[論文レビュー] Repetition rate tuning of soliton in microrod resonators

Rui Niu, Shuai Wan+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 30被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、融石ガラスのマイクロロッド共振器において、圧電素子（PZT）を用いた外部の応力制御により、散逸Kerrソリトン（DKS）マイクロコンブで広帯域の繰り返し周波数を高精度に調整することを示している。補助レーザーを用いて熱応答を安定化させ、安定したソリトン状態の切り替えを可能にすることで、連続的な繰り返し周波数調整範囲が30 MHzに達し、高精度な周波数ロックが安定的かつ高速かつ正確に実現可能となり、高精度計測および分光法への応用が可能となる。

ABSTRACT

The coherent temporal soliton in optical microresonators has attracted great attention recently. Here, we demonstrate the dissipative Kerr soliton generation in a microrod resonator, by utilizing an auxiliary-laser-assisted thermal response control. By external stress tuning, the repetition rate of the soliton has been controlled over a large range of 30 MHz. Our platform promises precise tuning and locking of the repetition frequency of coherent mode-locked comb in the microresonator, and holds great potential for applications in spectroscopy and precision measurements.

研究の動機と目的

• 高精度計測への実用的応用を実現するため、散逸Kerrソリトン（DKS）マイクロコンブにおける繰り返し周波数の安定的かつ高精度な調整を可能にすること。
• 温度およびポンプパワーに敏感なマイクロレゾネータベースのソリトンコンブでは繰り返し周波数の調整範囲が制限されやすいという課題を克服すること。
• 高QのマイクロロッドレゾネータにおいてPZTアクチュエータを用いた機械的応力により、広範囲かつ高速かつ高精度な繰り返し周波数制御の手法を開発すること。
• 補助レーザーを用いた熱応答制御が、広い調整範囲にわたり安定したソリトン状態の切り替えと動作を可能にすることを実証すること。

提案手法

• ソリトンコンブ生成とは関係のないモードを励起するために補助レーザーを用い、キャビティの熱応答を制御し、ソリトン状態の安定化を実現する。
• 圧電素子（PZT）がマイクロロッドレゾネータに機械的応力を加えることで、レゾネータの長さおよび屈折率が変化し、自由スペクトル範囲（FSR）および繰り返し周波数が調整される。
• PZTの電圧を体系的に変化させることで、制御されたひずみを発生させ、共鳴周波数のシフトとFSRの変調を引き起こし、DKSの繰り返し周波数に直接的な影響を与える。
• ポンプレーザーは1557.2 nmを用い、ソリトン状態の形成は光スペクトル解析および電気スペクトルアナライザー（ESA）を用いたRFビートノート測定により確認された。
• 繰り返し周波数は、電気光学モジュレータ（EOM）を用いてRFビートノートを下変換し、20 GHz未満の周波数帯域で検出することで、正確な周波数決定がなされた。
• PZT電圧の変化による繰り返し周波数シフトと、小さなポンプ周波数オフセットによるシフトを比較することで、チューニングメカニズムの妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロロッドレゾネータにおける散逸Kerrソリトンの繰り返し周波数を、機械的応力によって広帯域に調整可能か？
• RQ2 補助レーザーを用いた熱応答制御は、ソリトン状態形成の安定性および再現性をどのように向上させるか？
• RQ3 高Qマイクロロッドレゾネータにおいて、PZTによって誘発されるひずみによって達成可能な最大の繰り返し周波数調整範囲は何か？
• RQ4 DKSマイクロコンブにおける繰り返し周波数制御において、機械的チューニングはポンプ周波数オフセットに比べてどれほど効果的か？
• RQ5 低ノイズのソリトンコンブ特性を維持したまま、繰り返し周波数を高精度かつ高速に調整可能か？

主な発見

• PZT電圧を0 Vから80 Vに変化させることで、散逸Kerrソリトンマイクロコンブの繰り返し周波数が30 MHzの広範囲にわたって調整された。
• 40 Vを超えるとチューニングレートが非線形に低下し、PZTの非線形応答が示された。電圧が上昇するにつれて繰り返し周波数が低下した。
• ポンプ周波数オフセットによる繰り返し周波数変動は最大で300 kHzにとどまり、PZTによる調整範囲に比べて2桁小さい。これにより、機械的チューニングの支配的役割が確認された。
• 光スペクトルでは、OSAの分解能限界（0.02 nm）により、周波数シフトに起因するラインオフセットが観測されなかった。繰り返し周波数の変化は、RFビートノート解析によるみに信頼的に測定可能であることが確認された。
• 補助レーザーにより、安定したソリトン状態の切り替えと熱応答制御が可能となり、全範囲にわたり再現性のある動作が実現した。
• 本プラットフォームは、高精度で高速かつ安定した繰り返し周波数調整を可能とし、計測および分光法への応用に適したソリトンマイクロコンブのロックに有用である。