Die chromatische Dispersion ist in optischen Übertragungssystemen mit Datenraten von 10 Gbit/s und darüber einer der Faktoren, der die Länge der Übertragungsstrecke limitiert. Der Hauptteil der chromatischen Dispersion wird in solchen Übertragungssystemen in der Regel durch Dispersionskompensationsfasern ausgeglichen. Aufgrund von z.B. Umwelteinflüssen kann allerdings auch eine sich zeitlich ändernde Dispersion auftreten. Zur Eliminierung dieser Restdispersion wurden unterschiedliche Ansätze wie abstimmbare Faser-Bragg-Gitter, Virtually-Imaged-Phased-Arrays und Delay-Line-Filter publiziert. Delay-Line-Filter, deren periodisches Übertragungsverhalten durch die Filterkoeffizienten bestimmt wird, wurden bereits als Ring-Resonatoren und kaskadierte Mach-Zehnder-Interferometer in integriert-optischer Technologie hergestellt. Integriert-optische Komponenten verursachen aufgrund der Ankopplung an die Fasern des Übertragungssystems hohe Einfügeverluste. Darüber hinaus treten hohe Wellenleiterverluste, polarisationsabhängige Verluste und Polarisationsmodendispersion auf. Daher wird in dieser Arbeit die Realisierung faseroptischer Delay-Line-Filter, die auf faseroptischen Schmelzkopplern und faseroptischen Gewichtungselementen basieren, untersucht. Aufgrund der geometrischen Längen der faseroptischen Schmelzkoppler und der Größe der Gewichtungselemente können solche Filter allerdings nur mit einer geringen Filterordnung und mit einer geringen Anzahl von Gewichtungselementen hergestellt werden. Um mit Filtern niedriger Ordnung eine möglichst effektive Kompensation der Restdispersion zu erzielen, ist zunächst eine sorgfältige Untersuchung der Filtereigenschaften und des Filterentwurfs erforderlich. Durch systematische Untersuchung des Verhaltens der Filterdispersion in Abhängigkeit der Filterkoeffizienten wurden in dieser Arbeit hierzu erstmalig einfache Entwurfsregeln aufgestellt, die für Filter beliebiger Filterordnung zu annähernd konstantem Dispersionsverlauf führen. Auf dieser Grundlage konnte ein faseroptisches Delay-Line-Filter realisiert werden, das auf zwei in Reihe geschalteten faseroptischen 3x3 Schmelzkopplern basiert. Die Dispersion dieses Filters ist in einem Bereich von 50 GHz um die Mitte einer Filterperiode herum annähernd konstant und kann in einem Bereich von +/-50 ps/nm durch ein einzelnes thermisches Gewichtungselement abgestimmt werden. Aufgrund der faseroptischen Realisierung kann die Komponente problemlos in optische Übertragungsstrecken integriert werden und verursacht dabei Einfügeverluste von lediglich 3 dB. In Übertragungsexperimenten bei Datenraten von 42,5 Gbit/s konnte gezeigt werden, dass das Filter in der Lage ist die Dispersionstoleranz des Systems annähernd zu verdoppeln. Dies gilt sowohl für die Kompensation eines einzelnen Kanals als auch für die simultane Kompensation mehrerer benachbarter Übertragungskanäle mit je 42,5 Gbit/s. / Chromatic dispersion is a limiting factor in fast optical networks with channel bit rates of 10 Gbit/s or higher. The main part of the dispersion is usually compensated by spans of dispersion compensating fiber that have a fixed dispersion value. But the residual dispersion caused by environmental changes or rerouting has to be compensated adaptively. To overcome the effects of residual dispersion several approaches like tunable fiber Bragg gratings, virtually imaged phased arrays and delay line filters can be found in literature. The use of delay line filters like cascaded ring-resonators, multi-cavity etalons and cascaded Mach-Zehnder interferometers, whose periodic transfer behavior is determined by their coefficients, have already been developed in planar-optics. These components cause insertion loss due to the coupling to the fibers. Furthermore they suffer from high waveguide loss, non-negligible polarization dependent loss and polarization mode dispersion. In this thesis the realization of tunable delay line filters based on fiberoptic couplers and fiberoptic weighting elements is investigated. Due to the size of these components the filters can be realized with a limited order and a limited number of weighting elements, only. To fulfill these requirements a careful investigation of the filter design is necessary. By systematically investigating the dispersion of the filter depending on the filter coefficients simple design rules for non-recursive delay line filters with approximately constant dispersion are figured out. That enables the realization of a fiberoptic delay line filter, based on two 3x3 couplers concatenated in series. The dispersion of this filter is constant in a bandwidth of about 50 GHz around the center of a period and can be tuned in a range of +/-50 ps/nm by changing one single weighting element. Due to its nature this device causes low loss and can be easily integrated in an optical transmission system. In experiments it was demonstrated that by adding this filter to a 42.5 Gb/s transmission system the +/- 55 ps/nm dispersion tolerance of the optical receiver can almost be doubled - either in a single channel as well as in a multi channel configuration with five adjacent 42.5 Gb/s channels.

