[논문 리뷰] Emission of intense resonant radiation by dispersion-managed Kerr cavity solitons

Alexander U. Nielsen, Bruno Garbin외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 20.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 섬유 링 공진기에서 시간적 킬러 공진기 솔리톤이 방출하는 켈리 유사 공진기 방사선 사이드밴드에 대한 분산 관리가 어떻게 크게 증폭시키는지 실험적으로 및 수치적으로 입증한다. 사이드밴드의 진폭은 위상공진 조건으로 인해 레이저 주입-공진기 탈조도 증가함에 따라 증가하며, 이는 궁극적으로 솔리톤의 안정된 작동 범위를 제한한다. 실험과 시뮬레이션 간에 뛰어난 일치를 보인다.

ABSTRACT

We report on an experimental and numerical study of temporal Kerr cavity soliton dynamics in dispersion-managed fiber ring resonators. We find that dispersion management can significantly magnify the Kelly-like resonant radiation sidebands emitted by the solitons. Because of the underlying phase-matching conditions, the sideband amplitudes tend to increase with increasing pump-cavity detuning, ultimately limiting the range of detunings over which the solitons can exist. Our experimental findings show excellent agreement with numerical simulations.

연구 동기 및 목표

• 섬유 링 공진기에서 시간적 킬러 공진기 솔리톤이 방출하는 공진기 방사선에 대한 분산 관리의 영향을 조사하는 것.
• 위상공진 조건과 탈조도가 분산 관리 시스템에서 사이드밴드 진폭에 어떻게 영향을 미치는지 규명하는 것.
• 증폭된 방사선으로 인해 증가하는 탈조도에 따라 솔리톤 존재의 한계를 탐색하는 것.
• 일반화된 비선형 슈뢰딩거 방정식 기반 수치 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 검증하는 것.
• 공진기 분포를 설계한 마이크로공진기 기반 주파수 커브 시스템에 대한 영향 평가

제안 방법

• 90m의 표준 모드 섬유(SMF)와 5m의 분산이동 섬유(DSF)를 포함한 분산 관리 섬유 링 공진기를 사용한 실험 설정으로, 순이상적 군속도 분산(GVD)을 얻는다.
• 정밀한 주입 제어 및 스펙트럼 필터링을 위해 머천드-지엔더 진폭 조절기와 음향광학 조절기를 사용한다.
• 공진기 안정화 및 솔리톤 작동 유지 목적으로 비례-적분-미분(PID) 제어기를 적용한다.
• 솔리톤 스펙트럼과 시간적 프로파일을 특성화하기 위해 광스펙트럼 분석 및 오토코릴레이션 측정을 수행한다.
• 3차 분산 및 분산 관리 효과를 포함한 일반화된 비선형 슈뢰딩거 방정식 기반 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 사이드밴드 성장과 솔리톤 안정성에 대한 탐색을 위해 주입-공진기 탈조도 및 섬유 길이 비율을 체계적으로 변화시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 관리는 킬러 공진기 솔리톤이 방출하는 켈리 유사 공진기 방사선 사이드밴드의 진폭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 주입-공진기 탈조도는 사이드밴드 강도와 솔리톤 안정성 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 균일한 공진기 대비 분산 관리가 공진기 방사선을 억제하거나 증폭시키는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 고차항 분산 항목은 저순환 GVD 영역에서 사이드밴드 생성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 실험적 관측된 사이드밴드 증폭 현상은 수치 시뮬레이션으로 정확히 재현될 수 있는가?

주요 결과

• 분산 관리는 시간적 킬러 공진기 솔리톤에서 켈리 유사 공진기 방사선 사이드밴드를 크게 증폭시키며, 이는 정상 GVD 시스템에서의 파라메트릭 불안정성 증폭과 유사하다.
• 위상공진 조건으로 인해 레이저 주입-공진기 탈조도 증가에 따라 사이드밴드 진폭이 증가하며, 궁극적으로 안정된 솔리톤 작동 범위를 제한한다.
• 실험 결과는 수치 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보이며, 분산 관리가 사이드밴드 증폭에 기여하는 바를 확인한다.
• 저순환 GVD 영역(⟨β₂⟩ ≈ -0.8 ps²/km)에서는 3차 분산으로 인해 사이드밴드가 강하게 유지되며, 이를 간과할 수 없다.
• 수치 시뮬레이션은 순 GVD가 0에 가까워질 때 잔류 사이드밴드가 3차 분산에 의해 발생함을 확인한다.
• 공진기 방사선을 완전히 억제하기 위해서는 현재의 분산 설계를 초월해 고차항 분산 항목까지 추가로 제어해야 한다.