OPTICAL PROCESSING BASED ON BRILLOUIN SCATTERING

Abstract

[ES] Los efectos no lineales son herramientas valiosas en el procesamiento óptico. El obje-tivo de esta Tesis es contribuir con las nuevas arquitecturas y métodos a este campo, en particular al control de la polarización de la luz con luz y filtrado óptico de señales de microondas. La manipulación de las propiedades de la polarización de la luz en medios guiados es crucial en muchos sistemas ópticos clásicos y cuánticos. Sin embargo, la capacidad de la tecnología actual para definir con precisión el estado de polarización de determina-das longitudes de onda está lejos del nivel de madurez conseguido en el control de la amplitud. En el capítulo 3, se presenta un nuevo enfoque para el control totalmente óptico del estado de polarización con selectividad en longitud de onda, basado en el cambio del retardo fase por medio del stimulated Brillouin scattering. Los experimen-tos muestran que se puede llegar a cualquier punto de la esfera de Poincaré desde un estado de polarización de entrada arbitrario con tan solo una ligera variación en la amplitud de la señal (<2.5 dB). A diferencia de otros esquemas de procesamiento Bri-llouin, la degradación de la figura de ruido es pequeña (1.5 dB para una rotación completa en la esfera, 2pi). Este controlador de polarización completamente óptico puede forjar el desarrollo de nuevas técnicas basadas en la polarización en comunica-ciones ópticas, ingeniería laser, detección, sistemas cuánticos y sondeo basado en luz de sistemas químicos y biológicos. La segunda área de interés de la tesis se centra en el filtrado fotónico de microondas. La fotónica proporciona una implementación alternativa a los filtros de microondas. Las características proporcionadas por el scattering de Brillouin son muy atractivas para el diseño de filtro con especificaciones competitivas. El capítulo 4 está dedicado a los nuevos esquemas para el filtrado fotónico de microondas basado en SBS. En parti-cular, se presenta un método para mejorar la pendiente de los filtros fotónicos de mi-croondas basados en Brilouin. Esta mejora se logra mediante la combinación de las respuestas en ganancia y atenuación del Brillouin sobre la señal modulada en fase. Los resultados experimentales muestran una respuesta paso banda que exhibe una pendiente de 16.7 dB por octava, lo que corresponde con una mejora de 3 veces en comparación con la respuesta Lorentziana natural de la ganancia Brillouin. Sin embargo, la necesi-dad de 3 ondas de bombeo, es decir tres osciladores de microondas, incrementan la complejidad del sistema y dificulta la capacidad de ajuste. Para superar estas limita-ciones, se propone una segunda técnica para mejorar la pendiente de un filtro fotónico de microondas basado en scattering de Brillouin estimulado, el cual mantiene una fácil sintonización. Esta propuesta se basa en la dependencia de la polarización de la ganan-cia del Brillouin en fibras birrefringentes. La presencia de dos respuestas ortogonales de ganancia/atenuación Brillouin en fibras birrefringentes da como resultado dos res-puestas del filtro, que pueden ser sustraídas en un fotodetector balanceado para elimi-nar el lento decaimiento de la respuesta de ganancia natural Lorentziana del Brillouin. Los resultados experimentales muestran que se puede obtener una pendiente del filtro de 8.3 dB/oct. Finalmente, el documento de tesis proporciona conclusiones y actividades futuras abiertas por este trabajo de doctorado.

