[論文レビュー] Lossless Suppression and Enhancement of Soliton Self-Frequency Shifts

Francisco R. Arteaga-Sierra, Aku Antikainen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Optical Network Technologies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、周波数依存性非線形パラメータ γ(ω) を設計することにより、光ファイバー結晶中でのソリトン自己周波数シフト（SSFS）を抑制または増幅する新規手法を提案する。ここで、勾配 ∂γ/∂ω が効果を決定する。∂γ/∂ω > 0 のとき、分散波へのエネルギー損失なしに SSFS が抑制され、損失なしで安定したソリトン伝搬が可能となる。主な結果として、十分に大きな正の γ₁ に対して完全な SSFS 抑制が達成され、数値シミュレーションおよびモーメント法解析により検証された。

ABSTRACT

Soliton self-frequency shifts (SSFS) can be suppressed in optical fibers through spectral recoil, but this process leads to losses through continuous transfer of energy to a dispersive wave. We demonstrate a novel way to alter the strength of SSFS in photonic crystal fibers through a frequency-dependent nonlinear parameter $γ(ω)$. Our numerical simulations show both suppression and enhancement of SSFS depending on the sign of nonlinear slope. A large enough positive value of this slope can lead to total suppression of SSFS, without spectral recoil and without energy transfer to a resonant dispersive wave. Numerical simulations are supported by mathematical predictions based on the moment method.

研究の動機と目的

• 周波数依存非線形性が光ファイバー結晶（PCF）におけるソリトン自己周波数シフト（SSFS）に与える影響を調査すること。
• SSFS が分散波へのエネルギー移動なしに抑制または増幅可能かどうかを検討すること。
• 正の非線形勾配 ∂γ/∂ω が完全で損失のない SSFS 抑制に寄与することを示すこと。
• 一般化非線形シュレーディンガー方程式の数値的シミュレーションおよびモーメント法の予測を用いて、メカニズムを検証すること。

提案手法

• 数値的シミュレーションにより、周波数依存非線形パラメータ γ(ω) = γ₀ + γ₁(ω − ω₀) を含む一般化非線形シュレーディンガー方程式（GNLSE）をスペクトル領域で解く。
• 標準的なシリカ応答関数を用いたラーマン非線形性、群速度分散、自己位相変調をモデルに組み込む。
• SSFS および分散波放射への影響を調査するため、非線形勾配 γ₁ = ∂γ/∂ω を −0.6 から 0.6 fs/(W·m) の範囲で変化させる。
• モーメント法を用いてソリトン周波数シフトおよびエネルギー変化を予測し、シミュレーション結果の解析的妥当性を検証する。
• ゼロ分散波長が 780 nm で、入射パルスが 1060 nm の 20 cm 長の PCF を用いたシミュレーションを実施し、基本ソリトンを形成する。
• SSFS 抑制の条件を特定するため、γ₁ の関数としてゼロ非線形性波長（ZNW）を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散波へのエネルギー移動なしに、ソリトン自己周波数シフトを抑制できるか？
• RQ2 周波数依存非線形パラメータ γ(ω) が SSFS の強度および方向にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ∂γ/∂ω の符号および大きさが、SSFS が増幅されるか抑制されるかを決定づける役割を果たすか？
• RQ4 モーメント法は、この系における SSFS およびソリトンエネルギー変化をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 完全な SSFS 抑制は、スペクトルリコイルなしで達成可能か？

主な発見

• γ₁ = 0.6 fs/(W·m) の場合、ソリトンの中心周波数シフトは 20 THz 未満にまで低下し、顕著な SSFS 抑制が確認された。
• ∂γ/∂ω > 0 のとき、ゼロ非線形性波長（ZNW）は入射波長（1060 nm）の赤方側にシフトし、伝搬全般にわたり分散波との位相一致が可能になる。
• 分散波へのエネルギー損失なしに SSFS 抑制が実現され、50 cm のファイバー長にわたり安定したソリトンエネルギーおよび周波数が確認された。
• SSFS が抑止される場合、モーメント法は時間–距離領域におけるほぼ直線的なソリトン軌道を予測し、シミュレーション結果と一致した。
• モーメント法は周波数シフトに関してシミュレーションと良好な一致を示したが、非ソリトン成分を無視しているため、ソリトンエネルギーを約 50% 過大評価していた。
• γ₁ = −0.6 fs/(W·m) の場合、SSFS は 100 THz を超え、強い増幅が確認された一方、γ₁ が増加するにつれて単調に減少した。