Método y dispositivo para reducir el ancho de banda de la dispersión de Brillouin estimulada.

Método para reducir el ancho de banda de dispersión de Brillouin estimulada (SBS) en la frecuencia ω0 en una fibra óptica

, que comprende un desplazamiento de Brillouin ωB natural, que comprende las etapas de: proporcionar una primera onda óptica de la frecuenciaωP ≥ ω0 + ωB con un primer dispositivo, dirigir la primera onda óptica a una primera entrada de un primer acoplador, que tiene una salida, que se puede conectar a dicha fibra óptica, proporcionar una segunda onda óptica de la frecuencia ω'p ≥ ω0 - ωB con un segundo dispositivo, pasar la segunda onda óptica a un primer modulador, transformar la segunda onda óptica con el primer modulador en una terca onda óptica desplazada por la diferencia de frecuencia δ/2 hacia arriba de la frecuencia ω'P + δ/2, y una cuarta onda óptica desplazada por la diferencia de frecuencia δ/2 hacia abajo de la frecuencia ω'P - δ/2, pasar la tercera onda óptica y la cuarta onda óptica a una segunda entrada del primer acoplador, en el que el primer acoplador emite la primera onda óptica, la tercera onda óptica y la cuarta onda óptica en su salida, caracterizado por: ajuste de la diferencia de frecuencia δ/2 de manera que: la relación d de la distancia de frecuencia δ a ancho de banda de Brillouin γ0 se encuentra en el intervalo 0,3 ≤ d ≤ 0,9, y en la conexión de la fibra óptica en la salida del primer acoplador en la fibra óptica, la superposición del espectro de la ganancia SBS generada por la primera onda óptica, con un máximo de ganancia g0 y el espectro de la pérdida SBS generada por la tercera onda óptica con una máximo de pérdida g1 y del espectro de la pérdida SBS generada por la cuarta onda óptica con un máximo de pérdida g'1, proporciona un espectro total que presenta un ancho de banda γ menor que el ancho de banda de Brillouin γ0 natural.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11162991.

Solicitante: DEUTSCHE TELEKOM AG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: FRIEDRICH-EBERT-ALLEE 140 53113 BONN ALEMANIA.

Inventor/es: SCHNEIDER, THOMAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de los materiales por... > G01N21/35 (utilizando la luz infrarroja (G01N 21/39 tiene prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN LA EMISION ESTIMULADA > H01S3/00 (Láser, es decir, dispositivos para la producción, amplificación, modulación, demodulación o el cambio de frecuencia utilizando la emisión estimulada de ondas infrarrojas, visibles o ultravioletas (láseres de semiconductor H01S 5/00))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de los materiales por... > G01N21/63 (excitado ópticamente)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN LA EMISION ESTIMULADA > Láser, es decir, dispositivos para la producción,... > H01S3/094 (por luz coherente)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN LA EMISION ESTIMULADA > Láser, es decir, dispositivos para la producción,... > H01S3/102 (por control del medio activo, p. ej. por control de los procedimientos o de los aparatos para la excitación (H01S 3/13 tiene prioridad))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN LA EMISION ESTIMULADA > Láser, es decir, dispositivos para la producción,... > H01S3/30 (utilizando efectos de difusión, p. ej. efecto Brillouin o Raman estimulado)

PDF original: ES-2503563_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Método y dispositivo para reducir el ancho de banda de la dispersión de Brillouin estimulada

La presente invención se refiere a un método y dispositivo para reducir el ancho de banda de la dispersión de Brillouin estimulada y las aplicaciones correspondientes, en particular, métodos y aparatos para el filtrado de banda estrecha, la espectroscopia de alta resolución, y el cuasi almacenamiento de luz.

