Riassunto analitico
Questa tesi contribuisce al progetto europeo FET Open CRYSTˆ3, finalizzato alla realizzazione di una nuova piattaforma per applicazioni quantistiche basata su fibre a nucleo cavo ad accoppiamento inibito con reticolo tubolare. Il contributo di questa tesi consiste nell’investigazione di diversi tipi di non idealità di queste fibre dovute al processo di fabbricazione e nello studio dei loro effetti sulle perdite per propagazione. Questa problematica è ancora aperta in letteratura, perché le dimensioni ridotte e la disposizione complessa degli elementi di queste fibre rende impossibile la misurazione delle loro non idealità. Tuttavia, incoerenze tra le perdite misurate e teoriche vengono osservate sistematicamente, infatti la ricerca di punta in questo ambito sta cercando di identificarne l’origine e di quantificarne gli effetti.
Lo studio delle non idealità è stato realizzato con un approccio simulativo utilizzando COMSOL Multiphysics. I modelli sviluppati fino ad ora dalla comunità scientifica non prendono in considerazione le deformazioni e la rugosità termodinamica dei tubi dovute al processo di fabbricazione. Questa tesi, invece, si basa su un nuovo approccio numerico che include le non idealità nel modello della fibra, con lo scopo di osservare i cambiamenti delle proprietà ad esse dovuti. La principale ipotesi di questo approccio è che le non idealità causino accoppiamento tra i modi. Sfruttando la teoria dei modi accoppiati, questo accoppiamento può essere quantificato tramite un integrale di sovrapposizione.
Due tipologie di non idealità sono considerate in questa tesi: il “fiber twisting”, ovvero la rotazione rigida di tutti i tubi del cladding, e il “fiber tilting”, ovvero l’inclinazione dell'asse della fibra. Per ogni tipo di non idealità, uno strumento di investigazione è stato prima sviluppato e poi utilizzato per condurre campagne di simulazione. Le simulazioni sono state eseguite per molte fibre con diversi parametri geometrici, come il raggio del nucleo, le dimensioni dei tubi del cladding e la minima distanza tra i tubi, detta gap. Le fibre sono state organizzate logicamente in set aventi caratteristiche specifiche, che consentono di isolare l'impatto di uno o più parametri geometrici sulla grandezza analizzata.
Per il “fiber twisting”, la porzione di potenza persa dal modo fondamentale è stata quantificata per diversi angoli di torsione in diverse finestre di trasmissione. Inoltre, è stata condotta un'indagine sull'impatto del raggio del nucleo, del gap e del raggio dei tubi del cladding sull'accoppiamento del modo fondamentale con altri modi. Per il “fiber tilting” è stato condotto uno studio sul trasferimento della potenza del modo fondamentale con lo scopo di individuare i modi con cui esso si accoppia maggiormente. L'impatto dell'angolo di tilting e dei parametri geometrici delle fibre sull'accoppiamento è stato analizzato e quantificato per diverse frequenze normalizzate.
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Abstract
This thesis is framed in the context of the FET Open EU project CRYSTˆ3, aimed at creating a new platform from quantum applications, based on Hollow-Core Inhibited-Coupling Tube-Lattice fibers. The contribution of this thesis consists in the investigation of different types of non-idealities due to the fabrication process of such fibers and of their effect on propagation losses. This is still an open problem in the literature, because the small dimensions and complex arrangement of Hollow-Core fiber components make the direct measurement of their non-idealities unfeasible. Mismatches between the measured and theoretical losses are systematically observed, so the cutting-edge research in this field is now trying to identify the origin of these mismatches and quantify their effects.
The study of non-idealities of this thesis has been carried out through a simulative approach with COMSOL Multiphysics. The models developed and used so far by the scientific community do not take into account the deformations and the thermodynamic roughness of the tubes due to the fabrication process. This thesis is based on a new numerical approach able to include one non-ideality in the model of the fiber with the purpose of observing the changes in its properties. The main hypothesis behind this approach is that the non-idealities cause additional coupling between fiber modes. By exploiting the Coupled Mode Theory, the additional coupling between two modes can be quantified by the overlap integral.
Two different types of non-idealities are considered in this thesis: fiber twisting, namely a rigid rotation of all cladding tubes, and fiber tilting, namely the tilting of the fiber axes. For every type of non-ideality, an investigation tool has been created and exploited to conduct simulation campaigns. The simulations have been carried out for many fibers with different cross section parameters, such as core radius, cladding-tube dimensions and gap between the cladding tubes. The fibers have been logically organized in sets having specific characteristics, which allow to isolate the impact of one or more geometrical parameters on the analyzed quantity.
For the fiber twisting, the amount of power lost by the fundamental mode has been quantified for different twisting angles in different transmission windows. Furthermore, an investigation on the impact of core radius, tube-gap and cladding-tube radius on the coupling of the fundamental mode to other modes has been conducted. For the fiber tilting, a study on the power transfer from the fundamental mode has been carried out with the purpose of identifying the modes to which the fundamental mode couples the most. The impact of the tilting angle and of the geometrical parameters of the fibers on the coupling has been analyzed and quantified for different normalized frequencies.
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