Metody efektivní vazby signálů do fotonických krystalových vláken

Abstract

Fotonická vlákna (photonic crystal fibers, PCFs) jsou již několik dekád velmi zajímavou oblastí výzkumu. Mechanismy vedení světla v nich jsou v současnosti již dobře popsány a navíc dnešní metody výroby vláken PCF umožňují dosažení stále delších úseku během jednoho tahu, což značně snižuje jejich cenu a tedy i zvyšuje jejich dostupnost. Flexibilita návrhu PCF umožňuje přizpůsobení vlastností vlákna ke konkrétní aplikaci. Nicméně návrh PCF se značně liší od typických jednovidových vláken (single-mode fibers, SMF), která jsou dobře dostupná a běžně využívána. Pro plné využití PCF je tedy nezbytné vyvinout metody efektivní vazby mezi SMF a PCF. V návrhu takové vazby musí být zahrnuta velká škála možných PCF designů a profilů, včetně rozdílných šířek stopy pole (mode-field diameters, MFD). V případě dutých vláken (hollow-core fibers, HCF) taková vazba musí být schopna potlačit Fresnelovy ztráty, ke kterým dochází na rozhraní mezi pevným jádrem SMF a vzduchovým jádrem v HCF. Nakonec takové napojení musí být schopno omezit vybuzení vyšších vidů (higher order modes, HOMs). V této práci nejprve představím odvozenou, ale přesnou metodu sloužící k popisu vlastností reálných PCF, na jejímž základě pak následně byla vyvinuta efektnivní vazba PCF se SMF. Takové propojení je pak demonstrováno na dvou různých HCF. Nakonec je ukázano využití metody propojení ve dvou praktických aplikacích interferometrů založených na HCF. Jedná se o ukázku Fabry-Perotova interferometru a zpožďovací linky založené na HCF.

Photonic crystal fibers (PCFs) have been an interesting field of study for several decades. Their guiding mechanism is today well understood and there are drawing techniques capable of producing increasingly longer fibers, bringing the cost down and providing higher fiber availability. The flexibility of PCF design allows tailoring of the fiber properties for a specific application. However, the PCF's design differs significantly from the typical single-mode fibers (SMFs) that are widely used and readily available. Therefore, to fully utilize the PCFs an efficient coupling method of SMF and PCF is required. The coupling method must be flexible enough to account for different PCF designs and their mode-field diameters to achieve minimal insertion losses. In case of hollow-core fibers (HCFs) the method should also reduce the Fresnel losses that occur at the interface between solid-core SMF and the air-core of HCF. Furthermore, it must be able to mitigate the cross coupling into higher-order modes (HOM). In this thesis I first demonstrate a simple but accurate technique to characterize PCF properties, which enabled us to design an efficient coupling method with SMF. A real interconnection is then demonstrated based on the proposed coupling method for two different HCFs. Lastly I demonstrate use of the proposed interconnection technique in practical applications of HCF-based Fabry-Perot interferometer and microwave photonics HCF-based delay line.