[论文解读] Supercontinuum Generation in Photonic Crystal Fibers Possessing High Birefringence and Large Optical Nonlinearity

Mohit Sharma, Nitu Borgohain+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2015

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文提出一种具有高双折射特性的光子晶体光纤，在1550 nm波长下双折射度可达3.33×10⁻²，有效非线性约为80 W⁻¹km⁻¹，可在1064 nm、峰值功率1 kW的泵浦下实现超宽带超连续谱生成。采用FDTD与分步傅里叶法的仿真结果表明，垂直偏振产生的超连续谱带宽（2350 nm）大于水平偏振（1450 nm），凸显了在强非线性和双折射特性工程化光纤中偏振依赖的光谱展宽现象。

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.

研究动机与目标

• 设计一种具有增强双折射特性和光学非线性的光子晶体光纤，以提升超连续谱生成性能。
• 研究偏振态（水平与垂直）对高双折射光纤中光谱展宽的影响。
• 优化光纤几何结构，以实现高非线性和强双折射，支持超宽带超连续谱输出。
• 在真实泵浦条件下，利用先进数值方法模拟并分析超连续谱生成过程。

提出的方法

• 采用有限差分时域（FDTD）方法计算光纤双折射度、模场分布、V参数、模间走离效应及有效非线性。
• 利用分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程，以模拟超连续谱生成的动力学过程。
• 设计一种具有高折射率纤芯与空气孔晶格结构的定制光子晶体光纤，以最大化双折射度与非线性。
• 对1064 nm泵浦脉冲（峰值功率1 kW）在水平与垂直偏振状态下的情况分别进行仿真。
• 调节光纤几何参数，以实现目标双折射度（1550 nm处约3.33×10⁻²）与非线性度（约80 W⁻¹km⁻¹）。
• 通过分析不同输入偏振态下的输出光谱，量化光谱展宽程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高非线性条件下，光子晶体光纤的双折射度如何影响超连续谱生成？
• RQ2 具有定制微结构的单模光子晶体光纤中，最大可实现的双折射度与有效非线性度是多少？
• RQ3 输入偏振态（水平与垂直）如何影响生成的超连续谱的光谱带宽？
• RQ4 偏振模之间的走离效应对超连续谱的相干性与光谱平坦度有多大影响？
• RQ5 是否能够通过光纤设计同时实现高双折射度与大非线性度，以支持超宽带超连续谱生成？

主要发现

• 所提出的光子晶体光纤在1550 nm波长下双折射度达3.33×10⁻²，在1064 nm波长下为1.75×10⁻²，表明具有显著的偏振敏感性。
• 有效非线性度达到约80 W⁻¹km⁻¹，可在中等泵浦功率下实现高效的超连续谱生成。
• 垂直偏振输入产生的超连续谱带宽更宽，半高全宽（FWHM）约为2350 nm。
• 水平偏振输入产生的超连续谱带宽较窄，约为1450 nm，表明存在偏振依赖的光谱展宽效应。
• 仿真结果证实，光纤的高双折射度与非线性度显著增强了光谱展宽，尤其在垂直偏振条件下更为明显。
• FDTD与分步傅里叶法相结合，能够准确模拟光纤的模场特性与非线性脉冲演化过程。