¿Qué es la dispersión de Brillouin por fibra óptica?

La dispersión de Brillouin es un efecto causado por el χ (3) No linealidad del medio, especialmente la parte no lineal asociada con los fonones. Los fotones incidentes se pueden convertir en fotones dispersos de menor energía (por lo general, se propaga en la dirección inversa) y fonones. El acoplamiento del campo óptico y el fonón se produce mediante electroconstricción. El campo de fonones puede emerger espontáneamente incluso a baja potencia óptica y luego reflejar el calor generado. Para focos ópticos más altos, Puede producirse un efecto de estimulación en el que el campo de luz aumenta significativamente el número de fonones. Por encima de cierto umbral de potencia del haz en el medio, La dispersión de Brillouin estimulada puede reflejar la mayor parte de la potencia del haz incidente. Este proceso implica una fuerte ganancia óptica no lineal de la onda reflejada hacia atrás: La onda que inicialmente se propaga débilmente hacia atrás puede amplificarse fuertemente a una frecuencia óptica apropiada. Aquí, Las dos ondas que se propagan hacia atrás producen una rejilla de índice de refracción que viaja; cuanto mayor sea la potencia reflejada, cuanto más fuerte sea la rejilla del índice de refracción y mayor sea la reflectividad efectiva.

La frecuencia del haz reflejado es ligeramente inferior a la frecuencia del haz incidente; La diferencia de frecuencia ν 乙 corresponde a la frecuencia del fonón emitido. El llamado desplazamiento de frecuencia de Brillouin se establece mediante el requisito de adaptación de fase. Para la dispersión inversa pura de Brillouin, el desplazamiento de Brillouin se puede calcular a partir del índice de refracción n, la velocidad del sonido v a y la longitud de onda del vacío λ

(Para la dispersión de Brillouin en fibras, Se debe utilizar el índice de refracción efectivo.)

En fibras ópticas, La dispersión de Brillouin ocurre esencialmente solo en la dirección inversa. Sin embargo, la dispersión delantera de Brillouin también puede ser débil debido a las guías de onda acústicas.

El cambio de frecuencia de Brillouin depende de la composición del material y, hasta cierto punto, de la temperatura y la presión del medio. This dependence is used for Fibra óptica sensors.

Otra aplicación importante de la dispersión excitada de Brillouin es la conjugación de fase óptica. Por ejemplo, existen espejos conjugados en fase para láseres Q-switched de alta potencia, que permiten compensar las aberraciones térmicas que se producen en las direcciones de avance y retroceso en el cristal láser.

Dispersión de Brillouin en fibras ópticas

Dispersión estimulada de Brillouin (SBS) se encuentra a menudo cuando las señales ópticas de banda estrecha (p. ej.., de láseres de frecuencia única) se amplifican en amplificadores de fibra o se propagan solo a través de fibras pasivas. A pesar de que la no linealidad material de, p. ej.., La sílice no es realmente muy alta, La zona de modo efectivo típicamente más pequeña y la longitud de propagación más larga contribuyen en gran medida al efecto no lineal.

Figura 1 muestra lo que sucede cuando se inyecta una onda de luz monocromática en un 10 Fibra de m de largo. La onda desplazada de Brillouin que se propaga en sentido contrario a la propagación comienza con un aumento cuántico con una potencia óptica muy baja, pero crece rápidamente. No obstante, Todavía es mucho menos que 1 W de potencia de entrada.

Figura 1: Potencia de la bomba (Propagación de izquierda a derecha, Curva roja) y obtuvo la potencia de señal de Brillouin (De derecha a izquierda, Curva naranja) En un 10 Fibra de m de largo. La potencia de entrada de la bomba es 1 W.

Para un ligero aumento de la potencia de la bomba de 1.8 W, la ganancia de Brillouin (en dB) casi se duplica y la ola de Brillouin se hace más fuerte.

Figura 2: Igual que la figura 1, pero con 1.8 Potencia de la bomba W.

 

Con el fin de aumentar aún más la potencia de la bomba, la potencia de la onda de Brillouin será comparable a la potencia de la bomba. En este caso, Se produce una gran cantidad de agotamiento de la bomba. Para altas ganancias de SBS, Esto no conduce a una situación estable, sino a fluctuaciones caóticas en el poder.

Si la fibra tiene varios kilómetros de largo, la potencia de milivatios es suficiente para causar una dispersión significativa de Brillouin. Sin embargo, A continuación, hay que tener en cuenta las pérdidas de propagación, que son sustanciales para tales longitudes de fibra. Afecta tanto a la onda de bombeo como a la onda de Brillouin.

Para fibras de cuarzo, el cambio de frecuencia de Brillouin se trata de 10-20 GHz y la anchura de banda intrínseca de la ganancia de Brillouin es normalmente 50-100 MHz, dependiendo de la fuerte absorción acústica (corta vida útil de los fonones de aproximadamente 10) NS). Sin embargo, el espectro de ganancia de Brillouin puede estar "manchado" debido a varios efectos, tales como las variaciones laterales de la velocidad de la fase acústica [14, 19] o variaciones longitudinales de temperatura. Como resultado, La ganancia máxima puede reducirse significativamente, lo que conduce a un umbral de SBS más alto.

El umbral de fibra de Brillouin para la luz de onda continua de banda estrecha corresponde normalmente a una ganancia de Brillouin del orden de 90 Db. (Con ganancia láser adicional en una fibra activa, El umbral puede ser aún más bajo.) Para una serie de pulsos ultracortos, el umbral SBS no está determinado por la potencia de cresta, sino por la densidad espectral de potencia, como se describe en el artículo de Spotlight.

SBS introduce los límites de potencia más estrictos para la amplificación y propagación pasiva de señales ópticas de banda estrecha en fibras ópticas. Para aumentar el umbral de Brillouin, se puede aumentar el ancho de banda de la luz más allá del ancho de banda de ganancia de Brillouin, Reducir la longitud de la fibra, conectar fibras con desplazamientos de Brillouin ligeramente diferentes, o (en dispositivos de fibra óptica activa de alta potencia) Utilice temperaturas variables longitudinalmente [21]. También se ha intentado reducir la superposición de la luz guiada y las ondas acústicas, o para introducir una pérdida significativa de propagación de las ondas acústicas. Problemas de SBS, como la concentración de dopaje, El área de modo efectivo y la dirección de propagación de la bomba se pueden reducir hasta cierto punto mediante modificaciones básicas en el diseño del amplificador.

Por otro lado, La ganancia de Brillouin se puede utilizar para operar los láseres de fibra de Brillouin . Dichos dispositivos generalmente se fabrican como láseres de anillo de fibra. Pueden tener umbrales de bombeo relativamente bajos y anchos de línea muy pequeños debido a las bajas pérdidas del resonador.

La dependencia de la temperatura del cambio de Brillouin se puede utilizar para la detección de temperatura y presión.

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