[논문 리뷰] Broad-band robustly single-mode hollow-core PCF by resonant filtering of higher order modes

Mehmet C. Günendi, Patrick Uebel외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 27.

Photonic Crystal and Fiber Optics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 코어를 둘러싸는 만족하지 않는 유리 요소의 고리에 의한 공 resonance 필터링을 통해 고차 모드의 고손실 누출을 유도함으로써 강력하고 광대역 단일모드 작동을 달성하는 허브 코어 광결정 섬유(PCF)를 제안한다. 이러한 요소들은 위상 일치된 커플링을 통해 고차 모드의 고손실 누출을 유도하지만, 기본 모드인 LP₀₁ 모드는 손실이 낮게 유지되어 여러 전송 밴드를 통해 오버클래프트를 초과하는 범위에서 단일모드 안내가 가능하며, LP₀₁ 손실은 약 10dB/km 수준이고 고차 모드 손실은 이보다 1000배 이상 높다.

ABSTRACT

We propose and theoretically analyse a novel hollow-core photonic crystal fibre (PCF) that is engineered so as to strongly suppress higher order modes, i.e., to provide robust LP$_{01}$ single-mode guidance in all the wavelength ranges where the fibre guides with low loss. Encircling the core is a single ring of non-touching glass elements whose modes are tailored to ensure resonant phase-matched coupling to higher-order core modes, causing them to leak at a very high rate into the supporting solid glass sheath. Using a model based on coupled capillary waveguides, as well as full vectorial finite element modelling, we show that this modal filtering effect depends on only one dimensionless geometrical parameter, akin to the well-known $d/Λ$ parameter for endlessly single-mode solid-core PCF. The design is scalable up to large core sizes and is predicted to deliver LP$_{01}$ mode losses of some $10$s of dB/km in multiple transmission windows, the broadest of which spans more than an octave. At the same time, higher order core modes have losses that are typically $1000$s of times higher than the LP$_{01}$ mode. The fibre is of great potential interest in applications such as high-power laser beam delivery, gas-based nonlinear optics, laser particle delivery, chemical sensing and laser gyroscopes.

연구 동기 및 목표

• 광대역에서 안정적인 단일모드 안내를 달성하는 데 있어 허브 코어 광결정 섬유의 과제를 해결하기 위해.
• 기존 설계가 단일모드 작동을 위해 구조적 대칭성 또는 작은 코어 크기에 의존하는 한계를 극복하기 위해.
• 큰 코어 직경에서도 LP₀₁ 모드 우세성을 유지하는 확장 가능한 강력한 설계를 개발하기 위해.
• 고출력 전달, 가스 기반 비선형 광학, 정밀 센싱과 같은 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 허브 코어를 둘러싸는 비접촉 유리 요소의 단일 고리가 고유한 모드를 형성하여 공 resonance 커플링을 유도한다.
• 고차 모드와 고리 모드 사이의 위상 일치된 커플링을 이용하여 불필요한 모드에 대한 고손실을 유도한다.
• 모드 필터링 메커니즘을 분석하기 위해 결합된 캡릴라 웨이브가이드 모델을 사용하며, 고체 코어 PCF의 d/Λ 매개변수에 해당하는 단일 차원 없는 기하학적 매개변수를 식별한다.
• 전체 벡터 유한요소 모델링을 통해 이론적 예측을 검증하고 광대역 단일모드 거동를 확인한다.
• 시스템이 설계되어 LP₀₁ 모드만 낮은 손실을 경험하고, 고차 모드는 공 resonance 누출로 인해 강하게 감쇠됨을 보장한다.
• 큰 코어 크기로의 확장이 가능하며, 여러 전송 밴드에서 단일모드 작동을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭성이나 작은 코어 직경에 의존하지 않고도 허브 코어 PCF를 설계하여 강력하고 광대역 단일모드 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 섬유에서 고차 모드에 대한 공 resonance 필터링의 효율성을 규정하는 기본 기하학적 매개변수는 무엇인가?
• RQ3 광대역에서 고차 모드를 선택적으로 억제하면서 기본 LP₀₁ 모드의 손실을 낮게 유지할 수 있는가?
• RQ4 이 설계는 단일모드 작동을 훼손하지 않고 얼마나 큰 코어 직경까지 확장될 수 있는가?
• RQ5 제안된 구성에서 LP₀₁ 모드와 고차 모드 사이의 도달 가능한 손실 대비는 어느 정도인가?

주요 결과

• 섬유는 여러 전송 밴드에서 약 10dB/km 수준의 LP₀₁ 모드 손실을 달성하며, 가장 넓은 밴드는 1오버클래프트를 초과한다.
• 고차 모드는 일반적으로 LP₀₁ 모드보다 약 1000배 높은 손실을 경험하여 강력한 억제가 이루어진다.
• 모드 필터링 효과는 단일 차원 없는 기하학적 매개변수에 의존하여 설계를 단순화하고 확장 가능성을 보장한다.
• 기존의 허브 코어 PCF의 핵심 한계를 극복하여 큰 코어 크기에서도 강력한 단일모드 작동을 유지한다.
• 이론적 및 수치적 모델(결합된 캡릴라 웨이브가이드 및 유한요소 분석)은 광대역, 고대비 단일모드 거동를 확인한다.
• 낮은 손실과 단일모드 성질 덕분에 고출력 전달, 가스 기반 비선형 광학, 정밀 센싱과 같은 응용에 매우 적합하다.