La dispersión de Brillouin estimulada (SBS) es el efecto no lineal que en las fibras monomodo estándares (fibra monomodo estándar, SSMF) tiene el valor de umbral más pequeño [1], Una onda de bombeo de banda estrecha que se propaga en una dirección en la fibra, produce una ganancia de banda estrecha para una señal en sentido opuesto de frecuencia desfasada. La dispersión de Brillouin estimulada (SBS) permite la amplificación de un intervalo de frecuencias muy estrecho de señales ópticas (en lo sucesivo también llamadas "fibra"). En este caso, una onda de bombeo de una frecuencia cjp se conduce en una dirección a través de una fibra, mientras que se inicia la señal en la dirección opuesta en la fibra. SBS entonces daría lugar a un espectro de ganancia, que en general tiene la forma de una curva de Lorentz. En este caso, si la fibra tiene un llamado desfase de Brillouin u>b, tiene lugar la ampliación máxima en la frecuencia coo = u>p - üob. El anchura de valor medio (en lo sucesivo, "ancho de banda") del espectro de ganancia, sin embargo, no puede realizarse arbitrariamente pequeño cuando se utiliza una sola ola sólo de bomba. El ancho de banda mínimamente alcanzable del espectro de ganancia se llama "ancho de banda natural" yo.

En una longitud de onda de la bomba de 1550 nm, el desfase de frecuencia en el SSMF es de 10 -11 GHz. El ancho de banda de esta ganancia es muy pequeño, con 10 a 30 MHz. Es el espectro de la señal es mayor, sólo se amplifica aquella parte del espectro que cabe dentro del ancho de banda de esta ganancia. Esta característica hace imprescindible el SBS para muchas aplicaciones. Estas incluyen, por ejemplo, la espectroscopia de alta resolución [2, 3], los filtros de banda estrecha para las señales ópticas o señales de frecuencia de radio y en la frecuencia de terahercios [4], y el cuasi almacenamiento óptico (QLS) [5, 6], En todas estas aplicaciones, se utiliza la banda extremadamente estrecha de SBS. En la espectroscopia de alta resolución, por ejemplo, la ganancia estrecha de SBS se desplaza por medio del cambio de frecuencia de una señal eléctrica por el espectro desconocido [2], El rendimiento de un fotodiodo en dependencia de la frecuencia de la señal eléctrica es entonces equivalente al del espectro desconocido. Por lo tanto, los espectros de las señales ópticas se puede medir, sino también los espectros de las señales de milímetro o de terahercios si anteriormente han sido llevados a espectro óptico por la modulación mediante modulación [7], La resolución del dispositivo está directamente relacionada con el ancho de banda de la ganancia de SBS y de este modo alcanza 10-30 MHz. En el caso de QLS [5, 6] y los filtros de banda estrecha [4] componentes espectrales individuales son amplificados se forma selectiva en frecuencia. En el caso de QLS esto, por ejemplo, se utiliza para almacenar paquetes ópticos. El tiempo máximo de almacenamiento es inversamente proporcional al ancho de banda de la ganancia de SBS. Tanto menor sea el ancho de banda de la ganancia, tanto mayor es el tiempo de almacenamiento alcanzable.

Todas estas aplicaciones están limitadas por el ancho de banda natural de la SBS. Esto a su vez depende de la vida útil de los fonones en el material y es por lo tanto una función de cambios materiales mecánicos, tales como la temperatura, la presión, tracción, etc. El ancho de banda natural más pequeño posible de la SBS en SSMF es de 10MHz [8], Por lo tanto, la resolución de los filtros y espectrómetro se limita a 10 MHz y el tiempo de almacenamiento máximo de los QLS se limita a 100 ns. Estos 10MHz son alcanzables sólo para las grandes potencias de bombeo. Dado que es un proceso de amplificación, grandes potencias de bombeo también significan un fuerte ruido adicional. Por lo tanto, estos resultados máximos se obtienen sólo en combinación con el deterioro de la calidad de la señal.

