Investigation of the Stimulated Brillouin Scattering (SBS) Gain Enhancement in Silicon Nano-Waveguides and Applications
Stimulated Brillouin scattering is a third order non-linear effect with the lowest power threshold in standard single mode optical fiber, by which an interaction between optical and acoustic modes takes place. During the Brillouin scattering process, part of the pump wave power will be transferred to a counter propagating wave (Stokes), with a frequency shift of about 11 GHz for a telecommunication wavelength of 1550 nm in a standard single mode fiber. The frequency shift effective parameters had been studied as well as the governed equations for the pump and Stokes waves had been given. The Brillouin scattering gain linewidth for a standard single mode fiber was about 35 MHz. Therefore, and due to the increasing demands for ultra-high resolution spectroscopy, integrated photonics and other interesting applications, the effect and utilization of the stimulated Brillouin scattering were studied. It’s effect in silicon-on-insulator waveguides was investigated as well. The effect of stimulated Brillouin scattering in silicon-on-insulator was studied in Strip and rip-waveguides, each with two cases: air and silica cladding. The gain coefficient was simulated for each kind and case. It is found that the rib air cladding waveguide has the highest non-linearity with a gain coefficient of 1.32×104 (m∗W)−1 which is in the order of magnitudes higher than in optical fibers (2e−11 m/W). Therefore, an SOI-waveguide with a length of 100 μm corresponds to a 1 km optical fiber. Furthermore, the stimulated Brillouin scattering was utilized as a narrow band optical filter and amplifier in standard single mode fibers for various applications. First, stimulated Brillouin scattering assisted with polarization pulling was utilized to extract one high quality, narrow linewidth and tunable spectral line out of a frequency comb generated by a mode locked fiber laser. This spectral line had a linewidth of 1 kHz and acted as tunable laser source. The laser was stabilized by measuring the temperature dependent repetition rate drift of the mode locked fiber laser and a subsequent modulation. A residual drift for the extracted spectral line of ± 160 mHz was achieved. Second, two spectral lines were extracted out of the frequency comb by the same manner and mixed in a photo diode to generate a high quality milli-meter wave. It was stabilized via two methods: software and analog circuit. The RF signal showed a linewidth < 1 Hz and a phase noise of -134 dBc/Hz at 10 kHz frequency offset and a stability of 50 Hz in about 40 minutes duration time for the software approach. For the analog circuit approach a phase noise of -58 dBc/Hz at 10 kHz and a stability of 1 Hz over 40 minutes could be achieved.
Die stimulierte Brillouin-Streuung, ein nichtlinearer Effekt der dritten Ordnung, besitzt den niedrigsten Schwellwert in optischen Fasern und beruht auf der Wechselwirkung zwischen optischen und akustischen Wellen. Während des Streuprozesses wird ein Teil der Energie der Pumpwelle auf eine sich gegenläufig ausbreitende Stokeswelle übertragen, wobei der Frequenzversatz in Standard-Einmodenfasern bei einer Pumpwellenlänge von 1550 nm ungefähr 11 GHz beträgt. Die Parameter hinsichtlich der Frequenzverschiebung als auch die Gleichungssysteme für die Pump- und Stokeswelle wurden betrachtet. Die Linienbreite der stimulierten Brillouin Streuung in einer Standard-Einmodenfaser beträgt etwa 35 MHz. Deshalb und aufgrund der zunehmenden Anforderungen für ultrahochauflösende Spektroskopie, integrierte Photonik und andere interessante Anwendungen, wurde der Effekt und die Verwendung der stimulierten Brillouin Streuung untersucht. Zusätzlich wurde der Effekt der stimulierten Brillouin Streuung auch in siliconon-insulator Wellenleitern untersucht. Dabei wurden speziell Streifenwellenleiter und rip-waveguides untersucht und dabei das Mantelmaterial variiert. Der Verstärkungskoeffizient wurde für jede Art und jeden Fall simuliert. Dabei ergaben sich die höchsten Nichtlinearitäten für den rip-waveguide mit einem Verstärkungskoeffizienten von 1.32×104 (m∗W)−1, welcher im Vergleich zu Standard-Einmodenfasern (2e−11 m/W) um Größenordnungen höher ist. Daher entspricht die Nicht-Linearität in einem 100 μm SOI-waveguide der von 1 km Faser. Weiterhin wurde die stimulierte Brillouin Streuung als schmalbandiger optischer Filter und Verstärker in Standard-Einmodenfasern für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Zuerst wurde die polarisationsabhängige Verstärkung der Brillouin Streuung für die Extraktion einer einzelnen, schmalen und durchstimmbaren Mode aus einem Frequenzkamm, erzeugt von einem modengekoppelten Faserlaser, verwendet. Die Linienbreite dieser Mode ergab sich zu 1 kHz und wurde als durchstimmbarer Laser genutzt. Der Laser wurde durch eine Messung der temperaturabhängigen Drift der Wiederholrate und anschließender Modulation der extrahierten Mode stabilisiert. Dabei wurde ein Restdrift des Lasers von ± 160 mHz erreicht. Zweitens wurden auf die gleiche Weise zwei Spektrallinien aus dem Frequenzkamm extrahiert und in einer Fotodiode gemischt. Dies ermöglichte die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Millimeterwellen, welche anhand von zwei unterschiedlichen Methoden stabilisiert wurden. Die erste Methode erfolgte durch eine Software wodurch das Hochfrequenzsignal eine Linienbreite <1 Hz, ein Phasenrauschen von -134 dBc/Hz bei einem Frequenzoffset von 10 kHz und einer Stabilität von 50 Hz für eine Dauer von 40 Minuten hatte. Für die zweite Methode zur Stabilisierung wurde eine analoge Schaltung verwendet, womit ein Phasenrauschen von -58 dBc/Hz bei 10 kHz Offset und eine Stabilität von 1 Hz über 40 Minuten erreicht werden konnten.
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