[論文レビュー] A self-starting bi-chromatic LiNbO3 soliton microcomb

Yang He, Qi‐Fan Yang+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 44

ひとこと要約

本論文は Kerr soliton microcombs をモノリシック LiNbO3 マイクロ共振器内で示し、photorefractive 効果によって自己開始し、双方向の soliton スイッチングをサポートし、soliton スペクトルのオンチップ二次高調波発生を f-to-2f 自参照のために可能にします。

ABSTRACT

For its many useful properties, including second and third-order optical nonlinearity as well as electro-optic control, lithium niobate is considered an important potential microcomb material. Here, a soliton microcomb is demonstrated in a monolithic high-Q lithium niobate resonator. Besides the demonstration of soliton mode locking, the photorefractive effect enables mode locking to self-start and soliton switching to occur bi-directionally. Second-harmonic generation of the soliton spectrum is also observed, an essential step for comb self-referencing. The Raman shock time constant of lithium niobate is also determined by measurement of soliton self-frequency-shift. Besides the considerable technical simplification provided by a self-starting soliton system, these demonstrations, together with the electro-optic and piezoelectric properties of lithium niobate, open the door to a multi-functional microcomb providing f-2f generation and fast electrical control of optical frequency and repetition rate, all of which are critical in applications including time keeping, frequency synthesis/division, spectroscopy and signal generation.

研究の動機と目的

• Kerr soliton mode locking を高Qの lithium niobate microresonator で実証する。
• photorefractive 効果を利用して soliton 形成を自己開始させ、双方向のスイッチングを実現する。
• LN 内で soliton スペクトルの second-harmonic generation を観測する。
• soliton self-frequency shift を特徴付け、 LN の Raman shock time を決定する。
• 統合計測学、周波数合成、オンチップ f-to-2f リファレンスに関する示唆を議論する。

提案手法

• z-cut の高Q lithium niobate microresonator を fabri cate loaded Q ≈ 2.2×10^6 と FSR ≈ 199.7 GHz 可用性で作製する。
• 共振器をポンプしてレーザー周波数を走査し Kerr 驅動の赤偏移を誘導するとともに photorefractive 非線形性を活用して soliton を安定化・自己開始させる。
• FROG およびヘテロダインビートノートによって comb スペクトル、ポンプ透過、パルスコヒーレンスを測定する。
• soliton スペクトルの second-harmonic generation を観測し、single soliton および soliton crystal 状態にスペクトルを対応付ける。
• 自己開始メカニズムを確認するために Lugiato-Lefever 方程式でダイナミクスをモデル化する。
• detuning および pump power を変化させて soliton self-frequency shift を特徴付け、 LN の Raman shock time を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kerr soliton は lithium niobate microresonator で安定に生成できるか。
• RQ2 photorefractive 効果は LN で soliton 状態の自己開始と双方向スイッチングを可能にするか。
• RQ3 LN soliton は on-chip second-harmonic generation を示し f-to-2f 自参照を可能にするか。
• RQ4 LN における Raman 誘起の soliton self-frequency shift はどの程度で、パルス幅とどう関係するか。

主な発見

• LN microresonator で sech^2 スペクトral envelope を持つ単一 soliton および多重 soliton 状態を実証した。
• photorefractive 効果により soliton 形成は自己開始型で、外部トリガなしに安定化できる。
• soliton スペクトルの second-harmonic generation を、soliton crystal を含む場合にも comparable な sech^2 envelope とともに観測した。
• telecom 帯での単一 soliton の 3-dB 帯域幅は約 27.9 nm、second-harmonic の 3-dB 帯域幅は約 9 nm であることを測定した。
• slow photorefractive 応答と fast Kerr ダイナミクスが結合して bi-directional soliton switching を可能にすることを示した。
• LN の Raman shock time τ_R ≈ 6.3 fs を soliton self-frequency shift と 1/τ_s^4 の線形関係から決定し、石英より大きな Raman 効果を示した。