Numerical simulations of micro and nano-structured optical waveguides inside YAG crystals

Abstract

The formation and propagation of light waves inside an Er:YAG photonic crystal has been studied for a pattern of concentric rings formed by air pores; with the purpose of applying it in optical systems incorporating conventional optical fibres, using simulations performed by means of the RSoft CAD:BeamPROP and WinPLOT softwares. Firstly, the importance of obtaining new laser sources in eye-safe wavelength regions in the current scientific and technological context is highlighted, and how the implementation of these structures would be a breakthrough for generating and propagating this type of waves. Secondly, a brief introduction is given to the functioning of laser devices, optical fibres and the theoretical basis of the study of photonic crystals. The properties of this new type of photonic crystal structure and its manufacturing method are also discussed. Once the theoretical part has been explained, the operation of the RSoft CAD:BeamPROP program, which allows photonic crystals to be modelled with the desired conditions, and the WinPLOT data analysis program are presented and explained. In the first part, simulations were conducted to analyze the emission of a wave with a wavelength of 1645 nm from an Er:YAG crystal towards an optical fiber. The focus was on investigating the fundamental modes of different configurations of a structure composed of concentric rings of pores and examining the parameters that affect the distribution of the electric field within the mode. In the second part, simulations were performed to study the propagation of the previously obtained fundamental modes. The objective was to analyze and identify the factors within the structure of the concentric ring pores that impact the power transmitted by the wave through the material. The factors contributing to the formation and propagation of higher-order modes were also examined to determine the optimal configuration that minimizes losses during propagation and the formation of higher-order modes. Finally, the reverse scenario was explored in which a conventional optical fiber, referred to as ’6/125 Precision Matched Passive Single-Mode 1550-nm Double Clad Fiber’, with a mode field diameter (MFD) of 7.4 µm, directs a Gaussian wave with a wavelength corresponding to one of the emission wavelengths of Er:YAG crystal, specifically λ = 1645 nm, towards the crystal. Similar to the previous section, the analysis focused on identifying the factors within the structure of the concentric ring pores that influence the power transmitted by the wave through the material, losses due to wave coupling, and the generation of higher-order modes during propagation.

Se ha estudiado la formaci´on y propagaci´on de ondas de luz dentro de un cristal fot´onico Er:YAG para un patr´on de anillos conc´entricos formados por poros de aire nunca antes estudiado; con el prop´osito de aplicarlo en sistemas ´opticos que incorporen fibras ´opticas convencionales, utilizando simulaciones realizadas mediante los softwares RSoft CAD:BeamPROP y WinPLOT. En primer lugar, se destaca la importancia de obtener nuevas fuentes de l´aseres en regiones de longitudes de onda seguras para los ojos, en el contexto cient´ıfico y tecnol´ogico actual, y c´omo la implementaci´on de estas estructuras ser´ıa un gran avance para generar y propagar este tipo de ondas. En segundo lugar, se realiza una breve introducci´on al funcionamiento de los dispositivos l´aser, a las fibras ´opticas y a las bases te´oricas del estudio de los cristales fot´onicos. Tambi´en se discuten las propiedades que presenta este nuevo tipo de estructura de cristal fot´onico y cu´al es su m´etodo de fabricaci´on. Una vez explicada la parte te´orica, se expone y se explica el funcionamiento del programa RSoft CAD:BeamPROP, que permite modelar cristales fot´onicos con las condiciones deseadas, y del programa de an´alisis de datos WinPLOT. En la primera parte, se realizaron simulaciones para analizar la emisi´on de una onda con una longitud de onda de 1645 nm desde un cristal de Er:YAG hacia una fibra ´optica. El enfoque se centr´o en investigar los modos fundamentales de diferentes configuraciones de una estructura compuesta por anillos conc´entricos de poros y examinar los par´ametros que afectan la distribuci´on del campo el´ectrico dentro del modo. En la segunda parte, se llevaron a cabo simulaciones para estudiar la propagaci´on de los modos fundamentales obtenidos anteriormente. El objetivo fue analizar e identificar los factores dentro de la estructura de los poros en forma de anillos conc´entricos que impactan la potencia transmitida por la onda a trav´es del material. Tambi´en se examinaron los factores que contribuyen a la formaci´on y propagaci´on de los modos de orden superior, con el fin de determinar la configuraci´on ´optima que minimiza las p´erdidas durante la propagaci´on y la formaci´on de los modos de orden superior. Por ´ultimo, se explor´o el escenario inverso en el cual una fibra ´optica convencional, denominada ’6/125 Precision Matched Passive Single-Mode 1550-nm Double Clad Fiber’, con un di´ametro del campo del modo (MFD) de 7.4 µm, dirige una onda gaussiana con una longitud de onda correspondiente a una de las longitudes de emisi´on del cristal de Er:YAG, espec´ıficamente λ = 1645 nm, hacia el cristal. Al igual que en la secci´on anterior, el an´alisis se centr´o en identificar los factores dentro de la estructura de los poros en forma de anillos conc´entricos que influyen en la potencia transmitida por la onda a trav´es del material, las p´erdidas debidas al acople de la onda y la generaci´on de modos de orden superior durante la propagaci´on.