[논문 리뷰] High Pressure Gases in Hollow Core Photonic Crystal Fiber:A New Nonlinear Medium

Mohiudeen Azhar, G. K. L. Wong외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 12.

Photonic Crystal and Fiber Optics참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고압 희귀가스(예: 아르곤)를 카고메 스타일의 다공성 섬유형 광학 격자 섬유에 주입하여, 매우 높은 조절 가능성과 낮은 손실을 갖는 비선형 매질로 사용하는 것을 제안한다. 1~150 bar의 압력을 가할 경우, 효과적인 켈른 비선형성은 100배 이상 증가하여 밀도가 높은 실리카의 15%에 도달하며, 라만 산란 없이 군속도 분산을 넓게 조절할 수 있어, 고정 주파수 레이저를 사용한 솔리톤-산란파 상호작용과 같은 비선형 효과를 깔끔하고 제어 가능한 방식으로 연구할 수 있다.

ABSTRACT

The effective Kerr nonlinearity of hollow-core kagome-style photonic crystal fiber (PCF) filled with argon gas increases over 100 times when the pressure is increased from 1 to 150 bar, reaching 15 % of that of bulk silica glass, while the zero dispersion wavelength shifts from 300 to 900 nm. The group velocity dispersion of the system is uniquely pressure-tunable over a wide range while avoiding Raman scattering : absent in noble gases and having an extremely high optical damage threshold. As a result, detailed and well controlled studies of nonlinear effects can be performed, in both normal and anomalous dispersion regimes, using only a fixed-frequency pump laser. For example, the absence of Raman scattering permits clean observation, at high powers, of the interaction between a modulational instability side-band and a soliton created dispersive wave. Excellent agreement is obtained between numerical simulations and experimental results. The system has great potential for the realisation of reconfigurable supercontinuum sources, wavelength convertors and short-pulse laser systems.

연구 동기 및 목표

• 모든 광학 신호 처리를 위한 재구성 가능하고 낮은 손실의 비선형 매질을 개발하기 위해.
• 고출력 비선형 실험에서 라만 산란과 고정된 분산 등의 제한 요소를 극복하기 위해.
• 정상 및 비정상 분산 영역을 모두 아우르는 광역 범위에서 군속도 분산을 정밀하게 압력 조절 가능하게 제어하기 위해.
• 라만 산란의 배경 노이즈 없이 복잡한 비선형 효과(예: 솔리톤-산란파 상호작용)를 깔끔하게 관찰할 수 있도록 하기 위해.
• 초광역 스펙트럼 생성, 파장 변환, 초단파 레이저 시스템에 적합한 플랫폼을 구현하기 위해.

제안 방법

• 1~150 bar의 압력 범위에서 희귀가스(예: 아르곤)를 카고메 스타일의 다공성 섬유형 광학 격자 섬유에 주입하기.
• 고정 주파수 펌프 레이저를 사용하여 기체 압력에 따른 효과적 켈른 비선형성 측정하기.
• 1 bar에서 300 nm에서 150 bar에서 900 nm로 이격된 분산의 영점이 이동하는 것 모니터링하기.
• 비선형 슈뢰딩거 방정식 기반 수치 시뮬레이션을 활용하여 펄스 전파 및 비선형 역학 모델링하기.
• 고정 주파수 레이저를 사용하여 정상 및 비정상 분산 영역 모두에서 비선형 효과를 자극하기.
• 희귀가스의 높은 광학 손상 임계값과 라만 산란의 부재를 활용하여 고출력 실험 수행 가능하게 하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다공성 섬유형 광학 격자 섬유 내 기체 압력 조절을 통해 광역 범위에서 군속도 분산을 능동적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 기체 압력 증가가 다공성 섬유형 광학 격자 내 효과적 켈른 비선형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 희귀가스로 채운 섬유에서 라만 배경 없이 비선형 효과(예: 모듈레이션 불안정성 및 솔리톤 형성)를 깔끔하게 관찰할 수 있는가?
• RQ4 고압 조건에서 시스템의 비선형성이 실리카 유리의 비선형성과 얼마나 가까워지는가?
• RQ5 이 플랫폼을 사용하여 단일 주파수 레이저 소스로 재구성 가능한 초광역 스펙트럼 생성 및 파장 변환을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 1 bar에서 150 bar로 기체 압력을 증가시킬 경우, 아르곤으로 채운 카고메 PCF의 효과적 켈른 비선형성은 100배 이상 증가한다.
• 150 bar에서 효과적 비선형성은 밀도가 높은 실리카 유리의 15%에 도달하여 강한 비선형 상호작용을 가능하게 한다.
• 1 bar에서 300 nm에서 150 bar에서 900 nm로 이격된 분산의 영점이 이동하여 정상 및 비정상 분산 영역을 모두 커버하는 조절이 가능하다.
• 희귀가스에서는 라만 산란이 없어 고출력에서 솔리톤-산란파 결합과 같은 비선형 상호작용을 깔끔하게 관찰할 수 있다.
• 실험 결과와 비선형 슈뢰딩거 방정식 기반 수치 시뮬레이션 간에 뛰어난 일치가 관찰된다.
• 이 시스템은 재구성 가능한 초광역 스펙트럼 소스, 파장 변환 장치 및 단파장 펄스 레이저 시스템에 강력한 잠재력을 보여준다.