Badanie stabilności i szerokości spektralnej widma superkontinuum w całoszklanych włóknach fotonicznych w zakresie dyspersji normalnej

Generacja superkontinuum w światłowodach fotonicznych jest tematem zainteresowania badaczy już od kilkunastu lat. Typowe widmo superkontinuum jest generowane w światłowodach fotonicznych z dyspersją anomalną za sprawą sekwencji efektów nieliniowych, między innymi generacji i rozpadowi solitonów oraz tzw. niestabilności modulacyjnej. To ten efekt przyczynia się do znacznego poszerzenia widma, lecz powoduje jednocześnie silne wzmocnienie szumu tła. Do nowych zastosowań potrzebne jest widmo spektralnie gładkie i o dużym stopniu spójności czasowej. W światłowodach fotonicznych z dyspersją normalną nie ma efektów związanych z solitonami, co umożliwia generację superkontinuum o dużej stabilności spektralnej oraz dużej płaskości w szerokim zakresie widma, choć otrzymane widmo jest zwykle znacznie węższe spektralnie niż otrzymywane w zakresie dyspersji anomalnej. Zastosowanie całoszklanych włókien fotonicznych umożliwia otrzymanie znacznie szerszego spektralnie widma superkontinuum w zakresie dyspersji normalnej, niż dotychczas obserwowano w klasycznych włóknach fotonicznych szklano-powietrznych. We włóknach całoszklanych dyspersja chromatyczna światłowodu jest kształtowana nie tylko przez dyspersję falowodową struktury fotonicznej, ale także dyspersję materiałową obydwóch szkieł, dopasowanych do siebie termicznie. Zwiększa to stopień swobody przy projektowaniu dyspersji światłowodu fotonicznego, umożliwiając takie jej ukształtowanie, aby wygenerowane widmo było szersze. W niniejszej pracy badam stabilność i szerokość spektralną widm superkontinuum wygenerowanych w całoszklanych włóknach fotonicznych w zakresie dyspersji normalnej ze szkieł wieloskładnikowych. Praca obejmuje projektowanie światłowodów fotonicznych, modelowanie zachodzących w nich zjawisk nieliniowych, wykonanie i charakteryzację światłowodów, pomiary generacji superkontinuum, a także analizę stabilności impulsu superkontinuum. Na początku pracy przedstawiam wstęp do tematu stabilności i szerokości spektralnej widma superkontinuum w zakresie dyspersji normalnej, przedstawiam i omawiam cele pracy, tezę oraz jej motywację. Następnie, przedstawiam wstęp teoretyczny do zagadnień światłowodów, optyki nieliniowej oraz generacji superkontinuum. W dalszej części pracy prezentuję metodę projektowania struktury geometrycznej oraz dyspersji światłowodów fotonicznych, a także sposób ich wykonania. Opisuję także różnice między całoszklanymi światłowodami fotonicznymi a szklano-powietrznymi. Dalej, prezentuję numeryczne wyniki pracy. Omawiam ograniczenia wypłaszczonego odcinka dyspersji włókna oraz prezentuję metodę przekroczenia tych ograniczeń. Opisuję proces optymalizacji dyspersji chromatycznej światłowodu pod kątem generacji szerokiego widma superkontinuum, a także prezentuję zależność szerokości i płaskości widma superkontinuum od parametrów oraz kształtu czasowego impulsu pompującego. Przedstawiam ponadto wpływ kształtu czasowego impulsu pompującego na przebieg generacji widma superkontinuum i jego kształt. W dalszej części pracy prezentuję wyniki eksperymentalne. Omawiam referencyjną strukturę całoszklanego światłowodu fotonicznego z dyspersją normalną i wyniki generacji superkontinuum w nim otrzymane dla różnych warunków pompowania. Następnie prezentuję wyniki generacji superkontinuum w wytworzonym przeze mnie światłowodzie całoszklanym ze zoptymalizowaną dyspersją dla różnych warunków pompowania. W pracy analizuję także własności koherentne widma superkontinuum w zakresie dyspersji normalnej impuls-po-impulsie. Spójność czasową widma badam poprzez symulacje numeryczne i pomiar interferencji, a miarą spójności czasowej jest zespolony stopień spójności widma. Stabilność natężenia widma badam metodą dyspersyjnej transformaty Fouriera. Wpływ kształtu czasowego impulsu pompującego na stabilność widma superkontinuum analizuję przy pomocy map korelacyjnych widma. Pracę zamykam podsumowaniem streszczającym wyniki pracy; przedstawiam nowatorskie dokonania występujące w pracy oraz możliwe dalsze kierunki badań w omawianej dziedzinie.

