11.01.2013
Selbst-referenzierte optische Frequenzkämme ermöglichen eine einfache phasenkohärente Frequenzverknüpfung von Signalen im Radiofrequenz- und optischen Spektralbereich und damit etwa die Rückführung optischer Frequenzen auf die Zeiteinheit. Viele Anwendungen erfordern jedoch ein einfrequentes Dauerstrichsignal anstatt eines Kammspektrums. Im Fachbereich "Optische Technologien" wurde gezeigt, dass sich diese Konversion bequem mittels kohärenter Brillouin-Streuung in Glasfasern erreichen lässt. Sie erlaubt es, eine beliebig wählbare, einzelne Kammlinie gezielt zu verstärken und gleichzeitig alle anderen wirksam zu unterdrücken.
Abb. 1 Experimenteller Aufbau Abb. 2 Spektrum einer selektierten Frequenzkammlinie
Den verwendeten Aufbau zeigt Abb. 1. Die Emission einer 1560 nm Laserdiode (LD) mit nachgeschaltetem Erbium-Faserverstärker durchläuft zuerst einen Zirkulator (C) und pumpt dann eine 12,6 km SMF28 Standard-Glasfaser. Das Frequenzkamm-Eingangssignal durchläuft die Faser in Gegenrichtung. Der Frequenkamm hat einen Linienabstand von 56 MHz; die optische Leistung einer Einzellinie beträgt etwa 20 nW. Die Frequenz der LD wird 10,9 GHz (d. h. um den Wert der Brillouin-Verschiebung) höher gewählt als die der gewünschten Kammlinie. Diese wird somit verstärkt, am Zirkulator ausgekoppelt und mit einem Polarisator (PBS) linear polarisiert. Der Polarisationszustand des Eingangssignals wird dabei so gewählt, dass bei ausgeschalteter Pumpe seine Transmission durch PBS minimal ist. Dadurch erzielt man eine effiziente Unterdrückung der unerwünschten anderen Kammlinien.
Der nach dem Faserdurchlauf verbleibende Teil der Pumpleistung wird als Überlagerungssignal verwendet, um die verstärkte Kammlinie und ihre spektrale Umgebung in den Radiofrequenzbereich zu konvertieren. Dadurch kann sie mit einem elektronischen Spektrumanalysator (ESA) hochaufgelöst untersucht werden. Zu diesem Zweck wird das verbleibende Pumpsignal mittels eines Mach-Zehnder-Modulators (MZM) doppelseitenband-moduliert und anschließend mit dem Brillouin-verstärkten Eingangssignal überlagert. Die entstehende Schwebung wird mit einer schnellen Photodiode detektiert und mittels des ESA charakterisiert. Ein so gemessenes Spektrum ist in Abb 2. dargestellt. Man erkennt die verstärkte Einzellinie bei ca.1,9 GHz, deren Maximum bei einer ESA-Filterbreite von 300 kHz um ca. 75 dB über den Rauschuntergrund liegt. Die Nachbar-Kammlinien (markiert mit *) werden um mindestens 55 dB unterdrückt. Innerhalb der Verstärkungs-Linienbreite von ca. 10 MHz wird allerdings auch der breitbandige Kammuntergrund verstärkt und führt zu einem Rauschsockel < 85 dBc/Hz, siehe kleines Bild in Abb. 2. Dieser Rauschbeitrag ist für die meisten metrologischen Anwendungen unkritisch. Bei einer optischen Frequenzmessung würde er beispielsweise die Phasenverfolgung eines unbekannten Messsignals mit einer Bandbreite >1 MHz erlauben.