Design and optical characterization of specialty optical fibers for the stable transmission of vector-vortex beams

Sharma, Manish (2021). Design and optical characterization of specialty optical fibers for the stable transmission of vector-vortex beams. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In recent years, significant research has been dedicated towards exploring complex structured light beams such as optical vortices, a class of light beams that demonstrate doughnut shape intensity profiles and characterized by dark central hole, formed either due to phase singularities (known as orbital angular momentum (OAM) beams) or polarization singularities (cylindrical vector beams (CVBs)). Owning to such unique optical properties, vortex beams have demonstrated promising advances in numerous applications such as: quantum optics, optical microscopy, particle manipulation, sensing, optical trapping, and space division multiplexing. For example, vortex beams (with doughnut shaped intensity profile) are well-established in applications related to stimulated emission depletion (STED) super resolution microscopy, where annular beams enable breaching the diffraction limit. Another application is associated to using optical vortices in unique light-matter interactions (with possible applications in molecular spectroscopy), which could lead to new physical phenomenon not observable with conventional Gaussian beams.

These captivating applications of vortex beams have inspired more research work in probing these beams in both free space and guided fiber optics. Moreover, further innovation in currently existing technology is vital in order to realize the high purity generation and stable transmission of these exotic beams. Consequently, researchers and engineers have been on the forefront to explore different generation techniques such as: spiral phase plate, spatial light modulator (SLM), and nanostructured metamaterials, to name few. In parallel, numerous novel fiber designs have been proposed and developed towards the stable transmission of optical vortex. This thesis examines specific designs, optimization and characterization of optical fibers tailored for the propagation of optical vortex beams. The principal objective is to develop an optical fiber suitable for the stable transmission of optical vortex, which maintains high mode purity.

In this thesis, we propose a novel fiber design that demonstrates a new guiding regime termed endlessly mono-radial, where the fiber supports only guided modes of the fundamental radial order over a very large wavelength range. The latter property is important for the stable and broadband transmission of mono-radial CV and OAM beams. A finite element method (FEM) based model was developed for studying ring shaped (i.e. annular) core photonic crystal fiber. Moreover a systematic parameter investigation allows one to find new guiding regimes and evaluate fiber properties desirable for vortex beams. The simulation results are compared with a theoretical analytical model based on the exact solution of Helmholtz equation. This is followed by a demonstration of numerical simulation for nonlinear supercontinuum generation of vortex beams using 835 nm femtosecond pulse laser employing optimized fiber design parameters. In the second part of thesis, fiber theoretical designed and simulated in first part, is later fabricated and experimentally characterized for transmission of optical vortex, which displays higher mode stability and purity in fiber. In this experiment, OAM and CV beams are generated using S-plate (commercially available spiral phase plate) in free space and launched in fabricated fiber for analyzing mode purity and stability upon propagating through the fiber. This experimental characterization allows a deeper understanding of the CV and OAM beams transmission in fiber. In the last part of thesis, we proposed a radically new design: the radially anisotropic ring-core fiber for novel guiding characteristic. We show that the proposed fiber could in principle allow the stable co-propagation (with lower intermodal coupling) of different kind of OAM beams formed by the superposition of both the radially (TE) and azimuthally (TM) polarized modes, and coherent combination of hybrid (HE / EH) modes. This feat is possible because the proposed fiber enables to bridge the non-degeneracy of the TE and TM modes, without affecting the degeneracy of hybrid (HE / EH) modes. In addition to this, this fiber design could unlock further unconventional waveguiding regime, where either the doughnut-shaped radially or azimuthally polarized mode becomes the fundamental mode of the fiber in place of usual Gaussian-like HE11 mode. We hope that these findings will help in further development of next generation optical sensing and communication systems.

Titre traduit

Conception et caractérisation optique de fibres optiques spécialisées pour la transmission stable de faisceaux vector-vortex

