Zainteresowaniem grupy badawczej – Laboratorium Światłowodów Fotonicznych– są zagadnienia związane z projektowaniem, modelowaniem, wytwarzaniem, charakteryzacją i wykorzystaniem wszelkiego rodzaju włókien światłowodowych. W szczególności, badania prowadzone są w kierunku wykorzystania zjawisk nieliniowych w światłowodach do wytwarzania widma superkontinuum, czyli tzw. białego lasera. Prowadzone są też prace nad wzmacniaczami, przełącznikami światłowodowymi oraz impulsami femtosekundowymi. Badane są również światłowody fotoniczne wypełnione cieczami.

Tematyka badawcza

Klasyczne światłowody stosowane m.in. w telekomunikacji prowadzą światło dzięki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia. Polega ono na tym, że światło padając pod dużym kątem na granicę między dwoma materiałami, od strony materiału o większym współczynniku załamania, nie przechodzi do materiału o niższym współczynniku załamania ale odbija się od granicy i pozostaje w pierwszym materiale. Dlatego światło, wprowadzone do rdzenia światłowodu wykonanego z materiału o wyższym współczynniku załamania, zostaje w nim uwięzione. Światłowody takie, dzięki dużej przepustowości i małym stratom, bardzo dobrze nadają się do transmisji danych. Nie są jednak wolne od wad i różnego rodzaju ograniczeń. Jedną z głównych wad jest dyspersja chromatyczna. Zjawisko to odpowiedzialne jest za wolniejszą propagację światła o krótszej długości fali. W konsekwencji, prowadzi do rozciągania w czasie transmitowanego sygnału i zmniejszenia możliwej do osiągnięcia szybkości transmisji. Kolejną wadą jest ograniczenie ilości energii, jaka może być przepuszczona przez światłowód. Wadą są też, z jednej strony, występujące małe efekty nieliniowe a z drugiej strony trudności w osiągnięciu wysokich efektów nieliniowych.

Szukając rozwiązań tych problemów opracowano wiele różnego rodzaju typów światłowodów. Jednym z podejść jest modyfikacja światłowodu poprzez dodanie otworów powietrznych. Światłowody takie można ogólnie nazwać światłowodami fotonicznymi. Wyróżnić możemy kilka ich typów. W światłowodach z pełnym rdzeniem i strukturą otworów wokół rdzenia mechanizm prowadzenia światła jest podobny, jak we włóknach klasycznych. Współczynnik załamania rdzenia jest wyższy a wokół rdzenia znajdują się otwory powietrzne o niższym współczynniku załamania. Światłowody takie pozwalają na kontrolowanie dyspersji. Dlatego stosowane są m.in. do kompensacji dyspersji we włóknach telekomunikacyjnych.

Okazuje się jednak, że podobnie wyglądające światłowody można też wykonać z pustym rdzeniem. W tym przypadku mechanizm całkowitego wewnętrznego odbicia nie zadziała, gdyż współczynnik załamania w rdzeniu jest mniejszy niż wokół niego. Okazuje się jednak, że strukturę otworów można tak zaprojektować, aby dla pewnych przedziałów długości fali uzyskać tak zwaną fotoniczną przerwę wzbronioną. Przerwa ta "zabrania" światłu wydostać się z rdzenia przez strukturę otworów na zewnątrz. A ponieważ światło nie może uciec, to propaguje się w rdzeniu. Światłowody takie wykorzystywane są m.in. do przesyłania światła o dużej energii, gdyż nie występuje tutaj grzanie się materiału włókna.

Istnieje jeszcze jeden mechanizm wykorzystywany w światłowodach do uwięzienia światła. W tak zwanych światłowodach antyrezonansowych światło odbija się od gładkich kapilar otaczających rdzeń. Dla pewnych długości fali występuje silny rezonans między falami odbitymi od różnych powierzchni, powodujący duże straty włókna. Jednak pomiędzy tymi długościami fali występują obszary, gdzie takie rezonanse nie występują i światło z bardzo małymi stratami propaguje się dużym pustym rdzeniem.

Przykłady włókien fotononicznych: a) włókno całoszklane z nanostrukturalnym rdzeniem parabolicznym, b) włókno fotoniczne z pełnym rdzeniem, c) włókno fotoniczne z pustym rdzeniem, d) włókno antyrezonasowe.

Światłowody fotoniczne pozwalają, z jednej strony, na wydajne korzystanie z efektów nieliniowych a równocześnie na kontrolowanie dyspersji. Oba te czynniki wykorzystywane są do wytwarzania widma superkontinuum. Okazuje się, że wprowadzony do odpowiedniego światłowodu ciąg krótkich impulsów światła spójnego (impulsy femtosekundowe), poprzez oddziaływania nieliniowe, ulega poszerzeniu. W rezultacie, na wyjściu takiego włókna uzyskuje się widmo światła np. w całym zakresie światłą widzialnego.

