[論文レビュー] PT-symmetric microring lasers: Self-adapting broadband mode-selective resonators

Hossein Hodaei, Mohammad‐Ali Miri+3 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、実験的にPT対称性を部分的に破ることで、複数のモードが増幅帯域内に存在する場合でも、望ましいモードの増幅を強化し、安定した単一縦モード動作を実現するPT対称性を持つマイクロリングレーザー共振器の有効性を示している。この手法は外部フィルタを用いずにモード選択性を達成し、マルチモード共振器において堅牢で広帯域かつ自己適応的なレーザー発振を実現する。

ABSTRACT

We demonstrate experimentally that stable single longitudinal mode operation can be readily achieved in PT-symmetric arrangements of coupled microring resonators. Whereas any active resonator is in principle capable of displaying single-wavelength operation, selective breaking of PT-symmetry can be utilized to systematically enhance the maximum achievable gain of this mode, even if a large number of competing longitudinal or transverse resonator modes fall within the amplification bandwidth of the inhomogeneously broadened active medium. This concept is robust with respect to fabrication tolerances, and its mode selectivity is established without the need for additional components or specifically designed filters. Our results may pave the way for a new generation of versatile cavities lasing at a desired longitudinal resonance. Along these lines, traditionally highly multi-moded microring resonator configurations can be fashioned to suppress all but one longitudinal mode.

研究の動機と目的

• 外部モードフィルタを用いずにマルチモードマイクロリング共振器における安定した単一縦モード動作を達成すること。
• 結合された能動・受動マイクロリング共振器におけるPT対称性の破れを活用し、目的モードにのみ選択的に増幅を強化すること。
• モード選択性のレーザー発振に対する製造公差に対する耐性を実証すること。
• 不均一に広がった増幅媒体を用いて、内在的な共振器ダイナミクスにより広帯域のモード選択を実現すること。
• 外部フィルタなしで、希望の縦モードに自動的に選択・増幅する自己適応型レーザー共振器を開発すること。

提案手法

• 能動（増幅媒体）と受動の2つのマイクロリング共振器をペアで用い、PT対称な構成に配置する。
• 複数の縦モードが増幅帯域内に存在する不均一に広がった増幅媒体を用いる。
• 能動側の増幅を調整することでPT対称性を破り、非目的モードのレーザー閾値を選択的に上昇させる。
• バランスの取れた増幅と減衰を制御する非エルミートハミルトニアンの枠組みを用いる。
• 結合共振器内の内在的モード競合ダイナミクスに依存して、単一縦モードの自己選択を実現する。
• 外部フィルタ部品を追加せず、実験的に安定性と広帯域のモード選択性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロリング共振器におけるPT対称性結合は、広帯域増幅媒体において単一縦モードの選択的増幅を可能にするか？
• RQ2 選択的なPT対称性の破れは、結合マイクロリングキャビティにおけるモード競合およびレーザー閾値にどのように影響するか？
• RQ3 製造上の不備やパrameterの変動に対して、モード選択性のレーザー発振はどの程度耐性を示すか？
• RQ4 外部フィルタなしで、マルチモードマイクロリングキャビティが希望の縦モードに自己適応的に再設定可能か？
• RQ5 このような系において、PT対称性の破れによって、選択されたモードの最大増幅強度はどの程度向上できるか？

主な発見

• 外部フィルタを用いずに、PT対称性を持つマイクロリングレーザーで安定した単一縦モード動作が実験的に実証された。
• PT対称性の選択的破れにより、複数のモードがスペクトル的に増幅帯域内に存在する場合でも、目的モードの最大達成可能増幅が向上した。
• 製造公差に対してモード選択性が頑健であるため、実用的実現可能性が示された。
• 外部部品を用いずに、内在的キャビティダイナミクスにより広帯域のモード選択が達成された。
• 制御されたPT対称性の破れにより、従来はマルチモードとして動作するマイクロリング共振器が、希望の共鳴に自己適応的に応じて単一モードレーザーとして機能可能となった。
• 制御されたPT対称性の破れにより、増幅帯域内であれば任意の希望の縦モードに再設定可能なレーザー発振が可能となった。