All-optical wavelength-tunable narrow-linewidth fiber laser

Parameter regulations of narrow-linewidth fiber lasers in frequency domain has drawn considerable interests for widespread applications in the light quantum computing, precise coherent detection, and generation of micro-waves. All-optical methods provide compact, precise and fast accesses to achieving these lasers with wavelength-tunability. Here, the optical-thermal effects of graphene is utilized to precisely control operations of free-running lasers with a tuning speed of 140 MHz/ms. Assisted by the single-longitude-mode operation and linewidth suppression of stimulated Brillouin backscattering, we obtain an optical-controllable ~750 Hz fiber laser with a wavelength-tuning range of 3.7 nm

Optical time domain add-drop multiplexing employing fiber nonlinearities

Het in dit proefschrift beschreven onderzoek richt zich op het ontrafelen van in het tijdsdomein gestapelde optische signalen, ook wel optical time division multiplexing (OTDM) genoemd, en de bijbehorende technologische uitdagingen. Dit werk richt zich in het bijzonder op het toevoegen en extraheren van een specifieke datastroom uit een OTDM signaal. De component die deze functie uitvoert kan worden aangeduid als een add-drop multiplexer (ADM). Deze ADMs kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën. De eerste categorie is gebaseerd op oplossingen die gebruik maken van halfgeleider materiaal en de tweede categorie benut de niet-lineariteit van een glasvezel. Een onderzochte halfgeleider materiaal ADM techniek is gebaseerd op het crossabsorption modulation (XAM) effect in een electro-absorptie modulator (EAM). Een model, gebaseerd op propagatie-vergelijkingen in halfgeleider materiaal, is ontwikkeld om de invloed van het XAM effect te kunnen simuleren. Resultaten verkregen met dit model komen goed overeen met experimenteel verkregen resultaten. Foutvrij extraheren (demultiplexen) van een 10 Gb/s datakanaal uit een 80 Gb/s OTDM signaal, met behulp van XAM in een EAM is experimenteel aangetoond. Een nieuw concept genaamd cross-polarisatie rotatie (XPR) is geïntroduceerd om het contrast ratio van de EAM demultiplexer te verbeteren. Ondanks verbetering van het contrast ratio van de demultiplexer is er geen significante verbetering van de prestatie waarneembaar. Mogelijkheden om de EAM in een 160 Gb/s demultiplexer configuratie te gebruiken zijn onderzocht. De kwaliteit van de EAM als optische schakelaar is sterk afhankelijk van het maximaal toegestane ingangsvermogen. Een hoger vermogen van het optische kloksignaal leidt tot een sterker absorptie verzadigingseffect. De snelheid van de EAM als optische schakelaar is begrensd door de hersteltijd van de vrije elektronen en gaten in de halfgeleider, gezamenlijk de carriers genoemd. Een verhoging van de negatieve biasspanning leidt tot een verkorting van de carrier hersteltijd. Een nadeel van het gebruik van een hogere biasspanning is de bijkomende hogere absorptie wat resulteert in een hoger vereist ingangsvermogen om de absorptie te verzadigen, omdat anders een verslechtering van de signaal-ruis verhouding onvermijdelijk is. Een belangrijk deel van het proefschrift richt zich op ADMs die de niet-lineariteit van een glasvezel benutten. Een van de meest veelbelovende oplossingen is gebaseerd op de nonlinear optical loop mirror (NOLM). Een geheel optische tijdsdomein ADM gebaseerd op een NOLM structuur is voor het eerst gedemonstreerd op datasnelheden boven de 80 Gb/s. Simulaties en experimenteel onderzoek zijn uitgevoerd op 160 Gb/s en 320 Gb/s. De prestatie limiterende factoren in de NOLM gebaseerde ADM zijn overspraak van naburige kanalen voor het extraheren van een kanaal en incomplete verwijdering van het geëxtraheerde kanaal voor het toevoegen van een nieuw kanaal. De jitter op het controle- en datasignaal en een niet geoptimaliseerde NOLM ingangskoppelaar verslechteren de kwaliteit van de ADM. De behaalde resultaten openen mogelijkheden om in de toekomst het systeem op te waarderen naar 640 Gb/s. De conversie van twee 10 Gb/s non-return to zero (NRZ) golflengte gestapelde kanalen (WDM) naar één 20 Gbs return-to-zero (RZ) OTDM signaal is experimenteel gekarakteriseerd. Het conversie principe is gebaseerd op four-wave mixing (FWM) in een sterk niet-lineare vezel (HNLF). Een voordeel van deze conversie techniek is dat er geen extra NRZ naar RZ conversiestap vereist is. Een tweede voordeel is de transparantie van FWM ten opzichte van de gebruikte modulatie techniek. Zo is deze techniek bijvoorbeeld ook geschikt voor fasegemoduleerde datasignalen. De beperkingen van deze conversie techniek zijn onderzocht. Conversie van 2x10 Gb/s WDM naar 20 Gb/s OTDM is experimenteel aangetoond, maar simulaties wijzen uit dat deze techniek niet geschikt is voor conversie van 4x40 Gb/s WDM naar 160 Gb/s OTDM, omdat het optische vermogen van het geconverteerde signaal erg laag is als gevolg van de lage efficiëntie van het FWM proces. Een alternatieve ADM techniek die ook bestudeerd is, is gebaseerd op cross-phase modulatie (XPM) spectrale verbreding in combinatie met filtering. Het voordeel van deze techniek is het geringere aantal benodigde componenten voor de constructie van een complete ADM in vergelijking met een ADM gebaseerd op een NOLM of een Kerr shutter. Simulaties en experimenteel werk demonstreren de mogelijkheden van deze techniek. Een geheel optische tijddomein ADM voor fasegemoduleerde signalen is voor de eerste maal aangetoond. Add-drop multiplexing van een 80 Gb/s RZ-DPSK OTDM signaal gebaseerd op de Kerr shutter met 375 meter HNLF is experimenteel gedemonstreerd. De fase-informatie in het signaal is behouden in de complete ADM. Praktische beperkingen in de experimentele set-up begrensden de datasnelheid tot 80 Gb/s. Een ADM experiment op 320 Gb/s met amplitude gemoduleerde signalen geeft een indicatie van de mogelijkheden van de Kerr shutter als ultrasnelle schakelaar

