Spectrum Engineering of Stimulated Brillouin Scattering in Distributed Fiber Sensing and Optical Signal Processing
Due to the low threshold, stimulated Brillouin scattering is one of the dominant nonlinear effects in single mode optical fibers. Its unique Lorentzian gain spectrum characteristic with the narrow linewidth of 20-30 MHz has enabled a variety of applications, such as optical signal processing, delay and light storage, optical spectrum analysis and distributed sensing. Most of them will further benefit from an engineered, reconfigurable or arbitrary manipulated gain spectrum. This work will introduce the basic method for Brillouin gain spectrum engineering by the superposition with Brillouin loss(es) and its applications in the field of distributed sensing and optical signal processing.
In static distributed Brillouin sensing, the measurand resolution (temperature and/or strain) is highly noise sensitive. A noisy detection makes the estimation of the spectrum peak, which symbolizes the measurand, very hard. By superimposing the Brillouin gain with losses, the engineered gain spectrum could be sharper and more robust to the noise. This could help to determine the spectrum peak more accurately and leads to a doubled resolution and a sensing range extension up to 60%.
In dynamic distributed Brillouin sensing, slope-assisted Brillouin sensing is a very practical technique. However, the useful linear frequency span of a conventional Brillouin gain spectrum is usually narrow. A dynamic measurement working outside the linear range leads to severe errors. A well engineered gain spectrum is able to largely extend this linear range without compromise to the slope. A practical and quantified definition has been proposed in this work and a quantitative extension of more than 70% has been demonstrated.
Furthermore, the engineered gain spectrum has been applied to optical signal processing, especially to the optical and microwave photonic filters. The bottleneck of the conventional Brillouin gain based optical filters is the inevitable Brillouin noise. The novel optical filter proposed in this work blocks the undesired signals by Brillouin losses, while leaving the passband transparent and noise-free. The original striking advantages of Brillouin filters, such as sharp roll-off and flexible bandwidth tunability are well maintained, giving a giant step towards an ideal optical filter.
In addition, the microwave photonic notch filter based on Brillouin loss interaction has been investigated. The highlight of this technique is the precise control of the amplitude and phase of the modulation sidebands. The results indicate a highly fiber dispersion sensitive filter performance, including notch rejection reduction and notch frequency shift. This is on one hand detrimental, however, on the other hand provides a novel way for dispersion measurement.
Finally, a tentative idea to apply the microwave photonic technique, i.e., the out-of-phase cancellation, on distributed Brillouin sensing is proposed. According to the theoretical investigation, the engineered radio frequency gain spectrum depicts a much higher signal-tonoise ratio and an extended linear range at the edge, providing an attractive advantage for slope-assisted dynamic sensing.
Aufgrund des niedrigen Schwellwertes ist die stimulierte Brillouin Streuung der dominanteste nichtlineare Effekt in optischen Einmodenfasern. Das einzigartige Lorentz förmige Gewinnspektrum mit einer Linienbreite von 20 bis 30 MHz hat umfangreiche Anwendungen ermöglicht, wie z.B. optische Signalverarbeitung, Verzögerung und Speicherung von optischen Datensignalen, optische Spektrumanalyse und verteilte Sensoren. Alle diese Anwendungen würden von einem beliebig konstruier- und konfigurierbaren bzw. willkürlich manipulierbaren Verstärkungsspektrum profitieren. In dieser Arbeit wird die Manipulation des Brillouin-Gewinnspektrums durch die Überlagerung mit Brillouin-Verlusten vorgestellt, sowie Anwendungen im Bereich der verteilten Sensoren sowie der optischen Signalverarbeitung untersucht.
Bei herkömmlichen statisch verteilten Brillouin-Sensoren ist die Auflösung der Messgröße (Temperatur und/oder Dehnung) sehr rauschempfindlich. Die Ermittlung der Spitze des Spektrums, welche die Messgröße symbolisiert, wird durch verschiedenste Rauschweinflüsse während der Detektion stark erschwert. Die Überlagerung des Brillouin-Gewinns mit Verlusten führt zu einem schärfen konstruierten Verstärkungsspektrum, welches wesentlich robuster gegenüber Rauscheinflüssen ist. Dies trägt dazu bei, dass die Spitze des Spektrums genauer bestimmt werden kann und resultiert in einer doppelt so hohen Auflösung, sowie einer Erhöhung der möglichen Messentfernung um bis zu 60%.
In dynamischen verteilten Brillouin-Sensoren wird im Wesentlichen die Untersuchung der Steigung des Gewinnspektrums als Messmethode eingesetzt. Jedoch ist der verwendbare lineare Frequenzbereich des Gewinnspektrums gewöhnlich sehr schmal. Eine dynamische Messung außerhalb des linearen Bereichs führt zu schwerwiegenden Fehlern. Ein präzise konstruiertes Gewinnspektrum kann den linearen Bereich weitgehend erweitern, ohne die Steigung zu beeinträchtigen. In dieser Arbeit wird eine praktische und quantifizierte Definition vorgeschlagen, sowie eine quantitative Erweiterung von 70% nachgewiesen.
Darüber hinaus wird das beliebig konstruierbare Gewinnspektrum im Bereich der optischen Signalverarbeitung eingesetzt, insbesondere als optischer Filter sowie als photonischer Filter für Mikrowellen-Signale. Der Nachteil herkömmlicher Filter auf Basis der Brillouin Streuung ist das unvermeidliche Brillouin-Rauschen. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene neuartige optische Filter blockiert die unerwünschten Signale durch Brillouin-Verluste, während das Durchlassband transparent und rauschfrei bleibt. Die ursprünglichen Vorteile von Brillouin-Filter, wie sehr steile Flanken und eine durchstimmbare Bandbreite bleiben dabei erhalten. Dies stellt einen großen Schritt in Richtung eines idealen optischen Filters dar.
Zusätzlich wurde ein photonischer Mikrowellen-Notchfilter auf Basis der Wechselwirkung zwischen Brillouin-Verlusten untersucht. Besonders hervorzuheben ist dabei die genaue Steuerung der Amplitude und Phase der Modulationsseitenbänder. Die Ergebnisse zeigen eine Filterleistung, einschließlich einer Reduzierung der Notchtiefe sowie einer Verschiebung der Mittenfrequenz des Filters, die sehr stark von der Dispersion in der Faser abhängt. Dies ist einerseits nachteilig, biete andererseits jedoch einen neuen Weg zur Dispersionsmessung. Abschließend wird eine vorläufige Idee präsentiert, bei der die Mikrowellenphotonik, insbesondere die phasenverschobene Aufhebung, im Bereich der verteilten Brillouin-Sensoren angewendet werden soll. Die theoretische Untersuchung zeigt, dass das konstruierte Gewinnspektrum für die hochfrequenten Signale einen wesentlich höheren Signal-zu-Rausch Abstand sowie einen erweiterten linearen Bereich an den Flanken aufweist. Daraus ergeben sich wesentliche Vorteile für dynamische Brillouin-Sensoren auf Basis der Steigungsanalyse.
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