En el documento WO 2009 / 067973 A1 se describe un procedimiento y un sistema para la generación de luz láser con un espectro que contiene diferentes bandas, en el que se genera al menos una banda lateral a partir de la frecuencia portadora de una radiación láser que se propaga en la trayectoria principal, en el que dicha banda lateral está acoplado en un camino secundario mediante un divisor de haz, en donde en al menos uno de las trayectorias se excitan a su vez bandas laterales de la radiación y en donde las trayectorias se combinan mediante un acoplador de nuevo para formar una trayectoria de rayos común, en el que las bandas excitadas forman el espectro. Bandas laterales se generan en los moduladores, en donde una parte del haz de láser es desviada a través de una rejilla de Faser-Bragg, y un circulador a una trayectoria secundaria. El haz de láser de frecuencia desplazada se puede amplificar en el amplificador de fibra. En una fibra óptica los componentes de la luz de bomba de frecuencia desplazada a través de SBS pueden afectar a señales de un láser y éste puede ser detectado por medio de un circulador y un fotodiodo.

T. Schneider, R. Henker, K. Lauterbach, M. Junker, Comparison of delay enhancement mechanism for SBS-based slow light systems", Opt. Express, volumen 15, n° 15, 9606 (2007) describe dos procedimientos para el aumento del retardo de tiempo en sistemas de luz lentos, en donde los dos mecanismos se basan en la superposición de la amplificación de Brillouin con pérdidas adicionales.

El documento DE 10 2007 058 049 A1 se refiere a un proceso y un sistema para la generación de luz de láser con un espectro que contiene varias bandas, en donde a partir de la frecuencia portador de un haz de láser que se propaga dentro de una trayectoria principal se genera al menos una banda lateral.

La presente invención tiene por objeto proporcionar un método y un aparato para reducir el ancho de banda de la dispersión de Brillouin estimulada y las aplicaciones correspondientes, en particular, proporcionar métodos y aparatos para el filtrado de banda estrecha, la espectroscopia de alta resolución y el cuasi almacenamiento óptico.

Este objeto se resuelve con las características de las presentes reivindicaciones.

El método y un dispositivo para la solución de la tarea presentada se definen en las reivindicaciones Independientes 1 y 10, y ejemplos de realización ventajosos en las reivindicaciones 2-9 y 11-20.

La presente Invención permite generar espectros de ganancia de SBS con un ancho de banda y menor que el ancho de banda natural yo. Además, con la presente invención se puede incrementar significativamente la eficiencia de un número de aplicaciones, tales como el filtrado de banda estrecha, la espectroscopia de alta resolución o de cuasi 10 almacenamiento óptico.

La idea básica de la invención es como sigue:

Mientras que en el procedimiento descrita anteriormente se extrae potencia de una onda de bombeo de la frecuencia Wp = üüo + cüb y se utiliza para la amplificación de la banda de frecuencia en ooo también se forma inversa se puede extraer potencia por oo0 a la banda de frecuencias, conduciendo en la fibra - a su vez en contra de la dirección de la 15 señal - una onda óptica de la frecuencia de q>p = wo - Wb. Esto entonces conduce a un espectro de pérdida que en lo general tiene la forma de una curva de Lorentz (negativa) con un mínimo en la frecuencia oo0.