Femtosecond Transient Bragg Gratings

Fiber Bragg gratings (FBGs) have found numerous applications in fiber lasers, sensors, telecommunication, and many other fields. Traditionally, they are fabricated using UV laser sources and a phase mask or other interferometric techniques. In the past two decades, FBGs have been fabricated with femtosecond lasers in either the point-by-point method or by using a phase mask, in a similar configuration as with UV laser sources. In the following, we briefly review the advantages of femtosecond fabrication of fiber Bragg gratings. We then focus on transient FBGs; these are FBGs that exist for a short duration only, for the purpose of all-optical, in-fiber switching and modulation and the possible mechanism to implement them with a high-power femtosecond laser. The theory behind transient grating switching is outlined, and we discuss related experimental results achieved by our group on both permanent grating inscription and the generation of transient (dynamic) fiber Braggs gratings

A new generation of high-power, waveform controlled, few-cycle light sources

Mit der zunehmenden Verbreitung von in Spitzen- und Durchschnittsleistung skalierbaren Femtosekundenlasern, insbesondere von modengekoppelten Dünnscheibenoszillatoren, entstand auch die Nachfrage nach ebenso leistungsskalierbaren Methoden der Pulskompression, Träger-Einhüllenden-Phasenstabilisierung und Frequenzumwandlung. Diese Techniken werden routinemäßig bei ultraschnellen Lasern mit kleineren Durchschnittsleistungen angewandt, zum Beispiel den Titan:Saphir-basierten. Jedoch mussten sie für die stärksten Femtosekundenlichtquellen mit etwa 100 W Durchschnittsleitung und 10 MW Spitzenleistung neu erfunden werden. Diese Dissertation zeigt, wie die von einem modengekoppelten Dünnscheibenoszillator mit 45 W Durchschnittsleistung emittierten Pulse zum ersten Mal auf eine Dauer von nur wenigen optischen Zyklen komprimiert worden sind. Die lediglich 7.7 fs kurzen Pulse wurden durch zwei sequentielle spektralen Verbreiterungs- und Kompressionsstufen mit gechirpten Spiegeln erzielt. Selbige Lichtquelle war auch der erste Dünnscheibenoszillator, sowie gleichzeitig der erste Laseroszillator mit mehr als 10 W Durchschnittsleistung, von dessen emittierten Pulszügen die Träger-Einhüllenden-Phase stabilisiert wurde. Zwei Stabilisierungsschemata werden vorgestellt: Das erste beruht auf der Modulation der Leistungsverluste des Lichts in der Laserkavität durch einen akustooptischen Modulator. Der Ansatz resultierte in einem verbleibenden Phasenrauschen von 125mrad, gemessen im Regelkreis, sowie 270 mrad, außerhalb des Regelkreises gemessen. Die zweite Methode verwendete ein zusätzliches Netzgerät zur Modulation des Pumplaserdiodenstroms. Hierbei wurde ein verbleibendes, im Regelkreis gemessenes Phasenrauschen von 390mrad erreicht. Während die Methoden zur Stabilisierung der Träger-Einhüllenden-Phase leistungsskalierbar sind, wird die Skalierbarkeit des ursprünglichen Ansatzes zur Kompression der Oszillatorpulse auf nur wenige optische Zyklen durch die Zerstörschwelle von photonischen Kristallfasern mit festem Kern eingeschränkt. Die Dissertation beschreibt detailliert die Limitierungen der Fasern bezüglich maximal durchlässiger Spitzenleistungen sowie erreichbarer spektraler Verbreitungsfaktoren. Weiterhin wird ein alternativer Ansatz demonstriert. Dieser beruht auf spektraler Verbreiterung in Hohlkernfasern mit einer Kagomé-artigen photonischen Kristallstruktur. Ein zweistufiges Verbreiterungs- und Kompressionsexperiment erzielte Pulsdauern von nur 9.1fs. Allerdings zeigte sich auch eine signifikante Überhöhung des Intensitätsrauschens der ultrakurzen Pulse im Vergleich zu denen, die direkt vom Laseroszillator emittiert wurden. Daher wurde spektrales Verbreitern in Kristallfenstern untersucht. Durch das Ausnutzen des optischen Kerr-Effekts wurden Spektren erzeugt, deren Bandbreite Pulsdauern von 15 fs erlaubt. Dieses Ergebnis motiviert die ausschließliche Anwendung von Kristallfenstern in der spektralen