Supercontinuum generation in photonic crystal fibers has been of interest for scientists for several years. Typical supercontinuum spectrum is generated in anomalous dispersion photonic crystal fibers due to a sequence of nonlinear effects, e.g. soliton generation and fission and so called modulation instability. This effect contributes to significant spectrum broadening, but also causes strong amplification of background noise. For the sake of new applications, spectrally smooth and highly phase coherent spectrum is needed. In normal dispersion photonic crystal fibers solitonic effects does not occur, what allows time-stable supercontinuum generation with good flatness in broad range of spectrum wavelengths. However, the resulting spectrum is usually spectrally much narrower than a spectrum obtained in fiber under anomalous dispersion pumping. The use of all-solid photonic crystal fibers allows broader supercontinuum generation in normal dispersion regime, than observed so far in traditional air-glass photonic crystal fibers. In all-solid photonic crystal fibers chromatic dispersion is shaped not only by the waveguide dispersion of the photonic lattice, but also material dispersion of both thermally matched glasses. This increases the flexibility of the fiber’s chromatic dispersion design process, allowing broader supercontinuum generation by proper dispersion curve shaping. In this work I investigate the stability and spectral width of supercontinuum spectrum generated in all-normal soft-glass photonic crystal fibers. The work involves photonic crystal fiber designing, modelling of nonlinear effects present during beam propagation, fiber fabrication and characterization, supercontinuum generation measurements and supercontinuum pulse stability analysis. At the beginning, I describe the problem of supercontinuum spectrum stability and its width obtainable in the normal dispersion regime. I present thesis objectives, its claims and motivation for research. Next, I give theoretical introduction to optical fibers, nonlinear optics and supercontinuum generation. Further in the work I present the design method of fiber geometrical lattice and dispersion profile as well as the fiber fabrication method. I also describe differences between all-solid and air-glass photonic crystal fibers. Next, I show numerical results. I discuss limits of flattened part of fiber dispersion profile and I present a method of overcoming those limits. I describe optimization process of fiber chromatic dispersion for broad supercontinuum generation. I also present the dependence of width and flatness of supercontinuum on the parameters and temporal shape of the input pump pulse. Furthermore, I show the influence of temporal pump pulse shape on supercontinuum spectrum generation process and on the shape of the spectrum. Then I show experimental results. I discuss the reference all-solid photonic crystal fiber structure with all-normal dispersion and the results of supercontinuum generation obtained in this structure for various pump pulse conditions. Next, I present results of supercontinuum generation in the all-solid photonic crystal fiber with optimized dispersion for various pump pulse conditions, which was fabricated by me during my research. I analyze also the coherence properties of shot-to-shot supercontinuum spectrum in normal dispersion regime. I investigate the phase coherence of the spectrum by means of numerical simulations and interferogram measurements. A measure of phase coherence of the spectrum is complex degree of coherence. I measure the intensity stability of the spectrum with the dispersive Fourier method. I analyze the influence of pump pulse temporal shape on the stability of the supercontinuum spectrum with the use of correlation maps. Finally, I finish the thesis with a summary of the results of work, I also present scientific novelties of the work and further possible directions of research in the discussed field.