Eingesperrtes Licht. Photonische Kristallfasern

also über 100 000 km/h! Seine kinetische Energie beträgt
dann 0,7 pJ.
Heller als 10 000 Sonnen
Die vielleicht wichtigste Eigenschaft eines photonischen
Kristalls ist die dramatisch veränderte Dispersion im Vergleich
zum unstrukturierten Material, die aus der Aufprägung
des periodischen Gitters resultiert. Dieser Effekt basiert
fundamental auf den Eigenmoden eines solchen
Gitters, den aus der Festkörpertheorie bekannten Bloch-
Wellen. Diese verteilen das Licht bei sich ändernder Lichtfrequenz
neu in den Faserregionen mit niedrigem und hohem
Brechungsindex. Das Lochgitter in einer Vollkern-PCF
hat beispielsweise einen maximalen axialen Index, der mit
wachsender Lichtfrequenz zunimmt.
Damit lassen sich PCF realisieren, die bei allen Wellenlängen
nur die Fundamentalmode im Kernbereich führen,
während höhere Moden abgestrahlt werden. In einer solchen
Faser sinkt der Brechungsindexkontrast zwischen
Kern und Mantel mit kürzer werdender Wellenlänge,so dass
nur die Grundmode geführt wird. Ein solches Verhalten
wird auf Englisch auch „endlessly Single Mode Guidance“
genannt, also auf Deutsch „endlose Einzelmodenführung“.
In Vollkern-PCF mit großen Luftlochanteilen und kleinen
Kerndurchmessern (d ≈ 1 µm) beeinflusst zudem die Wellenleiterdispersion
die Fundamentalmode so stark,dass sich
das Vorzeichen der Gesamtdispersion umgekehrt. Damit
lässt sich der Nulldurchgang des Dispersionskoeffizienten
bis in den grünen Spektralbereich verschieben. Diese
Nulldispersions-Wellenlänge (Zero Dispersion Wavelength)
liegt sonst bei reinem SiO2 bei 1,3 μm, also im Infraroten.
Seit langer Zeit ist der Einfluss der Dispersion bei der
Formung von Solitonen und bei Vier-Wellen-Mischprozessen
bekannt (siehe Physik in unserer Zeit 2007, 38(2), 73). Vor
der Realisierung von PCF gab es jedoch faktisch keine Möglichkeit,
die Dispersion in nichtlinearen Fasern nach Belieben
einzustellen. Mit den PCF ist das nun möglich. Deshalb
beflügeln sie besonders diesen Forschungsbereich in der
nichtlinearen Optik. Eine der wichtigsten Anwendung von
Vollkern-PCF ist die Generation von sogenannten optischen
Superkontinua: Solches „weißes Laserlicht“ besitzt ein extrem
breites Frequenzspektrum, das mehr als eine Oktave
überspannen kann, wobei es aus vielen scharfen Einzellinien
besteht [5]. Als Lichtquellen dienen Kurzpulslaser, zum
Beispiel ein Ti:Saphir-Laser (Pulslänge 120 fs), ein Nd:YLF-
Laser (600 ps) oder ein Faserlaser (5 ps) (Abbildung 5). Mit
dem Faserlaser lässt sich ein Superkontinuum mit einer beachtenswerten
Strahlungsdichte von 4,5 mW/nm im gesamten
Spektralbereich zwischen 450 nm und bis 800 nm
erreichen. Das schon erwähnte modengekoppelte Titan-Saphir-Lasersystem
ermöglichte die Erzeugung eines oktavbreiten
Spektralkamms aus wohldefinierten Frequenzen.
Theodor Hänsch (Nobelpreis für Physik 2005) verwendete
ihn, um auf einfache Weise optische Frequenzen mit einer
Genauigkeit kleiner 10 –15 zu vermessen (siehe Physik in unserer
Zeit 2005, 36(5), 258 und 2006, 37(2), 63).
PHOTONISCHE KRISTALLFASERN
| OPTIK
ZUSTANDSDICHTE UND FELDVERTEILUNG IM FASERMANTEL
Zustandsdichte und ausgewählte Feldverteilungen des periodischen Mantelbereichs
einer photonischen Kristallfaser. (Grafik: Greg Pearce, Uni. Erlangen.)
Im Bild rechts oben ist ein Ausschnitt
aus dem Mantel einer photonischen
Kristallfaser zu sehen (schwarz: Glasmaterial,
weiß: Luftkanal). Die anderen
Bilder zeigen, wie sich in ihm das Licht
in Abhängigkeit von der Wellenlänge
ausbreitet und bei welchen Wellenlängen
sich die Bandlücke des photonischen
Kristalls auftut. Licht dieser
Wellenlänge kann sich also dort nicht
ausbreiten. Die Wellenlänge steckt bei
dieser Betrachtung allerdings implizit
im Wellenvektor kk, für dessen Betrag
k = 2π/λ gilt.
Die Grafik ganz links zeigt die computersimulierte
Zustandsdichte des
betrachteten Mantelausschnitts. Dabei
trennt die Lichtlinie (Air Line) die
Bereiche der Moden mit effektivem
Brechungsindex größer als 1 (rechts
von der Air Line) von denen mit einen
Index kleiner 1 (links von der Air Line).
Der rote Bereich zwischen den Punkten
A und B repräsentiert die photonische
Bandlücke, wohingegen die Region
rechts vom Punkt C jenseits des maximalen
Wellenvektors für die Lichtaus-
breitung entlang der Faserachse liegt.
Λ ist die Gitterkonstante des photonischen
Kristalls, k0 der Vakuumwellenvektor.
Die drei Feldverteilungen (Bilder
A, B, C) geben den axialen Poynting-
Vektor an den jeweiligen Punkten A, B,
C wieder. Bereiche hoher Intensität sind
gelb, mittlerer rot und niedriger
Intensität blau dargestellt.
Im Bild C hat die Feldamplitude in
jedem Schwingungsknoten das gleiche
Vorzeichen. In Bild B wechselt das
Vorzeichen zwischen zwei benachbarten
Knoten. In Punkt A hat das zentrale
Maximum dagegen ein Vorzeichen, das
seinen sechs umgebenden Nachbarmaxima
entgegengesetzt ist. Entsprechend
ihres Luftflächenanteils werden
die Bandkanten in den Punkten A und B
als Luftbandkante oder dielektrische
Kante bezeichnet. Die Mode in C stellt
hingegen den fundamentalen Raumfüllungsmode
(Fundamental Space-filling
Mode) dar: Der Raumfüllungsmode
ist die Mode mit höchstem effektiven
Brechungsindex.
© 2008 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.phiuz.de 4/2008 (39)
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