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Detektion optischer Nichtlinearitäten in photonischen Komponenten unabhängig von den Laserparametern
Photonische Bauelemente wie Glasfasern, Multiplexer, Bragg-Gitter oder Modulatoren spielen in der digitalen Kommunikationstechnik eine zunehmend wichtige Rolle. Von besonderem metrologischen Interesse ist hier, neben der Bestimmung von linear-optischen Eigenschaften wie Dämpfung oder Brechungsindex-Dispersion, die Messung der optisch-nichtlinearen Parameter. In der Praxis können diese Nichtlinearitäten zu Zusatzrauschen und -dämpfung oder zu Kanalübersprechen führen und damit die Übertragungsfehlerrate empfindlich beeinflussen. In der PTB wurde ein höchstempfindliches Messverfahren zur genauen Bestimmung resonanter und nichtresonanter optischer Nichtlinearitäten entwickelt. Es basiert auf der kohärenten Vierwellenmischung von Femtosekunden-Lichtimpulsen mit Heterodyn-Detektion des Mischprodukts. Damit lassen sich beispielsweise die extrem kleinen Nichtlinearitäten von Hohlkern-photonischen-Bandlücken-Fasern bestimmen.
Die Besonderheit des von uns entwickelten REBUS [1] (referencing to bulk sample) besteht darin, dass die Nichtlinearität eines Wellenleiters direkt mit der einer Freistrahl-Pobe verglichen wird, ohne dass apparative Parameter wie z. B. Laserleistung, Impulsdauer, spektrale Breite oder Profil des Wellenleiters eingehen.
Der untersuchte Wellenleiter wird dazu mit zwei synchronisierten Femtosekundenimpulsen durchstrahlt, deren Trägerfrequenzen akusto-optisch gegeneinander verschoben wurden. Anschließend werden sie, zusammen mit den beiden Mischprodukten, die sie erzeugt haben, in die Referenz-Probe fokussiert. Dies geschieht mit einer achromatischen Anordnung aus zwei off-axis Parabolspiegeln OAP siehe Abb. 1. Die Dicke der Probe wird dabei idealerweise so gewählt, dass sie kürzer als der Fokalbereich (Rayleigh-Länge) ist. Da die Leistung des Mischprodukts proportional zur dritten Potenz der Anregungsintensität ist, lässt sich seine Nichtlinearität ein- und ausschalten in dem die Probe in Strahlrichtung zwischen der Fokal- bzw. einer entfernteren Position verschoben wird.
Abb. 1: Experimenteller Aufbau zur Messung optischer Nichtlinearitäten unabhängig von den Laserparametern (REBUS)
Dies wird in Abb. 2 demonstriert. Hier wurde die Vierwellen-Mischsignale aus einer 9,5 mm langen Standard-Telekomm-Faser (SMF28, grüne Kurve und Messpunkte) und einer 21 mm langen Hohlkernfaser (HC-1550-01, blaue Kurve und Messpunkte) mit dem aus einer 25 Mikrometer dicken Quarzglasplatte verglichen. Die durchgezogenen Linien zeigen den erwarteten theoretischen Verlauf für Gauss-Strahlen mit Taillendurchmessern von 10,4 Mikrometer (SMF28) und 13 Mikrometer (HC-1550-01).
Abb. 2: Vierwellenmischsignale aus einem 9.5 mm langem Stück SMF28 Standardfaser (grün) und einem 21 mm langen Stück HC-1550-01 Hohlkernfaser (blau) as Funktion der z-Position der 25 Mikrometer dicken Referenzprobe aus Quarzglas. Der Fokus liegt bei z=0.
Für die Berechnung der nichtlinearen Brechungsindizees, Tab. 1, werden, wie oben gesagt, lediglich einfach messbare Größen, nämlich die Probenlängen und die Reflektivität der Parabolspiegel, benötigt. Die Impulsparameter fallen dagegen bei der Berechnung heraus und somit auch ihre Fluktuationen. Man erkennt in Tab. 1 dass die Nichtlinearität der (luftgefüllten) Hohlkernfaser ca. 2000 mal kleiner ist als bei Quarzglas. Die Nichtlinearität der Standardfaser ist dagegen wegen der Ge-Dotierung des Kerns geringfügig größer als beim reinen Quarzglas.
Tab. 1: Nichtlinearitäten von SMF 28 and HC-1550-01 Fasern im Vergleich zu reinem Quarzglas.
Dieses Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG finanziert und erfolgt in Zusammenarbeit mit dem SFB 407.
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Literatur
[1] A. Sherman, E. Benkler, and H. R. Telle: "Small Third-order optical-nonlinearity detection free of laser paramters", Opt. Lett. 34, 49-51 (2009)
Erik Benkler© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2012-02-20, Webmaster Abteilung 4
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