Optomechanical Nonlinear Dynamics in Microstructured Dual-Nanoweb Fiber

Optomechanische nichtlineare Dynamik in der mikrostrukturierten Doppel-Nanoweb-Faser

  • Recently, strong optomechanical interactions have been investigated in a novel microstructured optical fiber made from fused silica glass, the dual-nanoweb fiber. Its optical waveguide region is formed by two closely-spaced ultra-thin membranes ("nanowebs"), suspended inside a capillary and acting as optically coupled planar waveguides. Light guided in supermodes induces transverse gradient forces deflecting the nanowebs, so that the modal refractive indices strongly increase with launched optical power. The scope of this thesis is to investigate various dynamical effects of this optomechanical nonlinearity, occuring when flexural resonances of the nanowebs are driven. Initially, an interfRecently, strong optomechanical interactions have been investigated in a novel microstructured optical fiber made from fused silica glass, the dual-nanoweb fiber. Its optical waveguide region is formed by two closely-spaced ultra-thin membranes ("nanowebs"), suspended inside a capillary and acting as optically coupled planar waveguides. Light guided in supermodes induces transverse gradient forces deflecting the nanowebs, so that the modal refractive indices strongly increase with launched optical power. The scope of this thesis is to investigate various dynamical effects of this optomechanical nonlinearity, occuring when flexural resonances of the nanowebs are driven. Initially, an interferometric pump-probe technique is applied to explore the dependence of the optomechanical frequency response on gas pressure in the vicinity of the fundamental flexural resonance. Its mechanical quality factor, strongly affected over a wide pressure range by gas damping in the hollow fiber channels, is in vacuum 200 times larger than at atmospheric pressure, with the resonant optomechanical nonlinearity exceeding the Kerr nonlinearity by a factor of 60 000. Under these conditions, the resonance is observed to break up into a cluster of narrow peaks due to structural non-uniformities along the fiber. Furthermore, the gas layer squeezed in the unusually narrow slot between the nanowebs is found to enhance their instrinsic mechanical stiffness significantly: when filled with argon or helium, the fundamental flexural frequency upshifts with pressure, 15 times more sensitive than in micro-electro-mechanical devices. All findings fit to an analytical model and could be potentially exploited as a precise resonant pressure sensor. An unexpected effect is observed in an evacuated dual-nanoweb fiber when pumped with a few mW of continuous-wave laser light: a strong intensity-modulation of the transmitted light indicates optically-driven self-oscillations of the nanowebs when the pump power exceeds a threshold. At the same time, a remarkably symmetric optical frequency comb with several Stokes and anti-Stokes lines, spaced by the fundamental flexural frequency, is detected at the fiber output. The underlying mechanism is noise-induced stimulated Raman-like scattering (SRLS) into sidebands within the fundamental optical mode, providing an unprecedentedly high gain roughly five orders of magnitude larger than in a photonic crystal fiber. In strong contrast to the experiment, however, theory predicts full gain suppression as the rates of phonon-creation in pump-to-Stokes transitions and phonon-annihilation in pump-to-anti-Stokes transitions are identical, preventing a phonon population from building up. To resolve this contradiction, nanoweb vibrations are mapped out along the fiber at high spatial and spectral resolution with an interferometric side-probing technique capable of detecting peak deflections as small as 10 pm. Confirmed by a detailed theory, the results show that structural non-uniformities enable stimulated inter-modal scattering into a higher-order optical mode to frustrate intra-modal SRLS gain suppression, permitting the structure to self-oscillate. This novel mechanism allows to design single-pass optomechanical oscillators