Para producir un espectro de la pérdida... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método para reducir el ancho de banda de dispersión de Brillouin estimulada (SBS) en la frecuencia Wo en una fibra óptica, que comprende un desplazamiento de Brillouin u>B natural, que comprende las etapas de: proporcionar una primera onda óptica de la frecuencia ooP = coo + ojb con un primer dispositivo, dirigir la primera onda óptica a una primera entrada de un primer acoplador, que tiene una salida, que se puede conectar a dicha fibra óptica, proporcionar una segunda onda óptica de la frecuencia co'p = too - toe con un segundo dispositivo, pasar la segunda onda óptica a un primer modulador, transformar la segunda onda óptica con el primer modulador en una terca onda óptica desplazada por la diferencia de frecuencia 6/2 hacia arriba de la frecuencia co'p + 6/2, y una cuarta onda óptica desplazada por la diferencia de frecuencia 6/2 hacia abajo de la frecuencia co'P - 5/2, pasar la tercera onda óptica y la cuarta onda óptica a una segunda entrada del primer acoplador, en el que el primer acoplador emite la primera onda óptica, la tercera onda óptica y la cuarta onda óptica en su salida, caracterizado por: ajuste de la diferencia de frecuencia 6/2 de manera que: la relación d de la distancia de frecuencia 6 a ancho de banda de Brillouin yo se encuentra en el intervalo 0,3 < d < 0,9, y en la conexión de la fibra óptica en la salida del primer acoplador en la fibra óptica, la superposición del espectro de la ganancia SBS generada por la primera onda óptica, con un máximo de ganancia go y el espectro de la pérdida SBS generada por la tercera onda óptica con una máximo de pérdida gi y del espectro de la pérdida SBS generada por la cuarta onda óptica con un máximo de pérdida g'i, proporciona un espectro total que presenta un ancho de banda y menor que el ancho de banda de Brillouin yo natural.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende la etapa adicional de: ajuste de la relación de la intensidad de la primera onda óptica a la intensidad de la tercera onda óptica y la relación de la Intensidad de la primera onda óptica a la intensidad de la cuarta onda óptica, de manera que se ajusta una proporción determinada m del máximo de ganancia g0 al máximo de pérdida gi o bien g'i y el espectro completo presenta un cierto ancho de banda y-

3. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se establece una relación m del máximo de ganancia gO al máximo de pérdida g1 en el intervalo de 0,1 m 1,0, preferiblemente 0,3 m ^ 0,8.

4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se realiza el proporclonamlento de la primera onda óptica y proporcionamiento de la segunda onda óptica con los siguientes pasos: proporcionar una onda óptica de frecuencia u>o y pasar dicha onda óptica a un segundo modulador que es capaz de transformar una onda óptica de frecuencia (jo0 en una señal que presenta la primera onda óptica de la frecuencia de u>P = üj0 + toB y la segunda onda óptica de la frecuencia cü'p = loo - coB, pasar dicha señal de dicho segundo modulador a un segundo acoplador, que divide la potencia de la señal en una primera y una segunda parte y pasar la primera componente de señal a un primer filtro a través del cual la primera onda óptica puede pasar, y pasar dicha segunda componente de señal a un segundo filtro a través del cual la segunda onda óptica puede pasar.

5. Método de filtración óptica de banda estrecha que comprendiendo los pasos: generación la primera onda óptica, la tercera onda óptica y la cuarta onda óptica por un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, alimentar la primera onda óptica, la tercera onda óptica y la cuarto onda óptica en un clrculador, en el que el circulador está conectado a una conexión a un primer extremo de una fibra óptica que tiene un desplazamiento de Brillouin ooB natural y en el que el circulador comprende un conector adicional y es adecuado para desacoplar el Intervalo de frecuencia de una señal, que se amplifica en la fibra óptica por la SBS, alimentación de una señal a filtrar a un segundo extremo de la fibra óptica.

6. Método para el filtrado de banda estrecha en el rango de ondas milimétricas o de terahercios que comprende las etapas de: transformación de una señal del Intervalo de ondas milimétricas o de terahercios en el Intervalo óptico, filtrado de la señal transformada en el Intervalo óptico con el método según la reivindicación 5, y transformación de la señal filtrada en el intervalo de ondas milimétricas o de terahercios.

