[論文レビュー] Generation of Kerr combs centered at 4.5{\mu}m in crystalline microresonators pumped by quantum cascade lasers

Anatoliy A. Savchenkov, Vladimir S. Ilchenko+5 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、連続波量子カスケードレーザー（QCL）をポンプ源として用い、MgF2およびCaF2で作られた高Q値結晶性マイクロレゾネータを用いて、4.5 µm中心のミッドインフラレッドKerr周波数コンブを生成することを示している。わずか15 mWのポンプパワーで、10 THzに達する半オクターブ以上のスパンを持つコンブが得られ、これまでに報告された中で最も長い波長のKerrコンブを記録し、分子分光法および環境センシングへの応用を可能にする。

ABSTRACT

We report on the generation of mid-infrared Kerr frequency combs in high-finesse CaF$_2$ and MgF$_2$ whispering-gallery mode resonators pumped with continuous wave room temperature quantum cascade lasers. The combs were centered at 4.5$\mu$m, the longest wavelength to date. A frequency comb wider than a half of an octave was demonstrated when approximately 20mW of pump power was coupled to an MgF2 resonator characterized with quality factor exceeding 10$^8$.

研究の動機と目的

• 4.5 µmを超えるミッドインフラレッド領域へのKerrコンブ生成を拡張し、分子の指紋領域を標的とする。
• 従来のモードロックレーザーの制限を克服するため、連続波QCLをポンプ源として用いる。
• 高Qファクターと異常な群速度分散のおかげで、結晶性フルオライドマイクロレゾネータ（MgF2、CaF2）が4.5 µmで効率的な四波混合を可能にすることを示す。
• 分光法およびセンシングに適した、コンactで統合可能な分野展開可能なミッドインフラレッド周波数コンブ用のプラットフォームを実現する。

提案手法

• 室温で動作する分散フィードバック（DFB）QCL（4.5 µm発振）を用いて、高ファインネスのMgF2およびCaF2ホワispering-gallery-mode（WGM）マイクロレゾネータをポンプした。
• 自己注入ロックを用いてQCLをレゾネータのWGMに被動的に周波数ロックし、ポンプを共鳴モードに安定化させた。
• 個々のコンブラインを解像するために、可変式MgF2マイクロレゾネータを狭帯域第一次ローレンツフィルタ（300 MHz～0.3 MHz）として利用した。
• フィルタリング後のスペクトルラインのローレンツフィッティングを用いてコンブ線幅を測定し、全幅半最大（FWHM）を約60 kHzに達成した。
• ミッドインフラレッド透過ファイバを備えたフーリエ変換型光スペクトルアナライザー（OSA）を用いてスペクトル特性を同定した。
• ポンプパワーおよびデチューニングの変化に対するコンブダイナミクスと安定性をモニタリングし、Turingパターンやマルチソリトン状態を含む異なるコンブ状態を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続波QCLをポンプ源として用いた結晶性マイクロレゾネータで、4.5 µmでのKerr周波数コンブを生成できるか？
• RQ2 このようなシステムで達成可能な最大スペクトル帯域幅は何か？また、そのために必要なポンプパワーはどの程度か？
• RQ3 4.5 µmにおけるMgF2およびCaF2レゾネータ間で、コンブダイナミクスおよびスペクトル特性にどのような差が生じるか？
• RQ4 可変式マイクロレゾネータフィルタを用いて、コンブ線幅を高精度で測定可能か？その結果得られる線幅は何か？
• RQ5 長波長ミッドインフラレッド領域で、Turingパターンやマルチソリトン状態を含む複数のコンブ状態をサポートできるか？

主な発見

• 約20 mWのポンプパワーで、MgF2マイクロレゾネータで10 THzを超えるスペクトル幅を持つKerrコンブが生成された。
• 4.5 µm中心のKerrコンブの観測が初めて達成され、これまでに報告された中で最も長い波長のKerrコンブである。
• ポンプパワーがわずか15 mWで、CaF2およびMgF2両方のレゾネータでコンブが生成された。
• 個々のコンブラインは、可変式MgF2マイクロレゾネータフィルタを用いて測定され、全幅半最大（FWHM）が約60 kHzであった。
• CaF2およびMgF2レゾネータの両方で、Turingパターンに類似したおよびマルチソリトンに類似したコンブエンベロープが観測され、豊富な非線形ダイナミクスが示された。
• 熱的および自己注入ロックQCL周波数ロックの両方において、コンブの安定した動作が確認され、再現可能でスケーラブルなミッドインフラレッドコンブ生成が可能となった。