[논문 리뷰] Discovery of Soliton Self-Mode Conversion in Multimode Optical Fibers

Lars Søgaard Rishøj, Boyin Tai외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 15.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 54인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 초단파 솔리톤 펄스가 양자 잡음에 의해 유도되는 자가작용에 의해 공간적으로 분리된 주파수 분리 고유모드 간에 자발적으로 변환되는 새로운 비선형 효과를 발견한다. 이 메커니즘은 약 70%의 캐리어 주파수에 대해 완전하고 광대역 스펙트럼 이동을 가능하게 하며, 유연한 섬유에서 직접 메가와트 단위의 피크 전력을 갖는 1300-nm 펄스를 생성하여 가시광선에서 중적외선 스펙트럼에 걸쳐 전력 스케일러블하고 공간적으로 간섭가능한 초단파 펄스 생성을 실현한다.

ABSTRACT

Nonlinear optical wave propagation manifests in a multitude of frequencies generated from quantum-noise, and selecting desired nonlinear products usually requires seeding the medium with extraneous waves, employing spatial or spectral filters, or operation in resonant cavities. This is especially true for multimode systems because of their high density of states. Here we report the discovery of a self-action effect, originating from quantum noise, leading to complete nonlinear optical conversion of an ultrashort soliton pulse between two distinct, spatially coherent eigenmodes that are frequency-separated by one Raman Stokes shift. That systematic nonlinear spatial reconfiguration occurs in fibers with mode counts exceeding 10,000, which are often deemed to be chaotic, points to the fundamental role of intermodal group velocity dispersion in the selection rules for multimode nonlinear optics. We demonstrate wideband spectral translations of ~70% of the carrier frequency, and the generation of record, Megawatt peak-power pulses in the biologically crucial 1300-nm spectral window, directly out of a flexible optical fiber. More generally, this novel nonlinear coupling mechanism may be applied to fibers or on-chip waveguides, and facilitate, power-scalable spatially coherent, ultrashort pulse generation from the visible to the mid-IR.

연구 동기 및 목표

• 고모드 수를 가진 다중모드 섬유에서 비선형 파동 전파를 연구하며, 기존에 조밀한 모드 상태로 인해 혼돈스럽다고 여겨져 왔다.
• 외부 시딩 또는 필터링 없이도 완전하고 자발적인 모드 변환을 가능하게 하는 자가작용 메커니즘을 규명하고 특성화한다.
• 공진기나 외부 스펙트럼 필터 없이도 탄성 섬유에서 광대역 스펙트럼 이동과 높은 피크 전력 펄스 생성을 실험적으로 구현한다.
• 다중모드 비선형 광학에서 모드 간섭의 선택 규칙을 규정하는 다중모드 군속도 분산의 역할을 규명한다.
• 표준 광섬유를 사용하여 가시광선에서 중적외선 스펙트럼에 걸쳐 전력 스케일러블하고 공간적으로 간섭가능한 초단파 펄스 소스를 가능하게 한다.

제안 방법

• 연구는 10,000개 이상의 모드를 가진 다중모드 섬유에 초단파 솔리톤 펄스를 입력하여, 내재된 양자 잡음에 의해 비선형 모드 변환을 유도한다.
• 시스템은 공간적으로 간섭가능한 고유모드 간의 비선형 결합을 매개하기 위해 다중모드 군속도 분산을 활용하며, 이들 고유모드 간의 주파수 간격은 라만 스토크스 시프트와 같다.
• 스펙트럼 및 공간 모드 분석을 통해 펄스 에너지가 다양한 섬유 모드와 주파수에서 어떻게 변화하는지 실험적으로 분석한다.
• 이론적 모델링은 과정이 자가작용적임을 규명하며, 초기 솔리톤 펄스가 비선형 굴절률 변화를 유도하여 모드 변환을 유도함을 밝힌다.
• 광대역 스펙트럼 이동은 풀 펄스 스펙트럼에서 중심 파장의 이동을 측정하여 정량화한다.
• 생성된 펄스의 피크 전력은 1300-nm 영역에서 직접 측정되어 외부 증폭 없이도 메가와트 수준의 강도를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 시딩이나 필터링 없이도 고모드 수를 가진 다중모드 섬유에서 자가작용적 자발적 모드 변환이 발생할 수 있는가?
• RQ2 어떤 물리적 메커니즘이 공간적으로 분리된 주파수 분리 고유모드 간의 완전한 비선형 변환을 가능하게 하는가?
• RQ3 이러한 자가모드 변환 과정을 통해 탄성 섬유에서 얼마나 광범위한 스펙트럼 이동을 달성할 수 있는가?
• RQ4 다중모드 군속도 분산은 다중모드 시스템에서 비선형 결합의 선택 규칙을 어떻게 규정하는가?
• RQ5 이 메커니즘은 가시광선에서 중적외선 스펙트럼에 걸쳐 공간적으로 간섭가능하고 고피크 전력의 초단파 펄스를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 이 발견은 양자 잡음에 의해 유도되는 자가작용 비선형 과정을 규명하며, 초단파 솔리톤 펄스가 두 개의 서로 다른 공간 고유모드 간에 완전히 변환됨을 보여준다.
• 달성된 스펙트럼 이동은 약 캐리어 주파수의 70%에 이르며, 한 섬유 단계에서 광대역 스펙트럼 변환을 실현함을 입증한다.
• 외부 증폭 또는 공진기 없이도 1300-nm 생물학적 창 영역에서 기록적인 메가와트 수준의 피크 전력 펄스가 직접 생성되었다.
• 이 효과는 10,000개 이상의 모드를 가진 섬유에서 발생하며, 이러한 시스템이 비선형 광학에서 본질적으로 혼돈스럽다고 여겨지는 기존 견해에 도전한다.
• 이 메커니즘은 다중모드 군속도 분산에 의해 규정되며, 다중모드 비선형 시스템에서의 모드 결합 선택 규칙을 설정한다.
• 이 과정은 가시광선에서 중적외선 스펙트럼에 걸쳐 전력 스케일러블하고 공간적으로 간섭가능한 초단파 펄스 생성을 가능하게 하며, 섬유 및 온칩 웨이브가이드 모두에 적용 가능하다.