Soliton dynamics and supercontinuum generation in complex-shaped tapered fibers and liquid-filled photonic crystal fibers

Abstract

This thesis is devoted to the nonlinear pulse propagation in microstructured optical fibers with a special focus on the dynamics of solitons and their evolution to an octave-spanning supercontinuum. On the experimental side, the design and realization of a fabrication setup for the production of complex-shaped tapered fibers are presented. To achieve fiber profiles with diameters in the range of a few micrometers over several centimeters fiber length with high accuracy and reproducibility, the motors drawing the fiber and moving the heating device, which softens the fiber to enable its deformation, are computer-controlled. The according motion commands which generate a certain fiber profile are determined by a newly developed model of the tapering procedure which takes into account the temperature distribution as well as the movements of the involved motors, allowing new kinds of fiber profiles such as asymmetric or sinusoidally modulated waists. Diameter measurements of produced complex-shaped fiber profiles show an excellent agreement to the simulated ones. The basic steps in the fabrication of selectively filled photonic crystal fibers are presented. These fibers are predicted to offer plenty of new applications such as supercontinuum generation with low-power input sources, the formation of spatio-temporal solitons, or nonlinear couplers. To support the experimental results, a simulation tool is developed, which solves the Nonlinear Schrödinger Equation by the implementation of the symmetrized split-step Fourier method and which is capable of simulating the nonlinear propagation of ultrafast pulses in all kinds of microstructured fibers. In a previous step, all fiber parameters such as its dispersion coefficients and nonlinear parameter are derived. The simulation tool is applied to the case of conically shaped waists of tapered fibers. The results approve the experimental findings, which indicate a strong dependence of the output spectra on input power and incoupling direction. This can be attributed to group-velocity matching and soliton trapping. If nonlinear liquids are chosen as the carrier medium filled in the single strand of a photonic crystal fiber, the retarded responses of their polarizability on the incoming fields become important. By means of simulations of a properly designed hypothetic medium, it is shown that for a given retarded response and an appropriately chosen input pulse duration the soliton fission length can be dramatically increased, which leads to the suppression of soliton fission, which is interesting for certain applications.

Diese Arbeit ist der nichtlinearen Pulspropagation in mikrostrukturierten Fasern mit einem speziellen Fokus auf der Solitonendynamik und ihrer Entwicklung zu einem oktavbreiten Superkontinuum gewidmet. Auf der experimentellen Seite werden der Entwurf und die Realisierung einer Ziehanlage für die Herstellung von gezogenen Fasern mit komplexer Form vorgestellt. Um Faserprofile mit Durchmessern im Bereich weniger Mikrometer über eine Faserlänge von mehreren Zentimeter mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu erreichen, sind die Motoren computergesteuert, die die Faser auseinanderziehen und die Heizquelle, die die Faser anschmilzt und somit verformbar macht, bewegen. Die dazugehörigen Steuerungsbefehle, die ein bestimmtes Faserprofil erzeugen, werden durch ein neu entwickeltes Modell des Ziehprozesses bestimmt, das sowohl die Temperaturverteilung der Heizquelle als auch ihre Bewegung berücksichtigt. Dadurch werden neue Profile wie asymmetrische oder sinusförmig modulierte Fasertaillen möglich. Durchmessermessungen der Profile von hergestellten komplexen Faserformen zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den simulierten. Die grundlegenden Schritte zur Herstellung einer selektiv gefüllten Photonischen Kristallfaser werden vorgestellt. Es wird vorhergesagt, dass diese Fasern eine Vielfalt neuer Anwendungen wie Weißlichterzeugung mit geringer Eingangsleistung, die Formung von Raumzeitsolitonen und nichtlineare Koppler ermöglichen. Um die experimentellen Ergebnisse zu unterstützen, wird ein Simulationswerkzeug entwickelt, das durch die Umsetzung der symmetrischen schrittweisen Fourier-Methode die Nichtlineare Schrödingergleichung löst und fähig ist, die nichtlineare Pulspropagation von ultraschnellen Lichtpulsen in allen Arten von mikrostrukturierten Fasern zu simulieren. Dazu werden alle Faserparameter wie Dispersionskoeffizienten und Nichtlinearitäten hergeleitet. Das Simulationswerkzeug wird auf den Fall von konisch geformten Fasertaillen angewendet. Die Ergebnisse stimmen mit den experimentellen Befunden dahingehend überein, dass eine starke Abhängigkeit der Ausgangsspektra von der Eingangspulsdauer und Einkopplungsrichtung beobachtet wird. Diese kann mittels Gruppengeschwindigkeitsanpassung und Solitoneneinfang erklärt werden. Wenn eine nichtlineare Flüssigkeit als Trägermedium in ein Loch einer Photonischen Kristallfaser eingefüllt wird, steigt die Bedeutung der verzögerten Antwort der Polarisierbarkeit auf die einfallenden Felder. Mit Hilfe der Simulationen eines geschickt entworfenen hypothetischen Mediums wird gezeigt, dass für eine gegebene verzögerte Antwort und eine geeignete Eingangspulsdauer die Solitonenspaltungslänge dramatisch ansteigt. Dies führt zu einer Unterdrückung der Solitonenspaltung, was für diverse Anwendungen von Interesse ist.