Nonlinear pulse propagation dynamics in GE – SI3N4 slot waveguides

Abstract

Supercontinuum generation (SCG) in different waveguide structures is one of the main trends in nonlinear optics. Supercontinuum has a wide range of applications from spectroscopy and microscopy to ultrafast amplifiers. In this thesis nonlinear pulse propagation in Ge – Si3N4 slot waveguides is investigated. The aim is to measure, improve, and evaluate the proposed structure and investigate the possibility of generating supercontinuum.

This thesis discusses the fundamental laws of guided-wave optics in optical waveguides. The optical nonlinearities and the basis of SCG in single mode optical waveguides for different pulse durations are included. Additionally, the application point of view is discussed in the thesis. Slot waveguides that are used in the experimental part are also analyzed in more detail by their structures, and by their nonlinear responses.

The experimental part of this bachelor thesis reports spectral response of an optical slot wave-guide. Experiments were completed in laboratory in free-space, with a high power femtosecond laser. The strip-loading structure on top of the waveguide allows for tight mode confinement and power scaling to improve the generated broadening. The measurements verified that slot wave-guides have clear mode confinement and nonlinear response. In this experiment continuum was achieved from 60 nm to 220 nm.

The experiments will be continued for establishing a broader and more stable continuum. Structural and experimental improvements can be developed in the future. The long term objective is to create an ultrabroad supercontinuum spectrum spanning up to 3 µm.

Superjatkumon generoiminen erilaisissa aaltojohderakenteissa on eräs epälineaarisen optiikan pääsuuntaus. Superjatkumolla on useita erilaisia sovelluskohteita spektroskopiasta ja mikroskopiasta ultranopeisiin vahvistimiin. Tässä työssä tutkitaan epälineaarista valopulssin etenemistä Ge – Si3N4 valmistetuissa aukkoaaltojohteissa. Tavoitteena on mitata, parantaa ja arvioida kyseistä rakennetta, sekä tutkia mahdollisuutta tuottaa superjatkumoa rakenteessa.

Opinnäytetyössä esitellään optisen aaltojohdeoptiikan peruslakeja, sekä optiseen epälineaarisuuteen ja superjatkumon luomiseen liittyvä teoria yksimoodikuiduissa erilaisilla pulssien kestoilla. Sovelluskohteiden näkökulma on myös esitelty tässä työssä. Aukkoaaltojohtimia, joita käytetään mittausosiossa, analysoidaan tarkemmin rakenteen ja epälineaarisen vasteen näkökulmasta.

Työn mittausosiossa raportoidaan aukkoaaltojohtimien spektrivaste. Mittaukset suoritettiin korkeaenergisellä femtosekuntipulsseja tuottavalla laserilla. Kaistalekuormitusrakenne johtimen päällä mahdollistaa moodin keskittämisen ja tehon suurentamisen, joka parantaa tuotettua jatkumoa. Tutkimukset varmensivat, että kyseiset aaltojohteet tukevat valon etenemistä rakenteessa ja antavat selvän epälineaarisen vasteen. Jatkumo onnistuttiin tuottamaan 60 nanometristä 200 nanometriin.

Mittauksia tullaan jatkamaan laajemman ja vakaamman jatkumon tuottamiseksi. Rakenteellisia ja mittauksellisia parannuksia voidaan tehdä tulevaisuudessa. Pitkän tähtäimen tavoite on luoda ultraleveä superjatkumo, joka jatkuisi jopa 3 mikrometriin saakka.