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Dispersion control and optimization of nonlinearity for photonic waveguides and its applications to supercontinuum sources
광자 도파로의 분산 제어 및 비선형 특성 최적화와 초광대역 광원으로의 응용

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Authors
HYUNGSUK RYU
Advisor
박남규
Major
공과대학 전기·컴퓨터공학부
Issue Date
2012-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Dispersion tailoringOptical fiberIntegrated opticsChannel waveguideSlot waveguidePulse propagationUltrafast nonlinear opticsSupercontinuum generationPhotonic deviceNonlinear optics
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2012. 8. 박남규.
Abstract
광자 소자의 초광대역 광원, 파라메트릭 증폭기, 펄스압축, 파장변환기 등 진
보된 응용을 위해, 비선형 특성 향상 및 분산 조절에 대한 다양한 연구가 이루
어지고 있다. 본 논문에서는 이와 같은 특성을 고려하여, 적합한 광학 특성을
가지는 물질을 기반으로, 비선형성이 큰 광자 결정 광섬유, 평판 채널 도파로,
평판 슬롯 도파로의 분산 특성 및 초광대역 광원으로의 응용에 촛점을 맞추어
연구를 수행하였다.
높은 비선형 특성을 가지는 광자 결정 광섬유의 설계를 위해 수치적 방법
및 해석적 방법을 소개하였다. 실리카 기반의 광자결정 광섬유 구조에서 펌프
광원이 영분산 파장 가까이의 비정상 분산 영역에 존재하도록 설계 후, 비선형
슈뢰딩거 방정식을 이용하여 그 구조에서의 펄스 확장을 관찰하고, 실험적으로
확인하였다. 또한 중적외선 역역에서도 이용 가능한 비실리카 물질들도 소개
하었다.
집적 회로용의 초소형, 저전력 소자로의 개발을 위해, 높은 굴절률 및 높은
컬 비선형 광학 특성을 가지는 물질을 이용한 채널 도파로 소자의 분산 특성에
대해 분석하였다. TE- 및 TM- 유사모드에 따른 분산 특성 결과로부터 영점
분산 파장을 조정할 수 있는 방법을 제시하고, 실리콘 및 탄탈률펜톡사이드
채널 도파로에서의 펄스 진행 특성을 비교하였다.
높은 비선형성을 보장하는 슬롯 도파로의 구조적 특성을 이해하고 설계하
기 위해 인접 층간의 정규화된 굴절률 차에 따른 분산 특성이 분석되었다. 또한
슬롯 도파로가 파장 영역에 제한 없이 높은 구속 특성을 가질 수 있음을 보였고,
구속 특성의 파장에 따른 변화율과 분산 특성과의 관계를 규명하였다. 추가적
으로 그 외의 설계 변수로, 절대 굴절률과 기하학적 변수의 영향을 고찰하였다.
이러한 분석을 근거로 탄탈륨 펜톡사이드와 티타늄 다이옥사이드를 이용한 저전력 광대역 광원 소자로의 슬롯 도파로의 구성이 가능함을 확인하였다.
Photonic devices have been developed for advanced applications such as supercontinuum
sources, parametric amplifiers, pulse compression and wavelength
conversion devices, etc. by enhancing nonlinearity and tailoring the dispersion
curve. In this dissertation, focusing on supercontinuum source, highly nonlinear
photonic devices - photonic crystal fiber, channel waveguide and slot waveguide
were introduced and analyzed based on the material properties of the refractive
index and Kerr coefficient.
Numerical and analytic design methods regarding highly nonlinear photonic
crystal fiber (HNPCF) based on silica, non-silica materials were introduced
focusing on dispersion tailoring. In the silica HNPCF controlled to lie
pump wavelength within anomalous regime close to zero dispersion wavelength,
pump evolution was observed by solving nonlinear Schr¨odinger equation and
compared with experimental results. Also, the material properties of non-silica
glass applicable in the mid-IR were introduced.
For the development of compact and low power devices, dispersion properties
of channel waveguides with high refractive and high Kerr coefficient materials
were analyzed. From the dispersion curve for TE- and TM- like modes,
the tailoring of zero dispersion wavelengths was provided and pulse evolutions
in channel waveguides with silicon and tantalum pentoxide were examined.
In order to understand the structural property and design of a slot waveguide
featuring high nonlinearity, the dispersion curve was analyzed with respect
to the normalized index contrast between adjacent layers. It was confirmed
that mode confinement can be enhanced without spectral limit and the mode confinement and dispersion curve are closely related. The effects of additional
degrees of freedom in the waveguide design
absolute refractive index and waveguide
geometry are also investigated to enable flexible tuning of the waveguide
dispersion. From these results, the feasibility of low-threshold supercontinuum
sources was shown using a Ta2O5/TiO2/silica slot waveguide.
Language
English
URI
http://hdl.handle.net/10371/118863
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Electrical and Computer Engineering (전기·정보공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._전기·정보공학부)
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