[論文レビュー] Sub-milliwatt, widely-tunable coherent microcomb generation with feedback-free operation

Haowen Shu, Lin Chang+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、AlGaAs on-insulator マイクロレゾネータにおけるダークパルス状態を用いて、1 mW未満の低消費電力で広帯域にわたる周波数可変でフィードバック不要なコherent マイクロコム生成を実証した。熱的に制御された回避モードギャップを活用することで、自己安定化ダークパルス形成を実現し、1 mW未満のポンプパワーでコherent コムを生成し、広範なチーピング範囲を達成した。これにより、アクティブロックや複雑な調整プロトコルを必要としない、シンプルなオンチップ統合が可能になった。

ABSTRACT

Microcombs are revolutionizing optoelectronics by providing parallelized, mutually coherent wavelength channels for time-frequency metrology and information processing. To implement this essential function in integrated photonic systems, it is desirable to drive microcombs directly with an on-chip laser in a simple and flexible way. However, two major difficulties are preventing this goal: 1) generating mode-locked comb states usually requires a significant amount of pump power and 2) the requirement to align laser and resonator frequency significantly complicates operation and limits the tunability of the comb lines. Here, we address these problems by using microresonators on an AlGaAs on-insulator platform to generate dark-pulse microcombs. This highly nonlinear platform dramatically relaxes fabrication requirements and leads to a record-low pump power of less than 1 mW for coherent comb generation. Dark-pulse microcombs facilitated by thermally-controlled avoided mode-crossings are accessed by direct DFB laser pumping. Without any feedback or control circuitries, the comb shows good coherence and stability. This approach also leads to an unprecedented wide chirping range of all the comb lines. Our work provides a route to realize power-efficient, simple and reconfigurable microcombs that can be seamlessly integrated with a wide range of photonic systems.

研究の動機と目的

• 外部フィードバックや制御システムを不要とする低消費電力でオンチップマイクロコム動作を実現すること。
• 統合マイクロコムシステムにおける高いポンプパワー要件と周波数整合の課題を克服すること。
• 高非線形性を示すAlGaAs on-insulator プラットフォームにおけるダークパルスダイナミクスを用いて、広帯域可変で安定したコherent コム生成を達成すること。
• 最小限の製造複雑性でオンチップ DFB レーザーによる直接ポンピングを実証すること。

提案手法

• 144 µm の半径と 90 GHz のフリー・スペクトル・レンジを有する、高い固有Qファクター（236万）を示すAlGaAs on-insulator マイクロレゾネータを用いた。
• 主モードファミリーと補助モードファミリー間の熱的制御による回避モードギャップを用いて、局所的分散を設計し、自己安定化ダークパルスマイクロコム形成を可能にした。
• アクティブフィードバックや周波数ロックを不要とするために、1 mW未満のポンプパワーで直接 DFB レーザーをポンピングした。
• 2つのモードファミリー間の線形結合を含む、結合非線形シュレーディンガー方程式に基づく数値シミュレーションを用い、ダークパルス励起と分散設計をモデル化した。
• ヒルベルト変換を用いた強度ノイズ分析とパワー・スペクトル密度解析によりコムの安定性とコherー性を測定し、チーピング特性の同定には高精度波長メーターを用いた。
• PZTアクチュエータによるポンプレーザー周波数の変調により周波数チーピングを実施し、10秒間で2 GHz/sのスキャン速度を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィードバック不要でオンチップ互換性を持つ構成において、1 mW未満のポンプパワーでコherent マイクロコム生成が可能か？
• RQ2 熱的に誘導される回避モードギャップは、アクティブロックを不要として自己安定化ダークパルスマイクロコム動作をどのように可能にするか？
• RQ3 このようなシステムにおけるコムラインの実現可能な可変範囲はどの程度か？また、従来のソリトンベースの手法と比較してどうなるか？
• RQ4 AlGaAs on-insulator プラットフォームは、高いQファクターと非線形効率を維持しつつ、どの程度の製造複雑性を低減できるか？
• RQ5 直接 DFB レーザーポンピングは、複雑な調整や制御回路を必要とせず、安定的で広帯域可変なマイクロコム動作を可能にするか？

主な発見

• 本システムは、従来のシステムで一般的に必要な数十mWに比べて顕著に低い、1 mW未満という記録的な低ポンプパワーでコherent マイクロコム生成を達成した。
• 熱的に調整された回避モードギャップのおかげで、フィードバックや制御回路を一切使用せずに、優れたコherence と安定性を示した。
• すべてのコムラインが前例のない広範なチーピング範囲を示し、ポンプレーザー周波数を直接変調することで、1秒あたり2 GHzのスキャン速度を達成した。
• AlGaAs on-insulator プラットフォームは236万という高い固有Qファクターを達成し、低電力で効率的な非線形相互作用を実現した。
• 数値的シミュレーションにより、主モードファミリーと補助モードファミリー間の回避モードギャップが、自己駆動的ダークパルス状態の形成に不可欠であることが確認された。
• 本システムは、広範なデチューニング条件においても安定したダークパルス動作を維持しており、フィードバック不要設計の耐障害性が裏付けられた。