[論文レビュー] Hybrid Kerr-electro-optic frequency combs on thin-film lithium niobate

Yunxiang Song, Yaowen Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2024

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、薄膜 lithium niobate 上のハイブリッド Kerr-electro-optic 周波数コームを実証し、75.9 THzの帯域内で29.308 GHz間隔の2,589ラインを達成し、ソリトン間隔のオンチップ安定化を実現した。

ABSTRACT

Optical frequency combs are indispensable links between the optical and microwave domains, enabling a wide range of applications including precision spectroscopy, ultrastable frequency generation, and timekeeping. Chip-scale integration miniaturizes bulk implementations onto photonic chips, offering highly compact, stable, and power-efficient frequency comb sources. State of the art integrated frequency comb sources are based on resonantly-enhanced Kerr effect and, more recently, on electro-optic effect. While the former can routinely reach octave-spanning bandwidths and the latter feature microwave-rate spacings, achieving both in the same material platform has been challenging. Here, we leverage both strong Kerr nonlinearity and efficient electro-optic phase modulation available in the ultralow-loss thin-film lithium niobate photonic platform, to demonstrate a hybrid Kerr-electro-optic frequency comb with stabilized spacing. In our approach, a dissipative Kerr soliton is first generated, and then electro-optic division is used to realize a frequency comb with 2,589 comb lines spaced by 29.308 GHz and spanning 75.9 THz (588 nm) end-to-end. Further, we demonstrate electronic stabilization and control of the soliton spacing, naturally facilitated by our approach. The broadband, microwave-rate comb in this work overcomes the spacing-span tradeoff that exists in all integrated frequency comb sources, and paves the way towards chip-scale solutions for complex tasks such as laser spectroscopy covering multiple bands, micro- and millimeter-wave generation, and massively parallel optical communications.

研究の動機と目的

• chip-scale かつ広帯域の光–マイクロ波周波数コームを促進する。
• 薄膜 lithium niobate (TFLN) 上の強い Kerr 非線形性と電気光学（EO）分割を活用する。
• TFLN 上で自己開始型の dissipative Kerr solitons (DKS) を実証し、EO 側帯生成を階層化して間隔をマイクロ波速度に分割する。
• Kerr soliton ソースと高速 EO 位相変調を統合して、完全に統合されたハイブリッド Kerr-EO コームを実現する。
• Δf の生成差周波数を用いたフィードバックにより soliton spacing の電子安定化を示す。

提案手法

• 分散設計された TFLN マイクロ共振器上でオクターブ全体にわたる DKS を、集積ポンプ電力約 100–372 mW で生成する。
• TFLN 上の長さ 2 cm の統合 EO 位相変調器を用いて、各 DKS ラインの周囲に EO 駆動周波数（f_RF）の整数倍のサイドバンドを作成する。
• THz スケールの DKS spacing f_DKS を EO サイドバンドで分割して、マイクロ波レートのコームを得る。
• f_DKS、f_RF、Δf を Δf = f_DKS − N·f_RF（N は完全分割に必要な EO サイドバンド数）として定義・測定する。
• Δf をマイクロ波基準に位相ロックして、DKS ポンプへのフィードバックを介して f_DKS を安定化させる。
• モジュレータの Vπ、EO 帯域幅、およびテレコム帯域全体での波長間性能を評価する。

Figure 1: Concept of hybrid Kerr-electro-optic frequency comb. a 3-D illustration of the hybrid Kerr-electro-optic frequency comb system, consisting of a dissipative Kerr soliton microresonator chip and an electro-optic phase modulator chip. A continuous-wave (CW) optical frequency initiates a THz-r

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜 lithium niobate 上のハイブリッド Kerr-EO アプローチは、単一チップ上で大きな光学帯域とマイクロ波レートのコーム間隔の両方を提供できるか？
• RQ2 統合 EO 変調を用いて THz スケールの Kerr soliton spacing を完全に分割する場合、到達可能な分割因子 N はどれくらいか？
• RQ3 EO 分割コームを電子的に安定化させることは、EO-difference frequency Δf をマイクロ波基準にロックすることで可能か？
• RQ4 TFLN 上で Kerr soliton 発生と EO 変調は、ブロードバンドでチップスケールのコームを実現するために複数波長間でどのように結合するか？

主な発見

• 薄膜 lithium niobate 上で660 GHz spacing を持つオクターブ span の DKS を実証（131.3–263.2 THz 範囲）。
• 長さ 2 cm の EO モジュレータが 29.158 GHz の変調周波数を実現し、N=14 により DKS spacing を分割して 29.308 GHz のハイブリッドコームを得た。
• ハイブリッド Kerr-EO コームは端から端まで 75.9 THz の帯域幅を持ち、588 nm をカバーし、Kerr および EO のプロセスがオンチップで実行されている。
• Δf は EO ビートノートとして測定でき、マイクロ波基準にロックしてポンプへのフィードバックを介して f_DKS を安定化させる。
• Δf の線幅はロック時に約 30 kHz で、近赤外の THz 近傍の Kerr spacing のコヒーレント制御を実証した。
• このアプローチは、単一のフォトニックプラットフォーム上での統合マイクロ波合成と二重領域周波数基準への道を提供する。

Figure 2: Dissipative Kerr soliton on thin-film lithium niobate. a Total comb power traces as pump laser scans across a microresonator resonance from the red to blue (top) and blue to red (bottom) directions, accessing flat soliton steps in both directions. The step around 5.4 V is a single-soliton