[論文レビュー] Direct generation of 74-fs mode-locking from on-chip normal dispersion frequency combs

Shihao Huang, James F. McMillan+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、正常分散を示すオンチップマイクロレゾネータで、モード相互作用を活用してハイパープララメトリック発振を誘発し、制御されたポンプパワーとデチューニングによりモードロック状態に遷移させることで、安定した74-fsモードロックパルスを生成することを示している。パルスは波長依存性の品質因数とポンプデチューニングによって安定化された、1つのピエドストーンを伴うソリトン様状態を形成する。これはマスターエンジンの数値的解法によって確認されている。

ABSTRACT

We describe the generation of stable mode-locked pulse trains from on-chip normal dispersion microresonators. The excitation of hyper-parametric oscillation is facilitated by the local dispersion disruptions induced by mode interactions. The system is then driven from hyper-parametric oscillation to the mode-locked state with over 200 nm spectral width by controlled pump power and detuning. With the continuous-wave driven nonlinearity, the pulses sit on a pedestal, akin to a cavity soliton. We identify the importance of pump detuning and wavelength-dependent quality factors in stabilizing and shaping the pulse structure, to achieve a single pulse inside the cavity. We examine the mode locking dynamics by numerically solving the master equation and provide analytic solutions under appropriate approximations.

研究の動機と目的

• 通常、散逸ソリトンを支持しない正常群速度分散を示すオンチップマイクロレゾネータで、安定した超短パルス生成を達成すること。
• モード相互作用を活用してハイパープララメトリック発振を誘発することで、正常分散系におけるパルス不安定化の課題を克服すること。
• ハイパープララメトリック発振から、広帯域スペクトル帯域幅（>200 nm）を有するコherentで単一パルスのモードロック状態に移行させること。
• パルス構造を安定化および形状化するための主要パラメータ（ポンプデチューニングおよび波長依存性品質因数）を同定および制御すること。
• マスターエンジンを用いたモードロックダイナミクスのモデル化と、適切な近似のもとでの解析的解の導出。

提案手法

• エンジニアリングされたモード相互作用を有するオンチップマイクロレゾネータを用い、局所的な分散の破壊を引き起こし、正常分散領域でハイパープララメトリック発振を可能にする。
• 調整可能なパワーとデチューニングを有する連続波ポンプ励起を適用し、ハイパープララメトリック発振状態からモードロック状態へとシステムを駆動する。
• 波長依存性の品質因数を用いてパルスを安定化させ、マルチパルス形成を抑制し、単一パルス状態を促進する。
• 一般化されたルジアト・レーフェ発展方程式（マスターエンジン）の数値的解法を用いてモードロックダイナミクスをシミュレートし、実験的観察を検証する。
• 弱い非線形性および緩やかに変化する包絡関数の近似のもとで解析的解を導出し、パルス形成および安定性に関する洞察を得る。
• ポンプデチューニングが、高帯域スペクトルを伴う、発振的状態からモードロック状態への移行にどのように寄与するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常、散逸ソリトンを支持しない正常群速度分散を示すオンチップマイクロレゾネータで、どのように安定したモードロックを達成できるか？
• RQ2 モード相互作用および局所的分散の破壊は、正常分散系におけるハイパープララメトリック発振の誘発にどのような役割を果たすか？
• RQ3 ポンプデチューニングは、ハイパープララメトリック発振からコherentで単一パルスのモードロック状態への移行にどのように影響するか？
• RQ4 波長依存性の品質因数は、キャビティ内でのパルス安定化および形状化にどのような役割を果たすか？
• RQ5 どのような解析的および数値的モデルが、この系におけるパルス形成およびロックのダイナミクスを正確に記述するか？

主な発見

• 正常分散を示すオンチップマイクロレゾネータで、安定した74-fsモードロックパルス列が生成され、かつてこのようなパルスに不適切とされた系において、100 fs未満の動作が実現された。
• ポンプパワーとデチューニングを調整することで、ハイパープララメトリック発振からモードロック状態への移行が達成され、200 nmを超えるスペクトル帯域幅が達成された。
• パルスはピエドストーン上に形成され、キャビティソリトンに類似した状態を示し、ポンプデチューニングと波長依存性品質因数の相互作用によって安定化された。
• マスターエンジンの数値的シミュレーションは、観測されたモードロックダイナミクスを再現し、分散および非線形性がパルス形状に与える影響を確認した。
• 弱い非線形性および緩やかに変化する包絡関数の近似のもとで導出された解析的解は、パルスの安定性および時間的プロファイルに関する洞察を提供した。
• ポンプデチューニングは、単一パルスモードロック状態を達成および維持するための重要な制御パラメータであると特定された。