[論文レビュー] Chalcogenide-glass polarization-maintaining photonic crystal fiber for mid-infrared supercontinuum generation

Amar Nath Ghosh, Marcello Meneghetti+7 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2019

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 47被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、アーサン38セレン62ガラスから作製されたチalcogenideガラス偏光維持光ファイバー（PM-PCF）を提示する。このファイバーは、高い二色性（6.10⁻⁴）と非線形特性（n₂ = 1.13×10⁻¹⁷ m²/W）を有しており、中赤外域における効率的なスーパーコンtinuum生成を可能にする。フェムト秒パルスを4.0および4.53 μmで励起することで、それぞれ3.1–6.02 μmおよび3.33–5.78 μmにわたる広帯域で線形偏光のスーパーコンチニウムが得られ、偏光安定性は、結合一般化非線形シュレーディンガー方程式に基づく実験とシミュレーションの一致によって確認された。

ABSTRACT

In this paper, we report the design and fabrication of a highly birefringent polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF) made from chalcogenide glass, and its application to linearly-polarized supercontinuum (SC) generation in the mid-infrared region. The PM fiber was drawn using the casting method from As38Se62 glass which features a transmission window from 2 to 10 $μm$ and a high nonlinear index of 1.13.10$^{-17}$m$^{2}$W$^{-1}$. It has a zero-dispersion wavelength around 4.5 $μm$ and, at this wavelength, a large birefringence of 6.10$^{-4}$ and consequently strong polarization maintaining properties are expected. Using this fiber, we experimentally demonstrate supercontinuum generation spanning from 3.1-6.02 $μm$ and 3.33-5.78 $μm$ using femtosecond pumping at 4 $μm$ and 4.53 $μm$, respectively. We further investigate the supercontinuum bandwidth versus the input pump polarization angle and we show very good agreement with numerical simulations of the two-polarization model based on two coupled generalized nonlinear Schrödinger equations.

研究の動機と目的

• 中赤外応用を目的とした、チalcogenideガラスから作製された高二色性偏光維持光ファイバー（PM-PCF）の設計および製造。
• As38Se62ガラスの2–10 μmの広帯域透過窓と高い非線形性を活用し、中赤外域における効率的なスーパーコンチニウム生成を実現すること。
• 設計された二色性により偏光モードカップリングを最小限に抑えることで、安定した線形偏光スーパーコンチニウム出力を達成すること。
• フェムト秒パルス励起を用いた実験的検証と、結合一般化非線形シュレーディンガー方程式に基づく数値シミュレーションによる偏光依存スーパーコンチニウム帯域幅の検証。

提案手法

• PM-PCFは、2–10 μmの透過窓と高い非線形屈折率（1.13×10⁻¹⁷ m²/W）を有するAs38Se62チalcogenideガラスを用いてキャスト法で引き伸ばした。
• ファイバー構造は、4.5 μm近辺にゼロ群速度分散波長を設定し、二色性を6.10⁻⁴にすることで、強い偏光維持特性を実現するように設計された。
• 中赤外域におけるスーパーコンチニウム生成を励起するために、4.0 μmおよび4.53 μmでのフェムト秒パルスを用いた。
• スーパーコンチニウム帯域幅に及ぼす影響を調査するため、入射パルスの偏光状態を体系的に変化させた。
• ファイバー内での両偏光状態の時間発展をモデル化するため、2本の結合一般化非線形シュレーディンガー方程式を用いた数値シミュレーションを実施した。
• 実験結果とシミュレーション結果を比較することで、偏光安定性およびスペクトル帯域幅拡大特性の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チalcogenideガラスPM-PCFは、中赤外スーパーコンチニウム生成中に線形偏光を維持できる十分な二色性を有するように作製可能か？
• RQ2 4.0 μmおよび4.53 μmでのフェムト秒パルス励起において、このようなファイバーで達成可能なスーパーコンチニウムのスペクトル帯域幅はどの程度か？
• RQ3 入射パルスの偏光角度がスーパーコンチニウム帯域幅に与える影響は何か？また、この挙動は数値モデルによってどの程度予測可能か？
• RQ4 ファイバーの高い非線形性と設計された分散プロファイルは、2–10 μm範囲での効率的なスペクトル帯域幅拡大をどの程度可能にするか？
• RQ5 結合一般化非線形シュレーディンガー方程式に基づくシミュレーションは、実験的スーパーコンチニウム特性をどの程度正確に再現するか？

主な発見

• 製造されたPM-PCFは、4.5 μmにおける二色性が6.10⁻⁴であったことから、強力な偏光維持能力を確認した。
• 4.0 μmで励起した場合、実験的に3.1–6.02 μmにわたる帯域幅のスーパーコンチニウム生成が確認された。
• 4.53 μmで励起した場合、スーパーコンチニウムは3.33–5.78 μmに広がり、ゼロ群速度分散波長付近での効率的なスペクトル帯域幅拡大を示した。
• 測定されたスーパーコンチニウム帯域幅は、パルス入射偏光角度に強く依存しており、線形偏光入射時が最適な帯域幅を示した。
• 実験結果と2本の結合一般化非線形シュレーディンガー方程式に基づく数値シミュレーション結果が良好に一致し、モデルの予測精度が検証された。
• 高い非線形性（1.13×10⁻¹⁷ m²/W）と広帯域透過窓（2–10 μm）のおかげで、高偏光安定性を有する効率的な中赤外スーパーコンチニウム生成が実現した。