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Dispersion-Decreasing PCF for Blue-UV Supercontinuum Generation

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Dispersion-Decreasing PCF for Blue-UV Supercontinuum Generation Powered By Docstoc
					Trapping of Dispersive Waves by Solitons
    in Long Lengths of Tapered PCF

           J.C. Travers, S.V. Popov and  J.R. Taylor
 Femtosecond Optics Group, Physics Department, Imperial College London,
                   London SW7 2AZ, United Kingdom 




                      ThGG2, Thurs, May 8th, 2008, 17:00
                 Acknowledgements




                     A. Kudlinski
                  Lab PhLAM, IRCICA

               J.C. Knight 
Centre for Photonics and Photonic Materials
             University of Bath




  Trapping of Dispersive Waves by Solitons in Long Lengths of Tapered PCF   2
                              Overview

 Motivation
    Understanding our experimental results
    Optimisation and improvement


 Supercontinuum modelling
    Tapered PCF fibres
    Comparison to experiment


 Dynamics of supercontinua in tapered PCF
     MI/FWM regime
     Trapping of dispersive waves by solitons
     Influence of the tapers


 Optimised results
 Conclusions
    Trapping of Dispersive Waves by Solitons in Long Lengths of Tapered PCF   3
                                 Motivation

 We want
    High spectral power across the blue/UV
    Flat spectra across the visible
    Compact, robust, fibre­based
     Therefore useful for wide range of applications


 Pumping with nanosecond/picosecond Yb systems:
    High average power available
    Initial mechanism dominated by MI/FWM – produces flat spectra
    We used tapers to optimise FWM phase­matching process


 Our experiments are successful, but:
    The physical mechanism turns out to be more intricate
    Significant room for further optimisation


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                                       PCF Tapers

                                                                          SEM at input




   Manufactured by J. C. Knight’s group at the drawing tower
   d/Λ = 0.7 (kept constant)
   Can be tens of metres long
   Control over supercontinuum spectrum by optimising the fibre dispersion

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                                    PCF Tapers

 Dispersion profiles evolve along the fibre length
 This changes the phase and group velocity matching conditions




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                        Experimental results




 Record spectral power and flatness across the visible spectrum
 But can we do better?
 To do so we must further study the continuum generation 
  mechanism
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                         Numerical simulations


      Numerical simulations of nonlinear propagation based on 
           the generalised nonlinear Schrödinger equation:




 Taper profile included at each propagation step
 Interpolated taper characteristics from 20 cross­sections



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               Simulation comparison




Reasonably good agreement provides confidence in 
               simulation validity

   Trapping of Dispersive Waves by Solitons in Long Lengths of Tapered PCF   9
                        Continuum dynamics 1




 Supercontinuum initiated by modulation instability
 Generates > 100 kW power fundamental solitons from ~10 kW pump

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                         Continuum dynamics 2




 A cascade of four wave mixing processes extends the continuum to visible
 Acknowledging this, we previously used cascaded and tapered fibres to 
  extend the continuum
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                        Four wave mixing

                           Phase­matching limits




     From the four wave mixing phase­matching diagrams 
we can find the short­wavelength limit: > 500 nm in length we used

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                 Continuum dynamics 3

Further extension due to soliton­dispersive wave interactions




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                     Trapping of dispersive waves
                 High power solitons trap dispersive waves with:
                           ‘a gravity like inertial force’
             Studied for many years by a number of authors, recently:
    Gorbach and Skryabin: PRA 76 053803 (2007), Nature Photonics 1 653 (2007)

   High power solitons red­shift to longer wavelengths, their intensity  causes 
    a local modulation of the refractive index

   Dispersive waves are held on one side by this modulation, disperse 
    towards other side

   Intra­pulse four wave mixing shifts dispersive waves to the blue, where the 
    group velocity is reduced

   The solitons ‘catch up’ as they shift to longer wavelengths, where the group 
    velocity is also reduced

      The inertial force on the dispersive waves is observed in the frame of 
                         reference of the decelerating solitons
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                  Continuum dynamics 4

The trapping effect enhances the four­wave mixing interaction
            greatly increasing the blue extension 




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                            What about the tapers?

                   The soliton trapping of dispersive waves has 
                      been utilised in constant core PCFs: 


                                 J. M. Stone and J. C. Knight:
 "Visibly “white” light generation in uniform photonic crystal fiber using a microchip laser,“
                               Opt. Express 16, 2670­2675 (2008)




                                  But what about the tapers?

They contribute in two ways:

5.     Group velocity matching conditions
6.     Soliton enhancement




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                     Group velocity matching 1

 The trapping process requires group velocity matching
     In constant core PCF this is limited

 In tapered PCF the matching conditions can be continuously changing:




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                Group velocity matching 2

   We can calculate the minimum GV matched wavelength




      As the pitch reduces, this wavelength moves shorter
In­fact we can get trapping without Raman scattering: the taper 
                      accelerates the solitons!
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                                 Soliton durations
 The trapping process also requires red­shifting solitons
     This process requires self­Raman scattering, which requires broadband 
    solitons
   In constant core PCF, the solitons will expand at longer wavelengths due to the 
    dispersion and nonlinearity slope




        In tapered PCF the soliton durations can be maintained
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                Explanation of UV generation
           Near UV generation from 1.06 µm pump source: 
        300 nm extra bandwidth compared to constant core fibre




   The peak is due to the bunching of dispersive waves where trapping stops

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                                   Conclusion


 Trapping of dispersive waves by solitons enables 
  extended blue supercontinua

 Tapered PCFs can significantly enhance this process by 
  extending group velocity matching

 They also allow the red­shifting solitons to maintain their 
  bandwidth and peak power

 Our experiments have shown near­UV from 1.06 µm



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