[論文レビュー] Linear Pulse Compansion using Co-propagating Space-Time Modulation

Nima Chamanara, Christophe Caloz|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、共進化する空間時間（ST）変調を用いた線形パルス圧縮拡張技術を提案する。エンジニアリングされた非対称ST媒質は、局所的に群速度を変化させることで、一定速度でパルスを連続的に圧縮または拡張する。この手法により、歪みのない高比圧縮・拡張および周波数変換が可能となり、圧縮／拡張要因に理論的上限がない。線形性のおかげで複数のパルスを同時に処理可能である。

ABSTRACT

This paper presents a pulse compansion, i.e. compression or expansion, technique based on co-propagating space-time modulation. An engineered asymmetric space-time modulated medium, co-propagating with a pulse compands the pulse continuously and at a constant rate. The space-time medium locally modifies the velocity of different sections of the pulse in order to shape the pulse as it propagates. There is no theoretical limit on the compansion factor with the proposed system. Moreover, it can be designed to transform the pulse shape and its modulation linearly, without any distortion. Therefore the proposed technique can be used for up or down-conversion of modulated pulses, with extreme conversion ratios. The presented compansion technique is linear with respect to the input wave and therefore can be used to perform compansion or frequency conversion on multiple pulses simultaneously.

研究の動機と目的

• 従来の自己位相変調に基づく圧縮の根本的制限を克服するパルス圧縮拡張手法の開発。
• エンジニアリングされた空間時間変調媒質を用いて、連続的かつ線形的、歪みのないパルスの圧縮または拡張を実現。
• 理論的上限のない極端な圧縮拡張比を達成し、レーダ、イメージング、通信分野における高精度応用に適する。
• ST媒質の線形性を活かして、複数の変調パルスの同時圧縮拡張を実証。
• 周波数の上変換または下変換が可能なコンact、プログラム可能なプラットフォームを提供。

提案手法

• 入力パルスと同時に進む非対称空間時間変調媒質を採用し、屈折率プロファイルを移動座標 ζ = z − (c/n₀)t の関数として定義する。
• ST媒質はパルスの異なる領域の群速度を局所的に変更する：STプロファイルの正の傾きはパルス圧縮を、負の傾きは拡張を引き起こす。
• 入射波に対して線形であるため、信号間の串刺しや歪みなしに複数のパルスを同時に圧縮拡張可能。
• ST媒質の非再帰的かつ非保存的性質を活用し、自己位相変調に依存せずに正確な時間的形状制御を実現。
• 実装スキームとして、非線形ケラ媒質におけるクロス位相変調（XPM）を用い、強力で遅延されたポンプ波（Eₘ）が、信号パルス（E）を変調する有効な共進化ST媒質を生成する。
• 出力でポンプ波はフィルタリングされ除去され、残るのは圧縮または拡張された信号パルスのみであり、STプロファイルを調整することで所望の圧縮拡張比または周波数シフトを達成できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間時間変調を用いて、連続的かつ線形的、歪みのないパルス圧縮または拡張が可能か？
• RQ2 空間時間変調媒質における圧縮拡張比の理論的上限は何か？ それを超えることは可能か？
• RQ3 本手法によるST圧縮拡張技術は、従来の自己位相変調および分散的圧縮と比較して、スペクトル忠実度および歪みの面でどのように異なるか？
• RQ4 同じメカニズムが、高比変換率で変調パルスの周波数上変換または下変換を可能にするか？
• RQ5 Kerr媒質やグラフェンなどの既存の非線形性または可変性を持つ材料を用いて、ST圧縮拡張システムを実現可能か？

主な発見

• 提案されたST圧縮拡張技術は、理論的上限のない歪みのないパルス形状制御を実現し、極端な圧縮または拡張比を達成できる。
• フル波動シミュレーションにより、パルスが圧縮拡張中にスペクトル的・時間的形状を維持し、従来の自己位相変調とは異なりスペクトル歪みやチルプが生じないことが確認された。
• 周波数上変換のシナリオでは、変調深さ M=0.01 の圧縮的ST媒質を通した伝搬後に、パルススペクトルに10倍（最大10×）の周波数シフトが観測された。
• 線形性のおかげで、複数のパルスの同時圧縮拡張が可能であり、信号間のクロストークや非線形干渉がない。
• 同じ物理的メカニズムを用いて圧縮拡張と周波数混合を実現可能であり、コンactで再構成可能な光子デバイスへの応用が示唆される。
• 非線形ケラ媒質におけるクロス位相変調を用いた実用的実装が示され、強力なポンプ波が、媒質自体の外部変調を必要とせず、信号パルスを圧縮する有効なST媒質を生成した。