Résumé traduit

De nombreuses recherches ont été développées ces dernières années pour explorer des faisceaux d’intensité complexes tels que le vortex optique. Le vortex optique est une classe particulière de faisceaux lumineux qui montre des profils d’intensité en forme de beignet et caractérisé par un trou central noir. Ce vortex est constitué soit des faisceaux à moment orbital angulaire (de l’acronyme anglais orbital angular momentum (OAM) beams) ou des faisceaux de polarisation à vecteurs cylindriques (de l’acronyme anglais cylindrical vector beams (CVBs)). Compte tenu de ce profil d'intensité unique, les faisceaux vortex ont démontré des avancées prometteuses dans de nombreuses applications telles que: l'optique quantique, la microscopie optique, la manipulation de particules, la détection, le piégeage optique et le multiplexage par répartition spatiale. Les faisceaux vortex (avec un profil d'intensité en forme de beignet) sont impliqués dans des applications liées à la microscopie à super résolution où les faisceaux annulaires permettent de briser la limite de diffraction. Une autre application est l'utilisation de vortex optiques dans des interactions lumière-matière (avec des applications possibles en spectroscopie moléculaire) qui pourraient conduire à des résultats inédits en comparaison avec les faisceaux gaussiens conventionnels.

Ces applications innovantes des faisceaux vortex ont motivé davantage de travaux de recherches afin de les explorer lorsqu’ils se propagent à la fois en espace libre et dans une fibre optique. De plus, des innovations supplémentaires dans les technologies actuelles sont vitales afin de garantir le maintien d’une haute pureté dans la génération et la transmission de ces faisceaux uniques. Différentes techniques de création des faisceaux vortex ont été par conséquent explorées par les chercheurs: on peut citer entre autres: la lame de phase hélicoïdale, le modulateur de phase spatial, les métamatériaux nanostructurés. Dans cette thèse nous étudions la conception, l'optimisation et la caractérisation de fibres optiques adaptées à la propagation de faisceaux vortex optiques. L'objectif principal consiste à développer une fibre optique adaptée à une transmission stable du vortex optique, tout en conservant une pureté de mode élevée.

Dans ce travail, nous proposons une nouvelle conception de fibre qui prouve un nouveau régime de guidage nommé régime infiniment mono-radial, régime où la fibre ne supporte que les modes d'ordre radial fondamental pour une très grande plage de longueurs d'onde. Cette propriété est importante pour la transmission stable et efficace des faisceaux OAM et CVBs mono-radiaux qui sont le sujet d’études intenses. Un modèle basé sur la méthode des éléments finis a été développé et simulé pour étudier la fibre à cristaux photoniques (coeur annulaire), ce qui facilite l'optimisation des paramètres permettant de trouver un nouveau régime de guidage et d'évaluer les propriétés souhaitées de la fibre pour les faisceaux vortex. Les résultats des simulations sont en accord avec les résultats du modèle théorique. Ensuite, des simulations numériques sont faites pour générer un supercontinuum non-linéaire de faisceaux vortex à l'aide d'un laser à impulsions femtoseconde 835 nm utilisant des paramètres optimisés de conception de fibre. Dans la deuxième partie de ce travail, la fibre théorique conçue et simulée dans la première partie est fabriquée et caractérisée expérimentalement pour la transmission de vortex optique. Cette dernière affiche une stabilité et une pureté modale plus élevée dans la fibre. Dans cette expérience, les faisceaux OAM et CVBs sont générés à l'aide d'une lame à phase hélicoïdale commerciale dans un espace libre. Ces faisceaux sont ensuite envoyés dans une fibre fabriquée afin d’analyser la pureté et la stabilité du mode après propagation à travers la fibre. Cette expérience permet une meilleure compréhension de la transmission de ces faisceaux dans la fibre. Dans la dernière partie de cette thèse, nous proposons une fibre avec un coeur annulaire radialement anisotrope pour une nouvelle caractéristique de guidage, c'est-à-dire que la fibre pourrait permettre une co-propagation stable (avec un couplage intermodal inférieur) de différents types de faisceaux OAM (formés par superposition des modes radiales (TE) et polarisés azimutalement (TM) ou modes hybrides (HE / EH)). Une manipulation précise des paramètres de la fibre proposée permet une dégénérescence des modes TE et TM (généralement non dégénérés), tout en conservant une dégénérescence plus des modes hybrides (HE / EH)). De plus, une tel design de fibre pourrait permettre un régime de guidage unique dans lequel le mode polarisé radialement (TM01) ou azimutalement (TE01) devient le mode fondamental guidé dans la fibre à la place du mode HE11. Nous croyons que ces résultats sont pertinents au développement de la prochaine génération de systèmes de détection et de communication optiques.

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 107-118).
Mots-clés libres:	optical vortex, orbital angular momentum beam, annular - core photonic crystal fiber, radially anisotropic ring fiber, cylindrical vector beams
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ung, Bora
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	05 avr. 2022 19:16
Dernière modification:	05 avr. 2022 19:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2957

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