Włókna i światłowody fotoniczne

02-05-2013

fotoniczne1

ŚWIATŁOWODY FOTONICZNE (z ang. photonic crystal fibers-PCF's) są cienkimi włóknami posiadającymi regularną strukturę mikrootworów rozciągających się wzdłuż całej długości włókna. Periodyczność tej struktury jest złamana poprzez istnienie centralnego defektu, w którym propaguje się światło [1,2]. Jednym z mechanizmów odpowiedzialnych za jego prowadzenie, jest zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła, które podobnie jak w zwykłych światłowodach powstaje w wyniku różnicy pomiędzy większą wartością współczynnika załamania defektu, a mniejszą efektywnego współczynnika załamania płaszcza fotonicznego. W światłowodach fotonicznych spotykamy się również z drugim mechanizmem prowadzenia światła, opartym na tak zwanej przerwie fotonicznej (z ang. photonic bandgap-PBG). PBG, będąca optyczną analogią występujących w półprzewodnikach pasm wzbronionych i definiującą zakres długości fali, dla których światło nie może rozchodzić się w światłowodzie [3].

Obszarem, w którym w ostatnich czterech latach wykorzystanie tego typu włókien szczególnie wyraźnie przyczyniło się do jego dynamicznego rozwoju jest optyka nieliniowa [4,5]. Związane jest to z nową klasą światłowodów fotonicznych charakteryzujących się wysoce nieliniowymi własnościami, co czyni je znacznie lepszym ośrodkiem nieliniowym w porównaniu do światłowodów standardowych.

Obecnie włókna PCF są uznawane za bardzo interesujący ośrodek do badania zjawisk nieliniowych, ze względu na możliwość uzyskania wysokich wartości współczynnika nieliniowości.

Wysoce nieliniowe światłowody fotoniczne posiadają z reguły niewielki rdzeń otoczony fotonicznym płaszczem, którego przeważającą część stanowi powietrze. Dzięki temu uzyskujemy silną lokalizację światła, co przejawia się znacznym zwiększeniem współczynnika nieliniowości. Poprzez właściwy dobór rozmiarów rdzenia oraz własności dyspersyjnych światłowodu możliwe jest otrzymanie szerokiego widma, powstającego w wyniku propagacji krótkich, femtosekundowych impulsów laserowych w światłowodzie. Zjawisko to nazywane jest generacją supercontinuum (z ang. supercontinuum-SC) i w światłowodach fotonicznych po raz pierwszy zaobserwowane zostało w 2000roku. Ranka i in. otrzymali widmo o szerokości ponad 1000nm używając 75cm światłowodu fotonicznego. Włókno pompowane było laserem impulsowym 100fs o długości fali 790nm.

Otrzymywane supercontinuum w światłowodach fotonicznych uzyskuje się dzięki możliwości zaprojektowania struktury o anormalnej dyspersji w obszarze bliskim widmu widzialnemu. Dzięki temu można otrzymać włókno o zerowej dyspersji położone w pobliżu długości fali impulsu pompującego. Do unikalnych własności supercontinuum generowanego w światłowodach fotonicznych należy zaliczyć niskie moce (8kW) i stosunkowo długi czas impulsu wejściowego (120fs) pozwalające na otrzymanie spójnego oraz bardzo szerokiego widma kontinuum, które znalazło zastosowanie w metrologii częstotliwości, spektroskopii, kompresji impulsów oraz tomografii optycznej (z ang. optical coherence tomography-OCT) [6,8].

Zjawisko generacji supercontinuum stwierdzono eksperymentalnie w światłowodach po raz pierwszy w 1976roku, gdzie włókno było pompowane przez laser barwnikowy [11]. W tym przypadku za generację poszerzonego widma odpowiadały zjawiska wymuszonego rozpraszania Ramana (SRS) oraz samomodulacji fazy (SPM). W latach 80-tych przedstawiono wiele prac teoretycznych i eksperymentalnych wyjaśniających związek SRS z generacja supercontinuum [12]. W latach 90 generacja supercontinnum nie przyciągała zainteresowania badaczy poza nielicznymi choć również interesującymi pracami np. demonstracja 100 kanałów gęstej miltipleksji sygnałów w dziedzinie widmowej (WDM) przy użyciu supercontinuum o szerokości widma 170nm generowanego za pomocą impulsów 10ps [13]. Dopiero generacja supercontinuum w światłowodach fotonicznych spowodowało lawinowy wzrost zainteresowania ta tematyką.

