[論文レビュー] Novel architecture for ultra-stable micro-ring resonator based optical frequency combs

Alessia Pasquazi, Lucia Caspani+9 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 30被引用数 63

ひとこと要約

本論文は、ポンプレーザーの熱的ロックを必要とせず、自己ロック方式により超安定な光周波数コンブを実現する、CMOS互換性を持つ新しいマイクロリングレゾネータアーキテクチャを提示する。この手法により、>300 nm帯域幅かつ自由スペクトル範囲（FSR）間隔のコンブラインを有する連続的・自己持続的コンブ生成が達成され、外部ポンプ型光パラメトリックオシレータにおける一般的な自己終了型不安定性を克服する。

ABSTRACT

We report a novel geometry for OPOs based on nonlinear microcavity resonators. This approach relies on a self-locked scheme that enables OPO emission without the need for thermal locking of the pump laser to the microcavity resonance. By exploiting a CMOS-compatible microring resonator, we achieve oscillation with a complete absence of shutting down, or self-terminating behavior, a very common occurrence in externally pumped OPOs. Further, this scheme consistently produces very wide bandwidth (>300nm, limited by our experimental set-up) combs that oscillate at a spacing of the FSR of the micro cavity resonance.

研究の動機と目的

• マイクロキャビティレゾネータを用いた外部ポンプ型光パラメトリックオシレーター（OPO）に一般的に見られる不安定性および自己終了型動作を解消すること。
• ポンプレーザーをマイクロキャビティ共鳴にアクティブに熱的にロックする必要を排除すること。
• コンactで、CMOS互換性を持つプラットフォーム上で広帯域スペクトル帯域幅を有する連続的・安定したコンブ生成を実現すること。
• 環境変動にさらされてもコherentlyかつ安定した状態を維持する自己ロック動作スキームを実現すること。
• 自由スペクトル範囲（FSR）間隔のコンブラインを有する超安定周波数コンブを実現し、高精度メトロロジーおよび光通信分野への応用を可能とすること。

提案手法

• 著者らは、コンブ生成がキャビティの非線形ダイナミクスによって内在的に安定化されるCMOS互換性を持つマイクロリングレゾネータに自己ロック方式を実装した。
• 外部の熱フィードバックに依存せず、四波混合過程を介したポンプとキャビティ共鳴の内在的ロックに依存して動作する。
• マイクロリングレゾネータは、コンブライン間隔を決定する自由スペクトル範囲（FSR）をサポートするように設計されており、周期的周波数コンブ生成を可能にする。
• 高Qマイクロキャビティにおける非線形光学効果を活用して、最小限の外部制御で広帯域コンブを生成する。
• 調整可能なレーザーポンプを用いたコンactな実験セットアップを用いて、出力スペクトルおよび時間的安定性を測定することで実験的検証を実施した。
• システムは、コンブ安定性、スペクトル帯域幅、および自己終了型動作の不在をモニタリングすることで特徴付けられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロリングレゾネータにおける自己ロック方式は、OPOベースの周波数コンブにおいて熱的ロックの必要性を排除できるか？
• RQ2 外部フィードバック機構が存在しない状況でも、コンブ生成はどの程度安定的かつ連続的か？
• RQ3 このアーキテクチャで達成可能な周波数コンブのスペクトル帯域幅はどの程度か？
• RQ4 コンブラインはキャビティの自由スペクトル範囲（FSR）に正確に間隔をあけて配置できるか？
• RQ5 このシステムは、外部ポンプ型OPOに一般的に見られる自己終了型動作を示すか？

主な発見

• 提案されたアーキテクチャは、自己終了型動作を一切示さない連続的・自己持続的コンブ生成を達成した。これは、従来の外部ポンプ型OPOとは顕著な改善である。
• システムは、実験的セットアップの制限のみが帯域幅の上限である、300 nmを超えるスペクトル帯域幅を持つ光周波数コンブを生成した。
• コンブラインはマイクロリングレゾネータの自由スペクトル範囲（FSR）に正確に間隔をあけて配置されており、コherentかつ周期的な周波数コンブ動作が確認された。
• 自己ロック方式により、ポンプレーザーをキャビティ共鳴に熱的にロックする必要がなく、システムが安定化された。
• CMOS互換性を持つマイクロリングレゾネータは、超安定周波数コンブ生成のためのコンパクトで、頑丈かつスケーラブルなプラットフォームを実現した。
• 本結果は、光通信および高精度メトロロジー分野への実用的でチップ統合可能な周波数コンブの実現に向けて、顕著な一歩を示している。