Czym jest światłowodowe rozpraszanie Brillouina

Rozpraszanie Brillouina jest efektem powodowanym przez χ (3) nieliniowość ośrodka, zwłaszcza część nieliniowa związana z fononami. Fotony padające można przekształcić w fotony rozproszone o niższej energii (zwykle rozprzestrzenia się w kierunku wstecznym) i fonony. Sprzężenie pola optycznego z fononem następuje poprzez elektrostrykcję. Pole fononowe może pojawić się samoistnie nawet przy małej mocy optycznej, a następnie odzwierciedlać wytworzone ciepło. Dla wyższych ognisk optycznych, może wystąpić efekt stymulacji, w którym pole świetlne znacznie zwiększa liczbę fononów. Powyżej pewnego progu mocy wiązki w ośrodku, stymulowane rozpraszanie Brillouina może odzwierciedlać większość mocy padającej wiązki. Proces ten wiąże się z silnym nieliniowym wzmocnieniem optycznym fali odbitej wstecz: początkowo słabo propagująca się fala może zostać silnie wzmocniona przy odpowiedniej częstotliwości optycznej. Tutaj, dwie fale propagujące się wstecz wytwarzają przemieszczającą się siatkę współczynnika załamania światła; tym wyższa moc odbita, im silniejsza siatka współczynnika załamania światła i wyższy efektywny współczynnik odbicia.

Częstotliwość wiązki odbitej jest nieco niższa niż częstotliwość wiązki padającej; różnica częstotliwości ν 乙 odpowiada częstotliwości emitowanego fononu. Tak zwane przesunięcie częstotliwości Brillouina jest ustalane na podstawie wymogu dopasowania fazowego. Dla czystego odwrotnego rozpraszania Brillouina, przesunięcie Brillouina można obliczyć na podstawie współczynnika załamania światła n, prędkość dźwięku v a i długość fali próżni λ

(Do rozpraszania Brillouina we włóknach, należy zastosować efektywny współczynnik załamania światła.)

W światłowodach, Rozpraszanie Brillouina zasadniczo zachodzi tylko w odwrotnym kierunku. Jednak, przednie rozpraszanie Brillouina może być również słabe z powodu falowodów akustycznych.

Przesunięcie częstotliwości Brillouina zależy od składu materiału i w pewnym stopniu od temperatury i ciśnienia ośrodka. Zależność ta służy do światłowód czujniki.

Innym ważnym zastosowaniem wzbudzonego rozpraszania Brillouina jest koniugacja fazy optycznej. Na przykład, istnieją sprzężone fazowo zwierciadła do laserów z przełączaniem Q o dużej mocy, które umożliwiają kompensację aberracji termicznych występujących w kierunku do przodu i do tyłu w krysztale lasera.

Rozpraszanie Brillouina w światłowodach

Stymulowane rozpraszanie Brillouina (SBS) jest często spotykane w przypadku wąskopasmowych sygnałów optycznych (Na przykład., z laserów jednoczęstotliwościowych) są wzmacniane we wzmacniaczach światłowodowych lub propagowane wyłącznie przez włókna pasywne. Chociaż nieliniowość materiałowa, Na przykład., krzemionka nie jest w rzeczywistości bardzo wysoka, zazwyczaj mniejszy obszar efektywnego trybu i dłuższa długość propagacji silnie przyczyniają się do efektu nieliniowego.

Postać 1 pokazuje, co się dzieje, gdy monochromatyczna fala świetlna zostanie wstrzyknięta do a 10 m długie włókno. Przeciwbieżna fala z przesunięciem Brillouina zaczyna się od wzrostu kwantowego przy bardzo małej mocy optycznej, ale szybko rośnie. Niemniej jednak, to wciąż znacznie mniej niż 1 W mocy wejściowej.

Postać 1: Moc pompy (propagacja od lewej do prawej, czerwona krzywa) i uzyskał moc sygnału Brillouina (od prawej do lewej, pomarańczowa krzywa) w 10 m długie włókno. Moc wejściowa pompy wynosi 1 W.

Dla nieco zwiększonej mocy pompy 1.8 W, zysk Brillouina (w dB) prawie się podwaja, a fala Brillouina staje się silniejsza.

Postać 2: Taki sam jak rysunek 1, ale z 1.8 Moc pompy W.

 

W celu dalszego zwiększenia mocy pompy, moc fali Brillouina stanie się porównywalna z mocą pompy. W tym przypadku, następuje duże wyczerpanie pompy. Dla wysokich zysków SBS, nie prowadzi to do stabilnej sytuacji, ale do chaotycznych wahań mocy.

Jeśli włókno ma kilka kilometrów długości, moc miliwatów jest wystarczająca, aby spowodować znaczne rozproszenie Brillouina. Jednak, należy wówczas uwzględnić straty propagacyjne, które są istotne dla takich długości włókien. Wpływa zarówno na falę pompy, jak i falę Brillouina.

Do włókien kwarcowych, chodzi o przesunięcie częstotliwości Brillouina 10-20 GHz, a wewnętrzna szerokość pasma wzmocnienia Brillouina jest typowa 50-100 MHz, w zależności od silnej absorpcji akustycznej (krótki czas życia fononów wynoszący około 10) NS). Jednak, widmo wzmocnienia Brillouina może być „rozmazane” z powodu różnych efektów, takie jak boczne zmiany prędkości fazy akustycznej [14, 19] lub podłużne zmiany temperatury. W rezultacie, wzmocnienie szczytowe może zostać znacznie zmniejszone, co prowadzi do wyższego progu SBS.

Próg Brillouina włókna dla wąskopasmowego światła o fali ciągłej zwykle odpowiada wzmocnieniu Brillouina rzędu 90 dB. (Z dodatkowym wzmocnieniem lasera w aktywnym włóknie, próg może być jeszcze niższy.) Dla serii ultrakrótkich impulsów, próg SBS nie jest wyznaczany na podstawie mocy szczytowej, ale przez gęstość widmową mocy, zgodnie z opisem w artykule Spotlight.

SBS wprowadza najbardziej rygorystyczne limity mocy dla wzmacniania i pasywnego propagowania wąskopasmowych sygnałów optycznych w światłowodach. Aby zwiększyć próg Brillouina, można zwiększyć szerokość pasma światła poza szerokość pasma wzmocnienia Brillouina, zmniejszyć długość włókna, łączą włókna o nieco innych przemieszczeniach Brillouina, lub (w aktywnych urządzeniach światłowodowych dużej mocy) stosować różne temperatury w kierunku wzdłużnym [21]. Podejmowano także próby ograniczenia nakładania się kierowanych fal świetlnych i akustycznych, lub wprowadzić znaczną utratę propagacji fal akustycznych. Problemy SBS, takie jak koncentracja dopingu, Efektywny obszar modowy i kierunek propagacji pompy można w pewnym stopniu zmniejszyć poprzez podstawowe modyfikacje konstrukcji wzmacniacza.

Z drugiej strony, Wzmocnienie Brillouina można wykorzystać do obsługi laserów światłowodowych Brillouina . Urządzenia takie są zwykle wykonywane jako lasery pierścieniowe włóknowe. Mogą mieć stosunkowo niskie progi pompowania i bardzo małe szerokości linii ze względu na niskie straty rezonatora.

Zależność temperaturową przesunięcia Brillouina można wykorzystać do wykrywania temperatury i ciśnienia.

Światłowodowy czujnik temperatury, Inteligentny system monitorowania, Rozproszony producent światłowodów w Chinach