Wykorzystanie światłowodów fotonicznych pozwoliło również zaobserwować wiele zjawisk nieliniowych takich jak: kompresja impulsu, propagacja solitonów, czy też efektywne mieszanie czterech fal (z ang. Four Wave Mixing-FWM), których występowanie w światłowodach klasycznych było znacznie słabsze.

Większość dotychczas przeprowadzonych badań zjawisk nieliniowych w światłowodach fotonicznych prowadzona była w oparciu o światłowody wykonane ze szkła krzemionkowego [6,7]. W najnowszych pracach przedstawione zostały także światłowody wytworzone ze szkieł wieloskładnikowych [8,10]. W ostatnim roku pojawiły się prace, w których badano generacje supercontinuum dla dwójłomnych światłowodów fotonicznych wykonanych ze szkła krzemionkowego [14,15]. Dla polaryzacji liniowej światła wejściowego dopasowanej do osi głównych światłowodu, zaobserwowano taką samą polaryzację również w przypadku składowych widma supercontinuum. Ponadto otrzymane charakterystyki widma różniły się od siebie.

Podobne wyniki otrzymaliśmy przy badaniu własności nieliniowych światłowodów fotonicznych wytworzonych przez ZS ITME i badanych przez ZOI UW oraz LPU UW. Wytworzony został światłowód fotoniczny ze szkła wysokoołowiowego i silnie eliptycznym rdzeniu (Rys.1).

rys1a rys1b

Rys. 1. Fotografia wykonana mikroskopem elektronowym światłowodu fotonicznego nieliniowego o silnie eliptycznym rdzeniu. Światłowód został wykonany przez ZS ITME.

Na podstawie otrzymanej struktury przy uwzględnieniu dyspersji materiałowej użytego szkła obliczono dyspersję światłowodu (Rys.2). Ze względu na dwójłomność włókna składowe polaryzacyjne maja rożną wartość zerowej dyspersji która wynosi odpowiednio 1025nm i 1075 nm.

rys2

Rys. 2. Obliczona dyspersja swiatłowodu nieliniowego na podstawie rzeczywistej struktury.
Obliczenia zostały wykonane przez ZOI UW.

Ze względu na wartość dyspersji szerokiego widma supercontinuum należy się spodziewać w tym przypadku przy użyciu jako źródła pompującego lasera o długości fali emisji 1063nm (np. laser mikrochipowy Q-swiched Nd3+). Eksperyment został przeprowadzony jednak z dostępnym w LPU UW laserem Ti:Saphire emitujący światło o długości fali 790nm lub 820nm o średniej mocy 150mW przy długości impulsu 50fs. W wyniku przeprowadzonego eksperymentu otrzymano ponad trzykrotne poszerzenie impulsu (Rys.3), a poszerzenie widma było zależne od polaryzacji impulsu.

rys3a rys3b

(a) (b)
Rys. 3. Poszerzenie widma na odcinku 39cm światłowodu fotonicznego z Rys.1.
Światłowód był pompowany impulsami od długosci 50fs z lasera Ti:sapphire.
Eksperyment przeprowadzono dla dwóch długosci fali: 790nm (a) and 820nm (b).
Badania zostały przeprowadzone przez LPU UW.

To samo włókno światłowodowe było badane przez grupę A. Zheltikova w International Laser Center Moscow w Rosji. Przy użyciu lasera femtosekundowego ze układem wzmacniającym emitującym światło o długości fali 680nm o średniej mocy 500mW. Otrzymano poszerzenie widma w zakresie 480÷890nm (Rys.4).

rys4

Rys. 4. Poszerzenie widma w światłowodzie fotonicznym z Rys.1. Badania zostały przeprowadzone w International Laser Center Moscow w Rosji.

