[논문 리뷰] Compensation of nonlinear phase shifts with third-order dispersion: fiber stretchers can out-perform grating stretchers in short-pulse fiber amplifiers

Shian Zhou, Lyuba Kuznetsova외 2명|ArXiv.org|2005. 04. 07.

Photonic Crystal and Fiber Optics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 짧은 펄스 섬유 증폭기에서 삼차분산(TOD)이 비선형 위상 이동을 보상할 수 있음을 입증하며, 이로 인해 섬유 스트레처가 기존의 격자 스트레처를 능가할 수 있음을 보여준다. 섬유-격자 압축기 구조에서 TOD를 활용함으로써 저자들은 파동도체적 특성 덕분에 더 짧은 펄스, 더 높은 피크 전력, 더 향상된 대trast를 달성하였으며, 특히 고에너지 펄스에서 유리하다.

ABSTRACT

We show that nonlinear phase shifts and third-order dispersion can compensate each other in short-pulse fiber amplifiers. In particular, we consider chirped-pulse fiber amplifiers at wavelengths for which the fiber dispersion is normal. The nonlinear phase shift accumulated in the amplifier can be compensated by the third-order dispersion of the combination of a fiber stretcher and grating compressor. A numerical model is used to predict the compensation, and initial experimental results that exhibit the main features of the calculations are presented. In the presence of third-order dispersion, an optimal nonlinear phase shift reduces the pulse duration, and enhances the peak power and pulse contrast compared to the pulse produced in linear propagation. Contrary to common belief, fiber stretchers can perform as well or better than grating stretchers in fiber amplifiers, while offering the major practical advantages of a waveguide medium. The relative benefits of a fiber stretcher increase with increasing pulse energy, so the results presented here will be relevant to fiber amplifiers designed for the highest pulse energies.

연구 동기 및 목표

• 짧은 펄스 섬유 증폭기에서 삼차분산를 사용하여 비선형 위상 이동을 보상하는 것의 연구.
• 비선형 위상 이동 보상이 이루어진 상태에서 섬유 스트레처가 펄스 왜곡-증폭 시스템에서 격자 스트레처의 성능을 따라하거나 능가할 수 있는지 평가하는 것.
• 고에너지 짧은 펄스 증폭에서 파동도체 기반 섬유 스트레처의 이점 탐색.
• 최적의 비선형 위상 이동과 TOD 조합이 펄스 지속시간을 단축하고 피크 전력 및 대비를 향상시킴을 입증하는 것.

제안 방법

• 일반 분산 및 비선형 효과 하에서 펄스 전파를 시뮬레이션하기 위해 수치 모델을 개발.
• 섬유 스트레처와 격자 압축기를 조합하여 삼차분산(TOD)을 도입하여 비선형 위상 이동을 상쇄.
• 자기 위상 변조(SPM)와 군속도 분산(GVD)을 고려한 모델에서 TOD를 비선형 슈뢰딩거 방정식에 명시적으로 포함.
• 격자 압축기를 사용하여 펄스 압축을 시뮬레이션하고, TOD가 펄스 지속시간과 대비에 미치는 영향 분 析.
• 예측된 펄스 압축 및 대비 향상 효과를 확인하기 위해 실험적 검증 수행.
• 펄스 품질, 에너지 처리 능력, 시스템 내구성 측면에서 섬유 스트레처와 격자 스트레처의 성능 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼차분산는 짧은 펄스 섬유 증폭기에서 비선형 위상 이동을 효과적으로 보상할 수 있는가?
• RQ2 TOD가 존재할 경우 섬유 스트레처는 격자 스트레처와 동일하거나 더 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ3 TOD의 포함이 고에너지 섬유 증폭기에서 펄스 지속시간, 피크 전력, 펄스 대비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 TOD 존재 조건에서 펄스 압축과 대비를 최대화하는 최적의 비선형 위상 이동은 무엇인가?
• RQ5 섬유 스트레처는 격자 스트레처보다 높은 펄스 에너지를 유지하면서도 뛰어난 펄스 품질을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 삼차분산는 일반 분산 영역에서 작동하는 섬유 증폭기에서 비선형 위상 이동을 효과적으로 보상한다.
• 최적의 비선형 위상 이동은 선형 전파보다 펄스 지속시간을 단축시키고 피크 전력을 증가시킨다.
• TOD에 의해 비선형 위상 이동이 보상되면 펄스 대비가 크게 향상된다.
• 특히 고에너지 펄스에서 섬유 스트레처는 펄스 품질과 에너지 처리 능력 측면에서 격자 스트레처를 능가할 수 있다.
• 섬유 스트레처의 파동도체 특성 덕분에 안정성과 소형화 등의 실용적 이점이 있으며 성능을 희생시키지 않는다.
• 실험 결과는 수치 예측을 확인하였으며, TOD 존재 조건에서 향상된 펄스 압축과 대비가 관찰되었다.