Generation and characterization of cylindrical vector beams in few-mode fiber

Pradhan, Prabin (2018). Generation and characterization of cylindrical vector beams in few-mode fiber. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

For the past many decades, the Gaussian laser beam has driven major scientific discoveries that revolutionized the world of optics and photonics. In recent years, there is a burgeoning transformation where significant research has been dedicated in discovering the complex properties of cylindrical vector beams (CVBs). Increasingly, a beam of light with its intensity profile taking the shape of a single doughnut ring has attracted attention of several researchers the world over. Particularly, the so-called CVBs exhibit unique properties when focused owing to their radial and azimuthal distribution of polarization. In comparison to conventional (Gaussian-like) beams inheriting homogeneous polarization, CVBs provide unique light-matter interactions. For example, a radially polarized beam can enhance the imaging resolution of the system significantly with their spatial inhomogeneous polarization by imparting a symmetric and high numerical aperture focus.

Moreover, CVBs with their phase and intensity singularities have found broad applications in quantum optics, optical micro/nano-manipulation, surface plasmon polariton, super-resolution imaging, and high-capacity fiber-optic communication. The studies of most widely used CVBs have been explored both in free space optics as well as in guided fiber optics. Further developments will require reliable techniques to generate these CVBs with strong coupling efficiency, high mode purity and high-power handling. For the past few years, the design, fabrication and study of optical fibers that supports CVBs, vortex and orbital angular momentum (OAM) beams have come to the forefront of research in this area. This is true in a sense that mode division multiplexing (MDM) is considered as a preeminent solution to the data capacity limitations faced by the standard single-mode fiber. In addition, vector beams in optical fibers constitute the fundamental basis set of linearly polarized (LP) modes (within the scalar approximation) as well as modes carrying OAM which represent another potential approach for implementing MDM based communications. Therefore, fundamental information and control over the vector beams is key to unravel future fiber communication links and CVB based fiber-optic sensors. For this purpose, it is essential to develop efficient methods to generate these CVBs. Some of the current methods reported for the generation of CVBs employ spiral phase plate, spatial light modulator (SLM), and offset fiber coupling. This thesis elucidates the generation as well as the optical characterization of such propagating cylindrical vector beams in a few-mode fiber. The ultimate purpose would be to develop simple, flexible and cost-effective photonic devices that will allow the efficient generation and stable propagation of the CVB while reducing the overall losses incurred by the system. Most of the methods reported earlier were limited to the measurements of the scalar LP mode groups of a FMF, thus neglecting the underlying vector beams that require delicate spectral and spatial control in order to be detected.

In this thesis, three different techniques have been utilized for the generation of CVBs and OAM beams with high output purity. Initially, a tunable mechanical mode converter has been fabricated to demonstrate the generation of cylindrical vector beams supported by FMF in the telecom spectral range. This photonic device is utilized to demonstrate the non-destructive nonlinear characterization of CVB by utilizing the phenomenon of stimulated Brillouin scattering for the first time. We showed how the Brillouin gain spectra of the vector beams in some specialty fibers can be independently identified, measured, and subsequently exploited to probe the corresponding effective refractive indices of the vector beam retrieved from the data. This new characterization method of individual vector beam will have an impact in both light-wave and FMF-based optical sensing applications, which at present, mostly rely on the scalar LP modes. Further, a simple and low-cost technique to generate CVBs via long period fiber grating (LPFG) with very small grating pitch is reported. This work demonstrates that the cost-effective electric arc writing method for the fabrication of LPFGs is open to specialty few-mode fiber that often calls for very small pitch values. Finally, the generation of perfect cylindrical vector beams (PCVB) is demonstrated whose beam profile (i.e. transverse intensity profile) can be easily and precisely controlled. The latter novel method was used in-order to increase the free space coupling efficiency demanded by some specialty FMFs. The tailoring of the beam width and radius is performed via an iris and a diffractive phase mask implemented on a programmable SLM. The technique proposed towards the generation of PCVBs is highly adaptable for its robust nature to generate any arbitrary PCBs as well as perfect vortex beams with any topological order, using the same experimental setup. This experimental analysis is supported and validated via a rigorous theoretical framework that is in concordance with the results obtained.

Résumé traduit

Au cours des dernières décennies, l’utilisation d’un faisceau gaussien a permis la découverte de nombreuses applications scientifiques qui ont révolutionné le monde de l'optique et de la photonique. Récemment, il y a une transformation majeure pour laquelle d’importantes recherches ont été consacrées à la découverte des propriétés dynamiques des faisceaux vectoriels cylindriques (FVC). De plus en plus, les chercheurs développent des applications où l’utilisation d’un faisceau de lumière dont l’intensité est marquée par un seul anneau en forme de beigne, est primordiale. En particulier, ces faisceaux dits vectoriels cylindriques, lorsqu’ils sont focalisés, présentent des propriétés uniques en raison de leur distribution de polarisation radiale et azimutale. Ces FVC offrent des interactions lumière-matière supérieures à celles des faisceaux conventionnels (de type gaussien) à polarization homogène. Par exemple, un FVC polarisé radialement peut améliorer de façon importante la résolution d’un système d'imagerie microscopique en fournissant une grande ouverture numérique et une distribution symétrique au point focal.