requiring only a few mW optical power, without any electronics or optical resonators. Such a design could also be implemented in silicon or any other suitable material. When the beat-note of a pump and Stokes wave drives SRLS transitions, the response of the nanoweb vibrations to varying optical fields at the input is synchronous along the whole fiber. This remarkable property enables precise coherent control of the nanoweb peak deflection over a macroscopic length. For this, the driving beat-note is, at constant optical power, phase-modulated using a square wave with a period shorter than the phonon lifetime. Theory and experiments reveal that the energy of the vibrations can be tuned over a large dynamic range (and even suppressed) solely by varying the phase-modulation amplitude. Additionally, the response time of the vibrations can be engineered with an impulsive intensity increase synchronized to the phase-modulation. Interestingly, this technique is robust against structural non-uniformities of the fiber and might enable feed-back stabilization of the nanoweb peak deflection without changing the driving optical power.show moreshow less
  • Kürzlich wurden starke optomechanische Wechselwirkungen in einer neuartigen mikrostrukturierten optischen Quarzglas-Faser, der Doppel-Nanoweb-Faser, untersucht. Ihre lichtleitende Struktur besteht aus zwei dicht beieinanderliegenden hauchdünnen Membranen, die als optisch gekoppelte planare Wellenleiter dienen und an den Innenwänden einer Glaskapillare befestigt sind. Wenn Licht in Supermoden dieser Struktur geführt wird, lenken dadurch induzierte optische Gradientenkräfte die Nanowebs so aus, dass die Brechungsindices der Supermoden mit der eingekoppelten Lichtleistung stark ansteigen. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, dynamische Effekte dieser optomechanischen Nichtlinearität zu unterKürzlich wurden starke optomechanische Wechselwirkungen in einer neuartigen mikrostrukturierten optischen Quarzglas-Faser, der Doppel-Nanoweb-Faser, untersucht. Ihre lichtleitende Struktur besteht aus zwei dicht beieinanderliegenden hauchdünnen Membranen, die als optisch gekoppelte planare Wellenleiter dienen und an den Innenwänden einer Glaskapillare befestigt sind. Wenn Licht in Supermoden dieser Struktur geführt wird, lenken dadurch induzierte optische Gradientenkräfte die Nanowebs so aus, dass die Brechungsindices der Supermoden mit der eingekoppelten Lichtleistung stark ansteigen. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, dynamische Effekte dieser optomechanischen Nichtlinearität zu untersuchen, die speziell dann auftreten, wenn mechanische Resonanzen der Nanowebs angeregt werden. Zunächst untersucht eine Messreihe mit Hilfe eines Pump-Probe-Inteferometers den Einfluss von Gasdruck auf die Frequenzantwort der optomechanischen Nichtlinearität nahe der fundamentalen mechanischen Resonanz der Nanowebs. Ihr Gütefaktor, der über einen weiten Druckbereich hauptsächlich der Gasdämpfung in den Hohlkanälen der Faser unterliegt, übersteigt seinen Wert unter Atmosphärendruck in Vakuum um einen Faktor 200, so dass dort die resonante optomechanische Nichtlinearität 60 000 mal stärker als die elektronische Kerr-Nichtlinearität ist. Unter diesen Bedingungen spaltet sich die Resonanz aufgrund von strukturellen Unregelmäßigkeiten entlang der Faser in viele dicht beieinanderliegende, schmale Peaks auf. Gleichzeitig beeinflusst der Gas-Film in der ungewöhnlich schmalen Lücke zwischen den Nanowebs stark deren mechanische Steifigkeit: wenn die Doppel-Nanoweb-Faser mit Argon oder Helium gefüllt wird, steigt die Frequenz der fundamentalen Resonanz mit dem Gasdruck 15 mal stärker als in mikro-elektromechanischen Systemen an. Diese Beobachtungen werden gut durch ein rein analytisches Modell beschrieben und könnten die Entwicklung eines faser-optischen resonanten Drucksensors ermöglichen. In einer vollständig evakuierten Doppel-Nanoweb-Faser tritt ein unerwarteter Effekt auf, wenn Infrarotlicht eines Dauerstrich-Lasers mit einer Leistung von einigen Milliwatt eingekoppelt wird: eine unvermittelte Intensitätsmodulation