Structural rocking filters in photonic crystal fiber [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Leyun Zang

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Structural Rocking Filters in Photonic Crystal Fiber Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich‐Alexander‐Universität Erlangen‐Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades  vorgelegt von Leyun Zang aus Shandong, China      Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 26.07.2010 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Eberhard Bänsch Erstberichterstatter/in: Prof. Dr. Philip Russell Zweitberichterstatter/in: Prof. Dr. Hartmut Bartelt Zusammenfassung Rocking‐Filter (RF) in photonischen Kristallfasern (engl. photonic crystal fibers, PCFs) kombinieren die besonderen Eigenschaften von PCF und Fasergittern und haben viele neuartige und interessante Einsatzmöglichkeiten. Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen  Glasfasern  können  die  wichtigen  optischen  Eigenschaften  in  PCFs  durch Veränderung der Mikrostruktur gezielt eingestellt werden. Modaler Brechungsindex, Dispersion,  und  Doppelbrechung  können  genau  der  jeweiligen  Anforderungen angepaßt  werden.  Fasergitter  haben  sich  bereits  in  einer  Reihe  von  Anwendungen bewährt, beispielsweise in Faserlasern, bei der Dispersionkontrolle, in der nichtlinearen Optik, und in der Sensorik.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Structural Rocking Filters in Photonic Crystal Fiber






Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der 
Friedrich‐Alexander‐Universität Erlangen‐Nürnberg 
zur 
Erlangung des Doktorgrades 








vorgelegt von 
Leyun Zang 
aus Shandong, China 
 
 
  




Als Dissertation genehmigt
von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg











Tag der mündlichen Prüfung: 26.07.2010




Vorsitzender
der Promotionskommission: Prof. Dr. Eberhard Bänsch


Erstberichterstatter/in: Prof. Dr. Philip Russell


Zweitberichterstatter/in: Prof. Dr. Hartmut Bartelt



Zusammenfassung
Rocking‐Filter (RF) in photonischen Kristallfasern (engl. photonic crystal fibers, 
PCFs) kombinieren die besonderen Eigenschaften von PCF und Fasergittern und haben 
viele neuartige und interessante Einsatzmöglichkeiten. Im Gegensatz zu herkömmlichen 
optischen  Glasfasern  können  die  wichtigen  optischen  Eigenschaften  in  PCFs  durch 
Veränderung der Mikrostruktur gezielt eingestellt werden. Modaler Brechungsindex, 
Dispersion,  und  Doppelbrechung  können  genau  der  jeweiligen  Anforderungen 
angepaßt  werden.  Fasergitter  haben  sich  bereits  in  einer  Reihe  von  Anwendungen 
bewährt, beispielsweise in Faserlasern, bei der Dispersionkontrolle, in der nichtlinearen 
Optik, und in der Sensorik. 
Die vorliegende Arbeit beinhaltet sowohl theoretische Untersuchungen als auch 
die  experimentelle  Herstellung  und  Charakterisierung  von  RF  in  stark 
doppelbrechenden PCFs. Die Analyse der Blochwellen in RF zeigt das große Potential 
für Anwendungen im Bereich der nichtlinearen Optik auf, da die Dispersion nahe der 
Filter‐Resonanz sehr genau eingestellt werden kann. In dieser Arbeit wurde ein Aufbau 
zur Herstellung der RF mit einem Kohlendioxid‐Laser entwickelt und eine Reihe von RF 
mit  unterschiedlichen  Parametern  hergestellt.  Zur  Filtercharakterisierung  wurden 
Transmissionsspektren der RF mit Weißlichtinterferometrie bestimmt, und bestätigten 
die Ergebnisse der Blochwellenanalyse. Weiterhin wurde eine neue Methode entwickelt, 
um  zerstörungsfrei  und  auf  optischem  Weg  das  verdrehte  Strukturprofil  im 
Faserinneren  zu  vermessen,  welche  auf  lateraler  Lichtstreuung  an  den  RF  basiert. 
3 Dadurch konte die Trajektorie der optischen Hauptachsen entlang der Faser bestimmt 
werden. 
  













