[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种由As38Se62玻璃制成的硫族化物玻璃保偏光子晶体光纤（PM-PCF），其设计具有高双折射性（6.10⁻⁴）和非线性特性（n₂ = 1.13×10⁻¹⁷ m²/W），可实现高效的中红外超连续谱生成。采用4.0和4.53 μm的飞秒脉冲泵浦，该光纤分别产生了带宽为3.1–6.02 μm和3.33–5.78 μm的宽带、线性偏振超连续谱，且实验与基于耦合广义非线性薛定谔方程的仿真结果高度一致，证实了优异的偏振稳定性。

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.

研究动机与目标

• 设计并制造一种基于硫族化物玻璃的高双折射保偏光子晶体光纤（PM-PCF），用于中红外应用。
• 利用As38Se62玻璃的高非线性与宽透射窗口（2–10 μm）特性，实现中红外区域高效的超连续谱生成。
• 通过工程化设计的双折射性最小化偏振模式耦合，实现稳定、线性偏振的超连续谱输出。
• 通过基于耦合广义非线性薛定谔方程的数值模拟，实验验证偏振相关的超连续谱带宽。

提出的方法

• 采用铸造法从As38Se62硫族化物玻璃拉制PM-PCF，该玻璃因其2–10 μm的透射窗口和高非线性折射率（1.13×10⁻¹⁷ m²/W）而被选中。
• 光纤结构设计使零色散波长接近4.5 μm，双折射率为6.10⁻⁴，确保强保偏性能。
• 采用4.0 μm和4.53 μm的飞秒脉冲泵浦，激发中红外波段的超连续谱生成。
• 系统性地改变输入泵浦的偏振态，以研究其对超连续谱带宽的影响。
• 利用两个耦合的广义非线性薛定谔方程进行数值模拟，以建模光纤中两种偏振态的演化过程。
• 将实验结果与仿真结果对比，以验证偏振稳定性与光谱展宽性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否制备出具有足够双折射性的硫族化物玻璃PM-PCF，以在中红外超连续谱生成过程中保持线性偏振？
• RQ2 当使用4.0和4.53 μm的飞秒脉冲泵浦时，该光纤中可实现的超连续谱光谱带宽是多少？
• RQ3 输入泵浦的偏振角如何影响超连续谱带宽，且该行为在多大程度上可通过数值建模预测？
• RQ4 该光纤的高非线性和定制化的色散分布能在多大程度上实现2–10 μm波段的高效光谱展宽？
• RQ5 基于耦合广义非线性薛定谔方程的仿真在多大程度上能准确复现实验测得的超连续谱特性？

主要发现

• 所制备的PM-PCF在4.5 μm波长处表现出6.10⁻⁴的双折射率，证实了其具有强保偏能力。
• 在4.0 μm泵浦下，实验实现了3.1–6.02 μm的超连续谱带宽。
• 在4.53 μm泵浦下，超连续谱展宽至3.33–5.78 μm，表明在零色散波长附近实现了高效的光谱展宽。
• 测量得到的超连续谱带宽强烈依赖于泵浦偏振角，线性偏振输入时获得最优带宽。
• 实验结果与基于两个耦合广义非线性薛定谔方程的数值仿真高度一致，验证了模型的预测准确性。
• 该光纤的高非线性（1.13×10⁻¹⁷ m²/W）和宽透射窗口（2–10 μm）实现了高效、高偏振稳定性的中红外超连续谱生成。