[論文レビュー] Observation of Fermi-Pasta-Ulam Recurrence in an On-Chip Optical Microresonator

Chengying Bao, José A. Jaramillo-Villegas+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、低出力位相オフセットと増加したポンプパワーの下で生成されるブレーター・ソリトンを介して、窒化ケイ素（SiN）マイクロレゾネータにおいてフェルミ＝パスタ＝ウラム（FPU）再帰が実験的に実証された。一般化されたルジャト・レーフェブレ方程式に基づく数値シミュレーションにより、非対称なパワースペクトルの変化が確認され、ラマン効果の誘発がスペクトル対称性を破り、FPU再帰の観測を可能にした。これにより、マイクロレゾネータがソリトンダイナミクスを研究するためのプラットフォームとして成立することが示された。

ABSTRACT

We present, experimentally and numerically, the observation of Fermi-Pasta-Ulam recurrence induced by breather solitons in a high-Q SiN microresonator. Breather solitons can be excited by increasing the pump power at a relatively small pump phase detuning in microresonators. Out of phase power evolution is observed for groups of comb lines around the center of the spectrum compared to groups of lines in the spectral wings. The evolution of the power spectrum is not symmetric with respect to the spectrum center. Numerical simulations based on the generalized Lugiato-Lefever equation are in good agreement with the experimental results and unveil the role of stimulated Raman scattering in the symmetry breaking of the power spectrum evolution. Our results shows that optical microresonators can be exploited as a powerful platform for the exploration of soliton dynamics.

研究の動機と目的

• 統合光学マイクロレゾネータにおけるフェルミ＝パスタ＝ウラム再帰の出現を調査すること。
• 特に誘発ラマン散乱がソリトンダイナミクス中のスペクトル対称性を破る役割を理解すること。
• 高Q値SiNマイクロレゾネータが、FPU再帰のような複雑なソリトン行動を探索するためのプラットフォームとして機能できることを示すこと。
• 一般化されたルジャト・レーフェブレ方程式に基づく数値シミュレーションを用いて、実験的観測を検証すること。

提案手法

• 小さなポンプ位相オフセットの下でポンプパワーを増加させることにより、高Q値SiNマイクロレゾネータ内でのブレーター・ソリトンの励起。
• 光周波数コンブの時間的およびスペクトル的変化の測定。特に、異なるスペクトル領域におけるパワー動態に注目。
• 一般化されたルジャト・レーフェブレ方程式を用いたシステムの数値シミュレーションにより、光学場の空間時間的変化をモデル化。
• 中心周波数とスペクトル翼部のライン間のパワースペクトル変化の非対称性を検出するための解析。
• 実験的結果とシミュレーション結果の比較により、誘発ラマン散乱がスペクトル対称性の破れに与える影響を特定。
• ブレーター・ソリトンの再帰ダイナミクスを特徴付けるために、スペクトル位相および強度の測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップ光学マイクロレゾネータにおいてフェルミ＝パスタ＝ウラム再帰を実験的に観測できるか？
• RQ2 マイクロレゾネータコンブにおけるスペクトル中心部と翼部のパワースペクトルラインの非対称的変化は、何に起因するか？
• RQ3 誘発ラマン散乱は、ソリトンダイナミクス中にスペクトル対称性を破る上でどのように寄与するか？
• RQ4 一般化されたルジャト・レーフェブレ方程式に基づく数値シミュレーションは、FPU再帰の実験的観測をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 SiNマイクロレゾネータ内のブレーター・ソリトンは、非線形再帰現象を観測するための安定したプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• フェルミ＝パスタ＝ウラム再帰は、高Q値SiNマイクロレゾネータにおけるブレーター・ソリトンのダイナミクスを通じて実験的に観測された。
• スペクトル中心部のラインとスペクトル翼部のラインとの間で、パワーの位相が逆転した変化が観測され、非対称なスペクトル行動を示した。
• 一般化されたルジャト・レーフェブレ方程式に基づく数値シミュレーションは、実験データと優れた一致を示した。
• 誘発ラマン散乱が、パワー変化におけるスペクトル対称性の破れを引き起こす主なメカニズムであると特定された。
• 結果として、統合マイクロレゾネータが、ソリトン再帰のような複雑な非線形光学現象を研究するためのスケーラブルなプラットフォームとして利用可能であることが示された。
• 外部モードを用いずに、低ポンプ位相オフセット条件下で安定したブレーター・ソリトンの形成が可能であり、これによりFPU再帰の観測が実現した。