[論文レビュー] Soliton Pulses in Photonic Crystal Fabry-Perot Microresonators

Thibault Wildi, Mahmoud Gaafar+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、チップ統合型フォトニクスクリスタルファブリ・ペロ微共振器において、初めて連続波駆動型散乱 Kerr ソリトン（DKS）を実証した。2つのフォトニクスクリスタル反射器（PCRs）を用いて異常な群速度遅延分散（GDD）を設計し、400万の高固有Qファクターを達成することで、フォームドPCRsによる調整により可視光帯および拡張波長帯での動作が可能となる、広帯域DKS生成が可能になった。

ABSTRACT

Dissipative Kerr solitons (DKSs) in high-Q microresonators enable applications in sensing, communication, and signal processing. Until now, DKSs driven by continuous-wave (CW) lasers are exclusively generated in ring-type resonators. Complementary to ring-type resonators, Fabry-Perot resonators could enable new approaches to dispersion engineering, addressing a key challenge of DKS technology. However, DKS generation in a CW-driven Fabry-Perot microresonator has not yet been achieved. Here, we demonstrate for the first time CW-driven DKSs in a high-Q Fabry-Perot microresonator. Fabricated in a wafer-level process, two photonic crystal reflectors in a waveguide form the chip-integrated resonator and define its dispersion. The intrinsic Q-factor of 4 million is propagation-loss limited. In principle, each cell of the photonic crystal reflector can be tailored, opening a design space beyond traditional dispersion engineering, with potential for future extension of DKSs to visible and other currently inaccessible wavelengths. Beyond DKSs, this creates opportunities for filter-driven pulse formation, engineered spectra and broadband phase-matching in microresonators.

研究の動機と目的

• 連続波（CW）駆動型ファブリ・ペロ微共振器において散乱Kerrソリトン（DKS）生成を実証すること。これは、これまで実現されていなかったプラットフォームである。
• 従来の波ガイドやウィスピングギャラリー・モード分散を超えて、フォトニクスクリスタル反射器（PCRs）を用いた統合微共振器における新たな分散設計の可能性を実現すること。
• 電子ビームリソグラフィーを用いずに、ウェーハスケールでプロセス可能なチップ統合FP共振器において、高Q（400万）動作を達成すること。
• 調整可能なPCR設計により、可視光帯や現在アクセス不可能な波長帯域におけるDKS動作への道筋を拓くこと。

提案手法

• プロセスのばらつきを補正するため、パラメータ化されたPCR幾何形状を用いた商業的UV光リソグラフィーにより微共振器をプロセスし、電子ビームリソグラフィーを一切使用せずにウェーハスケール統合を実現した。
• フォトニクスクリスタル反射器（PCRs）が共振器の分散を支配し、そのバンドギャップおよび結合特性はカップルドモード理論と反射係数式を用いてモデル化された。
• 波ガイドとPCRの寄与を考慮し、ラウンドトリップ位相および群遅延分散（GDD）を計算した。単一PCR反射によるGDDは約−2170 fs²、波ガイド通過によるGDDは約−445 fs²であった。
• 二重レーザー安定化方式を採用：主にTM偏光の連続波ポンプと、補助的にTE偏光のレーザー（1560 nm）を用い、共振器の熱的安定化とチューニング中の熱的ドリフト抑制を実現した。
• 補助レーザー法によりソリトン状態に到達し、内部光強度を一定に保ちながら、急速走査を伴わずに安定したチューニングが可能となった。
• 実験的特性評価には、光スペクトルアナライザー（OSA）、電気スペクトルアナライザー（ESA）、およびフォトダイオードを用い、ソリトンスペクトルおよび時間的ダイナミクスを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクスクリスタル反射器を有する連続波駆動型ファブリ・ペロ微共振器において、散乱Kerrソリトンが生成可能か？
• RQ2 従来のリング共振器と比較して、フォトニクスクリスタル反射器は分散設計においてどの程度の新たな自由度を提供可能か？
• RQ3 商業的光リソグラフィーのみを用いたウェーハスケールでプロセスされたFP微共振器において、高Q（Q ≈ 400万）動作を達成可能か？
• RQ4 PCRに起因する分散は、DKS形成に不可欠な異常GDDを実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 PCR設計を用いることで、可視光帯など現在アクセス不可能な波長帯域におけるDKS動作が可能か？

主な発見

• フォトニクスクリスタルファブリ・ペロ微共振器において、連続波駆動型散乱Kerrソリトン（DKS）の初回実験的実証が達成された。
• 共振器は固有Qファクター400万を示し、伝搬損失に起因する限界に達しており、同様の商業プラットフォームで実現されたリング共振器と同等の性能を示した。
• 分散はフォトニクスクリスタル反射器（PCRs）が支配的であり、単一PCR反射が群遅延分散（GDD）に約−2170 fs²の寄与を示し、DKS形成に不可欠な異常GDDを実現した。
• ソリトンスペクトルには、約207 GHzの周期と約1.5 dBの振幅を持つ変調されたエンVELOープが観測され、チップ端面および接続波ガイドからの低Q反射に起因するとされた。
• 個別に調整可能なPCRセルを用いることで、分散設計の新たな可能性が開かれ、可視光帯やこれまでアクセス不可能だった波長帯域におけるDKS動作への道筋が示された。
• 補助TE偏光レーザーを用いた二重レーザー安定化法により、熱的ドリフトが効果的に抑制され、安定したソリトン状態へのアクセスが実現した。