[논문 리뷰] Wave-front shaping in nonlinear multimode fibers

Omer Tzang, Antonio M. Caravaca-Aguirre외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 18.

Random lasers and scattering media참고 문헌 60인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 공간 광학 조절기와 유전 알고리즘 최적화를 사용하여 비선형 다모드 섬유에서 파면 형상 제어를 구현하여 복잡한 비선형 상호작용, 특히 자극된 라만 산란과 4파면 혼합을 제어하는 것을 보여준다. 저자들은 암묵적인 모드 초위상 제어를 통해 스토크스 및 반스토크스 피크의 이동, 억제 및 강화를 가능하게 하여 다모드 시스템 내에서 비선형 빛 조작 분야에서 중요한 진전을 이룬다.

ABSTRACT

Recent remarkable progress in wave-front shaping has enabled control of light propagation inside linear media to focus and image through scattering objects. In particular, light propagation in multimode fibers comprises complex intermodal interactions and rich spatiotemporal dynamics. Control of physical phenomena in multimode fibers and its applications is in its infancy, opening opportunities to take advantage of complex mode interactions. In this work, we demonstrate a wave-front shaping approach for controlling nonlinear phenomena in multimode fibers. Using a spatial light modulator at the fiber input and a genetic algorithm optimization, we control a highly nonlinear stimulated Raman scattering cascade and its interplay with four wave mixing via a flexible implicit control on the superposition of modes that are coupled into the fiber. We show for the first time versatile spectrum manipulations including shifts, suppression, and enhancement of Stokes and anti-Stokes peaks. These demonstrations illustrate the power of wave-front shaping to control and optimize nonlinear wave propagation.

연구 동기 및 목표

• 다양한 모드 간 상호작용을 보이는 다모드 섬유에서 비선형 파동 전파를 탐색하고 구현하는 것.
• 다모드 섬유 내 자극된 라만 산란과 4파면 혼합과 같은 비선형 과정 최적화의 과제를 해결하는 것.
• 다양한 모드의 초위상을 제어하는 유연하고 암묵적인 방법을 개발하여 입력 파면 형상을 조절하는 것.
• 스토크스 및 반스토크스 피크를 포함한 비선형 출력의 동적이고 정밀한 스펙트럼 제어를 가능하게 하는 것.
• 복잡한 다모드 매질에서 비선형 광학 현상의 최적화 및 특화를 위한 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 섬유 입력부에서 공간 광학 조절기(SLM)를 사용하여 입사광의 파면 형상을 조절한다.
• 유전 알고리즘이 반복 최적화를 수행하여 원하는 비선형 출력을 위한 SLM 상의 최적 단계 패턴을 찾는다.
• 이 방법은 다중 모드 섬유에 커플링되는 여러 모드의 초위상 조합을 암묵적으로 제어할 수 있다.
• 자극된 라만 산란과 4파면 혼합과 같은 비선형 과정은 조절된 모드 자극을 통해 간섭적으로 자극되고 조작된다.
• 시스템은 비선형 출력의 스펙트럼 반응을 최적화하기 위해 입력 파면을 동적으로 조정한다.
• 이 접근법은 모드 조합에 대한 명시적 지식이 없이도 출력 스펙트럼의 피드백을 통해 최적화 과정을 이끌어낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파면 형상 제어가 다모드 섬유 내 비선형 과정 제어에 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 스토크스 및 반스토크스 피크의 스펙트럼 반응은 어느 정도 모드 초위상 제어를 통해 조작될 수 있는가?
• RQ3 유전 알고리즘이 비선형 다모드 시스템에서 원하는 스펙트럼 결과를 달성하기 위해 입력 파면 형상을 최적화할 수 있는가?
• RQ4 다양한 모드를 조절된 상태로 자극할 경우, 라만 산란과 4파면 혼합 간의 상호작용은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 비선형 다모드 섬유 환경에서 피크 이동, 억제 또는 강화와 같은 스펙트럼 제어는 어느 정도의 수준에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 다모드 섬유 내 비선형 라만 산란 및 4파면 혼합 과정에 대해 동적 스펙트럼 제어를 성공적으로 구현하였다.
• 최적화된 파면 형상 제어를 통해 스토크스 및 반스토크스 피크의 이동, 억제 및 강화가 이루어져 비선형 출력 스펙트럼에 대한 정밀한 제어가 가능함을 확인하였다.
• 유전 알고리즘 기반 최적화는 특정 스펙트럼 특징을 최대화하거나 최소화하는 데 최적의 단계 패턴으로 수렴하였다.
• 입력 모드 초위상 조절을 통해 라만 산란과 4파면 혼합 간의 상호작용을 제어할 수 있었다.
• 섬유의 모드 구조나 전파 역학에 대한 전체 지식이 없이도 고정밀도 스펙트럼 공학을 달성하였다.
• 결과적으로 파면 형상 제어가 다모드 섬유 내 복잡한 모드 상호작용을 활용하여 비선형 광학 분야에 새로운 능력을 열어줄 수 있음을 보여주었다.