[論文レビュー] Discovery of Soliton Self-Mode Conversion in Multimode Optical Fibers

Lars Søgaard Rishøj, Boyin Tai+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 54被引用数 36

ひとこと要約

本論文は、超短パルスソリトンが量子ノイズによって駆動される自己作用効果により、空間的に分離された周波数分離固有モード間を自発的に変換する、マルチモード光ファイバーにおける新しい非線形効果を発見した。このメカニズムにより、キャリア周波数の約70％にわたる完全で広帯域のスペクトル変換が可能となり、柔軟なファイバーから直接1300-nmのメガワット級ピークパワーを持つ記録的パルスが生成され、可視光から中赤外域にわたるスペクトル範囲でパワー拡張可能で空間的コherentlyな超短パルス生成が実証された。

ABSTRACT

Nonlinear optical wave propagation manifests in a multitude of frequencies generated from quantum-noise, and selecting desired nonlinear products usually requires seeding the medium with extraneous waves, employing spatial or spectral filters, or operation in resonant cavities. This is especially true for multimode systems because of their high density of states. Here we report the discovery of a self-action effect, originating from quantum noise, leading to complete nonlinear optical conversion of an ultrashort soliton pulse between two distinct, spatially coherent eigenmodes that are frequency-separated by one Raman Stokes shift. That systematic nonlinear spatial reconfiguration occurs in fibers with mode counts exceeding 10,000, which are often deemed to be chaotic, points to the fundamental role of intermodal group velocity dispersion in the selection rules for multimode nonlinear optics. We demonstrate wideband spectral translations of ~70% of the carrier frequency, and the generation of record, Megawatt peak-power pulses in the biologically crucial 1300-nm spectral window, directly out of a flexible optical fiber. More generally, this novel nonlinear coupling mechanism may be applied to fibers or on-chip waveguides, and facilitate, power-scalable spatially coherent, ultrashort pulse generation from the visible to the mid-IR.

研究の動機と目的

• 高モード数を有するマルチモードファイバーにおける非線形波動伝搬を調査すること。従来、密なモード状態のため混沌としたと見なされてきた。
• 外部の励起やフィルタリングなしに、完全で自発的なモード変換を可能にする自己作用メカニズムを同定・特徴付けること。
• 共振器や外部スペクトルフィルタを用いずに、柔軟なファイバー内で広帯域スペクトル変換と高ピークパワーのパルス生成を実証すること。
• モード間群速度分散がマルチモード非線形光学におけるモード結合選択則を支配する役割を確立すること。
• 標準的な光学ファイバーを用いて、可視光から中赤外域にわたるスペクトル範囲でパワー拡張可能で空間的コherentlyな超短パルス源を実現すること。

提案手法

• 本研究では、10,000モードを超えるマルチモードファイバーに超短パルスソリトンを入射させ、非線形モード変換を開始するための内在的量子ノイズに依存する。
• システムはモード間群速度分散を活用し、1ラーマンストークスシフト分周波数が分離された空間的コherentlyな固有モード間の非線形結合を媒介する。
• 実験的特徴付けは、スペクトルおよび空間モード解析を用いて、異なるファイバー・モードおよび周波数におけるパルスエネルギーの変化を追跡することで実施された。
• 理論的モデリングにより、プロセスの自己作用的性質が同定され、初期のソリトンパルスが非線形屈折率の摂動を誘発し、これがモード変換を駆動することが示された。
• 広帯域スペクトル変換は、パルス全体スペクトルにおける中央波長のシフトを測定することで定量された。
• 生成されたパルスのピークパワーは、1300-nm帯域で直接測定され、外部増幅なしにメガワットレベルの強度が達成されたことが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部の励起やフィルタリングなしに、高モード数マルチモードファイバーで自発的かつ自己作用的なモード変換が可能か？
• RQ2 空間的に分離された周波数分離固有モード間の完全な非線形変換を可能にする物理的メカニズムは何か？
• RQ3 柔軟なファイバー内で、この自己モード変換プロセスによってどの程度のスペクトル変換が達成可能か？
• RQ4 モード間群速度分散は、マルチモード系における非線形結合の選択則をどのように規定するか？
• RQ5 このメカニズムは、可視光から中赤外域にわたるスペクトル範囲で空間的コherentlyで高ピークパワーの超短パルスを生成可能か？

主な発見

• 発見された現象は、量子ノイズによって駆動される自己作用的非線形プロセスであり、超短パルスソリトンが2つの異なる空間的固有モード間を完全に変換することを可能にした。
• 達成されたスペクトル変換はキャリア周波数の約70％にわたる広帯域スペクトル変換を示し、1つのファイバー段階で実現された。
• 1300-nmの生物学的窓領域で、外部増幅や共振器を用いずに、記録的ピークパワーのメガワット級パルスが直接生成された。
• 10,000モードを超えるファイバーでも発生するため、このような系が非線形光学において本質的に混沌としたと見なされるという従来の見解に挑戦する。
• このメカニズムはモード間群速度分散によって支配されており、マルチモード非線形系におけるモード結合選択則を確立する。
• このプロセスにより、可視光から中赤外域にわたるスペクトル範囲でパワー拡張可能で空間的コherentlyな超短パルス生成が可能となり、ファイバーやオンチップ波ガイドへの応用が可能である。