Brillouin-Based Full Polarization Control of Light and Applications

Abstract

[ES] La polarización es una propiedad fundamental de la luz que tiene muchas implicaciones tanto en la vida diaria como en los desarrollos tecnológicos más avanzados que emplean la luz. En consecuencia, controlar la polarización de la luz representa una tarea crítica que debe ejecutarse en la mayoría de los sistemas fotónicos. Este proceso se realiza en forma extendida mediante dispositivos pasivos como transformadores de onda que inducen una cantidad fija de birrefringencia o mediante controladores de polarización mecánicos, cuyas principales desventajas son su incapacidad para producir un tipo específico de birrefringencia (lineal pura, circular o elíptica) y sus diseños voluminosos, lo cual los hace inadecuados para la integración. Así, la investigación se centra en otro tipo de controladores de polarización, basados principalmente en metamateriales y fenómenos ópticos no lineales. Al estudiar diferentes interacciones no lineales luz-materia, el fenómeno de dispersión de Brillouin estimulado hacia atrás (SBS) surge como un candidato atractivo para realizar el control de la polarización de la luz. Su respuesta al estímulo de una onda de luz intensa (bombeo) tiene características dependientes de la polarización, y es el proceso no lineal requiere la menor potencia óptica para activarse. Más aún, se ha demostrado continuamente su flexibilidad para el ajuste de la frecuencia y del ancho de banda alterando la respuesta de frecuencia de la onda de bombeo.

Esta Tesis Doctoral está dedicada al estudio de las propiedades dependientes de la polarización del SBS con el objetivo de lograr el control total de la polarización de la luz en términos del control de la birrefringencia, la frecuencia y el ancho de banda. Aquí se proporcionan los fundamentos teóricos necesarios para generar y controlar tanto el tipo como la magnitud de la birrefringencia, así como también el retardo de grupo diferencial (DGD) y la dispersión de DGD (DGDD) en fibras ópticas. Los experimentos muestran que estos parámetros se pueden cambiar dinámicamente con sólo una ligera variación de la ganancia del sistema inducida por SBS.

A continuación, se muestra que la polarización se puede controlar en un ancho de banda más amplio que la respuesta natural de Brillouin y que también se puede adaptar para proporcionar un cierto perfil de retardancia. El ensanchamiento espectral del controlador de polarización basado en SBS se logra a través de la ingeniería de la respuesta en frecuencia de la fase de Brillouin mediante la regulación retroalimentada del bombeo, a diferencia de esquemas anteriores basados en el control de la amplitud y del retardo de tiempo. Se demuestra el ensanchamiento de la retardancia desde 51 MHz (interacción natural de SBS) hasta 0.9 GHz, en conjunto con el aplanamiento de su espectro.

Finalmente, son analizados diferentes dispositivos que emplean como subsistema central el controlador de polarización basado en SBS. De este análisis se deriva una nueva técnica fotónica para implementar filtros de microondas tanto de banda suprimida como de banda pasante. El principio de funcionamiento se fundamenta en la rotación del estado de polarización de la banda de interés utilizando el controlador de polarización basado en SBS, en combinación con una fotodetección balanceada sensible a la polarización. Estos conceptos permiten la implementación de un filtro de una única etapa de fibra que se puede conmutar dinámicamente de una respuesta rechaza banda a una respuesta pasa banda, incrementando así su flexibilidad y potencial aplicación. Las pruebas llevadas a cabo con una sola etapa de una fibra con dispersión desplazada muestran que es posible implementar una banda de rechazo con un rechazo muy elevado de 67 dB. La atenuación fuera de banda en la configuración pasa banda, que es de 30 dB, tiene un desempeño similar a otros filtros de microondas fotónicos basados en SBS.

[CA] La polarització és una propietat fonamental de la llum que té moltes implicacions tant en la vida diària com en els desenvolupaments tecnològics més avançats que empren la llum. En conseq\"uència, controlar la polarització de la llum representa una tasca crítica que ha d¿executar-se en la majoria dels sistemes fotònics. Este procés es realitza en forma estesa mitjançant dispositius passius com a transformadors d'ona que induïxen una quantitat fixa de birefringència o mitjançant controladors de polarització mecànics, els principals desavantatges de la qual són la seua incapacitat per a produir un tipus específic de birefringència (lineal pura, circular o el líptica) i els seus dissenys voluminosos, la qual cosa els fa inadequats per a la integració. Així, la investigació se centra en un altre tipus de controladors de polarització, basats principalment en metamaterials i fenòmens òptics no lineals. En estudiar diferents interaccions no lineals llum-matèria, elfenomen de dispersió de Brillouin estimulat cap arrere (SBS) sorgix com un candidat atractiu per a realitzar el control de la polarització de la llum. La seua resposta a l'estímul d'una ona de llum intensa (bombament) té característiques dependents de la polarització, i és el procés no lineal requerix la menor potència òptica per a activar-se. Més encara, s'ha demostrat contínuament la seua flexibilitat per a l'ajust de la freqüència i de l'amplada de banda alterant la resposta de freqüència de l'ona de bombament.