7. Método para la espectroscopia óptica de alta resolución con filtros ópticos de un intervalo de banda estrecha de un espectro óptico con el método de acuerdo con la reivindicación 5 y que comprende las etapas de: control de la frecuencia de la onda óptica, detección de la señal filtrada con un detector, preferentemente un fotodiodo, que está conectado a la otra conexión del circulador, evaluación de la intensidad medida con el detector de la señal desacoplada dependiendo de la frecuencia de la ondas óptica; o que comprende las etapas de: control de la frecuencia de la primera onda óptica y la frecuencia de la segunda onda óptica, detección de la señal filtrada con un detector, preferentemente un fotodiodo, que está conectado a la otra conexión del circulador, evaluación de la intensidad medida con el detector de la señal desacoplada en función de la frecuencia de la primera o segunda onda óptica.

8. Método para la espectroscopia de alta resolución en el intervalo de ondas milimétricas o de terahercios con: transformación de una señal de onda milimétrica o de terahercios en el intervalo óptico, realizar un espectroscopio de la señal transformada usando el método de acuerdo con la reivindicación 7.

9. Método para el cuasi almacenamiento óptico que comprende las etapas de: generación de un espectro de ganancia de banda estrecha con un filtro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, generación de un peine de ganancia de banda estrecha del espectro de ganancia de banda estrecha por un generador de peine de frecuencia, alimentación del peine de ganancia en un sistema para el cuasi almacenamiento óptico.

10. Dispositivo para reducir el ancho de banda de dispersión de Brillouin estimulada (SBS) en la frecuencia too en una fibra óptica, que comprende un desplazamiento de Brillouin coB natural, en particular, para realizar un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende: un primer dispositivo para proporcionar una primera onda óptica de la frecuencia toP = too + (jüb, un primer acoplador que tiene una primera entrada a la que se conduce la primera onda óptica, y una salida que está conectada a dicha fibra óptica, un segundo dispositivo para proporcionar una segunda onda óptica de la frecuencia too = io'p - cob, un primer modulador hacia el cual se conduce la segunda onda óptica, en el que el primer modulador transforma la segunda onda óptica en una tercera onda óptica desplazada hacia arriba por la diferencia de frecuencia 5/2 de la frecuencia io'p + 5/2 y una cuarta onda óptica desplazada hacia abajo por la diferencia de frecuencia 5/2 de la frecuencia io'P - 5/2, en el que dicha tercera y cuarta onda óptica se alimentan a una segunda entrada del primer acoplador, y el primer acoplador emite la primera onda óptica, la tercera onda óptica y la cuarta onda ópticas en su salida, caracterizado porque se configura un dispositivo para establecer una diferencia de frecuencia 6/2 de manera que la relación d de la distancia de frecuencia 6 hacia el ancho de banda de Brillouin yo natural se sitúa en el intervalo 0,3 á d S 0,9, y al conectar de la fibra óptica en la salida del primer acoplador en la fibra óptica la superposición de la ganancia SBS generada por la primera onda óptica con un máximo de ganancia g0 y el espectro de la pérdida SBS generada por la tercera onda óptica con un máximo de pérdida g-i y el espectro de la pérdida SBS generada por la cuarto onda óptica con un máximo de pérdida g'i proporciona un espectro integro que ofrece un ancho de banda y menor que el ancho de banda y0 natural de un espectro.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, en el que el primer acoplador es variable y/o con al menos un amplificador óptico ajustable, preferentemente un amplificador de fibra dopado con erbio, por el que la primera y/o segunda, así como la tercera onda óptica se puede conducir a la primera entrada o bien a la segunda entrada del primer acoplador, para ajustar la relación de la intensidad de la primera onda óptica a la intensidad de la tercera onda óptica y la relación de la intensidad de la primera onda óptica a la intensidad de la cuarta onda óptica.

12. Dispositivo según la reivindicación 10 o 11, en el que el dispositivo que está configurado para ajustar la diferencia de frecuencia 5/2, tiene un generador de onda sinusoidal cuya frecuencia es ajustable y que emite una señal de onda sinusoidal al primer modulador, en donde el primer modulador se realiza preferiblemente por medio de un modulador Mach - Zehnder, que es operado en el "régimen de portadora suprimida".

13. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende: un dispositivo para proporcionar una onda óptica de frecuencia ioo, un segundo modulador que recibe la onda óptica y es adaptado para transformar la onda óptica de frecuencia lOo en una señal que presenta la primera onda óptica de la frecuencia u>P = coo + coB y la segunda onda óptica de la frecuencia co'p = coo - ioB, un segundo acoplador que divide la señal transformada en una primera y una segunda componente de señal, y un primer filtro a través del cual la primera onda óptica puede pasar, y un segundo filtro a través del cual la segunda onda óptica puede pasar, en el que preferiblemente el dispositivo para proporcionar la ondas ópticas es sintonizable con respecto a la frecuencia coo, y/o preferiblemente con un dispositivo para ajustar la frecuencia u>B, que tiene preferiblemente un generador de onda sinusoidal cuya frecuencia es ajustable y que emite una señal de onda sinusoidal al segundo modulador, en donde dicho segundo modulador se realiza preferiblemente por medio de un modulador Mach - Zehnder que es operado en el " régimen de portadora".

14. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que el dispositivo para proporcionar una onda óptica de frecuencia too, el primer dispositivo para proporcionar de la primera onda óptica y/o el segundo dispositivo para proporcionar la segunda onda óptica comprende un diodo láser o un láser.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 10 a 14, en donde la conexión entre el primer dispositivo para proporcionar la primera onda óptica y la primera entrada del primer acoplador y/o la conexión entre el segundo dispositivo para proporcionar la segunda onda óptica al primer modulador, y/o la conexión entre el primer modulador y la segunda entrada del primer acoplador y/o la conexión entre el segundo modulador y el segundo acoplador y/o la conexión entre el segundo acoplador y el primer filtro y/o la conexión entre el segundo acoplador y el segundo filtro comprenden en cada caso uno una fibra óptica.

16. Filtro óptico de banda estrecha que comprende: un láser sintonizable que genera una onda óptica de frecuencia coo, un dispositivo según una de las reivindicaciones 13 a 15 que está conectado al láser sintonizable y recibe la onda óptica de frecuencia too, un circulador que está acoplado a una salida del

dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, y en el que el circulador se puede conectar a una conexión a un primer extremo de una fibra óptica que tiene un desplazamiento de Brillouin u>o natural, en donde se puede alimentar una señal óptica en un segundo extremo de la fibra óptica, y en el que el circulador comprende una conexión adicional y es adecuado para desacoplar el intervalo de frecuencia de la señal que es amplificado en la fibra óptica por la SBS.

17. Filtro de banda estrecha de ondas milimétricas o de terahercios con un filtro óptico según la reivindicación 16, que comprende: un dispositivo para transformar una señal desde el intervalo de ondas milimétricas o de terahercios en el intervalo óptico, en el que la señal transformada en el intervalo óptica se filtra por medio del filtro óptico de banda estrecha, y un dispositivo para transformar la señal filtrada al intervalo de ondas milimétricas o de terahercios.

18. Espectroscopio óptico de alta resolución con el filtro óptico de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende: un detector, preferentemente un fotodiodo, que está conectado a la otra conexión del circulador, una unidad de control y evaluación que está conectada de forma eléctrica con el láser sintonizable, el dispositivo según una cualquiera de la reivindicaciones 13 a 15 y el detector, en el que la unidad de control y evaluación controla la frecuencia u>o de la onda óptica emitida por el láser y evalúa la intensidad medida por el detector de la señal desacoplada.

19. Espectroscopio de alta resolución para el intervalo de ondas milimétricas o de terahercios con un espectroscopio óptico la alta resolución espectroscopio según la reivindicación 18, que comprende además un dispositivo para transformar una señal de ondas milimétricas o de terahercios en el intervalo óptico.

20. Dispositivo para el cuasi almacenamiento óptico con un filtro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 o 17 con un dispositivo para generar un peine de ganancia de banda estrecha desde la señal filtrada y un sistema para el cuasi almacenamiento óptico.