Die chromatische Dispersion ist in optischen Übertragungssystemen mit Datenraten von 10 Gbit/s und darüber einer der Faktoren, der die Länge der Übertragungsstrecke limitiert. Der Hauptteil der chromatischen Dispersion wird in solchen Übertragungssystemen in der Regel durch Dispersionskompensationsfasern ausgeglichen. Aufgrund von z.B. Umwelteinflüssen kann allerdings auch eine sich zeitlich ändernde Dispersion auftreten. Zur Eliminierung dieser Restdispersion wurden unterschiedliche Ansätze wie abstimmbare Faser-Bragg-Gitter, Virtually-Imaged-Phased-Arrays und Delay-Line-Filter publiziert. Delay-Line-Filter, deren periodisches Übertragungsverhalten durch die Filterkoeffizienten bestimmt wird, wurden bereits als Ring-Resonatoren und kaskadierte Mach-Zehnder-Interferometer in integriert-optischer Technologie hergestellt. Integriert-optische Komponenten verursachen aufgrund der Ankopplung an die Fasern des Übertragungssystems hohe Einfügeverluste. Darüber hinaus treten hohe Wellenleiterverluste, polarisationsabhängige Verluste und Polarisationsmodendispersion auf. Daher wird in dieser Arbeit die Realisierung faseroptischer Delay-Line-Filter, die auf faseroptischen Schmelzkopplern und faseroptischen Gewichtungselementen basieren, untersucht. Aufgrund der geometrischen Längen der faseroptischen Schmelzkoppler und der Größe der Gewichtungselemente können solche Filter allerdings nur mit einer geringen Filterordnung und mit einer geringen Anzahl von Gewichtungselementen hergestellt werden. Um mit Filtern niedriger Ordnung eine möglichst effektive Kompensation der Restdispersion zu erzielen, ist zunächst eine sorgfältige Untersuchung der Filtereigenschaften und des Filterentwurfs erforderlich. Durch systematische Untersuchung des Verhaltens der Filterdispersion in Abhängigkeit der Filterkoeffizienten wurden in dieser Arbeit hierzu erstmalig einfache Entwurfsregeln aufgestellt, die für Filter beliebiger Filterordnung zu annähernd konstantem Dispersionsverlauf führen. Auf dieser Grundlage konnte ein faseroptisches Delay-Line-Filter realisiert werden, das auf zwei in Reihe geschalteten faseroptischen 3x3 Schmelzkopplern basiert. Die Dispersion dieses Filters ist in einem Bereich von 50 GHz um die Mitte einer Filterperiode herum annähernd konstant und kann in einem Bereich von +/-50 ps/nm durch ein einzelnes thermisches Gewichtungselement abgestimmt werden. Aufgrund der faseroptischen Realisierung kann die Komponente problemlos in optische Übertragungsstrecken integriert werden und verursacht dabei Einfügeverluste von lediglich 3 dB. In Übertragungsexperimenten bei Datenraten von 42,5 Gbit/s konnte gezeigt werden, dass das Filter in der Lage ist die Dispersionstoleranz des Systems annähernd zu verdoppeln. Dies gilt sowohl für die Kompensation eines einzelnen Kanals als auch für die simultane Kompensation mehrerer benachbarter Übertragungskanäle mit je 42,5 Gbit/s. / Chromatic dispersion is a limiting factor in fast optical networks with channel bit rates of 10 Gbit/s or higher. The main part of the dispersion is usually compensated by spans of dispersion compensating fiber that have a fixed dispersion value. But the residual dispersion caused by environmental changes or rerouting has to be compensated adaptively. To overcome the effects of residual dispersion several approaches like tunable fiber Bragg gratings, virtually imaged phased arrays and delay line filters can be found in literature. The use of delay line filters like cascaded ring-resonators, multi-cavity etalons and cascaded Mach-Zehnder interferometers, whose periodic transfer behavior is determined by their coefficients, have already been developed in planar-optics. These components cause insertion loss due to the coupling to the fibers. Furthermore they suffer from high waveguide loss, non-negligible polarization dependent loss and polarization mode dispersion. In this thesis the realization of tunable delay line filters based on fiberoptic couplers and fiberoptic weighting elements is investigated. Due to the size of these components the filters can be realized with a limited order and a limited number of weighting elements, only. To fulfill these requirements a careful investigation of the filter design is necessary. By systematically investigating the dispersion of the filter depending on the filter coefficients simple design rules for non-recursive delay line filters with approximately constant dispersion are figured out. That enables the realization of a fiberoptic delay line filter, based on two 3x3 couplers concatenated in series. The dispersion of this filter is constant in a bandwidth of about 50 GHz around the center of a period and can be tuned in a range of +/-50 ps/nm by changing one single weighting element. Due to its nature this device causes low loss and can be easily integrated in an optical transmission system. In experiments it was demonstrated that by adding this filter to a 42.5 Gb/s transmission system the +/- 55 ps/nm dispersion tolerance of the optical receiver can almost be doubled - either in a single channel as well as in a multi channel configuration with five adjacent 42.5 Gb/s channels.

