Novel designs and applications of photonic crystal fibers

Abstract

Zuerst wird die Idee einer gechirpten photonischen Kristallfaser vorgestellt. Aus einem stark vereinfachten Modell, die qualitativen Eigenschaften dieses neuen Fasertyps abgeleitet. Hier gelingt es, alle wichtigen Designparameter zu bestimmen. Die hervorragenden Leitungseigenschaften dieser Fasern werden dann in Experimenten demonstriert. Ohne jegliche Dispersionskompensation wird die Übertragung eines 25 fs Impulses in einer 1 Meter langen Faser gezeigt. Wird zusätzlich eine Dispersionskompensation verwendet, lassen sich sogar Impulse mit weniger als 20 fs Dauer übertragen. Im Anschluss daran wird eine photonische Kristallfaser untersucht, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Die hergestellte Faser ist dahingehend optimiert, einen hoch effizienten Soliton-Fission Mechanismus zu ermöglichen, der zur Erzeugung von Weißlicht genutzt wird. Diese Weißlicht-Impulse haben eine mit Soliton-Fission bisher noch nie erreichte Energie von 390 nJ. Auf Grundlage einer guten Übereinstimmung mit den experimentellen Resultaten lässt sich aus numerischen Simulationen der zugrunde liegende Effekt bestimmen. Abschließend wird über ein Experiment berichtet, das die nichtlineare Wechselwirkung zwischen zwei Impulsen verschiedener Wellenlänge ausnutzt, um einen optischen Schalter zu verwirklichen. Dieses Experiment erfordert genaueste Kontrolle der Dispersion und der Nichtlinearität in der Faser. Bei der gleichzeitigen Propagation von zwei Impulsen wird ein neuartiger Schalteffekt beobachtet. Beide Impulse haben nahezu die gleiche Gruppengeschwindigkeit, und ihre nichtlineare Wechselwirkung basierend auf Kreuz-Phasen-Modulation wird dadurch deutlich verstärkt. Hiermit wird ein voll funktionsfähiger optischer Transistor mit gutem Schaltkontrast experimentell demonstriert, der insbesondere einen schwachen Impuls einen stärkeren Impuls schalten lässt.

First, the concept of a novel chirped photonic crystal fiber is introduced. The qualitative dispersion and loss properties of this new fiber are theoretically derived. The calculated results agree excellently with experimental data obtained from fabricated fiber samples. The superior guiding properties of this new photonic fiber are demonstrated in two experiments. The delivery of 25 fs pulses over a 1 meter distance is realized without any dispersion compensation. Moreover, using dispersion compensation, the delivery of even sub-20-fs pulses becomes possible. Subsequently, a photonic crystal fiber with a liquid core is investigated, work presents effective methods for the preparation and explains a scheme for successfully reducing the insertion loss. The fiber is optimized to support the highly efficient soliton-fission mechanism at unprecedented pulse energies in white-light supercontinuum generation. Because of the liquid core, the supercontinuum generation scheme can be scaled beyond the peak-power limitations of solid-core fibers. The generation of a two-octave spanning supercontinuum with 390 nJ pulse energy is demonstrated. The experimental results are compared to a numerical simulation and the underlying mechanism is identified. Finally, an experiment is presented that exploits strong nonlinear interaction of two pulses inside a photonic crystal fiber for all-optical switching. A novel effect is observed during the co-propagation of two ultrashort pulses with different wavelengths. Because of the dispersion properties in the chosen fiber, these pulses are propagating at nearly identical group velocities, which dramatically increases the nonlinear interaction via cross-phase modulation between the two pulses. Based on this interaction, a fully functional optical transistor is experimentally demonstrated with good switching contrast. In particular, the demonstrated optical transistor enables switching of a strong pulse by a much weaker pulse.