Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Detektion optischer Nichtlinearitäten in photonischen Komponenten unabhängig von den Laserparametern

13.10.2009

Photonische Bauelemente wie Glasfasern, Multiplexer, Bragg-Gitter oder Modulatoren spielen in der digitalen Kommunikationstechnik eine zunehmend wichtigere 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 Kanalübersprechen führen und damit die Übertragungsfehlerrate empfindlich beeinflussen.
Im FB 4.5 wurde ein höchstempfindliches Messverfahren zur genauen Bestimmung 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-Verfahrens (referencing to bulk sample) besteht darin, dass die Nichtlinearität eines Wellenleiters direkt mit der einer Freistrahl-Probe 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 Mischprodukten, die sie erzeugt haben, in eine dünne Referenz-Probe fokussiert. Dies geschieht mit einer achromatischen Anordnung aus zwei off-axis Parabolspiegeln. Die Dicke der Probe wird dabei idealerweise so gewählt, dass sie kürzer ist als der Fokalbereich (Rayleigh-Länge), so dass der Strahlquerschnitt in der Referenz-Probe als konstant und identisch mit dem im Messobjekt angenommen werden kann. Da die Leistung des Mischprodukts proportional zur dritten Potenz der Anregungsintensität ist, lässt sich seine Nichtlinearität bequem und minimal-invasiv ein- und ausschalten, indem die Referenz-Probe in Strahlrichtung zwischen der Fokal- bzw. einer weiter entfernten Position hin und her geschoben wird.
Das Ergebnis einer derartigen Messung wird in Abb. 1 gezeigt. Hier wurden die Vierwellen-Mischsignale aus einer 9,5 mm langen Standard-Telekommunikationsfaser (SMF28, grüne Kurve und Messpunkte) und einer 21 mm langen Hohlkernfaser (HC-1550-01, blaue Kurve und Messpunkte) als Funktion der z-Position der Referenz-Probe (25 µm dicke Quarzglasplatte) aufgenommen. Die durchgezogenen Linien zeigen die erwarteten theoretischen Verläufe unter Annahme Gauss-förmiger Strahlprofile.

Vierwellenmischsignale

Abb. 1: Vierwellenmischsignale aus einem 9.5 mm langem Stück SMF28 Standardfaser (grün) und einem 21 mm langen Stück HC-1550-01 Hohlkernfaser (blau) als Funktion der z-Position der 25 µm dicken Referenzprobe aus Quarzglas. Der Fokus liegt bei z=0.

Für die Berechnung der nichtlinearen Brechungsindizes werden, wie oben gesagt, lediglich einfach messbare Größen, nämlich die Probenlängen und die Reflektivität der Parabolspiegel benötigt. Die Impulsparameter, und somit auch ihre Fluktuationen, fallen dagegen bei der Berechnung heraus.


Tabelle

Man erkennt in Tab. 1, dass die Nichtlinearität der (luftgefüllten) Hohlkernfaser ca. 2000 mal kleiner ist als die der Standardfaser, deren Nichtlinearität dagegen wegen der Germanium-Dotierung des Kerns geringfügig größer als beim reinen Quarzglas ist.



Ansprechpartner:
Name:
Fachbereich:
4.5, Optische Technologien
Arbeitsgruppe:
4.53, Optische Femtosekundenmetrologie