Vertically rolled-up microcavities are fabricated using differentially strained nanomembranes by employing rate and temperature gradients during electron beam evaporation of SiO2. The geometry of the rolled-up tubes is defined by a photo-lithographically patterned polymer sacrificial layer beneath the SiO2 layers that is dissolved to start the rolling. Rolled-up tubes support resonances formed by constructive interference of light propagating along the circumference. Optical studies are performed in the visible spectral range using a micro-photoluminescence (µPL) setup to excite and detect optical modes. Record high quality factors (Q factors) of 5400 for rolled-up resonators probed in PL-emission mode are found and their limits are theoretically investigated. Axial modes can also be supported when an increased winding number in the center is realized by appropriate pattern designs. In addition, higher order radial modes can be confined when atomic layer deposition (ALD) coatings are applied. Both types of modes are identified using polarization and spatially resolved µPL maps. Evanescent-wave coupling by tapered fibers and tubes on substrates is the second method used to study light confinement and to demonstrate frequency filtering in ALD coated rolled-up microcavities. Scans are performed by monitoring light from a tunable laser in the range of 1520-1570 nm after transmission through the tapered fiber. Dips in the spectrum are found and attributed to fundamental and axial resonant modes. Moreover, by coupling two tapered fibers to a lifted rolled-up microcavity, a four-port add-drop filter is demonstrated as a future component for vertical resonant light transfer in on-chip optical networks. Simulations show that the subwavelength tube wall thickness limits the Q factor at infrared wavelengths and ALD coatings are necessary to enhance the light confinement. After coating, two linear polarization states are found in experiment and fundamental and axial modes can be selectively excited by coupling the fiber to different positions along the tube axis. Spatially and polarization resolved transmission maps reveal a polarization dependent axial mode distribution which is verified theoretically. The results of this thesis are important for lab-on-chip applications where rolled-up microcavities are employed as high resolution optofluidic sensors as well as for future uses as waveguide coupled components in three-dimensional multi-level optical data processing units to provide resonant interlayer signal transfer.

Vertically rolled-up microcavities are fabricated using differentially strained nanomembranes by employing rate and temperature gradients during electron beam evaporation of SiO2. The geometry of the rolled-up tubes is defined by a photo-lithographically patterned polymer sacrificial layer beneath the SiO2 layers that is dissolved to start the rolling. Rolled-up tubes support resonances formed by constructive interference of light propagating along the circumference. Optical studies are performed in the visible spectral range using a micro-photoluminescence (µPL) setup to excite and detect optical modes. Record high quality factors (Q factors) of 5400 for rolled-up resonators probed in PL-emission mode are found and their limits are theoretically investigated. Axial modes can also be supported when an increased winding number in the center is realized by appropriate pattern designs. In addition, higher order radial modes can be confined when atomic layer deposition (ALD) coatings are applied. Both types of modes are identified using polarization and spatially resolved µPL maps. Evanescent-wave coupling by tapered fibers and tubes on substrates is the second method used to study light confinement and to demonstrate frequency filtering in ALD coated rolled-up microcavities. Scans are performed by monitoring light from a tunable laser in the range of 1520-1570 nm after transmission through the tapered fiber. Dips in the spectrum are found and attributed to fundamental and axial resonant modes. Moreover, by coupling two tapered fibers to a lifted rolled-up microcavity, a four-port add-drop filter is demonstrated as a future component for vertical resonant light transfer in on-chip optical networks. Simulations show that the subwavelength tube wall thickness limits the Q factor at infrared wavelengths and ALD coatings are necessary to enhance the light confinement. After coating, two linear polarization states are found in experiment and fundamental and axial modes can be selectively excited by coupling the fiber to different positions along the tube axis. Spatially and polarization resolved transmission maps reveal a polarization dependent axial mode distribution which is verified theoretically. The results of this thesis are important for lab-on-chip applications where rolled-up microcavities are employed as high resolution optofluidic sensors as well as for future uses as waveguide coupled components in three-dimensional multi-level optical data processing units to provide resonant interlayer signal transfer.