Verbreiterung von kurzen Pulsen. Simulationsergebnisse für die Lichtpropagation durch eine Reihe von Kerr-Medien versprechen eine gute Effizienz dieser Methode. Darüber hinaus wurde die Kompression von 190fs Pulsen mit einer Durchschnittsleistung von 90 W zu 30 fs und einer Durchschnittsleistung von 70 W experimentell demonstriert. Hierzu wurden selbst-defokussierende BBO-Kristalle verwendet. Die umfassende Studie über spektrale Verbreiterungs- und Pulskompressionstechniken ist wegbereitend für die Erzeugung von kurzen Pulsen mit Dauern von wenigen optischen Zyklen bei Spitzenleistungen von einigen hundert Megawatt und Durchschnittsleitungen von mehr als einhundert Watt. Schließlich befasst sich die Dissertation mit der Aufgabe die breitbandigen, leistungsstarken Spektren in einen Wellenlängenbereich zu übertragen, der eine riesige Anzahl an charakteristischen molekularen Absorptionen beherbergt - dem mittleren Infrarot. Die Umwandlung des Nahinfrarots zu kleineren Frequenzen durch optische parametrische Verstärkung resultierte in Strahlung mit bis zu 5W bei 4,1 Mikrometer und 1.3 W bei 8,5 Mikrometer, was einer Durchschnittsleistungssteigerung von einer Größenordnung gegenüber anderen kompakten Femtosekundenlichtquellen mit über 5 Mikrometer Wellenlänge entspricht. Zusätzlich zu den Leistungsmessungen werden Durchstimmbarkeit und Superkontinuumserzeugung durch aufeinanderfolgende quadratische Nichtlinearitäten demonstriert. Dies führte insgesamt zu einer spektralen Abdeckung der Wellenlängen von 1,6 bis 11 Mikrometer mit Leistungsdichten, welche 1 µW/cm−1 im gesamten Bereich übersteigen. Die demonstrierten Methoden zur Pulskompression sowie Träger-Einhüllenden-Phasenstabilisierung werden als grundlegende Techniken für die weitere Entwicklung einer neuen Generation von Hochleistungslichtquellen dienen. Durch Wellenform-kontrollierte Pulse, die nur wenige optische Zyklen dauern, können extrem nichtlineare Effekte bei bisher noch nicht erreichten Durchschnittsleistungen und Wiederholraten erzeugt werden. Die mehrere Oktaven überspannende Femtosekundenlichtquelle im mittleren Infrarot verspricht einzigarte Anwendungen beim Detektieren von molekularen Fingerabdrücken, insbesondere durch die Möglichkeiten zur Zurückwandlung der Frequenzen in den Nahinfrarotbereich oder die Nutzung der Frequenzkammspektroskopie.With the advent of peak and average power scalable femtosecond lasers, in particular mode-locked thin-disk oscillators, the need for equally scalable pulse compression, carrier-envelope-phase stabilization and frequency conversion schemes arose. These techniques have been routinely applied to lower average power ultrafast lasers, for instance the widely used Ti:sapphire based ones. But they had to be reinvented for cutting-edge femtosecond sources with 100 W level average and 10 MW level peak powers. This dissertation presents how pulses emitted from a 45 W average power mode-locked thin-disk oscillator were compressed for the first time to a duration of only a few optical cycles. Pulses as short as 7.7 fs were attained from two sequential spectral broadening and chirped mirror pulse compression stages. The same light source was also the first thin-disk oscillator, and simultaneously the first oscillator with an average power of more than 10 W, which was carrier-envelope-phase stabilized. Two stabilization methods are presented: The first one utilized intracavity loss modulation by means of an acousto-optic modulator. This resulted in 125 mrad in-loop and 270 mrad out-of-loop residual phase noise. The second one employed pump diode current modulation by means of an auxiliary power supply. This approach yielded a 390 mrad residual in-loop phase noise. Whereas the presented carrier-envelope-phase stabilization schemes are power-scalable, the scalability of the initial few-cycle pulse generation approach is restricted by the damage threshold of solid-core photonic crystal fiber. The thesis reports in detail on the limitations of these fibers with respect to maximally transmittable