In nonlinear optics, tightly confined modes in subwavelength photonic waveguides have been expected to increase the efficiency of nonlinear interaction between lights with large wavelength difference because they possess various spatial structures and intriguing optical features. In this thesis, third-harmonic generation processes are experimentally implemented as an example of intermodally phase matched nonlinear effects in silica nanofibers, and their applicability was analyzed and presented. Firstly, tapered optical fiber supporting the adiabatic propagation of higher-order modes is demonstrated by adding the wet-etching technique on conventional flame brushing method. Also, widely tunable nearly transform-limited narrow-linewidth mode-locked fiber laser is implemented, which can be employed as a promising pump source for nonlinear frequency conversion with narrow phase-matching bandwidth and high group-velocity mismatch. Based on these two achievements, complete characterization of intermodally phase-matched third-harmonic generation in optical nanofiber is firstly realized. Finally, it is verified both in theory and experiment that optical vortex mode can be excited with single pump in fundamental mode via spin-orbit-interaction assisted third-harmonic generation. We believe that our work could contribute to the development of various optical technologies based on intermodal interaction between guided modes confined within photonic waveguides.
파장보다 작은 크기의 광 도파로 내에 강하게 가두어진 공간 모드들은 다양한 공간 구조와 유용한 물리적 특성들을 지니고 있어 파장 차이가 많이 나는 빛들 간의 비선형 상호작용의 효율을 높이는데 응용될 수 있을 것으로 기대되어 왔다. 본 학위논문에서는, 나노 광섬유 내의 공간모드간 위상 정합을 통해 발생하는 비선형 효과의 한 예로 3차 조화파를 실험적으로 구현하고 그 응용성을 분석 및 제시하였다. 이를 위해, 종래의 불꽃 가열 방법에 습식 식각 방법을 더함으로써 고차모드들을 단열 전파시킬 수 있는 테이퍼 광섬유를 제작하는데 성공하였다. 또한 좁은 위상 정합 대역폭과 높은 군속도 차이의 특성을 갖는 비선형 주파수 현상을 일으키기에 적합한 모드 잠금 광섬유 레이저를 제작하였다. 이러한 두 성과를 바탕으로 나노 광섬유 내에서 발생하는 3차 조화파 발생의 특성을 처음으로 완전하게 분석하였다. 마지막으로 나노 광섬유 내에 강하게 가두어진 공간 모드들의 스핀-궤도 상호작용을 통해 기본모드 펌프광만으로 광 소용돌이 모드의 3차 조화파를 생성할 수 있음을 보였다. 본 논문의 연구는 광도파로 내 공간 모드들 간의 상호작용을 기반으로 하는 다양한 광학 기술의 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대한다.
