[論文レビュー] Soliton Coupling Effect: Group-velocity-matching Dispersive Wave Generation and Spectral Tunneling

Hairun Guo, Shaofei Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2013

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 25被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、局所的な非固有状態からソリトン固有状態へのスペクトル的ソリトン結合の概念を導入する。位相のバランス（分散と非線形性による位相シフトの一致）により、群速度整合性を持つ分散波生成とソリトンスペクトルトンネル効果が可能となる。主な結果として、群速度整合性が放射的過程をコherentなソリトン結合に転換させ、光子結晶ファイバ（PCF）において最大60%のエネルギー効率と300 nmを超える広帯域スペクトルチューニングを実現する。

ABSTRACT

Concept of spectral soliton coupling is proposed to explain the group-velocity-matching dispersive wave generation and the soliton spectral tunneling effect. Soliton eigen state is found corresponding to a spectral phase profile under which the soliton phase shifts induced by the dispersion and the nonlinearity are instantaneously counterbalanced. A local but non-eigen soliton pulse will shed off energy and form radiations at other wavelengths, during the coupling to the soliton eigen state. Group-velocity-mathing between the local and generated wave is necessary not only as it produces a coupler-like phase profile which supports soliton coupling but also because it physically supports a soliton phase matching condition, which means the generated wave has a soliton state phase matched to the local exciting pulse. Examples in realistic photonic crystal fiber structures are also presented.

研究の動機と目的

• 非線形光ファイバにおける群速度整合分散波生成とソリトンスペクトルトンネル（SST）の物理的メカニズムを解明すること。
• 分散と非線形性による位相シフトが瞬時にバランスするスペクトル位相プロファイルとしてのソリトン固有状態を特定すること。
• GV整合性が、コアラー型位相プロファイル形成に加え、局所パルスと生成波間のソリトン位相一致を可能にするために不可欠であることを示すこと。
• GV不整合が放射漏れを引き起こす一方で、コherentなソリトン結合を妨げるため、ソリトントンネル効果と放射的過程を区別できることを示すこと。
• オクターブ帯域をカバーするスーパーコンtinウム生成を示す実際の光子結晶ファイバ（PCF）構造において、モデルの数値的妥当性を検証すること。

提案手法

• 時間的ソリトンダイナミクス（分散、非線形性、ラーマン効果を含む）をモデル化するため、周波数領域における非線形波方程式（NWEF）を用いる。
• ソリトン固有状態を、分散と非線形性による位相シフトを瞬時にバランスさせるスペクトル位相プロファイル β_eig(ω) = β(ω) − β₀ − ω·v_g,0⁻¹ として定義する。
• 局所的な非固有ソリトンと固有状態との間のソリトン結合をモデル化するため、コアラー型位相プロファイルを導入し、エネルギーを新たなスペクトルチャンネルに移動可能にする。
• 時間的・スペクトル的進化を分析し、結合されたソリトン間のGV整合性を確認するために、XFROG（交差相関周波数分解光ギャッティング）を適用する。
• ピッチを可変に制御できるPCFにおけるパルス伝搬をシミュレートし、コアラー型（GV整合）と漏れ（GV不整合）の構造の間を切り替える。
• 位相一致条件を定義する基準位相 β₀ と群速度 v_g,0 を用い、コアラー型プロファイルの対称性が結合効率を最大化することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 群速度整合性が放射的エネルギー損失ではなく、コherentなソリトン結合を可能にするメカニズムは何か？
• RQ2 分散と非線形性による位相シフトが瞬時にバランスするソリトン固有状態を支持するスペクトル位相プロファイルは何か？
• RQ3 スペクトルトンネル効果の過程で分散波をソリトン状態に変換するために、なぜGV整合性が必要なのか？
• RQ4 ラーマン効果に起因する自己周波数シフトが、ソリトン結合の安定性と効率に与える影響は何か？
• RQ5 スペクトル的および時間的ダイナミクスの観点から、GV整合のソリトン結合とGV不整合のソリトン漏れの主な相違点は何か？

主な発見

• ソリトン固有状態は、分散と非線形性による位相シフトが正確に相殺されるスペクトル位相プロファイルによって定義され、安定なソリトン伝搬を可能にする。
• 群速度整合分散波生成は、位相プロファイルがコアラー型として機能し、生成波が放射状態ではなくソリトン状態を形成できる場合に発生する。
• 結合過程におけるスペクトルレcoilは、局所的ソリトンを結合位置から遠ざけ、エネルギー移動を抑制するが、これをラーマン効果に起因する自己周波数シフトが相殺する。
• ラーマン効果を含めると、局所的ソリトンは結合位置に近接を維持し、連続的なソリトン結合とスペクトルトンネル効果の出現が可能になる。
• PCFにおける数値シミュレーションにより、新しいソリトン波へのエネルギー効率が最大60%に達し、SST領域では300 nmを超えるスペクトル帯域が達成された。
• GV不整合条件では漏れ型位相プロファイルが発生し、ソリトン状態を形成しない放射的分散波が生じ、XFROGパターンにより確認された。