[論文レビュー] Multi-Octave Frequency Comb from an Ultra-Low-Threshold Nanophotonic Parametric Oscillator

Ryoto Sekine, Robert M. Gray+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、フェムトジュールレベルのポンプエネルギーのみを用いて、ナノフォトニクスリン酸リチウム光パラメトリックオシレータ（OPO）でマルチオクターブ周波数コンブを生成することを示している。時間的自己クリーニング機構を活用することで、線形同期からずれており、閾値をはるかに超えて安定化されたコherencesが実現され、高Qファブリ・ペロー共振器や狭帯域スペクトルを必要とせず、超広帯域でコherentなスペクトル拡張が可能となり、従来の統合手法と比較してエネルギー消費が数個のオーダー低下した。

ABSTRACT

Ultrabroadband frequency combs coherently unite distant portions of the electromagnetic spectrum. They underpin discoveries in ultrafast science and serve as the building blocks of modern photonic technologies. Despite tremendous progress in integrated sources of frequency combs, achieving multi-octave operation on chip has remained elusive mainly because of the energy demand of typical spectral broadening processes. Here we break this barrier and demonstrate multi-octave frequency comb generation using an optical parametric oscillator (OPO) in nanophotonic lithium niobate with only femtojoules of pump energy. The energy-efficient and robust coherent spectral broadening occurs far above the oscillation threshold of the OPO and detuned from its linear synchrony with the pump. We show that the OPO can undergo a temporal self-cleaning mechanism by transitioning from an incoherent operation regime, which is typical for operation far above threshold, to an ultrabroad coherent regime, corresponding to the nonlinear phase compensating the OPO cavity detuning. Such a temporal self-cleaning mechanism and the subsequent multi-octave coherent spectrum has not been explored in previous OPO designs and features a relaxed requirement for the quality factor and relatively narrow spectral coverage of the cavity. We achieve orders of magnitude reduction in the energy requirement compared to the other techniques, confirm the coherence of the comb, and present a path towards more efficient and wider spectral broadening. Our results pave the way for ultrashort-pulse and ultrabroadband on-chip nonlinear photonic systems for numerous applications.

研究の動機と目的

• 統合周波数コンブ光源の限界である高エネルギー閾値を克服し、最小限のポンプエネルギーでオンチップ上でマルチオクターブ周波数コンブ生成を達成すること。
• 薄膜リチウニオブート酸タンパク質における二次非線形性を用いて、コンactな統合プラットフォームでコherentなスペクトル拡張を実現すること。
• 高利得で閾値をはるかに超える動作条件下でも、コherencesを安定化するOPOにおける新規な時間的自己クリーニングメカニズムを実証すること。
• 既存の統合およびバルク系と比較して、マルチオクターブスペクトル拡張に必要なエネルギーを数個のオーダー低減すること。
• エネルギー効率の高い広帯域コherent光源を用いて、デュアルコンブ分光、光周波数合成、超高速フォトニクス分野における実用的オンチップ応用を可能とすること。

提案手法

• OPOは、効率的な二次高調波生成のための準位相一致を可能にする5.075 µmの周期的ポーリングを施した薄膜リチウニオブート酸上にフォトリソグラフィーで作製された。
• 装置は、1045 nmの100-fsパルスを250.1775 MHzの繰り返し周波数で使用する同期ポンプ型の縮退OPOとして動作している。
• 群速度分散（GVD）と群速度不一致（GVM）をほぼゼロに近づける分散工学を適用し、広帯域パラメトリック増幅とスペクトル拡張を実現している。
• OPOは閾値をはるかに超えて動作しており、線形同期からずれているため、非線形位相補償メカニズムによって非コherentな動作からコherentな動作への遷移が可能となった。
• 数値的シミュレーションでは、Lumericalソフトウェアを用いて非線形包絡方程式を解き、定常位相オフセットなしのχ(2)非線形性のみをモデル化して、スペクトルおよび時間的ダイナミクスを予測している。
• 実験的特性評価には、広帯域スペクトル収集のための高インピーダンスおよびフルオライドファイバーを用い、RFスペクトルは高速フォトダイオードおよびスペクトルアナライザーで測定している。

Figure 1: Principle and design of the multi-octave nanophotonic OPO . a, Illustration of the sync-pumped OPO on thin-film lithium niobate with key features highlighted. b, Microscope image of several devices when the one in the center is pumped at 1 $\mu$ m. The chip glows green due to second harmon

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムトジュールレベルのポンプエネルギーで、統合ナノフォトニクスプラットフォーム上にマルチオクターブ周波数コンブを生成できるか？
• RQ2 閾値をはるかに超え、線形同期からずれたOPOで、コherentなスペクトル拡張を可能にするメカニズムは何か？
• RQ3 低ファインネスおよび中程度のQファクターを有するキャビティ条件下でも、OPOにおける時間的自己クリーニング機構がどのようにコherencesを安定化させ、超広帯域出力を可能としているか？
• RQ4 分散工学を施したOPOにおける二次非線形性を用いることで、マルチオクターブスペクトル拡張に必要なエネルギーをどの程度低減できるか？
• RQ5 高Q共振器や狭帯域部品を必要とせずに、ナノフォトニクスOPOがオクターブ以上に広がったコherentスペクトルを達成できるか？

主な発見

• OPOは、350 nmから3400 nmまで3オクターブ以上をカバーするマルチオクターブコherent周波数コンブを生成し、ポンプエネルギーはフェムトジュールレベルにとどまっている。
• 全透過損失は43.4 dBであり、入力結合損失が35.7 dB、出力結合損失が7.7 dBであり、オンチップ光管理の高効率性が示された。
• ポンプパルスエネルギーが0.45 pJと、統合系で同様のスペクトル拡張を実現するのによく用いられる10–100 pJと比較して、数個のオーダー低い。
• 時間的自己クリーニング機構により、キャビティのデチューニングを非線形的に補償することで、閾値をはるかに超えてコherent動作が可能となり、非コherentからコherentへの遷移が実現された。
• シミュレーションでは、522 nm（二次高調波）と2090 nm（半高調波）間でGVMが721 fs/mmであることが示され、スペクトルウォークオフおよび短波長成分のシミュレーションでの低減が説明された。
• 測定された3オクターブスペクトルは、250 MHzの繰り返し周波数と基本繰り返し周波数間隔のサイドバンドを持つRFスペクトル解析により、コherentであることが確認された。

Figure 2: OPO characterization. a, Oscillation peaks of the OPO as the pump repetition rate is modulated by a piezoelectric transducer (PZT) in the pump laser cavity at 600 Hz. b, Signal spectrum at 35 fJ of pump energy for three different roundtrip detunings and c, the corresponding OPO signal grow