[論文レビュー] Soliton Microcomb Generation in a III-V Photonic Crystal Cavity

Alberto Nardi, Alisa Davydova+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、群速度分散（GVD）を異常性に制御するためのチープド光子結晶ミラーを用いて、III-Vガリウムホスファイド（GaP）フォトニクス結晶ファブリペロークェバーに安定した散乱Kerrソリトン（DKS）周波数コンブ生成を実証した。わずか23.6 mWの平均ポンプパワーで、60 fsのソリトンパルスと3.0 THzの帯域幅を達成した。これは、GaPの高い非線形性と高品質因子（1.2×10⁶）のおかげであり、コンactで統合可能なプラットフォームでオクターブスパンコンブを実現する道筋を示している。

ABSTRACT

Photonic crystals, material structures in which the dielectric function varies periodically in one, two, or three dimensions, can provide exquisite control over the propagation and confinement of light. By tailoring their band structure, exceptional optical effects can be achieved, such as slow light propagation or, through the creation of photonic bandgaps, optical cavities with both a high quality factor and a small mode volume. Photonic crystal cavities have been used to realize compact nano-lasers and achieve strong coupling to quantum emitters, such as semiconductor quantum dots, color centers, or cold atoms. A useful attribute of photonic crystals is the ability to create chirped mirrors. Chirping has underpinned advances in ultra-fast lasers based on bulk mirrors, but has yet to be fully exploited in integrated photonics, where it could provide a means to engineer otherwise unattainable dispersion profiles for a range of nonlinear optical applications, including soliton frequency comb generation. The vast majority of integrated resonators for frequency combs make use of microring geometries, where only waveguide width and height are varied to engineer dispersion. Generation of frequency combs has been demonstrated with one-dimensional photonic crystal cavities made of silicon nitride, but the low index contrast prevents formation of broad soliton combs. We overcome these challenges by using a photonic-crystal Fabry-Pérot resonator made of gallium phosphide, a material with a high refractive index and a Kerr nonlinearity 200 times larger than that of silicon nitride. We employ chirped photonic crystal mirrors to provide anomalous dispersion. With subharmonic pulsed pumping at an average power of 23.6 mW, we are able to access stable dissipative Kerr frequency combs. We demonstrate soliton formation with a 3-dB bandwidth of 3.0 THz, corresponding to a pulse duration of 60 fs.

研究の動機と目的

• シリコンナイトライドマイクロリングレゾネーターがソリトンマイクロコンブ生成において抱える制限、特に分散制御の制限と低い非線形性を克服すること。
• ガリウムホスファイド（GaP）の高いKerr非線形性と低二光子吸収特性を活用し、統合型プラットフォームで効率的なソリトン形成を実現すること。
• III-Vベースのファブリペロークェバーに組み込まれたチープド光子結晶ミラーが、異常群速度分散（GVD）を正確に制御できることを実証すること。
• III-V統合プラットフォームで、低ポンプパワーと高品質因子を実現した安定的で広帯域の散乱Kerrソリトン（DKS）形成を達成すること。

提案手法

• チープド光子結晶ミラー（PCRs）を用いて異常分散を実現するガリウムホスファイド（GaP）フォトニクス結晶ファブリペロークェバーの設計。
• 分散のシミュレーションには三段階モデル（直線波導、PCRs、テーパー付きカップラー）を採用。群遅延はFDTDおよび固有振動数ソルバーを用いてSパラメータから計算。
• 有限差分時間領域法（FDTD）シミュレーションを用いて、S11反射係数からPCRsの位相および群遅延を計算。
• 23.6 mWの平均パワーを持つサブハーモニックパルスポンピング方式を採用し、キャビティ内でのDKS状態を励起。
• スペクトル帯域拡大と時間的パルス測定によるソリトン形成の実験的特徴付け。同期安定性はタイミングジタを用いて評価。
• Lugiato-Lefever方程式フレームワークを用いた数値シミュレーションにより、観測されたダイナミクスの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チープド光子結晶ミラーを有するGaPベースのPC-FPキャビティが、散乱Kerrソリトン（DKS）形成に必要な異常分散を実現できるか？
• RQ2 高い非線形性と高Qファクターを有するGaPマイクロコンブプラットフォームで、安定したDKS状態を励起するのに必要な最小ポンプパワーは何か？
• RQ3 チープドPCRsを用いたGaP PC-FPキャビティにおける分散制御の範囲は、広帯域ソリトン生成を実現するためにどの程度可能か？
• RQ4 GaPの高いKerr非線形性（Si3N4の200倍）は、従来のプラットフォームと比較してソリトンパルス幅とスペクトル帯域幅にどのように影響を与えるか？
• RQ5 GaPの固有特性（広帯域透過窓と非ゼロのχ(2)非線形性）を活用し、同じデバイスで高調波生成やパラメトリック発振といった追加機能を実現できるか？

主な発見

• 23.6 mWの平均ポンプパワーで、GaPフォトニクス結晶ファブリペロークェバー内に安定した散乱Kerrソリトン（DKS）形成を達成した。
• 3.0 THzの3 dB帯域幅が測定され、これは60 fsのソリトンパルスに対応し、高い時間的コherencesを示している。
• GaPレゾネーターとして記録的な固有Qファクター1.2×10⁶を達成し、低閾値のソリトン励起を可能にした。
• わずか15ユニットセルで構成されるチープド光子結晶ミラー（PCRs）が、20 THz帯域で90%以上の高反射率を達成し、広帯域の分散制御を可能にした。
• サブハーモニックポンプトレインの同期安定性が約1.3 MHzであり、安定したソリトンダイナミクスを示した。
• GaP透過窓（24–546 THz）全域にわたり、ほぼ任意の分散制御が可能であり、オクターブスパンコンブの実現が見込まれる。