[논문 리뷰] Chalcogenide-glass polarization-maintaining photonic crystal fiber for mid-infrared supercontinuum generation

Amar Nath Ghosh, Marcello Meneghetti외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 14.

Photonic Crystal and Fiber Optics참고 문헌 47인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중간 적외선 영역에서 효율적인 초광대역 슈퍼컨티누움 생성을 가능하게 하기 위해 고도로 비균일성(6.10⁻⁴)과 비선형 특성(n₂ = 1.13×10⁻¹⁷ m²/W)을 갖춘 As38Se62 유리로 제작된 셀레니드 유리 편광 유지 광섬유(PM-PCF)를 제시한다. 4.0 μm 및 4.53 μm에서 피코초 펌프를 사용하여, 각각 3.1–6.02 μm 및 3.33–5.78 μm의 넓은 대역폭, 선형 편광 슈퍼컨티누움을 생성하였으며, 이는 두 펌프 파장에서 편광 안정성이 우수하다는 점이 연립 일반화된 비선형 슈뢰딩거 방정식 기반의 실험과 시뮬레이션 간의 일치로 확인되었다.

ABSTRACT

In this paper, we report the design and fabrication of a highly birefringent polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF) made from chalcogenide glass, and its application to linearly-polarized supercontinuum (SC) generation in the mid-infrared region. The PM fiber was drawn using the casting method from As38Se62 glass which features a transmission window from 2 to 10 $μm$ and a high nonlinear index of 1.13.10$^{-17}$m$^{2}$W$^{-1}$. It has a zero-dispersion wavelength around 4.5 $μm$ and, at this wavelength, a large birefringence of 6.10$^{-4}$ and consequently strong polarization maintaining properties are expected. Using this fiber, we experimentally demonstrate supercontinuum generation spanning from 3.1-6.02 $μm$ and 3.33-5.78 $μm$ using femtosecond pumping at 4 $μm$ and 4.53 $μm$, respectively. We further investigate the supercontinuum bandwidth versus the input pump polarization angle and we show very good agreement with numerical simulations of the two-polarization model based on two coupled generalized nonlinear Schrödinger equations.

연구 동기 및 목표

• 중간 적외선 응용을 위한 셀레니드 유리로 고도로 비균일성을 갖춘 편광 유지 광섬유(PM-PCF)를 설계하고 제작한다.
• As38Se62 유리의 높은 비선형성과 넓은 전송 밴드(2–10 μm)를 활용하여 중간 적외선 영역에서 효율적인 슈퍼컨티누움 생성을 실현한다.
• 설계된 비균일성에 의해 편광 모드 간의 결합을 최소화하여 안정적이고 선형 편광 슈퍼컨티누움 출력을 달성한다.
• 피코초 펌프를 이용한 실험적 증명과 수치 시뮬레이션 기반의 편광 의존 슈퍼컨티누움 대역폭 분석을 수행한다.

제안 방법

• PM-PCF는 As38Se62 셀레니드 유리를 사용한 주조 방법으로 제작되었으며, 2–10 μm 전송 밴드와 높은 비선형 지수(1.13×10⁻¹⁷ m²/W)로 인해 선택되었다.
• 섬유의 구조는 4.5 μm 근처에서 영산란 파장과 6.10⁻⁴의 비균일성을 확보하여 강력한 편광 유지 성능을 확보하도록 설계되었다.
• 중간 적외선 영역에서 슈퍼컨티누움 생성을 위해 4.0 μm 및 4.53 μm에서 피코초 펌프를 사용하였다.
• 슈퍼컨티누움 대역폭에 미치는 영향을 분석하기 위해 입력 펌프의 편광 상태를 체계적으로 변화시켰다.
• 섬유 내에서 두 편광 상태의 진화를 모델링하기 위해 두 개의 연립 일반화된 비선형 슈뢰딩거 방정식을 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 실험 결과를 시뮬레이션과 비교하여 편광 안정성 및 스펙트럼 확장 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 셀레니드 유리 PM-PCF는 중간 적외선 슈퍼컨티누움 생성 중 선형 편광을 유지하기에 충분한 비균일성을 갖출 수 있는가?
• RQ2 4.0 μm 및 4.53 μm에서 피코초 펄스로 펌프를 공급했을 때, 이러한 섬유에서 슈퍼컨티누움 생성의 달성 가능한 스펙트럼 대역폭은 얼마인가?
• RQ3 입력 펌프의 편광 각도는 슈퍼컨티누움 대역폭에 어떤 영향을 미치며, 이 행동은 수치 모델링을 통해 얼마나 정확하게 예측 가능한가?
• RQ4 섬유의 높은 비선형성과 맞춤형 분산 프로파일은 2–10 μm 범위에서 효율적인 스펙트럼 확장을 얼마나 잘 실현하는가?
• RQ5 연립 일반화된 비선형 슈뢰딩거 방정식 기반의 시뮬레이션은 실험적 슈퍼컨티누움 특성을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 제작된 PM-PCF는 4.5 μm에서 비균일성이 6.10⁻⁴로 측정되어 강력한 편광 유지 능력을 확인하였다.
• 4.0 μm에서 펌프를 공급한 결과, 슈퍼컨티누움 생성이 실험적으로 입증되었으며, 대역폭은 3.1–6.02 μm였다.
• 4.53 μm에서 펌프를 공급했을 경우, 슈퍼컨티누움은 3.33–5.78 μm까지 확장되었으며, 이는 영산란 파장 근처에서 효율적인 스펙트럼 확장이 이루어졌음을 시사한다.
• 측정된 슈퍼컨티누움 대역폭은 펌프의 편광 각도에 강하게 의존하며, 선형 편광 입력에서 최적의 대역폭이 관찰되었다.
• 실험 결과는 두 개의 연립 일반화된 비선형 슈뢰딩거 방정식 기반의 수치 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보였으며, 모델의 예측 정확도가 검증되었다.
• 높은 비선형성(1.13×10⁻¹⁷ m²/W)과 넓은 전송 밴드(2–10 μm) 덕분에 중간 적외선 영역에서 고도로 편광 안정성을 갖춘 효율적인 슈퍼컨티누움 생성이 가능했다.