[CA] Els efectes no lineals son ferramentes valuoses en el processament òptic. L'objectiu d'aquesta tesi es contribuir amb les noves arquitectures i mètodes a aquest camp, en particular al control de la polarització de la llum amb llum i filtrar òptic de senyals de microones. La manipulació de les propietats de la polarització de la llum en mitjans guiats es cru-cial en molts sistemes òptics clàssics i quàntics. No obstant això, la capacitat de la tecnologia actual per definir amb precisió l'estat de polarització de determinades lon-gituds d'ona està lluny del nivell de maduresa aconseguit en el control de l'amplitud. En el capítol 3, es presenta un nou enfocament per al control totalment òptic de l'estat de polarització amb selectivitat en longitud d'ona, basat en el canvi del retard de fase mitjançant el stimulated Brillouin scattering. Els experiments mostren que es pot arri-bar a qualsevol punt de l'esfera de Poincaré des d'un estat de polarització d'entrada arbitrari amb tant sols una lleugera variació de l'amplitud de la senyal (<2.5 dB). A diferencia d'altres esquemes de processament Brillouin, la degradació de la figura de soroll es petita (1.5 dB per a una rotació completa en l'esfera, 2pi). Aquest controlador de polarització completament òptic pot forjar el desenvolupament de noves tècniques basades en la polarització en comunicacions òptiques, enginyeria làser, detecció, sis-temes quàntics y sondeig basat en llum de sistemes químics i biològics. La segona àrea d'interès de la tesi es centra en el filtrar fotònic de microones. La fo-tònica proporciona una implementació alternativa als filtres de microones. Les caracte-rístiques proporcionades per el scattering de Brillouin son molt atractives per al dis-seny de filtres amb especificacions competitives. El capítol 4 està dedicat als nous esquemes per al filtrat fotònic de microones basat en SBS. En particular, es presenta un mètode per a millorar la pendent dels filtres fotònics de microones basats en Bri-llouin. Aquesta millora s'aconsegueix mitjançant la combinació de les respostes en guany i atenuació del Brillouin sobre la senyal modulada en fase. Els resultats experi-mentals mostren una resposta pas banda que exhibeix una pendent de 16.7 dB per octava, el que correspon amb una millora de 3 vegades en comparació amb la resposta Lorentziana natural del guany Brillouin. Tot i això, la necessitat de 3 ones de bom-beig, es a dir tres oscil·ladors de microones, incrementen la complexitat del sistema i dificulta la capacitat d'ajust. Per superar aquestes limitacions, es proposa una segona tècnica per millorar la pendent d'un filtre fotònic de microones basat en scattering de Brillouin estimulat, el qual manté una fàcil sintonització. Aquesta proposta es basa en la dependència de la polarització del guany del Brillouin en fibres birefringents. La presència de dos respostes ortogonals de guany/atenuació Brillouin en fibres birefrin-gents dona com a resultat dos respostes del filtre, que poden ser sostretes en un fotode-tector balancejat per eliminar el lent decaïment de la resposta de guany natural Lo-rentziana del Brillouin. Els resultats experimentals mostren que es pot obtenir una pendent del filtre de 8.3 dB/oct. Finalment, el document de tesi proporciona conclusions i activitat futures obertes per aquest treball de doctorat.

[EN] Nonlinear effects are valuable tools in the field of optical processing. This Thesis is aimed at contributing with new architectures and methods to this field, in particular to the light-by-light control of polarization and optical filtering of microwave signals. The manipulation of the polarization properties of light in guided media is crucial in many classical and quantum optical systems. However, the capability of current technology to finely define the state of polarization of particular wavelengths is far from the level of maturity in amplitude control. In Chapter 3, a new approach for all-optical control of the state of polarization with wavelength selectivity based on the change of the phase retardance by means of stimulated Brillouin scattering is present-ed. Experiments show that any point on the Poincaré sphere can be reached from an arbitrary input state of polarization with little variation of the signal amplitude (< 2.5 dB). Unlike other Brillouin processing schemes, the degradation of the noise figure is small (1.5 dB for a full 2pi rotation). This all-optical polarization controller can forge the development of new polarization-based techniques in optical communication, laser engineering, sensing, quantum systems and light-based probing of chemical and biological systems. The second area of interest of the Thesis is photonic microwave filtering. Photonics provides an alternative implementation of microwave filters. The features provided by Brillouin scattering are very attractive to design filters with competitive specifications. Chapter 4 is devoted to new schemes for photonic microwave filtering based on SBS. In particular, a method to enhance the filter slope of Brillouin-based photonic microwave filters is presented. This improvement is achieved by the combination of Brillouin gain and loss responses over phase modulated signals. The experimental results show passband responses exhibiting a slope of 16.7 dB per octave, which corresponds with a 3-fold improvement in comparison to the natural Lorentzian response for the same gain. However, the need of three pump waves, i.e. three microwave oscillators, increases the system complexity and make tunability more difficult. To overcome these limitations, a second technique to enhance the slope of a photonic microwave filter based on stimulated Brillouin scattering is proposed, that maintains easy tunability. It relies on exploiting the polarization dependence of Brillouin gain in birefringent fibers. The presence of two orthogonal Brillouin gains/loss in birefringent fibers results in two filter responses that can be subtracted in a balanced photodetector to remove the slow Lorentzian decay of the natural Brillouin gain response. Experimental results show that a filter slope of 8.3 dB/oct can be obtained. Finally, the Thesis document provides conclusions and future activities opened by this PhD work.