Podjęcie badań z użyciem szkieł wieloskładnikowych uzasadnione jest ich dobrymi własnościami nieliniowymi, do których można zaliczyć wysoki nieliniowy współczynnik załamania, który przykładowo dla szkła krzemianowego typu SF57 wynosi 4,1*10-19m2/W i jest o cały rząd wielkości większy w stosunku do szkła krzemionkowego, gdzie n2 jest równe 3,2*10-20m2/W. Ponadto dzięki wyższym wartościom współczynnika załamania tej klasy szkieł (1,52÷2,2) możliwe jest otrzymanie większej gęstości mocy. Własności te umożliwiły uzyskanie ponad 550 razy większej wartości współczynnika nieliniowości w porównaniu do standartowych światłowodach krzemionkowych [9]. Mimo dużej tłumienności szkieł wieloskładnikowych, niewielkie długości odcinków światłowodów (np. 75cm [6]) używanych do otrzymywania zjawisk nieliniowych, nie są parametrem krytycznym w przypadku tego typu zastosowań.Powyższy skrótowy opis stanu technologii i rozwiązań projektowych prowadzi do wniosku że istnieje duży potencjał w wykorzystaniu światłowodów fotonicznych do generacji supercontinuum. w szczególności światłowodów fotonicznych zbudowanych ze szkieł wieloskładnikowych. Jednak ze względu na trudno dostępną technologie wytwarzania światłowodów ze szkieł wieloskładnikowych większość prac dotyczy światłowodów ze szkieł kwarcowych mimo ich znacznie gorszych własności nieliniowych. Technologia światłowodów fotonicznych ze szkieł kwarcowych jest popularna dzięki jej uniwersalności i potencjalnym możliwościom zastosowań tych światłowodów w masowych produktach w dziedzinie telekomunikacji. Technologia związana ze szkłami wieloskładnikowymi jest technologia niszową. Jej produkty mogą znaleźć zastosowanie w specyficznych urządzeniach a nie na masowym rynku. Takim idealnym niszowym rynkiem dla światłowodów fotonicznych wieloskładnikowych wydaje się być rynek szerokopasmowych źródeł światła typu supercontinuum.

LITERATURA

  1. Bjarklev, J. Broeng, A. S. Bjarklev, "Photonic Crystal Fibres" Springer (2003).
  2. J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, "Properties of photonic crystal fiber and the effective index model" J. Opt. Soc. Amer., vol. A15, p. 748, (1998).
  3. J. Broeng i inni, "Photonic crystal fibers: a new class of optical waveguides" Optical Fiber Technology 5, 305 (1999).
  4. A. Majewski, "Nieliniowa optyka światłowodowa ? zagadnienia wybrane" Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej Warszawa (1993).
  5. G. Agraval, "Nonlinear Fiber Optics" Academic Press, San Diego, (2001), 3rd ed.
  6. J. K. Ranka, R. S. Windeler, A. J. Stenz, "Visible continuum generation in air-sillica microstructure optical fibrs with anomlous dispersion at 800nm" Opt. Lett. 25, 25-27 (2000).
  7. B. R. Washburn, S. E. Ralph, and R. S. Windeler, "Ultrashort pulse propagation in air-silica microstructure fiber" Opt. Express 10, 575-580 (2002).
  8. A. V. Husakou, J. Herrmann, "Supercontinuum generation in photonic crystal fibers made from highly nonlinear glasses" Appl. Phys. B 77, 2227-234 (2003).
  9. P. Petropoulos, H. Ebendorff-Heidepriem, V. Finazzi, R. C. Moore, K. Frampton, D. J. Richardson, and T. M. Monro, "Highly nonlinear and anomalously dispersive lead silicate glass holey fibers" Opt. Express 11, 3568-3573 (2003).
  10. Kumar, A. K. George, J. C. Knight, and P. S. J. Russell, "Tellurite photonic crystal fiber" Opt. Express 11, 2641-2645 (2003).
  11. R. H. Stolin, C. Lin, "New nanosecond continuum for excited-state spectroscopy" Appl. Phys. Lett. 28 216 (1976).
  12. J. Gersten, R. R. Alfano, M. Belic, "Combinded stimulated Raman scattering and continuum self-phase modulations" Phys. Rev. A 21 1122 (1980).
  13. T. Morioka, K. Mori, M. Saruwatari, "More than 100-wavelength-channel picosecton optical pulse generation from singel laser source using supercontinuum in optical fibers" Electron. Lett. 29 862 (1993).
  14. M. Lehtonen, G. Genty, H. Ludvigsen, "Supercontinuum generation in a highly birefringent microstructured fiber" Appl. Phys. Lett., Vol.82 , No. 14, 2197-2199 (2003).
  15. Z. Zhu and T. G. Brown, "Experimental studies of polarization properties of supercontinua generated in a birefringent photonic crystal fiber" Opt. Express 12, 791-796 (2004).