[論文レビュー] Dual-microcomb generation in a synchronously-driven waveguide ring resonator

Yiqing Xu, Miro Erkintalo+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 32被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、同期駆動による電気光学的パルス列を用いて、1つの統合シリカ波ガイドリングレゾネータで二重マイクロコンブの実験的生成を初めて達成した。共鳴器の二色性を活用して直交する偏光モードの両方を同時に励起し、異なる繰返し周波数（3.23 GHz および 3.2314874 GHz、差は84 kHz）を持つコンブを生成することで、外部RFクロックにロックされたコherentな単一ソリトンマイクロコンブを実現し、20 nm帯域幅で26 pmのスペクトル分解能を達成する高分解能分光法を可能にした。

ABSTRACT

Microcombs -- optical frequency combs generated in coherently-driven nonlinear microresonators -- have attracted significant attention over the last decade. The ability to generate two such combs in a single resonator device has in particular enabled a host of applications from spectroscopy to imaging. Concurrently, novel comb generation techniques such as synchronous pulsed driving have been developed to enhance the efficiency and flexibility of microcomb generation. Here we report on the first experimental demonstration of dual-microcomb generation via synchronous pulsed pumping of a single microresonator. Specifically, we use two electro-optically generated pulse trains derived from a common continuous wave laser to simultaneously drive two orthogonal polarization modes of an integrated silica ring resonator, observing the generation of coherent dissipative Kerr cavity soliton combs on both polarization axes. Thanks to the resonator birefringence, the two soliton combs are associated with different repetition rates, thus realizing a dual-microcomb source. To illustrate the source's application potential, we demonstrate proof-of-concept spectroscopic measurements.

研究の動機と目的

• 連続波励起の制限を克服するため、同期パルス励起を用いて1つのマイクロレゾネータ内で二重マイクロコンブを生成することを目的とする。
• 統合シリカ波ガイドリングレゾネータの二色性を活用し、直交する偏光モードから異なるコンブ繰返し周波数を実現することを目的とする。
• 独立に同期されたパルス列を用いて、両方の偏光軸で同時にコherentな分散Kerrキャビティソリトン形成を達成することを目的とする。
• ファイバー・ブレグ・グレーティングを用いた概念実証分光測定を通じて、光源の応用可能性を検証することを目的とする。
• パルス駆動により、ポンプ効率と制御性が向上した時間的・周波数的ロックを実現した二重コンブ光源を確立することを目的とする。

提案手法

• 1つの連続波レーザーから電気光学変調と周波数シフト（∆f = fo + 3FSRs = 10.1 GHz）を経て、2つの直交する偏光モードのパルス列を生成する。
• 電気光学コンブ生成器（EOCs）がCWビームを、独立したRFクロックにロックされた超短パルス列（1.8 psおよび2.5 ps FWHM）に変換する。このRFクロック間の周波数差は84 kHzである。
• パルス列はイットリウムドープドファイバー・アンプ（EDFAs）で増幅され、偏光ビームスプリッタを介して合成され、偏光制御器を通じて波ガイドリングレゾネータ（WRR）に注入される。
• 熱安定化は、1530 nmの反対方向の補助CWレーザーを用いて達成され、単一ソリトンコンブ動作を可能にする。
• 二重コンブ出力は、光スペクトルアナライザ（OSA）およびスペクトルアナライザ（ESA）で特性評価され、残存ポンプ成分の抑制にはウェーブシェーパーが使用された。
• 分光測定は、二重コンブビームをサンプルパスとリファレンスパスに分岐させ、RFビートノートから透過関数を抽出することで実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続波駆動ではなく、同期パルス励起を用いることで、1つのマイクロレゾネータ内で二重マイクロコンブを生成できるか？
• RQ2 二色性を持つ波ガイドリングレゾネータの直交する偏光モードに、異なる繰返し周波数を持つ2つのコherentな分散Kerrキャビティソリトンコンブを同時に生成できるか？
• RQ3 同期パルス励起は、CW励起に比べてソリトン数の制御性とポンプからコンブへの変換効率を向上させられるか？
• RQ4 このような光源は、明確に定義されたスペクトル分解能を持つ高分解能分光法を達成できるか？
• RQ5 この二重コンブ光源は安定的であり、分光法や距離測定などの実用的応用に適しているか？

主な発見

• 本システムは、1つの波ガイドリングレゾネータの直交する偏光モードに、異なる繰返し周波数を持つ2つのコherentな分散Kerrキャビティソリトンコンブを成功裏に生成した。
• 2つのコンブは、84 kHzの正確な繰返し周波数差を示し、これは2つの独立したRFクロック間の周波数オフセットに一致していた。
• 光スペクトルは1550 nmを中心に20 nm以上にわたり、平均コンブライン間隔は3.23 GHzであり、分光測定で26 pmの測定分解能が達成された。
• RFスペクトルでは6 dBレベル内で800本以上のラインが観測され、二重コンブ状態のコherencyと安定性が確認された。
• ファイバー・ブレグ・グレーティング（250 GHz帯域幅）の概念実証分光測定では、二重コンブ測定結果と直接OSA測定結果が良好に一致し、システムの正確性が検証された。
• 二重コンブ光源は低RFノイズを示し、単一ソリトン動作を達成しており、高コherencyであることが示された。また、システムは外部電子クロックに完全に同期されていた。