[論文レビュー] Raman lasing and soliton modelocking in lithium-niobate microresonators

Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、酸化物インシュレータ上にリチウムニオブート（LNOI）マイクロレゾネータにおいて、バックワード方向のラーマンレーザー発振とソリトンモデルッキングを実証し、ポンプ閾値20 mWで記録的な差動量子効率46％を達成した。キャビティ幾何形状を設計することでラーマン散乱を抑制し、X-切片LNOIチップ上でのソリトンモデルッキングの初観測を可能にした。強い非線形性と可変分散を有する高性能プラットフォームとして、統合非線形フォトニクスの前進をもたらした。

ABSTRACT

The recent advancement in lithium niobate on insulator (LNOI) technology is revolutionizing the optoelectronic industry as devices of higher performance, lower power consumption, and smaller footprint can be realized due to the high optical confinement in the structures. The LNOI platform offers both large \c{hi}(2) and \c{hi}(3) nonlinearities along with the power of dispersion engineering, enabling brand new nonlinear photonic devices and applications towards the next generation of integrated photonic circuits. However, the Raman scattering, one of the most important nonlinear phenomena, have not been extensively studied, neither was its influences in dispersion-engineered LNOI nano-devices. In this work, we characterize the Raman radiation spectra in a monolithic lithium niobate (LN) microresonator via selective excitation of Raman-active phonon modes. Remarkably, the dominant mode for Raman oscillation is observed in the backward direction for a continuous-wave pump threshold power of 20 mW with a reportedly highest differential quantum efficiency of 46 %. In addition, we explore the effects of Raman scattering on Kerr optical frequency combs generation. We achieve, for the first time, soliton modelocking on a X-cut LNOI chip through sufficient suppression of the Raman effect via cavity geometry control. Our analysis of the Raman effect provides guidance for the development of future chip-based photonic devices on the LNOI platform.

研究の動機と目的

• 分散設計を施したリチウムニオブートインシュレータ（LNOI）マイクロレゾネータにおけるラーマン散乱の調査。
• LNOIにおけるラーマン励起モードとその非線形光起因プロセスへの影響の特定。
• キャビティ幾何形状制御によるラーマン効果の低減を通じたソリトンモデルッキングの実現。
• 将来のLNOIプラットフォーム上でのチップベースフォトニクス素子の設計指針の確立。

提案手法

• 連続波ポンプを用いてモノリシックリチウムニオブートマイクロレゾネータ内でラーマン励起モードを選択的に励起。
• ラーマン放射スペクトルの測定により、主要な散乱モードとその指向性を同定。
• キャビティ幾何形状の設計によりラーマン散乱を抑制し、Kerr周波数コンブ形成を可能に。
• 差動量子効率の分析により、ラーマンレーザー性能を定量的評価。
• 群速度分散を調整するための分散設計を用いてソリトン形成を最適化。
• LNOIプラットフォームに高次非線形性（χ(2)およびχ(3)）を統合し、複雑な非線形ダイナミクスを実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リチウムニオブートマイクロレゾネータにおける主要なラーマン散乱モードは何か。また、それらはどの方向に伝搬するか。
• RQ2 LNOIマイクロレゾネータにおけるラーマンレーザーのポンプ閾値および量子効率は何か。
• RQ3 ラーマン散乱はLNOIデバイスにおけるKerr光周波数コンブ生成にどのように影響するか。
• RQ4 ラーマン効果を抑制することで、X-切片LNOIチップ上でのソリトンモデルッキングを達成できるか。
• RQ5 キャビティ幾何形状は、周波数コンブ生成におけるラーマン誘発パラメトリックノイズをどのように低減するか。

主な発見

• バックワード方向に顕著なラーマンレーザー発振が観測され、差動量子効率46％を記録として達成。これは報告済みの最高値である。
• モノリシックLNマイクロレゾネータにおいて、連続波ポンプ閾値20 mWでラーマンレーザーを実現。
• 効果的なラーマン散乱抑制により、X-切片LNOIチップ上でのソリトンモデルッキングが初の実証に成功。
• キャビティ幾何形状制御により、ラーマン効果が十分に抑制され、安定なソリトン形成が可能となった。
• 本研究により、分散設計されたLNOIデバイスにおけるKerr周波数コンブダイナミクスにラーマン散乱が顕著に影響することが判明。
• 今後の統合フォトニクス素子の設計に、LNOIプラットフォームの高非線形性と可変分散の利点を活かすための重要な設計指針が提供された。