Lichtkonversion in Wellenleitern

In nichtlinearen Wellenleitern lässt sich Laserlicht bezüglich seiner spektralen und räumlichen Zusammensetzung nichtlinear konvertieren. Bei der Vier-Wellen-Mischung (four-wave mixing, FWM) wird das Laserlicht beispielsweise durch ein nichtlineares Medium in seiner spektralen oder räumlichen Verteilung verändert. In einmodigen Wellenleitern, d.h. solche, die nur eine transversale Mode unterstützen, können mittels FWM mit ultrakurzen Laserimpulsen um die 100 fs Impulsdauer sehr breitbandige Spektren - sogenannte Superkontinua - erzeugt werden. Außerdem können mit längeren Impulsen um 1 ps Impulsdauer sogenannte optisch parametrische Oszillatoren (OPOs) gebaut werden, die Laserlicht einer Frequenz effizient in eine andere Frequenz umwandeln können.

In mehrmodigen Wellenleitern kann Energie des Laserlichts auf nichtlineare Art und Weise beispielsweise von einer in eine andere transversale Mode konvertiert werden. Weil sich die Impulse in den verschiedenen Moden gegenseitig beeinflussen, können so Spektralkomponenten erzeugt werden, die bei getrennter Anregung der Moden nicht auftreten würden. Insbesondere kann so während der Superkontinuumserzeugung in einer Mode die spektrale Zusammensetzung einer zweiten Mode verändert werden.

Optisch parametrische Oszillatoren mit Tantalpentoxid- und Siliziumnitrid-Wellenleitern

In dieser Publikation haben wir ein Proof-of-Concept eines hybriden Wellenleiter-Faser optisch parametrischen Oszillators (WOPO) demonstriert, der Vierwellenmischen in Tantalpentoxid-Wellenleitern ausnutzt. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine vollständige Integration des Oszillators als kompakte und robuste Lichtsquelle auf einem Chip möglich ist. Zur Publikation von Max und Niklas.

Im Vergleich zu Ta₂O₅-Wellenleitern bietet Si₃N₄ sehr niedrige Propagationsverluste bei ähnlich hoher Nichtlinearität, wodurch es sich ebenfalls als Plattform für Vierwellenmischen eignet. Wir haben kürzlich einen Si₃N₄-basierten, sehr effizienten und weit verstimmbaren WOPO vorgestellt, der potenziell in der Mikroskopie beispielsweise für kohärente Anti-Stokes Raman-Streuing eingesetzt werden könnte. Zur Publikation von Ming und Niklas.

Intermodale Erzeugung dispersiver Wellen

Während der Superkontinuumserzeugung in Wellenleitern mittels Solitondynamiken entstehen sogenannte dispersive Wellen (DW), die entstehen, wenn ein starker Impuls spektral so breit wird, dass er phasenangepasst Energie in eine lineare Welle – die DW – abstrahlen kann (siehe Abb. a). Diese spektrale Bandbreite erzeugt der Impuls durch Selbstphasenmodulation selbst, wobei ein solcher Impuls über sogenannte intermodale Kreuzphasenmodulation auch das Spektrum eines weiteren (zeitlich überlappenden) Impuls verbreitern kann, obwohl letzterer in einer orthogonalen Mode propagiert. In diesem Fall kann auch ein schwacher Impuls, der selbst nicht genügend Energie zur Erzeugung eines Superkontinuums besitzt (siehe Abb. b), auch eine dispersive Welle abstrahlen (siehe iDW in Abb. d). Dieser Effekt, genannt intermodale Erzeugung dispersiver Wellen (iDWG), könnte zur Verbreiterung der spektralen Bandbreite oder effizienten Konversion von Frequenzen genutzt werden.

Zentral für die iDWG ist dabei die intermodale Kreuzphasenmodulation. Das heißt, dass allein die spektrale Verbreiterung des schwachen Laserimpulses durch den starken Impuls dafür sorgt, dass der schwache Impuls eine dispersive Welle abstrahlt. Dabei findet kein Übertrag von Photonen von einem Impuls auf den anderen statt, allerdings kann Energie durch die Frequenzkonversion an sich übertragen werden. Im Zeitbild lässt sich die iDWG als inelastische Streuung zweier Impulse verstehen, wobei der starke Impuls eine zeitliche Brechungsindexbarriere, erzeugt durch den Kerr-Effekt, für den schwachen Impuls darstellt, an dem dieser inelastisch streut. Zur Publikation von Niklas und Max.