[論文レビュー] High Pressure Gases in Hollow Core Photonic Crystal Fiber:A New Nonlinear Medium

Mohiudeen Azhar, G. K. L. Wong+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2012

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、kagome構造の空心コア光ファイバーに高圧ヘリウムガス（例：アルゴン）を充填することで、再構成可能で低損失な非線形媒質を提案している。圧力を1〜150 barに増加させることで、有効なカー非線形性が100倍以上に増加し、バルクシリカの15％に達する。一方、ラマン散乱を伴わず、群速度分散を広範囲に自在に調整可能であり、固定周波数のレーザーを用いた非線形効果（例：ソリトンと分散波の相互作用）のクリアで制御可能な研究が可能になる。

ABSTRACT

The effective Kerr nonlinearity of hollow-core kagome-style photonic crystal fiber (PCF) filled with argon gas increases over 100 times when the pressure is increased from 1 to 150 bar, reaching 15 % of that of bulk silica glass, while the zero dispersion wavelength shifts from 300 to 900 nm. The group velocity dispersion of the system is uniquely pressure-tunable over a wide range while avoiding Raman scattering : absent in noble gases and having an extremely high optical damage threshold. As a result, detailed and well controlled studies of nonlinear effects can be performed, in both normal and anomalous dispersion regimes, using only a fixed-frequency pump laser. For example, the absence of Raman scattering permits clean observation, at high powers, of the interaction between a modulational instability side-band and a soliton created dispersive wave. Excellent agreement is obtained between numerical simulations and experimental results. The system has great potential for the realisation of reconfigurable supercontinuum sources, wavelength convertors and short-pulse laser systems.

研究の動機と目的

• すべての光信号処理に適した再構成可能で低損失な非線形媒質の開発。
• 高パワー非線形実験において、固体コアファイバーの制限要因（ラマン散乱や固定分散）を克服すること。
• 正および異常分散領域をカバーする広範囲で、群速度分散の正確な圧力制御を可能とすること。
• ラマン散乱による背景ノイズなしに、ソリトンと分散波の相互作用のような複雑な非線形効果をクリアに観察可能とすること。
• スーパーコンチニウム生成、波長変換、超短パルスレーザーシステムに適したプラットフォームの実証。

提案手法

• 1〜150 barの圧力でアルゴンなどの希ガスをkagome構造の空心コア光ファイバーに充填する。
• 固定周波数のポンプレーザーを用いて、ガス圧の関数として有効カー非線形性を測定する。
• ゼロ分散波長が1 barで300 nm、150 barで900 nmにシフトすることをモニタリングする。
• 非線形シュレーディンガー方程式に基づく数値シミュレーションを用いて、パルス伝搬および非線形ダイナミクスをモデル化する。
• 固定周波数レーザーを用いて、正および異常分散領域の両方で非線形効果を励起する。
• 希ガスに高い光損傷閾値があり、ラマン散乱がないことを利用し、高パワー実験を可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空心コア光ファイバー内のガス圧を用いて、広範囲にわたる群速度分散を能動的に調整可能か？
• RQ2 ガス圧を上昇させることで、空心コアPCFにおける有効カー非線形性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 希ガスを充填したファイバーでは、ラマン背景なしに、自己変調不安定性やソリトン形成のような非線形効果をクリアに観察可能か？
• RQ4 高圧下で、この系の非線形性はバルクシリカガラスの非線形性にどの程度近づくか？
• RQ5 このプラットフォームは、単一周波数レーザー源を用いて、再構成可能なスーパーコンチニウム生成および波長変換を実現可能か？

主な発見

• アルゴンを充填したkagome PCFの有効カー非線形性は、圧力を1から150 barに上昇させることで100倍以上に増加した。
• 150 barで有効非線形性はバルクシリカガラスの15％に達し、強力な非線形相互作用が可能になった。
• ゼロ分散波長は1 barで300 nm、150 barで900 nmにシフトし、正および異常分散領域を広範囲にカバーできるようになった。
• 希ガスにはラマン散乱がないため、高パワー下でもソリトンと分散波の結合のような非線形相互作用をクリアに観察可能である。
• 実験結果と非線形シュレーディンガー方程式に基づく数値シミュレーションの結果に良好な一致が得られた。
• 本システムは、再構成可能なスーパーコンチニウム源、波長変換器、短パルスレーザーシステムへの応用に強く有望であることが示された。