Applications of fiber optical resonators in measurement and telecommunications technology
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2007-10-05
Major/Subject
Optical technology
Optinen teknologia
Optinen teknologia
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
58, [46]
Series
TKK dissertations, 84
Abstract
The advent of optical fibers has greatly impacted the modern technology landscape. Most notably, existing telecommunications infrastructure relies on optical fiber networks, which have the ability to transmit high-bandwidth data over considerable distances. Optical fibers have also visible foothold in the field of metrology, where they are used as sensors in various applications. An optical resonator is a basic building block of many optical devices, such as lasers, measurement probes, and optical signal processing equipment. In this dissertation we propose new methods and tools for metrology and general telecommunications sciences based on fiber optical resonators. Compared to conventional free-space technology, fiber resonators enable easy connectivity and they are shown to be robust against ambient perturbations. This thesis consists of two parts that concentrate on optical measurement and signal processing technology, respectively. The first part introduces new measurement schemes for fiber loss and minute birefringence quantification. A loss of an optical fiber medium is measured using a so-called fiber cavity ring-down method. In presence of an external source of loss, such as fiber bending or degradation, one may obtain information about the environment of the probe. Another scheme measures birefringence and, thus, the beat length of a short fiber section. We also suggest a computational method for resonator photon lifetime (also called resonator time constant) extraction under noisy signal conditions. We demonstrate that the developed algorithm may yield meaningful results even when conventional methods fail. The second part of the thesis deals with all-optical signal processing and temporal data synchronization. In a proof-of-principle experiment we perform an all-optical clock recovery for 21 parallel wavelength channels at two simultaneous data rates. The method relies on a birefringent optical resonator, whose transmission spectrum is used to filter carrier and sideband frequencies of return-to-zero-modulated data for multiple wavelength channels. In another clock recovery experiment we investigate the possibility to use sideband filtered signal, combined with a continuous wave light emitted at the carrier wavelength.Optiset kuidut ovat vaikuttaneet voimakkaasti tekniikan kehitykseen kahdenkymmenen viime vuoden aikana. Erityisesti tämä näkyy telekommunikaatiossa, jossa olemassaoleva kiinteä infrastruktuuri nojaa optisiin kuituverkkoihin. Optisten kuitujen erityisominaisuus on niiden kyky kuljettaa tietoa pitkiä etäisyyksiä suurella kaistanleveydellä. Optisia kuituja käytetään myös yleisesti mittaustekniikan eri anturisovelluksissa. Optisia resonaattoreita käytetään laajasti hyväksi mm. lasereissa, mittausantureissa ja optisissa signaalinkäsittelylaitteissa. Tässä väitöskirjassa esitellään uusia kuituoptisiin resonaattoreihin perustuvia menetelmiä ja työkaluja mittaus- ja telekommunikaatiotekniikan tarpeisiin. Verrattuna perinteisiin vapaan tilan optisiin komponentteihin, kuituresonaattorit tarjoavat helpon käytettävyyden mm. liitäntöjen suhteen. Optiset kuidut ovat osoittautuneet myös verrattain epäherkiksi ympäristöhäiriöille, kuten tärinälle. Väitöskirja koostuu kahdesta osasta, joista ensimmäinen keskittyy mittaustekniikan ja toinen telekommunikaatiotekniikan sovelluksiin. Ensimmäisessä osassa esitellään uusia mittausmenetelmiä kuidun häviön ja kahtaistaittavuuden mittaamiseen. Kuitumateriaalin häviö tai sen muutos mitataan ns. "cavity ring-down"-menetelmällä. Resonaattorin lisääntynyt häviö, johtuen esim. läpäisevyyden pienenemisestä tai kuidun taivutuksesta, voi antaa tietoa kuidun ympäristöstä. Toinen tutkittu menetelmä mittaa kuidun kahtaistaittavuutta ja siten kuidun jaksollista pituutta (engl. beat length). Väitöskirjassa esitetään myös uusi laskentamenetelmä resonaattorin aikavakion määrittämiseen kohinaisesta signaalista. Työssä kehitetty algoritmi antaa mielekkäitä tuloksia erittäin kohinaisesta signaalista silloinkin kun perinteiset laskentamenetelmät muuttuvat epätarkoiksi. Väitöskirjan toinen osa käsittelee optista signaalinkäsittelyä ja vastaanotettavan datan ajallista synkronointia. Esitämme optisen kellonpalautusmenetelmän (engl. clock recovery), jolla voidaan käsitellä useita yhtäaikaisia signaaleja. Toiminta osoitetaan 21 rinnakkaiselle aallonpituuskanavalle ja kahdelle eri datanopeudelle. Menetelmä perustuu kahtaistaittavaan optiseen resonaattoriin, jonka transmissiospektriä käytetään useiden kanto- ja sivutaajuuksien yhtäaikaiseen suodattamiseen. Toisessa kokeessa tutkitaan kellonpalautusmenetelmää, jossa useita sivutaajuuksia suodatetaan optisella resonaattorilla ja suodatetut taajuudet yhdistetään niitä vastaaviin jatkuvan valon kantotaajuuksiin.Description
Supervising professor
Ludvigsen, Hanne; DocentKeywords
optical fiber, resonator, cavity ring-down, clock recovery, birefringence, optinen kuitu, resonaattori, cavity ring-down, kellonpalautus, kahtaistaittavuus
Other note
Parts
- T. von Lerber and M. W. Sigrist, Cavity-ring-down principle for fiber-optic resonators: experimental realization of bending loss and evanescent-field sensing, Applied Optics 41, 3567-3575 (2002).
- T. von Lerber and M. W. Sigrist, Time constant extraction from noisy cavity ring-down signals, Chemical Physics Letters 353, 131-137 (2002).
- T. von Lerber, H. Ludvigsen, and A. Romann, Resonator based measurement technique for quantification of minute birefringence, Optics Express 12, 1363-1371 (2004).
- T. von Lerber, J. Tuominen, H. Ludvigsen, S. Honkanen, and F. Kueppers, Multichannel and rate all-optical clock recovery, IEEE Photonics Technology Letters 18, 1395-1397 (2006).
- T. von Lerber, J. Tuominen, H. Ludvigsen, S. Honkanen, and F. Küppers, Investigation of multiwavelength clock recovery based on heterodyne beats of sideband-filtered signal, Optics Communications 271, 87-90 (2007).