Optomechanical interactions in microstructured silica fibers

Optomechanische Wechselwirkungen in mikrostrukturierten Quarzglasfasern

  • This work is concerned with the optomechanical and optoacoustic interactions in microstructured optical fibers. The main focus lies on the study of novel aspects of the optomechanically induced nonlinearity that occurs in a new type of a microstructured silica fiber - the so-called "dual-nanoweb" fiber. This structure was conceived as a fiber waveguide with two ultra-thin optically coupled planar glass membranes (webs) suspended in air and attached to the walls of the fiber capillary. These webs can interact with each other in a highly nonlinear way through the overlapping of their evanescent fields. Light guided in the dual-nanoweb structure can exert attractive or repulsive optical pressurThis work is concerned with the optomechanical and optoacoustic interactions in microstructured optical fibers. The main focus lies on the study of novel aspects of the optomechanically induced nonlinearity that occurs in a new type of a microstructured silica fiber - the so-called "dual-nanoweb" fiber. This structure was conceived as a fiber waveguide with two ultra-thin optically coupled planar glass membranes (webs) suspended in air and attached to the walls of the fiber capillary. These webs can interact with each other in a highly nonlinear way through the overlapping of their evanescent fields. Light guided in the dual-nanoweb structure can exert attractive or repulsive optical pressure on the webs, causing them to be pushed together or pulled apart. The elastic deflection of the webs is, in turn, coupled to the electromagnetic field distribution and results in a nonlinear change in the effective refractive index within the fiber. This optomechanical effect can exceed the nonlinearity induced by the electronic Kerr effect by many orders of magnitude. In comparison to the established silicon-based optomechanical microdevices, the dual-web fiber offers the advantage of accumulating the nonlinear response as the webs are running along the entire length of the fiber. Furthermore, it is predicted that the optomechanical interaction can lead to a transverse self-trapping of the optical modes inside the fiber. A propagating beam in a planar dielectric slab waveguide is confined in the direction perpendicular to the slab due to the total internal reflection, while it is subject to diffraction within the slab plane. In the case of a dual-web fiber the beam induces a nonlinear refractive index change via the optomechanical coupling as it propagates, thus creating a channel for itself - an effect known in the field of spatial solitons. Indeed, it is verified that the optomechanical interaction in dual-web fiber can lead to formation of stable self-trapped beams that represent a novel kind of optical solitons. The dual-web fiber is fabricated from fused silica capillaries by adapting the "stack-and-draw" process previously used to make single nanoweb fibers. Owing to the flexibility of the fiber drawing process dual-web fibers with various structural parameters can be fabricated. Of special interest are fibers with a slightly convex web thickness profile, as they are intrinsic waveguides. The predicted optomechanical nonlinearity is demonstrated in a fabricated dual-web structure, and the experimental results are confirmed by the theoretical analysis. Another type of light-matter interaction studied here is the optoacoustic interaction via electrostriction in the core of a photonic crystal fiber. It is shown that coherent optically-driven acoustic waves, tightly guided in the core, can facilitate in-fiber dynamic optical isolation and all-optical switching, thus providing a new functionality that is beneficial in various types of all-optical systems.show moreshow less
