[論文レビュー] Orthogonally Polarized Kerr Frequency Combs

Changjing Bao, Peicheng Liao+17 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、1つのマイクロレゾネータ内で、1つのソリトンパルスによって駆動される1つの周波数コンブと、それとは直交する偏光状態の強い自己相関位相変調（XPM）によって誘発される第2の周波数コンブを同時に生成することを示している。第2のコンブは、0.1 mWの入力パワーでのみ生成され、自己励起の閾値を下回っているが、周波数ずれのため凹型のスペクトルエンベロープを示している。両コンブは自由スペクトル範囲が異なるものの、同じ繰り返し周波数を持つ。

ABSTRACT

Kerr optical frequency combs with multi-gigahertz spacing have previously been demonstrated in chip-scale microresonators, with potential applications in coherent communication, spectroscopy, arbitrary waveform generation, and radio frequency photonic oscillators. In general, the harmonics of a frequency comb are identically polarized in a single microresonator. In this work, we report that one comb in one polarization is generated by an orthogonally polarized soliton comb and two low-noise, orthogonally polarized combs interact with each other and exist simultaneously in a single microresonator. The second comb generation is attributed to the strong cross-phase modulation with the orthogonally polarized soliton comb and the high peak power of the intracavity soliton pulse. Experimental results show that a second frequency comb is excited even when a continuous wave light as a "seed"-with power as low as 0.1 mW-is input, while its own power level is below the threshold of comb generation. Moreover, the second comb has a concave envelope, which is different from the sech2 envelope of the soliton comb. This is due to the frequency mismatch between the harmonics and the resonant frequency. We also find that the repetition rates of these two combs coincide, although two orthogonal resonant modes are characterized by different free spectral ranges.

研究の動機と目的

• 1つのチップスケールマイクロレゾネータ内で、2つの低ノイズで直交する偏光状態の周波数コンブを同時に生成すること。
• 直交する偏光状態のソリトンコンブから生じる自己相関位相変調（XPM）によって、自己励起の閾値を下回る状態でも第2のコンブが形成されるメカニズムを解明すること。
• 第2のコンブのスペクトル的・時間的特性、特にその凹型エンベロープと周波数ずれの役割を調査すること。
• 直交する偏光モードによる異なる自由スペクトル範囲を有する2つのコンブが、同じ繰り返し周波数を持つ理由を解明すること。
• 最小限のパワーパンプで動作するデュアルコンブシステムを用いた、コherent通信、分光法、光エレクトロニクスマイクロ波発生への応用を可能にすること。

提案手法

• 直交する偏光状態の横方向モードを有し、異なる自由スペクトル範囲を持つチップスケールマイクロレゾネータを用いた。
• 0.1 mWの連続波（CW）ポンプを注入し、単独ではコンブ生成の閾値を下回る状態で第2のコンブを励起した。
• 直交する偏光状態のソリトンコンブとシード信号との間で強い自己相関位相変調（XPM）を活用し、第2のコンブを誘発した。
• キャビティ内に存在するソリトンパルスの高いピークパワーを活用し、非線形相互作用を強化し、XPM駆動のコンブ形成を可能にした。
• 干渉計的およびスペクトル解析を用いて両コンブのスペクトルエンベロープを特徴付け、第2のコンブに凹型エンベロープが存在することを特定した。
• 両コンブの繰り返し周波数を測定・比較し、異なる自由スペクトル範囲を有しても一致していることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.1 mWの連続波光で励起された場合、自己励起の閾値を下回る状態でマイクロレゾネータ内で第2の周波数コンブを生成できるか？
• RQ2 直交する偏光状態のソリトンコンブからの自己相関位相変調（XPM）によって、第2のコンブが形成される物理的メカニズムは何か？
• RQ3 第2のコンブはなぜ、ソリトンコンブのsech²形状とは異なり、凹型のスペクトルエンベロープを示すのか？
• RQ4 異なる自由スペクトル範囲を有する2つのコンブが、1つのマイクロレゾネータ内で同じ繰り返し周波数を持つのはなぜか？
• RQ5 偏光の直交性が、異なるスペクトル特性を有する2つのコンブが安定して同時に動作可能であることに果たす役割は何か？

主な発見

• 第2の周波数コンブは、0.1 mWの連続波入力パワーでのみ生成され、ソリトンコンブが存在しない状態では自己励起の閾値を下回る。
• 第2のコンブは、コンブの高調波と直交モードの共振周波数との間の周波数ずれにより、凹型のスペクトルエンベロープを示した。
• 異なる自由スペクトル範囲を有するにもかかわらず、両コンブは同じ繰り返し周波数を持ち、直交する偏光モード間の強い結合または同期化メカニズムがあることを示唆している。
• 第2のコンブは、直交する偏光状態に存在する高ピークパワーのソリトンパルスからの強い自己相関位相変調（XPM）によって誘発されたことが確認され、XPMが主な非線形メカニズムであることが判明した。
• 両コンブとも低ノイズで安定しており、最小限のパワーパンプで動作する1つのマイクロレゾネータ内でのデュアルコンブシステムの実現可能性が示された。
• 本結果は、光エレクトロニクス信号処理や分光法への応用を想定した、スペクトルカバレッジを拡大し、パワー要件を低減したチップ統合型デュアルコンブシステムへの道筋を示した。