[論文レビュー] Gain-assisted chiral soliton microcombs

Teng Hwang Tan, Hao-Jing Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、パckagedのイッテルビウム-dopedシリカマイクロレゾネータにアクティブなレーザー媒質を統合することで、初めてゲイン補強付きのキラル光ソリトンマイクロコムを実証した。この手法により、即応的なオンオフスイッチングと可変周波数のデュアルコム生成が可能となった。光ソリトンのスリングショット効果—モード間結合とイッテルビウムゲインによって駆動される—により、ソリトンのアクセス範囲が18 GHzまで拡大され、0.14 µsのオンオフ遅延と7 MHzのモード帯域幅を有する高速で能動的な反対方向ソリトンのキラルティ制御が実現された。

ABSTRACT

The emerging microresonator-based frequency combs revolutionize a broad range of applications from optical communications to astronomical calibration. Despite of their significant merits, low energy efficiency and the lack of all-optical dynamical control severely hinder the transfer of microcomb system to real-world applications. Here, by introducing active lasing medium into the soliton microcomb, for the first time, we experimentally achieve the chiral soliton with agile on-off switch and tunable dual-comb generation in a packaged microresonator. It is found that such a microresonator enables a soliton slingshot effect, the rapid soliton formation arising from the extra energy accumulation induced by inter-modal couplings. Moreover, tuning the erbium gain can generate versatile multi-soliton states, and extend the soliton operation window to a remarkable range over 18 GHz detuning. Finally, the gain-assisted chirality of counterpropagating soliton is demonstrated, which enables an unprecedented fast on-off switching of soliton microcombs. The non-trivial chiral soliton formation with active controllability inspires new paradigms of miniature optical frequency combs and brings the fast tunable soliton tools within reach.

研究の動機と目的

• マイクロレゾネータ周波数コムにおける低エネルギー効率とすべての光的動的制御の欠如を克服すること。
• コンactなパッケージ化されたマイクロコムシステムにおいて、ソリトンキラルティとオンオフスイッチングの能動的・リアルタイム制御を可能にすること。
• 統合されたイッテルビウムゲインとモード間結合を通じて、ソリトン動作ウィンドウを拡張し、スペクトル帯域幅を拡大すること。
• 実用的応用を想定した光学センシングおよび通信分野における、可変デュアルコム分光法と超高速スイッチングの実証。

提案手法

• 980 nmポンプレーザーを用いて、光学的ゲインと能動的レーザー発振を提供するイッテルビウム-dopedシリカマイクロスフィアレゾネータの統合。
• 1550 nmの可変周波数ECDLを用いて、高Qファクター（>10^8）のマイクロレゾネータにおける四波混合を介してソリトン形成を励起。
• トゥーブドファイバーを用いて、マイクロスフィアレゾネータからの光励起および集光を実施。
• 10 fsのサンプリング分解能を有する周波数分解光ゲーティング（FROG）を用いて、ソリトンパルス幅および繰り返し周波数を測定。
• 980 nmコントロールレーザーを用いた共進方向および反対方向モードの非対称な屈折率変調により、ソリトンキラルティの能動的制御。
• ゲインとモード結合を考慮した状態下でのソリトン進化および閾値条件をシミュレートするため、Lugiato-Lefever方程式（LLE）を用いた数値モデリング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロレゾネータにおける能動的光的ゲインが、ソリトンキラルティおよびオンオフスイッチングの動的・すべての光的制御を可能にするか？
• RQ2 モード間結合とイッテルビウムゲインは、ソリトンスリングショット効果およびソリトンアクセス範囲にどのように影響を与えるか？
• RQ3 能動的ゲイン調整によって、ソリトン動作ウィンドウはどの程度拡張可能か？
• RQ4 反対方向のソリトンを独立して制御することで、可変デュアルコム生成が可能になるか？
• RQ5 ゲイン補強付きキラル光ソリトンマイクロコムで達成可能なスイッチング速度と消光比はどの程度か？

主な発見

• ソリトンスリングショット効果により、モード間結合とゲイン誘発エネルギー蓄積を通じて迅速なソリトン形成が実現され、100 mWのコントロールレーザー出力下で最大18 GHzのソリトンアクセス範囲が達成された。
• 100 mWのコントロールレーザー出力下で、ソリトンスペクトル帯域幅が115 nmに達し、0 mW時の66 nmと比較して顕著に広がった。
• 共進方向ソリトンのオンオフスイッチングは0.14 µsの遅延時間と3 dBの消光比を達成し、7 MHzのモード帯域幅に相当した。
• 48.6 MHzのビートノートにおいて、コントロールレーザー出力を増加させると周波数オフセットが増加する傾向を確認し、能動的キラルティ制御の妥当性を裏付けた。
• 本システムは多様なマルチソリトン状態をサポートし、18 GHz以上のデチューニング範囲にわたりソリトン動作ウィンドウを拡張し、可変デュアルコム分光法を実現した。
• ゲイン補強付きキラル光ソリトンマイクロコムはパッケージ化されたデバイスで実証され、光学通信およびセンシング分野における実用的応用が可能となった。