Źródło superkontinuum: a) światłowód fotoniczny do generacji widma superkontinuum, b) eksperymentalnie wygenerowane widmo, c) wynik symulacji poszerzenia impulsu.

Aby zwiększyć efektywność wzbudzania efektów nieliniowych, co może przełożyć się na uzyskanie szerszego widma lub możliwość budowy mniejszych urządzeń w Laboratorium, badamy zachowanie światłowodów fotonicznych, wypełnionych cieczami, charakteryzującymi się wysoką nieliniowością.

Światłowód fotoniczny wypełniony cieczą do generacji widma superkontinuum: a) pusty światłowód, b) rdzeń światłowodu wypełniony czterochlorkiem węgla, c) układ eksperymentalny, d) wynik symulacji poszerzenia widma, e) wynik eksperymentalny.

Publikacje

X. Forestier, T. Karpate, G. Huss, V. Tombelaine, G. Stępniewski, A. Anuszkiewicz, R. Kasztelanic, A. Filipkowski, D. Pysz, M. Klimczak, R. Buczyński, Supercontinuum generation in nanostructured core gradient index fibers, Appl. Nanosci., 10, 1997–2005 (2020).

M. Longobucco, I. Astrauskas, A. Pugžlys, D. Pysz, F. Uherek, A. Baltuška, R. Buczyński, I. Bugár, Broadband Self-Switching of Femtosecond Solitons in Highly Nonlinear High Index Contrast Dual-Core Fibre, Opt. Comm., 472, 126043 (2020).

T. Karpate, G. Stepniewski, D. Pysz, A. Rampur, Y. Stiepanienko, R. Buczynski, M. Klimczak, Soliton detuning of 68.5 THz in the near-infrared in a highly nonlinear suspended core tellurite fiber, JOSA B, 37(5), 1502-1509 (2020).

V.T. Hoang, R. Kasztelanic, G. Stepniewski, K.D. Xuan, V.C. Long, M. Trippenbach, R M. Klimczak, Buczyński, J. Pniewski, Femtosecond supercontinuum generation around 1560 nm in hollow-core photonic crystal fibers filled with carbon tetrachloride, Appl. Opt. 59(12), 3720-3725 (2020).

L.C. Van, V.T. Hoang, V.C. Long, K. Borzycki, K.D. Xuan, V. T. Quoc, M. Trippenbach, R. Buczyński, J. Pniewski, Supercontinuum generation in photonic crystal fibers infiltrated with nitrobenzene, Las. Phys. 30(3), 035105 (2020).

M. Longobucco, P. Stajanča, L. Čurilla, R. Buczyński, I. Bugár, Applicable ultrafast all-optical switching by soliton self-trapping in high index contrast dual-core fiber, Laser Phys. Lett., 17, 025102 (2020).

D. Dobrakowski, A. Rampur, G. Stepniewski, D. Pysz, L. Zhao, Y. Stiepanienko, R. Buczynski, M. Klimczak, Femtosecond pulse delivery around 1560 nm in large core inhibited coupling fibers, JOSA B, 36(11), 3030-3038 (2019).

M. Klimczak, D. Dobrakowski, A.N. Ghosh, G. Stepniewski, D. Pysz, G. Huss, T. Sylvestre, R. Buczynski, Nested-capillary anti-resonant silica fiber with mid-infrared transmission and low bending sensitivity at 4000 nm, Opt. Lett., 44(17) 4395-4398 (2019).

L.C. Van, V.T. Hoang, V.C. Long, K. Borzycki, K.D. Xuan, V.T. Quoc, M. Trippenbach, R. Buczyński, J. Pniewski, Optimization of optical properties of photonic crystal fibers infiltrated with chloroform for supercontinuum generation, Laser Phys. 29, 075107 (2019).

M. Longobucco, J. Cimek, L. Čurilla, D. Pysz, R. Buczynski, I. Bugar, All-optical switching based on soliton self-trapping in dual-core high-contrast optical fibre, Opt. Fib. Technol. 51, 48-58 (2019).

M. Nikodem, G. Gomolka, M. Klimczak, D. Pysz, R. Buczynski, Laser absorption spectroscopy at 2 µm inside revolver-type anti-resonant hollow core fiber, Opt. Express 27(10), 14998-15006 (2019).

V.T. Hoang, R. Kasztelanic, A. Filipkowski, G. Stepniewski, D. Pysz, M. Klimczak, S. Ertman, V.C. Long, T. Wolinski, M. Trippenbach, K.D. Xuan, M. Smietana, R. Buczynski, Supercontinuum generation in all-normal dispersion large core photonic crystal fiber infiltrated with carbon tetrachloride, Opt. Mat. Express 9(5). 2264-2278 (2019

M. Klimczak, D. Michalik, G. Stepniewski, T. Karpate, X. Forestier, J. Cimek, R. Kasztelanic, D. Pysz, R. Stepien, R. Buczynski, Coherent supercontinuum generation in tellurite glass regular lattice photonic crystal fibers, JOSA B, 36(2), A112-A124 (2019).

