Nonlinear optics in selectively fluid-filled photonic crystal fibers

Abstract

Selective filling of photonic crystal fibers with different media enables a plethora of possibilities in linear and nonlinear optics. Using the two-photon direct laser writing technique we demonstrate full flexibility of individual closing and subsequent filling of photonic crystal fibers with highly nonlinear liquids. We experimentally demonstrate a solitonic supercontinuum generation over 600nm bandwidth using a compact femtosecond oscillator as pump source. A nonlinear optofluidic coupler is built based on the developed technique that shows power dependent switching and all-optical control of the output. This device utilizes the ultrafast Kerr nonlinearity and hence switching times below 1 ps are feasible. Exploiting the thermo-optical properties of the liquids, the coupler can be tuned externally in its switching characteristics by temperature. To demonstrate the capabilities of our fiber devices to spatially control the light, we present the formation of spatial solitons in a discrete optofluidic nonlinear waveguide array, entering the field of discrete optofluidics. Our work is fundamentally important to the field of nonlinear effects and underpins new applications in sensing and communication technology. Selective filling of various materials will be the basis of new reconfigurable and versatile optical devices with unprecedented performance. Our devices allow tailoring of the dispersion, spatial coupling and spatial arrangement of a waveguide array, as well as the optical nonlinearity in a two-dimensional discrete system. Thus complete control is given of the optical properties of these here presented devices.

Selektives Befüllen von photonischen Kristallfasern mit verschiedensten Materialien eröffnet neue Möglichkeiten im Feld der linearen und nichtlinearen Optik. Durch das Verfahren des Zwei-Photonen-Schreibens erreichen wir volle Flexibilität beim individuellen Schließen und nachfolgendem Befüllen der photonischen Kristallfaser mit hochnichtlinearen Flüssigkeiten. Wir zeigen experimentell die Erzeugung eines solitonischen Supercontinuums mit einer Bandbreite von 600 nm, wobei ein kompakter Femtosekunden-Laseroszillator als Pumpquelle genutzt wurde. Ein nichtlinearer optofluidischer Koppler wurde auf Grundlage derselben Technik hergestellt. Dieser zeigt intensitätsabhängiges Schalten und rein optische Kontrolle des Ausgangs. Der Koppler nutzt dabei die ultraschnelle Kerr-Nichtlinearität, die Schaltzeiten unter 1 ps erlaubt. Darüber hinaus können die thermo-optischen Eigenschaften der Flüssigkeiten genutzt werden, um die Schaltcharakteristik zu beeinflussen. Die Möglichkeiten der räumlichen Kontrolle des Lichts in unseren Fasern zeigen wir durch die Erzeugung von räumlichen Solitonen in einem diskreten optofluidischen nichtlinearen Wellenleiterarray und betreten damit das Feld der diskreten Optofluidik. Unsere Arbeit ist fundamental für das Feld der nichtlinearen Optik und bietet neue Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich der Sensorik und der Kommunikationstechnik. Selektives Befüllen mit unterschiedlichen Materialien ist die Grundlage für neue und vielseitige optische Faserkomponenten mit noch nie dagewesenen Eigenschaften. Mit diesen Fasern ist es möglich die Dispersion, die räumliche Kopplung und Anordnung innerhalb eines Wellenleiterarrays genau den experimentellen Anforderungen anzupassen. Durch die Flüssigkeiten kann eine hohe optische Nichtlinearität in einem 2D diskreten optischen System erreicht werden. Daraus ergibt sich die komplette Kontrolle über die optischen Eigenschaften durch die hier vorgestellten Faserkomponenten.