Optické systémy založené na antirezonantních optických vláknech s dutým jádrem a vnořenou bezdotykovou strukturou

Abstract

Antirezonantní optické vlákno s vnořenými elementy (rezonátory) - nested antiresonant nodeless fiber (NANF) - je jedním z nejzajímavějších pokroků ve vláknové optice za poslední desetiletí. Jeho pokročilejší verze s dvojitě vnořenými elementy - double nested antiresonant nodeless fiber (DNANF) - vykázalo v roce 2024 průměrný útlum pouhých 0.08±0.03 dB/km na základě tří nezávislých měření. Tento rychlý vývoj optických vláken s dutým jádrem (hollow-core fiber, HCF) má zásadní dopad na širokou škálu oblastí výzkumu, od komunikací po interferometrii a přenos vysokých optických výkonů. Specificky přenos vysokých optických výkonů je rychle se rozvíjející tématikou, kde zásadními požadavky jsou nízké ztráty a vidová čistota, čili nízká úroveň vazby do vyšších vidů. Nad rámec výše uvedeného je požadavek na univerzální nízkoztrátovou metodu napojení NANF a standardního jednovidového vlákna (standard single-mode fiber, SSMF), protože NANF mají různé velikosti stopy pole, dané stále se vyvíjející vnitřní strukturou NANF. Kromě toho existuje poptávka po kvalitních komponentách na bázi NANF s nízkou ztrátou napojení a to nejen v oblasti telekomunikací. V této práci nejprve shrnuji současný stav vývoje NANF, po kterém diskutuji klíčové výzvy v optických systémech na bázi NANF s ohledem na jejich vidovou strukturu, nesouhlasnou velikost stopy pole s SSMF a v neposlední řadě i absenci klíčových NANF komponent, které brání dosažení vyššího stupně vláknově-optické integrace NANF. Následně navrhuji své řešení pro každou výzvu. Prvotně se zabývám studiem možností využití vzduchové mezery ve spojení NANF-SSMF. Dále uvádím mnou vyvinutý postup pro kompenzaci disperze v NANF komponentách a demonstruji další funkce, které vzduchová mezera SSMF-NANF poskytuje. Na základě svých zjištění pak prezentuji svůj návrh a realizaci univerzální vazební metody, která umožňuje dosažení rekordně nízkých ztrát a vynikající potlačení vyšších vidů. Tento výsledek přináší nejen světově-unikátní parametry, ale je také v naprosté shodě s teoretickými limity, které predikovaly simulační modely. Závěrem, na základě mých výsledků popisuji návrh tzv. end-capu, čili vláknového zakončení, který umožňuje potlačení vyšších vidů bez nutnosti aktivního ladění vazby. Tento výsledek je zásadní pro přenosy vysokých optických výkonů, v oblasti senzoriky a pro interferometrii.

Nested antiresonant nodeless fiber (NANF) stands out as one of the most intriguing advancements in fiber optics over the last decade. The state-of-the-art double nested antiresonant nodeless fiber (DNANF) reported an average loss of 0.08±0.03 dB/km obtained from three independent measurements in 2024. This rapid development of hollow-core fiber (HCF) impacts various research areas, from communications to interferometry and high-power delivery. High-power delivery is a rising topic with the demand for low loss and extreme modal purity, thus requiring techniques of higher-order mode mitigation. Moreover, a universal low-loss coupling method between NANF and standard single-mode fiber (SSMF) is desired, as NANFs have various sizes of fundamental mode given by the ever-evolving NANF structure. Furthermore, there is a demand for high-performance, low-loss NANF-based components not only in the telecommunications field. In this thesis, I first outline the NANF state of the art, followed by the key challenges in NANF-based optical systems attributed to their intrinsic multimodal behavior, mode-field size mismatch to SSMFs, and the lack of associated components hindering the progress towards all-fiber integration. Subsequently, I propose my solution regarding each challenge. First, I study the gap possibilities in the NANF-SSMF coupling. Then, I present a dispersion-compensating approach to NANF-based components and show additional functionalities the SSMF-NANF gap gives. Based on my findings, I propose and develop a universal coupling method achieving record-low-loss and excellent higher-order mode mitigation capability. This result not only provides state-of-the-art parameters but also is in accordance with the fundamental limits predicted by the simulation models. Furthermore, based on this result, I propose an alignment-free mode-cleaning end-cap design, which is vital for high-power delivery, sensing and interferometry.