[論文レビュー] Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fibers Possessing High Birefringence and Large Optical Nonlinearity

Mohit Sharma, Nitu Borgohain+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2015

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、1550 nm におけるbirefringenceが最大3.33×10⁻²、有効非線形性が約80 W⁻¹km⁻¹に達する高birefringent光ファイバーを提案する。このファイバーは、1064 nm、1 kWピークパワーのポンプを用いてスーパーコンtinuum生成を可能にする。FDTD法およびスプリット・ステップ・フォーリエ法を用いたシミュレーションにより、垂直偏光が水平偏光よりも広いスーパーコンチニウム（2350 nm帯域幅）を生成することが判明し、強力な非線形性およびbirefringent特性を有する設計されたファイバーにおける偏光依存のスペクトル拡張が顕著に現れる。

ABSTRACT

This paper presents the design of an index guided highly birefringent photonic crystal fiber which promises to yield very large birefringence ~3.33 X 10^(-2) at 1550 nm and ~1.75 X 10^(-2) at 1064 nm as well as large effective nonlinearity ~80 W^(-1)km^(-1). Optical supercontinuum generation in the proposed fiber using a 1064 nm pump source with peak power of 1kW has been also presented. Finite difference time domain method (FDTD) has been employed to examine the optical properties such as fiber birefringence, mode field, V-parameter, walk-off and optical nonlinearity, while the Split-step Fourier method is used to solve the nonlinear Schrodinger equation felicitating the study of supercontinuum generation. Simulation results indicate that horizontal input pulse yields superior continuum in comparison to that of the vertically polarized input. However, the broadening of the continuum is about 1450 nm in case of horizontally polarized input light whereas it is approximately 2350 nm for vertically polarized.

研究の動機と目的

• スーパーコンチニウム生成の向上を目的とした、強化されたbirefringenceおよび光の非線形性を有する光ファイバーの設計。
• 水平偏光対垂直偏光という偏光状態の影響が、高birefringentファイバーにおけるスペクトル拡張に与える影響の調査。
• 超広帯域スーパーコンチニウム出力を支援するため、高非線形性および強いbirefringenceを実現するファイバー幾何形状の最適化。
• 現実的なポンプ条件下で、高度な数値的手法を用いてスーパーコンチニウム生成をシミュレートおよび分析すること。

提案手法

• 有限差分時域法（FDTD）を用いて、ファイバーのbirefringence、モード場分布、Vパラメータ、ウォークオフ、有効非線形性を計算。
• 非線形シュレーディンガー方程式を解くためにスプリット・ステップ・フォーリエ法を用い、スーパーコンチニウム生成のダイナミクスをモデル化。
• 高屈折率コアおよび空孔格子を有する独自の光ファイバー構造を設計し、birefringenceおよび非線形性を最大化。
• 1064 nmポンプパルス（ピークパワー1 kW）を水平偏光および垂直偏光の両状態で用い、シミュレーションを実施。
• ファイバーの幾何パラメータを調整することで、birefringence（1550 nmにおける約3.33×10⁻²）および非線形性（約80 W⁻¹km⁻¹）の目標値を達成。
• 入力偏光状態に応じた出力スペクトルの解析により、スペクトル拡張を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高非線形性下での光ファイバーのbirefringenceがスーパーコンチニウム生成に与える影響は何か？
• RQ2 微細構造を最適化した単モード光ファイバーにおいて、到達可能な最大birefringenceおよび有効非線形性は何か？
• RQ3 入力偏光状態（水平対垂直）が生成されたスーパーコンチニウムのスペクトル帯域幅に与える影響は何か？
• RQ4 偏光モード間のウォークオフが、スーパーコンチニウムのコherencyおよびスペクトル平坦性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 同時に高birefringenceおよび大非線形性を実現できるファイバー設計は、超広帯域スーパーコンチニウム生成を可能にするか？

主な発見

• 提案された光ファイバーは、1550 nm で3.33×10⁻²、1064 nm で1.75×10⁻²のbirefringenceを達成し、強い偏光依存性を示す。
• 有効非線形性は約80 W⁻¹km⁻¹に達し、中程度のポンプパワーでも効率的なスーパーコンチニウム生成を可能にする。
• 垂直偏光入射時、全波長半値幅が約2350 nmの広帯域スーパーコンチニウムスペクトルが生成される。
• 水平偏光入射時、約1450 nmの狭帯域スーパーコンチニウム帯域幅が得られ、偏光依存のスペクトル拡張が顕著に確認される。
• シミュレーション結果から、ファイバーの高birefringenceおよび非線形性が、特に垂直偏光条件下でスペクトル拡張を顕著に強化することが確認された。
• FDTD法とスプリット・ステップ・フォーリエ法の組み合わせにより、ファイバーのモード特性および非線形パルス進化の高精度なモデリングが可能となった。