Esta Tesi Doctoral està dedicada a l'estudi de les propietats dependents de la polarització del SBS amb l'objectiu d'aconseguir el control total de la polarització de la llum en termes del control de la birefringència, la freqüència i l'amplada de banda. Ací es proporcionen els fonaments teòrics necessaris per a generar i controlar tant el tipus com la magnitud de la birefringència, així com també el retard de grup diferencial (DGD) i la dispersió de DGD (DGDD) en fibres òptiques. Els experiments mostren que estos paràmetres es poden canviar dinàmicament amb només una lleugera variació del guany del sistema induïda per SBS.

A continuació, es mostra que la polarització es pot controlar en una amplada de banda més àmplia que la resposta natural de Brillouin i que també es pot adaptar per a proporcionar un cert perfil de retardancia. L'eixamplament espectral del controlador de polarització basat en SBS s'aconseguix a través de l'enginyeria de la resposta en freqüència de la fase de Brillouin mitjançant la regulació retroalimentada del bombament, a diferència d'esquemes anteriors basats en el control de l'amplitud i del retard de temps. Es demostra l'eixamplament de la retardancia des de 51 MHz (interacció natural de SBS) fins a 0.9 GHz, en conjunt amb l'aplanament del seu espectre.

Finalment, són analitzats diferents dispositius que empren com a subsistema central el controlador de polarització basat en SBS. D'esta anàlisi es deriva una nova tècnica fotònica per a implementar filtres de microones tant de banda suprimida com de banda passant. El principi de funcionament es fonamenta en la rotació de l'estat de polarització de la banda d'interés utilitzant el controlador de polarització basat en SBS, en combinació amb una fotodetecció balancejada sensible a la polarització. Estos conceptes permeten la implementació d'un filtre d'una única etapa de fibra que es pot commutar dinàmicament d'una resposta rebutja banda a una resposta passa banda, incrementant així la seua flexibilitat i potencial aplicació. Les proves dutes a terme amb una sola etapa d'una fibra amb dispersió desplaçada mostren que és possible implementar una banda de rebuig amb un rebuig molt elevat de 67 dB. L'atenuació fora de banda en la configuració passa banda, que és de 30 dB, té un acompliment similar a altres filtres de microones fotònics basats en SBS.

[EN] Polarization is a fundamental property of light that has many implications in daily life as well as in the most advanced technological developments that employ light. Consequently, controlling the polarization of light represents a critical task that must be executed in most photonic systems. This process is extensively done by passive devices such as waveplates that induce a fixed amount of birefringence or by mechanical polarization controllers, whose main disadvantages are their inability to produce a specific type of birefringence (pure linear, circular, or elliptical) and their bulky designs, which make them unsuitable for integration. Consequently, research is focused on other types of polarization controllers, mainly based on metamaterials and nonlinear optic phenomena. When studying different nonlinear light-matter interactions, backward-stimulated Brillouin Scattering (SBS) emerges as an appealing candidate for performing polarization control of light. Its response to the stimulus of an intense light wave (pump) has polarization-dependent characteristics, and the nonlinear process requires the least optical power to be activated. Moreover, its frequency and bandwidth tuning flexibility have been continuously proven by altering the frequency response of the pumping wave.

This PhD Thesis is devoted to studying the polarization-dependent properties of SBS to achieve full polarization control of light in terms of birefringence, frequency, and bandwidth. Here, the theoretical background required to generate and control both the type and magnitude of the birefringence is provided, as well as differential group delay (DGD) and DGD dispersion (DGDD) in optical fibers. Experiments show these parameters can be dynamically changed with only slightly variation of the system's SBS-induced gain.

Next, it is shown that polarization can be controlled in a bandwidth wider than the natural Brillouin response and can also be tailored to provide a specific retardance profile. The spectral broadening of the SBS-based polarization controller is achieved through the engineering of Brillouin phase frequency response via feedback pump regulation, unlike previous schemes based on amplitude and time delay control. Retardance broadening from 51 MHz (natural SBS interaction) to 0.9 GHz, along with retardance spectrum flattening, is demonstrated.

Finally, different devices that employ the SBS-based polarization controller as a core subsystem are analyzed. This analysis derives a new photonic technique to implement both stopband and passband microwave filters. The principle of operation relies on rotating the state of polarization of the band of interest using the SBS-based polarization controller in combination with polarization-sensitive balanced photodetection. These concepts permit implementing a single-fiber stage filter that can be dynamically switched from a stopband response to a passband response, thus enhancing its flexibility and application potential. Tests carried out with a single stage of a dispersion-shifted fiber show that a very high rejection of 67 dB can be implemented in the stopband. Out-of-band attenuation in the passband configuration, which is 30 dB, performs similarly to other SBS-based microwave photonic filters.