peak powers and attainable spectral broadening factors. Moreover, an alternative approach utilizing hollow-core Kagomé-type photonic crystal fibers is demonstrated. A double-stage broadening and compression setup yielded pulse durations of only 9.1 fs, but also showed a significant intensity noise increase in comparison to the thin-disk oscillator output. Therefore, spectral broadening in bulk crystals was studied. By exploiting the optical Kerr effect, spectra with Fourier transform-limits of 15 fs were achieved, opening the perspective for all solid-state spectral broadening in bulk material. Simulation results for a sequence of thin Kerr media predict a good power efficiency of the method. Furthermore, an experimental realization of pulse compression from 190 fs pulses with 90 W average power to 30 fs pulses with 70 W average power in self-defocusing BBO crystals is reported. The presented comprehensive study on spectral broadening and pulse compression techniques paves the way to few-cycle pulse generation at hundreds of MW peak power and hundreds of Watts average power. Eventually, the dissertation addresses the issue of transferring broadband, powerful spectra to a wavelength region with a huge variety of characteristic molecular absorptions - the mid-infrared. Frequency down-conversion via optical parametric amplification resulted in radiation with up to 5 W at 4.1 microns and 1.3 W at 8.5 microns, corresponding to an order-of-magnitude average power increase for compact femtosecond light sources operating at wavelengths longer than 5 microns. In addition to the power measurements, both wavelength tunability and supercontinuum generation by means of cascaded quadratic nonlinearities are reported, resulting in overall spectral coverage from 1.6 to 11 microns with power spectral densities exceeding 1 µW/cm−1 over the entire range. The pulse compression and carrier-envelope-phase stabilization schemes demonstrated in this dissertation will serve as fundamental techniques for the further development of a new generation of waveform-controlled few-cycle pulse lasers which are capable of triggering extreme nonlinear effects at unprecedented average powers and repetition rates. The multi-octave spanning, mid-infrared femtosecond source offers exciting opportunities for molecular fingerprinting, in particular by means of frequency up-conversion and field-sensitive techniques as well as frequency comb spectroscopy

A new concept short pulse fiber laser source

Ultrashort-pulse fiber laser systems, which offer, due to their high peak pulse intensity in combination with high pulse frequencies (repetition rate), an innovative technology of nonlinear interaction with materials, help to fabricate components with unprecedented quality, precision and speed. Also due to the short pulse duration, laser energy can be introduced into the material in a shorter time than heat transfer occurs, which thus prevents thermal damage to the part. It is not surprising that industrial laser systems with a sub-nanosecond pulse length are widely used in the markets of precision processing, medical devices and in many other applications. The most critical component of such systems is the seed laser source. To date, the existing devices in the commercial market do not fully satisfy the industrial requirements. In this thesis I describe a new concept for the generation of ultrashort laser pulses using an all-passive, fiber-ring, mode-locked laser with at least two passive spectral filters incorporated. Also presented is a full theoretical model of the operation of the laser. I report on the development and the comprehensive characterization of a fully optimized laser configuration, finding excellent agreement of the theoretical model and the experimental results. Various practical configurations and their application were demonstrated. During the period of the project, a fully commercially developed laser scheme was implemented in a variety of IPG Photonics picosecond and femtosecond laser systems.Open Acces