[論文レビュー] Mode-locking in an optical microresonator via soliton formation

Tobias Herr, Victor Brasch+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2012

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、高Qの光的マイクロレゾネータにおいて、赤方シフトポンプを用いた場合に、Lugiato-Lefever方程式に従う時間的散逸的ソリトンの自発的生成を示している。ソリトンは有効ゼロデチューニング点で生成され、広帯域増幅媒体に依存せず、低ノイズで滑らかなスペクトルエンベロープを持つ周波数コンブを実現する安定した高繰り返し周波数のフェムト秒パルス源を可能にする。

ABSTRACT

Dissipative solitons can emerge in a wide variety of dissipative nonlinear systems throughout the fields of optics, medicine or biology. Dissipative solitons can also exist in Kerr-nonlinear optical resonators and rely on the double balance between parametric gain and resonator loss on the one hand and nonlinearity and diffraction or dispersion on the other hand. Mathematically these solitons are solution to the Lugiato-Lefever equation and exist on top of a continuous wave (cw) background. Here we report the observation of temporal dissipative solitons in a high-Q optical microresonator. The solitons are spontaneously generated when the pump laser is tuned through the effective zero detuning point of a high-Q resonance, leading to an effective red-detuned pumping. Red-detuned pumping marks a fundamentally new operating regime in nonlinear microresonators. While usually unstablethis regime acquires unique stability in the presence of solitons without any active feedback on the system. The number of solitons in the resonator can be controlled via the pump laser detuning and transitions to and between soliton states are associated with discontinuous steps in the resonator transmission. Beyond enabling to study soliton physics such as soliton crystals our observations open the route towards compact, high repetition-rate femto-second sources, where the operating wavelength is not bound to the availability of broadband laser gain media. The single soliton states correspond in the frequency domain to low-noise optical frequency combs with smooth spectral envelopes, critical to applications in broadband spectroscopy, telecommunications, astronomy and low phase-noise microwave generation.

研究の動機と目的

• 赤方シフトポンプ下でのキラー非線形性を示す光的マイクロレゾネータにおける散逸的ソリトンの生成を調査すること。
• アクティブフィードバックを用いないパass型マイクロレゾネータにおけるソリトン状態の安定性と制御を調査すること。
• 実用的応用に適した滑らかなスペクトルエンベロープを持つ低ノイズの光周波数コンブの生成を実証すること。
• 広帯域レーザー増幅媒体に依存しないコンactな高繰り返し周波数のフェムト秒パルス源を実現すること。
• ポンプデチューニング制御によるソリトン結晶の形成およびソリトン状態間の遷移を研究すること。

提案手法

• キラー非線形性を有する高Q光的マイクロレゾネータを用い、散逸的ソリトンの生成を可能にする。
• 有効ゼロデチューニング点における赤方シフトポンプレーザー励起を適用し、ソリトン生成を誘発する。
• 連続波背景上でのソリトンダイナミクスを記述する理論的枠組みとして、Lugiato-Lefever方程式を用いる。
• レーザーのポンプ周波数をマイクロレゾネータの共振周波数に対して精密に調整することで、ソリトン数を制御する。
• レーザーの共振器透過度をモニタリングし、ソリトン状態間の不連続な遷移を検出する。
• 出力のスペクトル的および時間的特性を分析し、低ノイズで滑らかなスペクトルエンベロープを持つ周波数コンブであることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方シフトポンプ下で、高Q光的マイクロレゾネータ内に時間的散逸的ソリトンが自発的に生成可能か？
• RQ2 有効ゼロデチューニング点が、アクティブフィードバックを要さずに安定したソリトン形成を可能にする役割は何か？
• RQ3 ポンプレーザーのデチューニングが、ソリトン数の制御およびソリトン状態間の遷移をどのように誘導するか？
• RQ4 生成された周波数コンブのスペクトル的特性は何か？従来のソースと比較してどう異なるか？
• RQ5 この系においてソリトン結晶が形成可能か？その観測がソリトン相互作用に関する何を明らかにするか？

主な発見

• 赤方シフトポンプを用いた高Q光的マイクロレゾネータにおいて、有効ゼロデチューニング点で時間的散逸的ソリトンが成功裏に観測された。
• ソリトン状態は自発的に生成され、アクティブフィードバックを要さずに内在的な安定性を示した。これはマイクロレゾネータにおける新たな動作領域を示す。
• ポンプレーザーのデチューニングを調整することでソリトン数を制御でき、共振器透過度に不連続な遷移が観測された。
• 単一ソリトン状態は低ノイズの光周波数コンブを生成し、滑らかなスペクトルエンベロープを有していた。これは分光法およびマイクロ波発生への応用に適していた。
• 広帯域レーザー増幅媒体に依存しないコンパクトで高繰り返し周波数のフェムト秒パルス源の実現が可能となった。
• ソリトン結晶の観測が可能となり、ソリトン相互作用および集団的ダイナミクスの研究への道筋が開かれた。