31.12.2007
Die Übertragung hoher Laserleistung oder rauscharmer Signale über Glasfasern wird durch inelastische Lichtstreuung an Schallwellen, der sogenannte Brillouin-Streuung, negativ beeinträchtigt. Dies führt zu unerwünschten Rausch- und Rückstreueffekten. Sie lassen sich in neuartigen Fasern, den sogenannten photonic band gap Fasern mit Hohlkern (HC-PBGFs), weitgehend vermeiden. Über das Brillouin-Spektrum derartiger Fasern ist bisher wenig bekannt.
Deshalb wurde vom Fachbereich "Optische Technologien" im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Drittmittelprojekts (SFB 407) ein neuartiges Messverfahren entwickelt mit dem erstmals auch extrem kleine Brillouin-Streuspektren gemessen werden können. Dabei werden zwei 1,5 m DFB Laserdioden verwendet, die mit zwei verschiedenen Frequenzen frequenzmoduliert werden. Ihre Ausgangsstrahlen werden gegenläufig in die Testfaser eingekoppelt. Bei bestimmten Frequenzabständen im Mikrowellenbereich, die charakteristisch für die Brillouinstreuung sind, wird das niederfrequente der beiden Signale (Stokes-Signal) mit der Differenzfrequenz der beiden Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert, d. h. periodisch verstärkt. Das höherfrequente Signal (Pumpe) wird entsprechend periodisch abgeschwächt. Diese Modulationen werden phasensynchron demoduliert und als Funktion der Brillouin-Verschiebung aufgetragen.
Abb. 1: Two-tone FM Brillouin Spektrum einer Hohlkernfaser
Abb. 1 zeigt das Spektrum einer 3 m langen HC-PBG-Faser (BlazePhotonics HC-1550-02). Man erkennt Linien bei 7,4 GHz, 7,51 GHz, 7,58 GHz und 7,8 GHz. Die Form einer Einzellinie zeigt ein zentrales Extremum, begleitet von zwei Extrema mit umgekehrten Vorzeichen. Sie entspricht etwa der zweiten Ableitung des Streuquerschnittes, wie es für die hier verwendete TTFM (two-tone-FM) Spektroskopie erwartet wird. Die Stärke der Linien in Abb. 1 ist 4 bis 5 Größenordnungen kleiner als das Spektrum einer Standard-Faser, das im Mikrowellenbereich lediglich aus einer Einzellinie bei 11 GHz besteht. Die Frequenzverschiebung von ca 11 GHz nach ca 7,7 GHz (d. h. ihr Verhältnis von ca. 1,45) kann qualitativ durch die unterschiedlichen Kernbrechungsindizes einer Standardfaser (n 1,45) und einer HC-PBG-Faser (n 1) erklärt werden. Die Komplexität des HC-PBG-Spektums ist jedoch auf den ersten Blick überraschend und deutet auf die Anregung von akustischen Moden in der Bandlückenstruktur hin. Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Russell (IOIP Erlangen) streben wir an, diese Zusammenhänge aufzuklären. Dazu wurde die genaue Struktur der verwendeten Faser elektronenmikroskopisch im Fachbereich Bild- und Wellenoptik aufgenommen (Abb. 2). Sie wurde dann im IOIP mit einer symmetrisierten Modellstruktur angenähert um den benötigten Rechenaufwand für die Modellierung in Grenzen zu halten (dargestellt als rotes Netz in Abb. 2).
Abb. 2: Elektronenmikroskopische Aufnahme der verwendeten Hohlkernfaser und Modellstruktur (rot)