G. Stępniewski, J. Pniewski, D. Pysz, J. Cimek, R. Stępień, M. Klimczak, R. Buczyński, Development of dispersion-optimized photonic crystal fibers based on heavy metal oxide glasses for broadband infrared supercontinuum generation with fiber lasers, Sensors, 18(12), 4127 (2018).

V.T. Hoang, R. Kasztelanic, A. Anuszkiewicz,. G. Stepniewski, A. Filipkowski, S. Ertman,  D. Pysz, T. Wolinski, K.D. Xuan, M. Klimczak, R. Buczynski, All-normal dispersion supercontinuum generation in photonic crystal fiber with large hollow core infiltrated with toluene, Opt. Mat. Express, 8(11), 3568-3582 (2018).

A.N. Ghosh, M. Klimczak, R. Buczynski, J.M. Dudley, T. Sylvestre, Supercontinuum Generation in Heavy-Metal Oxide Glass Based Suspended-Core Photonic Crystal Fibers, J. Opt. Soc. Am. B 35(9), 2311-2316 (2018).

T. Stefaniuk, G. Stepniewski, D. Pysz, R. Stepien, R. Buczynski, Fused silica photonic crystal fiber with heavily germanium doped microinclusion in the core dedicated to couple, guide and control LP02 higher order mode, Opt. Express 26(17), 21939-21949 (2018).

Q.H. Dinh, J. Pniewski, H.L. Van, A. Ramaniuk, V.C. Long, K. Borzycki, K.D. Xuan, M. Klimczak, R. Buczyński, Optimization of optical properties of photonic crystal fibers infiltrated with carbon tetrachloride for supercontinuum generation with sub-nJ femtosecond pulses, Appl. Opt., 57(14) 3738-3746 (2018).

V.T. Hoang, B. Siwicki, M. Franczyk, G. Stępniewski, H.L. Van, V.C. Long, M. Klimczak, R. Buczyński, Broadband low-dispersion low-nonlinearity photonic crystal fiber dedicated to near-infrared high-power femtosecond pulse delivery, Opt. Fib. Technol. 42, 119-125 (2018).

A. Rampur, P. Ciąćka, J. Cimek, R. Kasztelanic, R. Buczyński, M. Klimczak, Development of suspended core soft glass fibers for far-detuned parametric conversion, J. Opt. 20(4), 045501 (2018).

M. Klimczak, B. Siwicki, A. Heidt, R. Buczyński, Coherent supercontinuum generation in soft glass photonic crystal fibers, Phot. Res.  5(6), 710-727 (2017).

J. Pniewski, G. Stepniewski, R. Kasztelanic, B. Siwicki, D. Pierscinska, K. Pierscinski, D. Pysz, K. Borzycki, R. Stepien, M. Bugajski, R. Buczynski, High numerical aperture large-core photonic crystal fiber for a broadband infrared transmission, , Infrared Phys. Techn., 79, 10-16, (2016).

G. Stepniewski, R. Kasztelanic, D. Pysz, R. Stepien, M. Klimczak, R. Buczynski, Temperature sensitivity of chromatic dispersion in nonlinear silica and heavy metal oxide glass photonic crystal fibers, Opt. Mat. Express, 6(8), 2689-2703 (2016).

B. Siwicki, R. Kasztelanic, M. Klimczak, J. Cimek, D. Pysz, R. Stępień, R. Buczyński, Extending of flat normal dispersion profile in all-solid soft glass nonlinear photonic crystal fibres, J. Opt., 18, 065102, 2016.

M. Klimczak, G. Soboń, R. Kasztelanic, K.M. Abramski, R. Buczyński, Direct comparison of shot-to-shot noise performance of all normal dispersion and anomalous dispersion supercontinuum pumped with sub-picosecond pulse fiber-based laser, Sci. Rep., 6, 19284 (2016).

B. Siwicki, M. Klimczak, R. Stępien,, R. Buczyński, Supercontinuum Generation Enhancement in All-Solid All-Normal Dispersion Soft Glass Photonic Crystal Fiber Pumped at 1550 nm, Opt. Fib. Technol. , 25  64-71. 2015.

G. Stępniewski, J. Pniewski, M. Klimczak, T. Martynkien, D. Pysz, R. Stępień, I. Kujawa, K. Borzycki, R. Buczyński, Broadband dispersion measurement of photonic crystal fibers with nanostructured core, Opt. Quant. Electron., 47(3), 807-814 (2015).