[論文レビュー] Synthetic Frequency Lattices from an Integrated Dispersive Multi-Color Soliton

Grégory Moille, Curtis R. Menyuk+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1 THz繰り返しレートのマイクロレゾネータにおける群速度と位相速度の差異を活用することで、非線形結合を介した四波混合ブレグスキャッタリングを用いて、統合的で分散性のあるマルチカラーディスシプティブ・カラーレーザー・ソリトン（DKS）の固有周波数空間に合成周波数格子を実現した。150 THzにわたるブロードバンドな全光的結合を達成し、オクターブスパンのマイクロコンブと併用可能な複雑な周波数格子の隠れた次元を実現した。

ABSTRACT

Dissipative Kerr solitons (DKSs) in optical microresonators have been intensely studied from the perspective of both fundamental nonlinear physics and portable and low power technological applications in communications, sensing, and metrology. In parallel, synthetic dimensions offer the promise of studying physical phenomena with a dimensionality beyond that imposed by geometry, and have been implemented in optics. The interplay of DKS physics with synthetic dimensions promises to unveil numerous new physical and technological insights, yet many fundamental challenges remain. In particular, DKSs intrinsically rely on dispersion to exist while the creation of synthetic frequency lattices typically needs a dispersion-less system. We present a change of paradigm with the creation of a synthetic frequency lattice in the eigenfrequency space of a dispersive multi-color soliton through all-optical nonlinear coupling -- compatible with octave spanning microcombs -- harnessing the interplay between the cavity dispersion and the dispersion-less nature of the DKS. We examine theoretically and experimentally the nonlinear coupling mechanism in a 1~THz repetition rate resonator and demonstrate four-wave mixing Bragg scattering between the different wavepackets forming the multi-color soliton, with the microcomb ranging over 150~THz, yielding a complex all-optical and integrated synthetic frequency lattice.

研究の動機と目的

• 合成周波数格子（通常は分散なしの系を前提としている）と、存在にキャビティ分散を必要とするディスシプティブ・カラーレーザー・ソリトン（DKS）との間に生じる不適合性を克服すること。
• 分散性キャビティ内におけるDKS波パケット成分間の位相速度差を活用することで、光子工学における合成次元の新しいパラダイムを確立すること。
• DKSの固有周波数空間において、外部の電気光変調を用いずに全光的かつブロードバンドな非線形結合を実現し、複雑な合成周波数格子を構築すること。
• 高次分散がしばしば障害となるが、それが繰り返し周波数空間に直交する隠れた次元における非線形結合を可能にする可能性を検証すること。
• 古典的で統合型の光子系において、量子的現象、トポロジー、多準位原子系のシミュレーションを可能にする新規なプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 理論的モデリングにより、マルチポンプ DKS システムを離散的波パケット成分の連立されたルジャト・レーフェル方程式（LLE）に簡略化し、DKS を内部周波数成分を持つ定常包絡線として扱う。
• 非線形結合は、キャビティ分散に起因する波パケット間の位相回転速度の差異によって実現され、同時に自己位相変調と交差位相変調により群速度がロックされる。
• 四波混合ブレグスキャッタリングをコアな非線形プロセスとして用い、光学的パラメトリック増幅に類似した形で、固有周波数空間内に新たなイジール波パケットを生成する。
• 実験的に、2つのポンプで励起された1 THz繰り返しレートのSi3N4マイクロレゾネータでシステムを実現し、150 THzを超える帯域幅を持つブロードバンド周波数コンブを実現した。
• 線形キャビティ分散に起因する位相シフトを精密に制御することで、合成次元における波パケット間の長距離かつコherentな結合を達成した。
• 実験的妥当性は、実験室フレームでの出力スペクトルを測定することで検証され、固有周波数ドメインのモデリングと一致し、合成格子の存在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散性マルチカラーディスシプティブ・カラーレーザー・ソリトン（DKS）の固有周波数空間において、DKSが分散を必要とするのに対し、合成周波数格子は通常分散なしの系を仮定しているという根本的矛盾を克服できるか？
• RQ2 電気光変調と互換性のない高繰り返し周波数マイクロコンブにおいて、外部の電気光変調に依存せずに、DKSの固有周波数空間での非線形結合をどのように実現できるか？
• RQ3 群速度と位相速度の差異が、繰り返し周波数空間に直交する隠れた次元における非線形混合および結合をどのように可能にするか？
• RQ4 高次分散はしばしば障害となるが、それが合成周波数格子における複雑で長距離の結合を可能にする要因となることはできるか？
• RQ5 得られる合成格子が、古典的で統合型の光子プラットフォームにおいて、多準位原子系やトポロジカル現象をどの程度模倣できるか？

主な発見

• 1 THz繰り返しレートのDKSの固有周波数空間に、150 THzを超える帯域幅をカバーする合成周波数格子が実験的に実証された。
• 非線形結合は、キャビティ分散に起因する位相速度の不一致により、同一の群速度を有する波パケット間の四波混合ブレグスキャッタリングによって実現された。
• 電気光変調を一切用いずに全光的結合を達成したため、高繰り返し周波数、オクターブスパンのマイクロコンブと完全に互換性がある。
• 固有周波数ドメインにおける理論的モデリングは、実験的観測（実験室フレーム）と良好に一致し、DKS内に隠れた次元が存在することを確認した。
• 高次分散は制限要因ではなく、合成格子内での長距離結合を可能にする重要な要因であることが判明し、複雑で再構成可能な周波数構造の実現を可能にした。
• 合成格子は、λ型、ベータ型、ラダー型の原子系に類似した構成をサポートし、古典的光子系で原子物理学現象を模倣する新たな道筋を開いた。