4 Abstract
Rocking  filters  in  photonic  crystal  fiber  (PCF)  have  many  new  interesting 
properties as they combine the unique properties of PCF and fiber grating. PCFs have 
attracted much attention due to the ease of tuning the key optical properties compared 
to conventional fiber, which can be realized by changing their microstructure. Modal 
refractive  index,  dispersion,  and  birefringence  can  be  carefully  designed  to  satisfy 
different requirements. Moreover, fiber gratings have already been shown to be great 
candidates for various applications including fiber laser, dispersion control, nonlinear 
optics and sensing. This work includes both theoretical investigation and experimental 
fabrication and characterization of rocking filters on highly birefringent (Hi‐Bi) PCF.  
Bloch wave analysis of rocking filters shows their great potential in the application of 
nonlinear  optics,  as  the  dispersion  can  be  managed  to  a  large  extent  close  to  the 
resonance. The fabrication facility of rocking filters using a carbon dioxide laser has been 
developed and a serial of rocking filters have been fabricated. Transmission spectra have 
been used to characterize the filters. White light interferometry was utilized to measure 
the dispersion of rocking filter, and the results confirmed the Bloch wave analysis. A 
side scattering technique was developed to optically retrieve the inner twist profile in 
the rocking filter. It can determine the inner cladding structure of Hi‐Bi PCF, thus 
determine the principal axis along the fiber.  
 
