He-Ne broadening effect under acoustic wave over fiber optic Mach-Zehnder interferometer

Orientador: Evandro ConfortiTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Analisa-se neste trabalho o efeito que o ruído acústico incidente sobre a fibra óptica tem na medida da largura de linha espectral do laser HeNe, utilizando experimentalmente o método auto-homódino com um interferômetro de Mach-Zehnder desbalanceado. O interferômetro tem um ramo com dois quilômetros mais longo que o outro, sendo a fibra enrolada em forma de bobina. As fases dos feixes da luz do laser são descorrelacionadas por atraso relativo dado pela bobina. Por razões práticas a linha de atraso foi construída com comprimento muito menor que o requerido, o que não atende a condição de não-correlação, na qual o tempo de atraso relativo é maior que o tempo de coerência do laser. Os resultados experimentais mostram que a linha espectral tem alta correlação com uma linha lorentziana e que a linha é alargada por intensificação do ruído acústico sobre a bobina de fibra. A abordagem teórica considera que o ruído acústico sobre a bobina tem os efeitos de levar o interferômetro a um regime quasi-coerente, descorrelacionando parcialmente as fases e de alargar a linha espectral por intensificação do ruído acústico nas ressonâncias da bobina. Simula-se o alargamento da linha com introdução de uma modulação harmônica no interferômetro. A simulação da bobina, modelada como uma casca cilíndrica de sílica com incidência de uma onda acústica calcula a variação do índice de refração, nas frequências próprias da casca cilíndrica. A partir destes resultados calcula-se o índice de modulação da onda acústica, com a técnica da matriz de transferência e obtêm-se, no espectro simulado com modulação de fase, a linha espectral alargada. Na parte experimental, o interferômetro foi montado em câmara de vácuo para controlar a intensidade do ruído acústico. Nas medições, o ruído acústico descorrelaciona as ondas por modulação. Devido a este efeito, a linha medida tem alta correlação com uma lorentziana e largura que aumenta com a pressão, que é a hipótese do presente trabalhoAbstract: We experimentally analyze the acoustic noise effect on the measurement of the HeNe laser spectral linewidth, using an unbalanced optical fiber Mach-Zehnder interferometer, with a two kilometers longer arm. The fiber is wounded on a reel. The measured spectra with self homodyne detection is a process where the original laser signal is split, propagate in the two arms, are coupled together before detection by a photo-diode. The measured signals are non-coherent, given by the relative delay longer than the coherence time in the long arm. For practical reasons, the delay line was built with a much shorter length than required to analyze the laser line, which limits the delay to a value smaller than the coherence time. The theoretical approach here considers the acoustic noise on the longer arm forcing the interferometer system to a quasi-coherent, partially uncorrelating regime. The overall effect is a broadening of the spectral line by the enhancement of acoustic noise in coil fiber resonances. The enlargement of the spectral line is simulated using the introduction of a harmonic modulation wave in the non-coherent regime. A three-dimensional simulation of the optical fiber coil shaped like a silica cylindrical shell, with incidence of an acoustic wave, calculates the variations of refractive index in the natural frequencies of the cylindrical shell through the elasto-optic tensor. The refractive index variation of this model is applied to obtain the modulation index of the light in the fiber, using the transfer matrix technique to simulate the phase modulated spectrum. In the experimental bench, the interferometer is mounted in a vacuum chamber to control the intensity of the acoustic noise effect. The results exhibit increasing spectral linewidth with the air pressure, always preserving a high correlation with a Lorentzian line. In the simulation of the interferometer with phase modulated ligth signals, the spectral line is also broadened. The experimental results is in agreement with the hypothesis of spectral line broadening caused by phase uncorrelated waves whose uncorrelation is enhanced by the acoustic noise random effects in the interferometer long arm optical fiber reelDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutor em Engenharia Elétric