Grundlage der sogenannten Slow-Light-Systeme. Damit kann mit einem Brillouin-Verstärker ein durchstimmbarer optischer Kurzzeitpuffer realisiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe gezielt gesättigter Brillouin-Verstärker grundlegende Beschränkungen des Brillouin-basierten Slow-Light und der Brillouin-basierten optischen FilterungEs ist wohl gerade die Einfachheit seiner Erzeugung, welche den nichtlinearen optischen Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung so interessant für viele Anwendungen in der optischen Signalverarbeitung, der Fasersensorik, der hochauflösenden Spektroskopie und auch der Signalverzögerung und -speicherung macht. Die geringe Verstärkungsbandbreite kann zur selektiven Filterung oder Abtastung optischer Signale eingesetzt werden, was die Grundlage der optischen Spektroskopie aber auch der Lichtspeicherung ist. Darüber hinaus werden Signale innerhalb dieser Bandbreite nicht nur verstärkt, sondern auch abhängig vom Gewinn bzw. der eingestellten Pumpleistung verzögert. Diese Eigenschaft ist die Grundlage der sogenannten Slow-Light-Systeme. Damit kann mit einem Brillouin-Verstärker ein durchstimmbarer optischer Kurzzeitpuffer realisiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe gezielt gesättigter Brillouin-Verstärker grundlegende Beschränkungen des Brillouin-basierten Slow-Light und der Brillouin-basierten optischen Filterung aufgehoben, was mit den herkömmlichen linearen Ansätzen nicht möglich ist. Der Vorteil der Sättigung des Brillouin-Verstärkers ist, dass sie nur zu einer vorhersagbaren Begrenzung des Amplitudenspektrums aber nicht zur Entstehung neuer Signalfrequenzen führt. Die spektrale Begrenzung des verstärkten Signals und ein nichtlinearer Verlauf der Gruppenlaufzeit im spektralen Randbereich des Brillouin-Verstärkers führen zu einer zeitlichen Verbreiterung der verzögerten Lichtpulse. Diese Verbreiterung ist insofern problematisch, dass sie die Unterscheidbarkeit der verschiedenen Signalpegel für logische Einsen und Nullen signifikant verschlechtert. Mit Hilfe des vorgestellten gesättigten Systems erfolgt eine gezielte Rückformung der verzögerten Pulse, was erstmalig zu einer verbreiterungsfreien und damit auch verlustarmen Pulsspeicherung führt. Darüber hinaus kann auf Basis der Nachbildung der gesättigten Filtercharakteristik mit einem linearen Brillouin-Verstärker ebenfalls eine verbreiterungsfreie Pulsverzögerung nachgewiesen werden. Ein optischer Speicher kann aber auch durch Unterabtastung eines Signalspektrums mit einem Brillouin-basierten Kammfilter realisiert werden. Die maximale Speicherzeit ist dabei durch die natürliche Brillouin Gewinnbandbreite begrenzt. Dieser Wert ist abhängig von der Pump- und Signalleistung, der Umgebungstemperatur, von mechanischem Stress und vom Fasermaterial. Unter Ausnutzung der Sättigungseigenschaften des Brillouin-Gewinns lässt sich die Gewinnbandbreite durch Überlagerung einer sättigenden Spektralblende nahezu beliebig verkleinern. In dieser Arbeit wird auf Basis dieser Methode eine Bandbreitenreduktion des Brillouin-Filters um etwa eine Größenordnung nachgewiesen, wobei das Potential zur Verringerung um mehrere Größenordnungen besteht.show moreshow less
  • It is probably the simplicity of its generation, which makes the nonlinear optical effect of stimulated Brillouin scattering that interesting for a lot of applications, such as optical signal processing, fiber sensorics, high-resolution optical spectroscopy, optical buffering and storage. Its small amplification bandwidth can be used for selective filtering or sampling of optical signals, which is the basis of optical spectroscopy and light storage as well. Furthermore, inside this bandwidth signals are not just amplified. They are delayed as well, depending on the gain and the pump power, respectively. This attribute is the foundation of the so-called slow-light systems. Therefore, a Brillouin amplifier can also be used used to implement a tunable optical short-time buffer. In this thesis it is shown that the saturation of the Brillouin amplifier can be applied to Brillouin based slow-light and Brillouin based optical filtering to remove their inherent limitations, which is impossible to do with the Brillouin amplifier working in theIt is probably the simplicity of its generation, which makes the nonlinear optical effect of stimulated Brillouin scattering that interesting for a lot of applications, such as optical signal processing, fiber sensorics, high-resolution optical spectroscopy, optical buffering and storage. Its small amplification bandwidth can be used for selective filtering or sampling of optical signals, which is the basis of optical spectroscopy and light storage as well. Furthermore, inside this bandwidth signals are not just amplified. They are delayed as well, depending on the gain and the pump power, respectively. This attribute is the foundation of the so-called slow-light systems. Therefore, a Brillouin amplifier can also be used used to implement a tunable optical short-time buffer. In this thesis it is shown that the saturation of the Brillouin amplifier can be applied to Brillouin based slow-light and Brillouin based optical filtering to remove their inherent limitations, which is impossible to do with the Brillouin amplifier working in the linear regime. The advantage of the saturation of a Brillouin amplifier is that it leads to a predictable limitation of the amplitude spectrum of the amplified signal, but not to the generation of new signal frequencies. The spectral narrowing of the amplified Signal and the nonlinear group delay at the spectral edges of the Brillouin amplifier cause a distortion of the delayed light pulses, which is primarily expressed in a temporal broadening of the pulse. Since it impairs the distinctiveness of the different signal levels for logical ones and zeros, this broadening is critically to the application of the method. With the help of the proposed saturated system the optical pulse is reshaped to its initial values. For the first time, this leads to a zero-broadening optical buffering of the pulses. Furthermore, it is shown that the reshaping method and its filtering characteristics can be reproduced by a Brillouin amplifier operating in the linear regime to achieve zero-broadening optical pulse delay as well. Optical storage can also be realized by subsampling the signal spectrum with a Brillouin based comb filter. The maximum storage time there is limited by the natural Brillouin gain bandwidth. This value depends on the pump and signal power, the temperature of the environment, mechanical strain and the fiber material. The superposition of a saturating frequency domain aperture to the signal of interest can be used to reduce the Brillouin gain bandwidth to almost any value. The Brillouin gain is supposed to be saturated in the spectral region of the aperture and it is not affected inside the aperture's gap. Based on this method, a bandwidth reduction of approximately one order of magnitude is proven experimentally. But, there could be a theoretical potential to reduce the gain bandwidth by several orders of magnitude.show moreshow less

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Metadaten
Author: Andrzej Wiatrek
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29577
Referee / Advisor:Prof. Dr. Jürgen Reif
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2013
Date of final exam:2013/12/13
Release Date:2014/01/15
Tag:Nichtlineare Optik; Slow-Light; Stimulierte Brillouin-Streuung
Nonlinear optics; Slow light; Stimulated Brillouin scattering
GND Keyword:Brillouin-Streuung; Nichtlineare Optik
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften