[論文レビュー] Sideband Injection Locking in Microresonator Frequency Combs

Thibault Wildi, Alexander E. Ulanov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 62被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、マイクロレゾネータ周波数コンブにおけるサイドバンド注入ロックを実験的に示しており、コンブのサイドバンドに二次的な連続波レーザーを注入することで、全光的制御による繰り返しレート制御と位相ノイズ低減が可能であることを示している。著者らは、ロック範囲の解析的スケーリング則を導出し、自由走行系と比較して繰り返しレートの位相ノイズを3桁低減することを実証した。これにより、低ノイズマイクロ波発生および安定化された光学時計が実現可能となる。

ABSTRACT

Frequency combs from continuous-wave-driven Kerr-nonlinear microresonators have evolved into a key photonic technology with applications from optical communication to precision spectroscopy. Essential to many of these applications is the control of the comb's defining parameters, i.e., carrier-envelope offset frequency and repetition rate. An elegant and all-optical approach to controlling both degrees of freedom is the suitable injection of a secondary continuous-wave laser into the resonator onto which one of the comb lines locks. Here, we study experimentally such sideband injection locking in microresonator soliton combs across a wide optical bandwidth and derive analytic scaling laws for the locking range and repetition rate control. As an application example, we demonstrate optical frequency division and repetition rate phase-noise reduction to three orders of magnitude below the noise of a free-running system. The presented results can guide the design of sideband injection-locked, parametrically generated frequency combs with opportunities for low-noise microwave generation, compact optical clocks with simplified locking schemes and more generally, all-optically stabilized frequency combs from Kerr-nonlinear resonators.

研究の動機と目的

• マイクロレゾネータを用いたケル周波数コンブにおいて、広帯域にわたる光学的帯域でサイドバンド注入ロックのダイナミクスを実験的に特徴づけること。
• モード数、注入パワー、スペクトル的デチューニングといった主要な実験パラメータを関数として、ロック範囲の解析的スケーリング則を導出し、実験的妥当性を検証すること。
• 散乱ケルソリトン（DKS）コンブ状態の繰り返しレートにおける光学的周波数分割と顕著な位相ノイズ低減を実証すること。
• マイクロ波フォトニクスおよび光学メトロロジー分野における応用を想定した、低ノイズで全光的に安定化された周波数コンブの設計に向けた定量的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 高分解能コherent分光法を用いて、DKSコンブの中心領域およびスペクトルウェインズを含む複数のコンブモードにおけるロックダイナミクスをマッピングする。
• 理論的モデリングは、周波数領域におけるルジャト・レーフェブレ方程式に基づき、ポンプ、二次レーザー、コンブライン間の相互作用を記述するカップルドモード方程式を用いる。
• ロック範囲に関する解析的式を導出し、モード数に二乗依存性、注入パワーおよびDKSスペクトルパワーに平方根依存性を示す。
• LLEフレームワークに基づく数値シミュレーションを実施し、注入下でのソリトンダイナミクスをシミュレートし、二次レーザーとターゲットコンブライン間の位相同期の追跡によってロックを確認する。
• 注入光子の光子的重心を計算することで、位相ダイナミクスと繰り返しレートシフトとの整合性を確保し、時間領域記述と整合する。
• パワー変動に起因する熱的効果をモデル化し、周波数ドリフトに及ぼす寄与が100 kHz未満であることを示し、これは注入ロック効果の2桁下のオーダーである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロレゾネータ周波数コンブにおけるサイドバンド注入ロック範囲は、モード数、注入レーザー出力、DKSスペクトルパワーのそれぞれにどのように依存するか？
• RQ2 注入レーザーのデチューニングと、それによるDKSコンブの繰り返しレートチューニングとの間には、どのような定量的関係があるか？
• RQ3 サイドバンド注入ロックは、自由走行系と比較して、繰り返しレートの位相ノイズをどの程度低減できるか？
• RQ4 パワー変動に起因する熱的シフトは、注入ロックの存在下で、ロックダイナミクスおよび安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 理論モデルは、異常分散および正規分散の両コンブ領域において、ロック範囲を正確に予測できるか？

主な発見

• ロック範囲はモード数µ′に二次関数的に依存し、理論的予測および実験的観測と整合的である。
• ロック範囲は、注入レーザー出力およびDKSスペクトルパワーの両方に平方根依存性を示し、パワー調整による可変制御が可能である。
• 二次レーザーを用いることで光学的周波数分割が達成され、繰り返しレートが低周波数基準にロックされ、ノイズ低減が実現される。
• 繰り返しレートの位相ノイズは、自由走行系と比較して最大で3桁低減され、顕著なノイズ抑制が実証された。
• パワー変動に起因する熱的共鳴シフトは50 MHz未満と推定され、対応する周波数ドリフトは100 kHz未満であり、注入ロック効果と比較して無視できる程度である。
• 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、理論および実験と良好に一致し、異なるコンブ領域においてもモデルの予測能力が裏付けられた。