5 Acknowledgements
First of all, I would like to thank my PhD adviser, Prof. Dr. Philip Russell. His 
passion about research, great determination, quick mind and always positive attitude set 
a great example for me. Those several pages notes on paper and all the notes on the 
white board during the discussion meetings are the most important thing for me to learn 
during these years.   
Dr. Michael Scharrer has offered great help to me. The nice structure of the fiber 
samples used in this thesis would not have come into being without his effort. Also, I 
thank him from the bottom of my heart for helping me when there seemed no way out. 
Finally, I thank him for his help during the thesis writing. Dr. Myeong Soo Kang has 
taught  me  a  lot,  from  setting  up  experiment  to  writing  up  a  paper.  His  patience, 
persistence and preciseness will always be the direction for me to follow. I learned from 
him that one has to  be strong and responsible in any easy or difficult projects, to 
endeavor to obtain the best results. Dr. Tijmen Euser had been looking after the project 
for chapter 5 (side scattering). His “can‐do” attitude and broad ideas have big influence 
on me. My research during this period is fun and productive. I thank him for all the help 
he offered both in the lab and in front of computer.                                                                                                           
Thanks also go to Dr. George Kakarantzas, who taught me how to cleave fibers, 
how to taper fibers when I started my PhD. I will always remember those good times 
when I coupled light into the fiber for the first time and made tapers which are below 1 
μm size for the first time. I would like to thank Dr. Alexander Podlipensky for teaching 
6 me a great deal about dispersion measurement. I would also like to thank Dr. Gordon 
Wong for providing the data for figure 4.4 and all the useful discussion with him. Silke 
Rammler has made great effort on the fiber drawing. I acknowledge the very helpful 
discussion from Dr. Markus Schmidt, Dr. Greg Pearce, Dr. Haizhen Ren, Dr. Fabio 
Biancalana, Helga Mendel, and Prof. Dr. Nicolas Joly. 
I thank Christoph Soeller on the collaboration project. His patience and clear 
explanation on the project is a good example for me to learn and it was great fun 
working with him. 
I appreciate the help from following people: Luis, Przemyslaw, Andre during the 
early days of the PhD.  I want to thank Luis, Johannes, Hemant, Patrick, Nicolai, Jocelyn, 
Andre, Arian, I have been happy to share office with all these nice and supportive 
people.  I  will  also  always  remember  the  great  times  working  together  in  the 
“dangerous” lab with Luis, Markus, Myeong Soo, Hemant, Howard, Nicolai, Patrick. 
Philipp and Sebastian have always been helpful and I thank them for all the fun and 
useful discussion.  
I greatly appreciate Bettina all the help from Bettina Schwender during my stay 
in Erlangen. I would also like to thank the financial support from IMPRS during the first 
three years. I greatly appreciate the support and helpful discussions provided by Prof. 
Dr. Lijun Wang. I am also very grateful for the IMPRS coordinator Dr. Carsten Schuer, 
for his support and help.  
7 I would like to thank my family and all my friends here, or across the continent, 
or across the ocean, for all the support they gave for so many years. I would like to 
mention three of my friends in Erlangen here, Dr. Jie Zhang, Yi Gao, and Jing Li.  I thank 
them for always cheering me up and always helping me whenever I needed. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 Contents
Zusammenfassung ........................................................................................................................ 3 
Abstract .......................................................................................................................................... 5 
Acknowledgements ...................................................................................................................... 6 
List of tables .. 12 
List of figures  13 
1. Introduction ............................................................................................................................. 16 
1.1 Historical background and motivation ..................................................................... 16 
1.1.1 From conventional fiber to solid core PCF ............................................... 17 
1.1.2 Fiber gratings ................................................................................................ 23 
1.1.3 Rocking filters ............................................................................................... 25 
1.2 Thesis outline ................................................................................................................ 28 
2. Photonic Bloch modes in rocking filters .............................................................................. 29 
2.1 Overview ....................................................................................................................... 29 
2.2 Transfer matrix formalism for mode propagation .................................................. 30 
2.3 Bloch modes in rocking filters .................................................................................... 31 
2.4 Polarization evolution of Bloch waves ..................................................................... 35 
2.5 Dispersive properties of Bloch waves ....................................................................... 39 
2.6 Adiabatic conversion from fiber eigenmode to Bloch wave .................................. 42 
2.7 Higher order resonances and large angle rocking filters ....................................... 47 
3. Fabrication and characterization of rocking filters ............................................................ 50 
3.1 Overview ....................................................................................................................... 50 
3.2 Hi‐Bi PCF designing and drawing ............................................................................ 51 
9 3.3 Fabrication of rocking filters ...................................................................................... 55 
3.3.1 Techniques for rocking filter formation in conventional fiber ............... 55 
3.3.2 Post‐processing technique of air‐silica PCF .............................................. 56 
3.3.3 Experimental Setup for this thesis ............................................................. 58 
3.4 Transmission spectrum of rocking filters ................................................................. 61 
3.4.1 Theory of transmission spectra for rocking filters ................................... 62 
3.4.2 Beat‐length measurement of the fiber ....................................................... 65 
3.4.3 Transmission spectrum measurement setup ............................................ 68 
3.4.4 Tuning of resonance ..................................................................................... 71 
3.4.5 Bandwidth difference analysis of the transmission spectrum ............... 72 
3.4.6 Coupling coefficient  73 
3.4.7 Spectra deterioration of rocking filter ....................................................... 74 
3.5 Conclusion .................................................................................................................... 75 
4. Dispersion measurement of fiber and rocking filters ........................................................ 76 
4.1 Overview ....................................................................................................................... 76 
4.2 Dispersion measurement technique used in this work .......................................... 76 
4.1.1 Interferometry to measure group velocity dispersion ............................ 77 
4.2.2 Experimental Setup ...................................................................................... 78 
4.3 Dispersion measurement of photonic crystal fiber ................................................. 80 
4.4 Dispersion measurement of rocking filters .............................................................. 82 
5. Side‐scattering analysis of rocking filters ............................................................................ 85 
5.1 Overview ....................................................................................................................... 85 
5.2 Side‐scattering for characterizing fiber structures .................................................. 85 
5.3 Side‐scattering experimental setup ........................................................................... 90 
10 

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