  • Diese Arbeit beschäftigt sich mit den optomechanischen und optoakustischen Wechselwirkungen in mikrostrukturierten optischen Fasern. Der Schwerpunkt liegt auf der Analyse von neuen Aspekten der optomechanisch induzierten Nichtlinearität, die in einem neuen Typ von mikrostrukturierten Quarzglasfasern auftritt, den sogenannten Doppelnanoweb-Fasern. Diese Struktur wurde als ein Glasfaserwellenleiter mit ultradünnen optisch gekoppelten planaren Glasmembranen ("Webs"), die an den Wänden der Glasfaserkapillare befestigt sind, konzipiert. Diese Webs können miteinander in einer hoch nichtlinearen Weise über die sich überlappenden evaneszenten Felder wechselwirken. Das in der Doppelnanoweb-Faser gefüDiese Arbeit beschäftigt sich mit den optomechanischen und optoakustischen Wechselwirkungen in mikrostrukturierten optischen Fasern. Der Schwerpunkt liegt auf der Analyse von neuen Aspekten der optomechanisch induzierten Nichtlinearität, die in einem neuen Typ von mikrostrukturierten Quarzglasfasern auftritt, den sogenannten Doppelnanoweb-Fasern. Diese Struktur wurde als ein Glasfaserwellenleiter mit ultradünnen optisch gekoppelten planaren Glasmembranen ("Webs"), die an den Wänden der Glasfaserkapillare befestigt sind, konzipiert. Diese Webs können miteinander in einer hoch nichtlinearen Weise über die sich überlappenden evaneszenten Felder wechselwirken. Das in der Doppelnanoweb-Faser geführte Licht kann eine anziehende oder abstossende optische Kraft auf die Webs ausüben und somit dazu führen, dass diese aneinander gepresst oder auseinander gezogen werden. Die elastische Auslenkung der Webs ist wiederum an die Verteilung des elektromagnetischen Feldes gekoppelt und resultiert in einer nichtlinearen Änderung des effektiven Brechungsindex der Faser. Dieser optomechanische Effekt kann die Nichtlinearitäten, die im Falle des elektronischen Kerr-Effekts ausgelöst werden, um mehrere Grössenordnungen übertreffen. Im Vergleich zu den etablierten siliziumbasierten optomechanischen Mikroelementen, bietet die Doppelnanoweb-Faser den Vorteil, dass die nichtlineare Antwort kumulativ verstärkt wird, weil die Webs die komplette Länge der Faser durchziehen. Weiterhin wird vorhergesagt, dass die optomechanische Wechselwirkung zu transversalen Selbstfokussierung ("Self-trapping") der optischen Moden innerhalb der Faser führen kann. Ein sich in einem planaren dielektrischen Wellenleiter ausbreitender Strahl ist aufgrund der totalen inneren Reflektion in der Richtung senkrecht zur Ebene des Wellenleiters eingeschlossen, während er entlang dieser Ebene der Beugung ausgesetzt ist. Im Falle einer Doppelnanoweb-Faser induziert der Strahl eine nichtlineare Brechungsindex-Änderung aufgrund der optomechanischen Kopplung während der Propagation - ein Effekt der auch im Zusammenhang mit räumlichen Solitonen bekannt ist. Es wird verifiziert, dass die optomechanische Wechselwirkung in der Doppelnanoweb-Faser zur Bildung stabiler selbstfokussierter ("self-trapped") Strahlen führen kann, was eine neue Art optischer Solitonen repräsentiert. Die Doppelnanoweb-Faser wird aus Quarzglas-Kapillaren hergestellt, wobei das "Stapel - und Ziehverfahren" speziell erweitert wurde, das zuvor zur Herstellung von Single-Nanoweb-Fasern genutzt wurde. Aufgrund der Flexibilität des Herstellungsprozesses beim Faserziehen können Doppelnanoweb-Fasern mit verschiedenen strukturellen Parametern hergestellt werden. Von besonderem Interesse sind Fasern mit einem leicht konvexen Dickenprofil, da es sich hierbei um intrinsische Wellenleiter handelt. Die vorhergesagte optomechanische Nichtlinearität wird für eine so hergestellte Doppelnanoweb-Faser demonstriert und die experimentellen Ergebnisse werden durch eine theoretische Analyse bestätigt. Eine weitere Art von Licht-Materie Wechselwirkung, die hier untersucht wird, ist die optoakustische Wechselwirkung durch Elektrostriktion im Kern einer photonischen Kristallfaser. Es wird gezeigt, dass die kohärenten optisch-getriebenen akustischen Wellen, die eng im Kern geführt werden, die faserbasierte dynamische optische Isolierung und das rein-optische Schalten ("all-optical switching") ermöglichen und somit eine neue Funktionalität eröffnen, die in verschieden Typen von optischen Systemen von Nutzen sein kann.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Anna Butsch
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-34539
Advisor:Philip Russell
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/08/03
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2012/07/11
Release Date:2012/08/03
Tag:gekoppelte Wellenleiter; optische Isolierung; optisches Self-trapping; optomechanische Nichtlinearität; photonische Kristallfaser
coupled waveguides; optical isolation; optical self-trapping; optomechanical nonlinearity; photonic crystal fiber
SWD-Keyword:Mikrostrukturierte Lichtleitfaser; Nichtlineare Optik; Optisches Soliton; Stimulierte Brillouin-Streuung
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik

$Rev: 13581 $