[論文レビュー] Femtosecond Pulse Generation via an Integrated Electro-Optic Time Lens

Mengjie Yu, Christian Reimer+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、段階的リチウムニオブート化モジュレータとチープドブレグ・グレーティングを用いた統合型電光的タイムレンズシステムを用いた、チップスケールのフェムト秒パルス光源を提案する。30 GHz繰り返し周波数、0.54 pJパルスエネルギー、12.6 nmの10-dB帯域幅で520 fsパルスを達成し、従来の統合光源と比較してCW-パルス変換効率が10倍向上することを示した。

ABSTRACT

Integrated femtosecond pulse and frequency comb sources are critical components for a wide range of applications. The leading approaches for on-chip pulse generation rely on mode locking inside microresonator with either third-order nonlinearity or with semiconductor gain. These approaches, however, are limited in noise performance, wavelength tunability and repetition rates. Alternatively, sub-picosecond pulses can be synthesized without mode-locking, by modulating a continuous-wave (CW) single-frequency laser using a cascade of electro-optic (EO) modulators. This method is particularly attractive due to its simplicity, robustness, and frequency-agility but has been realized only on a tabletop using multiple discrete EO modulators and requiring optical amplifiers (to overcome large insertion losses), microwave amplifiers, and phase shifters. Here we demonstrate a chip-scale femtosecond pulse source implemented on an integrated lithium niobate (LN) photonic platform18, using cascaded low-loss electro-optic amplitude and phase modulators and chirped Bragg grating, forming a time-lens system. The device is driven by a CW distributed feedback (DFB) chip laser and controlled by a single CW microwave source without the need for any stabilization or locking. We measure femtosecond pulse trains (520 fs duration) with a 30-GHz repetition rate, flat-top optical spectra with a 10-dB optical bandwidth of 12.6 nm, individual comb-line powers above 0.1 milliwatt, and pulse energies of 0.54 picojoule. Our results represent a tunable, robust and low-cost integrated pulsed light source with CW-to-pulse conversion efficiencies an order of magnitude higher than achieved with previous integrated sources. Our pulse generator can find applications from ultrafast optical measurement to networks of distributed quantum computers.

研究の動機と目的

• 統合光子プラットフォーム向けにコンactで、耐障害性があり、周波数可変なフェムト秒パルス光源を開発すること。
• 既存のオンチップモードロック型マイクロレゾネータ光源のノイズ、波長可変性、繰り返し周波数の制限を克服すること。
• モードロックや外部安定化を必要とせず、高効率で低損失かつ周波数に自在に可変するパルス生成を可能とすること。
• モノリシック統合プラットフォームで、1本のコムラインあたりの光学出力パワーと高いパルスエネルギーを達成すること。
• 実用的導入を可能とするために、大型で分離型の部品を完全に統合型リチウムニオブート光回路に置き換えること。

提案手法

• リチウムニオブートプラットフォーム上に統合型振幅および位相変調器を用いた段階的電光的タイムレンズシステムを実装する。
• 時間レンズ圧縮を可能とするために、チープドブレグ・グレーティングを用いて時間的プロファイルを整形する。
• 位相ロックや安定化を不要とするために、1つの連続波（CW）DFBチップレーザーと1つの連続波マイクロ波源でシステムを駆動する。
• 低損失統合部品を活用して挿入損失を最小限に抑え、変換効率を向上させる。
• モードロックを用いず、振幅および位相変調を用いて電光的変調によりサブピコ秒パルスを合成する。
• 12.6 nm帯域幅にわたる平坦なトップ型光学スペクトルと高いスペクトル平坦性を実現するための設計最適化を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に統合された電光的タイムレンズシステムは、高効率で低損失のフェムト秒パルスを生成できるか？
• RQ2 1つのマイクロ波源でシステム全体を駆動でき、安定化やロック機構を必要としないか？
• RQ3 統合プラットフォームは1 ps未満のパルス幅を達成でき、1本のコムラインあたりの光学出力パワーが高くなるか？
• RQ4 この統合システムの変換効率は、従来のオンチップパルス光源と比較してどの程度か？
• RQ5 コンactでモノリシックな設計において、平坦なトップスペクトルと高い繰り返し周波数安定性を維持できるか？

主な発見

• システムは30 GHz繰り返し周波数で、FWHM（半値全幅）520 fsのパルスを生成した。
• 光学スペクトルの10-dB帯域幅は12.6 nmであり、高いスペクトル平坦性を示している。
• 個々のコムライン出力は0.1 mWを超えており、高い出力効率を示している。
• パルスエネルギーは0.54 picojoulesに達しており、圧縮されたパルスに強いエネルギー集中が確認された。
• CW-パルス変換効率は、従来の統合光源と比較して10倍も高い。
• 外部の安定化やロックを必要とせず、1つの連続波マイクロ波源による制御でシステムが動作した。