[논문 리뷰] Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fibers Possessing High Birefringence and Large Optical Nonlinearity

Mohit Sharma, Nitu Borgohain외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 12.

Photonic Crystal and Fiber Optics참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 1550 nm에서 3.33×10⁻²까지의 비편광도를 가지며, 효과적인 비선형성은 약 80 W⁻¹km⁻¹인 고도로 비편광적인 광학 격자 섬유를 제안한다. 이는 1064 nm, 1 kW 피크 파워를 갖는 펌프를 사용한 슈퍼컨티늄 생성을 가능하게 한다. FDTD 및 스플릿-스텝 푸리에 방법을 사용한 시뮬레이션 결과, 수직 편광 상태에서 더 넓은 슈퍼컨티늄 스펙트럼(2350 nm 대역폭)이 수평 편광 상태(1450 nm)보다 생성됨을 확인하였으며, 강한 비선형성과 비편광성을 갖춘 설계된 섬유에서 편광에 따라 달라지는 스펙트럼 확장 현상을 입증한다.

ABSTRACT

This paper presents the design of an index guided highly birefringent photonic crystal fiber which promises to yield very large birefringence ~3.33 X 10^(-2) at 1550 nm and ~1.75 X 10^(-2) at 1064 nm as well as large effective nonlinearity ~80 W^(-1)km^(-1). Optical supercontinuum generation in the proposed fiber using a 1064 nm pump source with peak power of 1kW has been also presented. Finite difference time domain method (FDTD) has been employed to examine the optical properties such as fiber birefringence, mode field, V-parameter, walk-off and optical nonlinearity, while the Split-step Fourier method is used to solve the nonlinear Schrodinger equation felicitating the study of supercontinuum generation. Simulation results indicate that horizontal input pulse yields superior continuum in comparison to that of the vertically polarized input. However, the broadening of the continuum is about 1450 nm in case of horizontally polarized input light whereas it is approximately 2350 nm for vertically polarized.

연구 동기 및 목표

• 더 높은 비편광도와 광학 비선형성을 갖춘 광학 격자 섬유를 설계하여 슈퍼컨티늄 생성 성능을 향상시키기.
• 수평 대비 수직 편광 상태가 고도로 비편광성 섬유에서 스펙트럼 확장에 미치는 영향을 조사하기.
• 초광대역 슈퍼컨티늄 출력을 지원하기 위해 고비선형성과 강력한 비편광성을 동시에 확보할 수 있도록 섬유 기하학적 구조를 최적화하기.
• 실제 펌프 조건을 반영한 고급 수치적 방법을 사용하여 슈퍼컨티늄 생성을 시뮬레이션하고 분석하기.

제안 방법

• 유한차분시간영역(FDTD) 방법을 사용하여 섬유의 비편광도, 모드 분포, V-파라미터, 워크오프, 효과적인 비선형성을 계산한다.
• 스플릿-스텝 푸리에 방법을 사용하여 비선형 슈뢰딩거 방정식을 해석함으로써 슈퍼컨티늄 생성 동역학을 모델링한다.
• 고지수 핵심과 공기홀 격자로 구성된 고유의 광학 격자 섬유 구조를 설계하여 비편광도와 비선형성을 극대화한다.
• 1064 nm 펌프 펄스에 대해 수평 및 수직 편광 상태 모두에서 1 kW 피크 파워 조건으로 시뮬레이션을 수행한다.
• 기하학적 매개변수를 조정하여 1550 nm에서 비편광도(~3.33×10⁻²)와 비선형성(~80 W⁻¹km⁻¹)의 목표치를 달성한다.
• 다양한 입력 편광 상태에 대해 출력 스펙트럼을 분석함으로써 스펙트럼 확장을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 비선형성을 갖는 광학 격자 섬유에서 비편광도는 슈퍼컨티늄 생성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 맞춤형 마이크로구조를 가진 단일모드 광학 격자 섬유에서 도달 가능한 최대 비편광도와 효과적인 비선형성은 얼마인가?
• RQ3 입력 편광 상태(수평 대비 수직)는 생성된 슈퍼컨티늄의 스펙트럼 대역폭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 편광 모드 간의 워크오프가 슈퍼컨티늄의 간섭성과 스펙트럼 평탄도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 고도로 비편광성과 높은 비선형성을 동시에 확보할 수 있는 섬유 설계는 초광대역 슈퍼컨티늄 생성을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제안된 광학 격자 섬유는 1550 nm에서 비편광도 3.33×10⁻², 1064 nm에서 1.75×10⁻²를 달성하여 강한 편광 민감성을 나타낸다.
• 효과적인 비선형성은 약 80 W⁻¹km⁻¹에 도달하여 중간 수준의 펌프 파워 조건에서도 효율적인 슈퍼컨티늄 생성이 가능하다.
• 수직 편광 입력은 전체 강도의 반만을 차지하는 대역폭 약 2350 nm의 더 넓은 슈퍼컨티늄 스펙트럼을 생성한다.
• 수평 편광 입력은 약 1450 nm의 좁은 슈퍼컨티늄 대역폭을 생성하여, 편광에 따라 달라지는 스펙트럼 확장 현상을 나타낸다.
• 시뮬레이션 결과는 섬유의 고도 비편광도와 비선형성이 특히 수직 편광 조건에서 스펙트럼 확장을 크게 향상시킨다는 점을 확인한다.
• FDTD 및 스플릿-스텝 푸리에 방법의 조합은 섬유 모드 특성과 비선형 펄스 진화를 정확하게 모델링하는 데 유용하다.