des transmittierten Lichts weist auf selbstinduzierte Oszillationen der Nanowebs hin, die genau dann optisch angeregt werden, wenn die eingekoppelte Lichtleistung einen Grenzwert übersteigt. Gleichzeitig wird im Lichtspektrum ein erstaunlich symmetrischer optischer Frequenzkamm nachgewiesen, dessen Linienabstand der fundamentalen mechanischen Resonanzfrequenz der Nanowebs entspricht. Der zugrundeliegende Mechanismus wird als rausch-induzierte stimulierte Raman-artige Streuung in Seitenbänder innerhalb der optischen Grundmode identifiziert, deren bisher unerreichter parameterischer Gewinn den in einer photonischen Festkern-Kristallfaser um fünf Größenordnungen übersteigt. Im Widerspruch zu den Experimenten erwartet eine theoretisches Modell jedoch eine vollständige Unterdrückung des Gewinns, weil die Erzeugungs- und Vernichtungsraten der Phononen im Wesentlichen identisch sind und dadurch das Anwachsen einer Population von Phononen verhindert wird. Um diesen Widerspruch aufzulösen, werden die Nanoweb-Vibrationen mit Hilfe eines Interferometers von der Seite der Faser sowohl frequenz- als auch ortsaufgelöst abgebildet. Mit diesem Messverfahren können Auslenkungen der Nanowebs bis hin zu einer Amplitude von nur 10 pm festgestellt werden. Die gewonnenen Daten zeigen, dass stimulierte intermodale Streuung unter Ausnützen der strukturellen Unregelmäßigkeiten die Unterdrückung des parametrischen Gewinns aufhebt. Wie eine detaillierte theoretische Analyse endgültig bestätigt, ermöglicht dies letztlich die Selbst-Oszillationen der Nanowebs. Dieser neuartige Mechanismus könnte zur Herstellung von optomechanischen Oszillatoren eingesetzt werden, die nur auf einen einzigen Durchlauf des Lichts angewiesen sind und keinerlei Elektronik oder optische Resonatoren benötigen. Dieses Prinzip könnte auch in Silizium oder anderen geeigneten Materialien angewendet werden. Wenn der Raman-artige Streuprozess aktiv durch die Schwebung einer Pump- und Stokes-Welle angetrieben wird, erzeugt eine Änderung des optischen Eingangssignals eine synchrone Zeitantwort der Nanoweb-Vibrationen entlang der gesamten Faser. Diese herausragende Eigenschaft ermöglicht, die Auslenkungsamplitude der Nanowebs über eine makroskopische Länge präzise durch kohärente Kontrolle zu steuern. Dazu wird die antreibende Schwebung bei konstanter Lichtleistung mit einem Rechteck-Signal phasenmoduliert, dessen Periode kleiner als die Phonon-Lebensdauer ist. Theorie und Experimente zeigen, dass die Schwingungsenergie der Nanowebs über die Amplitude der Phasenmodulation innerhalb eines großen dynamischen Bereichs geregelt (und sogar vollständig unterdrückt) werden kann. Zusätzlich kann mit Hilfe dieses Verfahrens die Zeitkonstante der Vibrationsantwort reduziert werden, wenn synchron zur Phasenmodulation die Lichtleistung impulsartig erhöht wird. Interessanterweise stellt sich diese Technik als robust gegenüber den strukturellen Unregelmäßigkeiten entlang der Doppel-Nanoweb-Faser heraus und könnte letztlich eine Feedback-Stabilisierung der Vibrationsamplitude ermöglichen, die ohne Regelung der Lichtleistung auskommt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Johannes Köhler
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-87268
Advisor:Philip Russell
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/08/23
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2017/06/29
Release Date:2017/09/05
Tag:Optischer Gradientendruck; Selbst-Oszillation; gekoppelte Wellenleiter; kohärente Kontrolle; optomechanische Nichtlinearität
coherent control; coupled waveguides; optical gradient pressure; optomechanical nonlinearity; self-oscillation
SWD-Keyword:Harmonischer Oszillator; Mikrostrukturierte Lichtleitfaser; Modenkopplung; Nichtlineare Optik; Optomechanik; Schwingungsdämpfung; Stimulierte Brillouin-Streuung; Stimulierter Raman-Effekt; Strahlungsdruck
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
PACS-Classification:40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.65.-k Nonlinear optics / 42.65.Wi Nonlinear waveguides
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht

$Rev: 13581 $