[論文レビュー] Broad-band robustly single-mode hollow-core PCF by resonant filtering of higher order modes

Mehmet C. Günendi, Patrick Uebel+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Photonic Crystal and Fiber Optics被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、コアを取り巻く非接触のガラス素子のリングを用いた共鳴フィルタリングにより、高損失の高次モードを位相一致結合で漏れさせる仕組みを採用することで、頑健で広帯域の単一モード動作を実現する中空コアフォトニクスキャピラリー繊維（PCF）を提案する。この素子は高次モードの高損失漏れを誘導するが、基本モードのLP₀₁は低損失のまま残り、複数の透過窓にわたる1オクターブを超える帯域で単一モードガイドが可能となり、LP₀₁の損失は約10 dB/km台、高次モードの損失は1000倍以上高い値を示す。

ABSTRACT

We propose and theoretically analyse a novel hollow-core photonic crystal fibre (PCF) that is engineered so as to strongly suppress higher order modes, i.e., to provide robust LP$_{01}$ single-mode guidance in all the wavelength ranges where the fibre guides with low loss. Encircling the core is a single ring of non-touching glass elements whose modes are tailored to ensure resonant phase-matched coupling to higher-order core modes, causing them to leak at a very high rate into the supporting solid glass sheath. Using a model based on coupled capillary waveguides, as well as full vectorial finite element modelling, we show that this modal filtering effect depends on only one dimensionless geometrical parameter, akin to the well-known $d/Λ$ parameter for endlessly single-mode solid-core PCF. The design is scalable up to large core sizes and is predicted to deliver LP$_{01}$ mode losses of some $10$s of dB/km in multiple transmission windows, the broadest of which spans more than an octave. At the same time, higher order core modes have losses that are typically $1000$s of times higher than the LP$_{01}$ mode. The fibre is of great potential interest in applications such as high-power laser beam delivery, gas-based nonlinear optics, laser particle delivery, chemical sensing and laser gyroscopes.

研究の動機と目的

• 広帯域にわたり、安定した単一モードガイドを実現する中空コアフォトニクスキャピラリー繊維（PCF）の設計に課題を解決すること。
• 既存の設計が単一モード動作を実現するために構造的対称性や小さなコア径に依存するという制限を克服すること。
• 大径コアでもLP₀₁モードの優位性を維持できるスケーラブルで頑健な設計を開発すること。
• 高パワー伝送、ガスを用いた非線形光学、高精度センシングを要する実用的応用を可能にすること。

提案手法

• 中空コアの周囲に非接触のガラス素子の1つのリングを配置し、共鳴結合を誘導するための特徴的なモードを形成する。
• 高次コアモードとリングモードとの間の位相一致結合を活用し、不要なモードに高い損失を誘導する。
• モードフィルタリング機構を解析するため、カップルドキャピラリー波ガイドモデルを用い、固体コアPCFにおけるd/Λパラメータに類似した1つの次元なし幾何学的パラメータを同定した。
• フルベクトル型有限要素解析により理論的予測を検証し、広帯域における単一モード動作を確認した。
• システムは、LP₀₁モードのみが低損失を示し、高次モードはガラスシェルへの共鳴漏れにより強く減衰するように設計されている。
• 大径コアに対してもスケーラブルであり、複数の透過窓にわたって単一モード動作を維持できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的対称性や小さなコア径に依存せずに、中空コアPCFで頑健で広帯域の単一モード動作を実現できるか？
• RQ2 このような繊維における高次モードの共鳴フィルタリング効果を支配する基本的な幾何学的パラメータは何か？
• RQ3 広帯域にわたり高次モードを選択的に抑制しつつ、基本モードLP₀₁の損失を低く保てるか？
• RQ4 この設計は、単一モード動作を損なわずに、多大なコア径までスケーラブルに拡張可能か？
• RQ5 提案された構成におけるLP₀₁モードと高次モードの損失対比は、どの程度達成可能か？

主な発見

• 複数の透過窓にわたってLP₀₁モードの損失が約10 dB/km台に保たれ、最も広い窓は1オクターブを超える。
• 高次コアモードは通常、LP₀₁モードの損失の1000倍以上高い損失を示し、強力な抑制が実現されている。
• モードフィルタリング効果は1つの次元なし幾何学的パラメータに依存しており、設計が簡素化され、スケーラビリティが向上する。
• 従来の中空コアPCFの主要な制限である大径コアでも、頑健な単一モード動作を維持できる。
• 理論的および数値的モデル（カップルドキャピラリー波ガイドと有限要素解析）により、広帯域かつ高対比の単一モード動作が確認された。
• 低損失と単一モード特性の両方を備えているため、高パワー伝送、ガスを用いた非線形光学、高精度センシングに適した応用に非常に適している。