[論文レビュー] Integrated turnkey soliton microcombs operated at CMOS frequencies

Boqiang Shen, Lin Chang+15 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Nov 6, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 44被引用数 70

ひとこと要約

本論文は、ポンプレーザーと統合されたソリトンマイクロコームのターンキー生成を実証し、外部制御回路なしでCMOS互換の繰り返し周波数（15–40 GHz）を実現し、蝶形パッケージで実現している。

ABSTRACT

While soliton microcombs offer the potential for integration of powerful frequency metrology and precision spectroscopy systems, their operation requires complex startup and feedback protocols that necessitate difficult-to-integrate optical and electrical components. Moreover, CMOS-rate microcombs, required in nearly all comb systems, have resisted integration because of their power requirements. Here, a regime for turnkey operation of soliton microcombs co-integrated with a pump laser is demonstrated and theoretically explained. Significantly, a new operating point is shown to appear from which solitons are generated through binary turn-on and turn-off of the pump laser, thereby eliminating all photonic/electronic control circuitry. These features are combined with high-Q $Si_3N_4$ resonators to fully integrate into a butterfly package microcombs with CMOS frequencies as low as 15 GHz, offering compelling advantages for high-volume production.

研究の動機と目的

• スケーラブルなフォトニックシステムにおけるソリトンマイクロコームの統合課題を動機づける。
• 複雑なチューニングと外部制御回路を排除するターンキーのソリトン生成レジームを実証する。
• 高Qの Si3N4 共振器を用いてCMOS互換の繰り返し周波数（15–40 GHz）を達成する。
• 非絶縁動作における温度・環境ノイズへのロバスト性を示す。

提案手法

• 高Qの Si3N4 マイクロ共振器をバタフライパッケージ内の DFB ポンプレーザーと統合する。
• 共振器からの後方散乱フィードバックをポンプレーザー腔へ注入し、光学アイソレーションの必要性を排除する。
• ソリトン場、後方散乱場、レーザー場を結ぶ非線形動力学モデルを構築する（S1–S7）。
• デタuningと腔内電力の交差によって支配される、ポンプの2値起動によってソリトンが形成されるターンポイント動作レジームを導出する（式 S1–S6）。
• 40 GHz、20 GHz、15 GHz の繰り返し周波数でのターンキーソリトン生成の実験的実証を提供する（図3）。
• フィードバック位相に対する起動成功確率を評価し、再現可能なターンキー動作を示す（図4）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポンプレーザーへのフィードバックによって駆動される場合、アクティブな光学/電子制御なしにソリトンマイクロコームをターンキー生成できるか？
• RQ2 非線形フィードバックによってソリトンモードロックの起動を可能にする新しい動作点は何か？
• RQ3 高QのSi3N4共振器を含む統合型ポンプレーザー–マイクロ共振器パッケージで、CMOS周波数動作（15–40 GHz）が実現可能か？
• RQ4 ターンキーソリトン生成は温度・環境の変動に対してどれくらいロバストか？
• RQ5 スケーラブルで低電力、チップ規模の周波数コーム源に対する実用的影響は何か？

主な発見

• 非線形後方散乱によって新しいターンキー動作点が現れ、ポンプレーザーを単にオンにするだけでソリトン生成が可能となる。
• CMOS互換の統合で40 GHz、20 GHz、15 GHzの繰り返し周波数を実証。
• 観測された光スペクトルは、繰り返し周波数に対応する単一・多ソリトン状態と電気的ビートノートを示す。
• 後方散乱フィードバックは自由発振DFBレーザーと比較してレーザー周波数ノイズを約30 dB低減し、最先端の統合レーザーを上回る性能を達成。
• ターンキー動作は実験室条件下で数時間にわたりロバストで、外部フィードバック制御や光学アイソレーションなしで動作する。
• 蝶形パッケージ内に高QのSi3N4共振器と統合されたDFBレーザーは、難しい繰り返し周波数（≤40 GHz）でチップ間ポンピングを可能にする。