[論文レビュー] Mode interaction aided soft excitation of dark solitons in normal dispersion microresonators and offset-frequency tunable Kerr combs

Xiaoxiao Xue, Yi Xuan+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、モード相互作用を支援する励起を用いて、正常分散マイクロレゾネータにおけるダークソリトンコンブの最初の実験的ソフト励起を示した。マイクロヒーターを用いたことで、安定的で低ノイズなモードロック動作が実現され、オフセット周波数が調整可能である。この手法により、従来の試みが失敗していたコherentなダークパルス生成が可能となり、ダイナミクスが非線形キャビティ内の二安定状態間のフロント相互作用に関連していることが明らかになった。

ABSTRACT

Kerr frequency combs from microresonators are now extensively investigated as a potentially portable technology for a variety of applications. Most studies employ anomalous dispersion microresonators that support modulational instability for comb initiation, and mode-locking transitions resulting in coherent bright soliton-like pulse generation have been reported. However, some experiments show comb generation in normal dispersion microresonators; simulations suggest the formation of dark pulse temporal profiles. Soft excitation of dark pulse solutions is difficult and has been demonstrated neither experimentally nor in simulation. Here we report experiments in which dark pulse combs are formed by mode-interaction-aided soft excitation; for the first time, a mode-locking transition is observed in the normal dispersion regime. A micro-heater actuated tuning scheme provides a new degree of freedom for adjusting the laser-resonator detuning; as a result we are able to substantially tune the comb offset frequency while maintaining low noise, highly coherent mode-locked operation. Through simulation we show that the observed dark pulses can be related to interactions of fronts which connect the bistable steady-state solutions of the nonlinear cavity. Microresonator-based optical frequency combs, also termed Kerr combs, are generated through conversion of a single pump frequency to a broadband frequency comb inside a high-quality-factor microresonator via the third-order Kerr nonlinearity [1]-[10]. For comb generation, the optical pump frequency is tuned close to a resonance of the microresonator. When the intracavity power exceeds some threshold, frequency combs grow up and are expanded due to modulational instability gain and cascaded four-wave mixing. The advantages of Kerr combs include very compact size, high repetition rate, and capability of generating ultra-broad combs. The dynamics of Kerr comb generation have attracted intense investigations since the first demonstration of the method [11]-[34]. It has been found that Kerr combs are not always coherent [11-12] and may be characterized by high intensity noise [13]-[14]; furthermore, lack of coherence and high intensity noise are generally correlated. Experiments have revealed transitions from low coherence, high noise states to highly coherent mode-locked state accompanied by a sudden drop in intensity noise [14]-[16], [18], [19]. It has been found in simulations and experiments that the mode locking of broadband Kerr combs is usually related to soliton formation in the cavity [15], [18]-[31]. These dissipative cavity solitons are localized structures stabilized by a balance between Kerr nonlinearity and dispersion. In time domain they exist as bright or dark pulses, depending on whether the cavity dispersion is anomalous or normal, respectively. Bright microresonator solitons

研究の動機と目的

• 従来の実験的およびシミュレーションの試みが失敗していた正常分散マイクロレゾネータにおけるダークソリトンコンブのソフト励起を達成すること。
• 従来の実験的観測がなかった正常分散領域におけるモードロック遷移を示すこと。
• 低強度ノイズと高いコherー二ンスを維持したまま、Kerrコンブのオフセット周波数を調整可能にすること。
• 観測されたダークパルスダイナミクスが、非線形キャビティ内の二安定状態解間のフロント相互作用に関連していることを特定すること。

提案手法

• ソフト励起の課題を克服するため、正常分散マイクロレゾネータにおけるダークパルス形成を促進するためにモード相互作用を支援する励起を用いた。
• レーザー-レゾネータのデチューニングを動的に制御できるマイクロヒーター駆動のチューニング方式を採用し、コンブ設計における新たな自由度を提供した。
• キャビティダイナミクスをモデル化するためのシミュレーションを実施し、ダークパルスが二安定状態解を接続するフロントの相互作用から生じることを示した。
• 高Qマイクロレゾネータにおける三階非線形Kerr効果を活用し、連鎖的四波混合および自己変調不安定性を介して帯域幅広い周波数コンブを生成した。
• 強度ノイズとコherー二ンスをモニタリングすることで、非コherentで高ノイズな状態からコherentで低ノイズなモードロック動作への遷移を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モード変調不安定性が存在しないにもかかわらず、正常分散マイクロレゾネータにおいてダークソリトンコンブがソフト励起によって安定的に励起可能か？
• RQ2 異常分散が存在しない状況で、モード相互作用がどのようにダークパルス形成を可能にするか？
• RQ3 正常分散領域において、Kerrコンブのオフセット周波数を能動的に調整可能にしつつ、低ノイズ性と高いコherー二ンスを維持できるか？
• RQ4 観測されたダークパルスダイナミクスは、特に二安定状態間のフロント相互作用を含む、非線形キャビティの基本的物理とどのように関連しているか？

主な発見

• モード相互作用を支援するソフト励起を用いて、マイクロレゾネータの正常分散領域におけるモードロック遷移の最初の実験的観測が達成された。
• 正常分散マイクロレゾネータにおいてダークソリトンコンブが成功裏に生成され、異常分散が存在しないにもかかわらず、コherentで低ノイズな動作が実現した。
• マイクロヒーターのチューニング方式により、コンブのオフセット周波数を大幅かつ連続的に調整可能でありながら、高いコherー二ンスと低強度ノイズを維持した。
• シミュレーションにより、ダークパルスダイナミクスが非線形キャビティの二安定状態解を接続するフロントの相互作用から生じることが確認された。
• 高ノイズで非コherentな状態から低ノイズでコherentなモードロック動作への遷移が実騣的に観測され、ダークソリトンの形成と関連づけられた。