D’autre part, les FVC ont pu être utilisés dans de nombreuses applications telle que la micronano-manipulation optique, l'imagerie super-résolution, l'optique quantique, les plasmons de surface et la communication par fibre optique à haute capacité, et ce grâce à ses singularités de phase et d'intensité. La plupart des FVC étudiés ont prouvé une grande diversité d’applications prometteuses en optique tant en espace libre qu’en fibre optique. Ainsi, de nouveaux développements nécessiteront des techniques fiables pour générer ces FVC avec une forte efficacité de couplage, un mode électromagnétique très bien défini et un seuil de dommage très élevé. Lors des dernières années, le design, la fabrication et l’étude de nouvelles fibres optiques transportant des faisceaux tels les FVC, les faisceaux vortex avec moments angulaires orbitaux (MAO) sont apparus. Il est désormais clair que le multiplexage par division de mode (MDM) constitue une solution prometteuse pour palier à la limitation de capacité des données transmises dans les fibres optiques monomodes standards. De plus, les faisceaux vectoriels dans les fibres optiques constituent la base fondamentale des modes polarisés linéairement (PL) (selon l’approximation scalaire) ainsi que les modes transportant les MAO, ce qui représente une autre avenue pour réaliser le MDM en telecommunication fibrée. De plus, il est primordial de contrôler et d’extraire les informations essentielles des faisceaux vectoriels pour les futures fibres de télécommunication par multiplexage, par division modale et les nouveaux capteurs à fibre optique basés sur les FVCs.

A cette fin, il est essentiel de développer des méthodes efficaces pour générer ces FVCs. Quelques méthodes actuelles, reportées dans la littérature, pour la génération de ces FVCs utilisent une lame de phase en spirale, un modulateur spatial de lumière (MSL) et un couplage décalé dans la fibre. Cette thèse a pour but principal la génération et la caractérisation de tels faisceaux vectoriels cylindriques dans des fibres multimodes. Le but principal serait de développer des dispositifs photoniques simples, flexibles et à faible coût qui permettront la génération efficace et la propagation stable de FVCs tout en réduisant les pertes globales induites par le système. La plupart des méthodes rapportées précédemment ont été limitées aux mesures de modes scalaires PL des fibres multimodes tout en négligeant les faisceaux vectoriels sous-jacents, qui nécessitent un contrôle précis spectralement et spatialement afin d’être détectés. Dans cette thèse, nous avons employé trois techniques différentes pour la génération de faisceaux FVC et de faisceaux avec moment angulaire orbital ayant conservé une grande pureté après leur sortie. Dans un premier temps, nous avons fabriqué un convertisseur de mode basé sur un système mécanique nous garantissant un réseau ayant la plus petite période jamais signalée pour la génération de faisceaux vectoriels cylindriques transmis par des fibres multimodes.

Ce dispositif photonique est utilisé afin de démontrer la caractérisation non linéaire nondestructive de FVC en utilisant pour la première fois le phénomène de diffusion Brillouin stimulée. Nous avons montré comment les spectres Brillouin des faisceaux vectoriels nous permettent de les identifier individuellement, de mesurer le gain des fibres spécifiques, d’identifier, d’analyser puis de valider les indices de réfraction effectifs correspondants aux faisceaux vectoriels récupérés à partir des données. Cette nouvelle méthode de caractérisation de chaque mode vectoriel aura un impact à la fois sur les applications dans le secteur des télécommunications et des capteurs à fibre optique, qui s’appuient à l’heure actuelle principalement sur les modes scalaires PL. En outre, une technique simple et peu coûteuse pour générer des FVCs via un réseau à fibres de longue période (RFLP) avec un très petit pas est présentée. Ce travail démontre que la méthode à bas coût de gravure de réseaux à l'arc électrique pour la fabrication de RFLP est accessible aux fibres spéciales multimodes qui ontsouvent besoin d’une très petite valeur de pas. De plus, la génération de faisceau vectoriel cylindrique parfaitement arbitraire est démontrée dont le profil de faisceau (c'est-à-dire le profil d'intensité transverse) peut être contrôlé facilement et indépendamment via un diaphragme et un masque de phase diffractif élaboré sur un MLS programmable. La methode proposée est hautement adaptable car elle peut être utilisée pour générer n'importe quel type de faisceau vectoriel cylindrique parfait ainsi que des faisceaux vortex parfaits d’ordre topologique arbitraire, et ce avec le même montage expérimental. Cette analyse expérimentale est validée et décrite par une étude théorique rigoureuse en accord total avec les résultats obtenus.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 89-109).
Mots-clés libres:	faisceaux vectoriels cylindriques, réseaux à fibre de longue période, fibres multimodes, moment angulaire orbital, modulateur spatial de lumière, vortex optique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ung, Bora
Codirecteur:	Codirecteur Tremblay, Christine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	19 févr. 2019 17:13
Dernière modification:	26 mars 2019 18:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2203

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