English

This dissertation is focused on the investigation of the waveguiding properties of liquid crystal-filled microstructured fibers. These photonic crystal fibers exhibit a two-dimensional periodic microstructured profile. The latter microstructure enables the guidance of electromagnetic radiation with a propagation constant perpendicular to the profile. Light can be guided in these fibers over longer distances. Even the first photonic crystal fibers in practical existence had superior waveguiding properties compared to conventional optical fibers. For example, single-mode fibers, which are used in laser applications, could be improved by enhancing the core diameter. Furthermore, waveguiding mechanisms with a high index cladding can be applied in photonic crystal fibers in order to guide light over large distances. ‘Cladding’ is a technical term for the surrounding of the waveguiding core region of a fiber. Generally, a high reflectivity of the cladding is required in order to confine and guide light in the core. Liquid crystals show highly interesting optical properties. These fluidic and optically highly anisotropic substances are predetermined to be applied as active elements in optical modulators. Typical nematic liquid crystals are only weakly absorbing in the visible and near infrared spectral region. Even though, the latter show a high and additionally anisotropic optical damping. The application as core material in terms of waveguides is possible only very limitedly for liquid crystals. However, only relatively short fibers in the range of several to several tens of millimeters are required in the field of fiberoptical modulators. It is well established to fill the microstructured cladding of selected photonic crystal fibers with liquid crystals. In the current dissertation, a technique is developed to homogeneously fill rather long pieces of photonic crystal fibers. Systematical investigations are conducted. The attenuation properties and the switching characteristics of liquid crystal-filled photonic crystal fibers are investigated experimentally and by means of electromagnetic field simulations. Two liquid crystal-filled microstructured silica glass fibers are investigated in the experimental part. The fibers show structured attenuation spectra with intervals of small attenuations where values even lower than 1 dB/cm are achieved. Fiber optical modulators are shown in switching experiments where polarization dependent and independent responses are investigated. Moreover, the response times of these modulators are optimized. Electromagnetic field simulations are conducted in order to obtain approximate theoretical attenuation spectra. In this model, the light scattering due to thermal fluctuations of the molecular orientation of the liquid crystal is considered as damping mechanism. The parameters of the experimental system are considered in the simulations. Reasonable agreement of the simulations and the experimental results is obtained. Thus, the simulation can be used as a tool in order to understand the attenuation properties of real fibers in more detail.

Deutsch

Die vorliegende Dissertation behandelt die Untersuchung der Lichtwellenleiter-eigenschaften von flüssigkristallgefüllten mikrostrukturierten Glasfasern. Diese Photonischen Kristallfasern verfügen über eine zweidimensional periodisch mikrostrukturierte Querschnittsfläche, die das Führen von Licht mit einer Ausbreitungskonstanten senkrecht zum Faserquerschnitt erlaubt. Licht kann in diesen Fasern über längere Distanzen geführt werden. Bereits die ersten technisch realisierten Typen Photonischer Kristallfasern waren in vielen Bereichen konventionellen Glasfasern überlegen, wie z. B. dem Kerndurchmesser von sog. Einmodenfasern, die in der Lasertechnik Anwendung finden. In Photonischen Kristallfasern kann auch über lange Distanzen von Lichtführungsmechanismen mit hochbrechendem Cladding Gebrauch gemacht werden. Als Cladding wird die nächste Umgebung des lichtführenden Kerns bezeichnet. Prinzipiell ist eine ausreichend hohe Reflektivität des Claddings erforderlich, um Licht im Kernbereich eines Lichtwellenleiters einzuschließen und so zu führen. Flüssigkristalle zeigen hochinteressante optische Eigenschaften. Aufgrund ihres fluiden Charakters und ihrer herausragenden optischen Anisotropie sind sie prädestiniert, um als aktive Elemente in optischen Modulatoren angewendet zu werden. Obwohl typische nematische Flüssigkristalle im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich kaum absorbieren, zeigen sie dennoch eine hohe und zudem anisotrope optische Dämpfung. Die Anwendung von Flüssigkristallen als Kernmaterial für Lichtwellenleiter ist deswegen nur begrenzt möglich. Für faseroptische Modulatoren sind allerdings vergleichsweise kurze Faserstücke mit Längen im Zentimeterbereich eher von Interesse als extrem lange Fasern. Es hat sich in den letzten Jahren etabliert, das zweidimensional periodisch mikrostrukturierte Cladding von geeigneten Photonischen Kristallfasern mit Flüssigkistallen zu füllen. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine Technik zum homogenen Füllen längerer Faserstücke entwickelt, um systematische Analysen durchzuführen. Die Dämpfungseigenschaften flüssigkristallgefüllter Photonischer Kristallfasern und ihr Schaltverhalten werden experimentell und mithilfe von elektromagnetischen Feldsimulationen untersucht. Es wird experimentell gezeigt, dass zwei gefüllte Photonische Quarzglasfasern mit festem Kern im sichtbaren Spektralbereich strukturierte Dämpfungsspektren mit spektralen Bereichen kleiner Dämpfung zeigen. Die Dämpfung innerhalb dieser Bereiche kann Werte kleiner als 1 dB/cm erreichen. Schaltexperimente führen zu faseroptischen Modulatoren, die polarisationsunabhängige und polarisationsabhängige Effekte zeigen. Darüber hinaus werden die elektrooptischen Schaltzeiten optimiert. Die Dämpfungseigenschaften der Fasern werden mit elektromagnetischen Feldsimulationen nachvollzogen. Dabei wird als Dämpfungsmodell die Lichtstreuung aufgrund der thermischen Fluktuation der mittleren molekularen Orientierung des Flüssigkristalls verwendet. Die Einflussparameter des experimentellen Systems werden in den Simulationen abgebildet. Die Übereinstimmung der experimentellen Ergebnisse und der Simulationsergebnisse ist geeignet, um detaillierte Einblicke in die Funktionsweise des untersuchten Systems zu gewähren.