[論文レビュー] Temporal solitons in a coherently driven active resonator

Nicolas Englebert, Carlos Mas Arabí+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 66被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、内部増幅とコherent駆動を組み合わせることで、低 finesseキャビティ（3%の有効損失）において最大10%の出力パワー抽出を達成する、ハイブリッドにコherent駆動されるアクティブ共振器を提案する。この方式により、増幅自発放射（ASE）の影響を最小限に抑えつつ、安定した高出力パルス列を生成し、時間的非線形ソリトンを生成する。

ABSTRACT

Optical frequency combs are lightwaves composed of a large number of equidistant spectral lines. They are important for metrology, spectroscopy, communications and fundamental science. Frequency combs are most often generated by exciting dissipative solitons in lasers or in passive resonators, both of which suffer from significant limitations. Here, we show that the advantages of each platform can be combined. We introduce a novel kind of soliton, called active cavity soliton, hosted in coherently driven lasers pumped below the lasing threshold. We use an active fibre resonator and measure high peak power solitons on a low power background, in excellent agreement with simulations of a generalized Lugiato-Lefever equation. Moreover, we find that amplified spontaneous emission has negligible impact on the soliton's stability. Our results open up novel avenues for frequency comb formation by showing that coherent driving and incoherent pumping can be efficiently combined to generate a high-power ultra-stable pulse train.

研究の動機と目的

• レーザー駆動型とパass型共振器プラットフォームの利点を統合することで、従来の周波数コンブ源の制限を克服すること。
• レーザー由来の高出力とパass型共振器由来の低タイミングジッターのトレードオフを解消すること。
• コherent駆動キャビティにおける内部増幅が、エネルギー抽出を高効率で行うソリトン形成を可能にすることを示すこと。
• コherent駆動下での低finesseでドープされたアクティブ共振器におけるソリトンの安定性およびスペクトル特性を調査すること。
• 増幅自発放射（ASE）がソリトンの安定性にほとんど影響しないことの証明により、高コherencyを実現すること。

提案手法

• 1480 nmでポンプされる短いエルビウムドープファイバー（EDF）を備えた50 mのファイバーキャビティを用い、レーザー閾値未満の内部増幅を提供する。
• 1550 nmの狭線幅レーザーを用いてキャビティをコherent駆動し、同期ポンピングを実現するため、振幅および位相を変調する。
• 入力/出力ポートとして90/1または99/1のカプラを用い、結合および抽出効率を制御する。
• 出力カプラからのフィードバックを用いて、PIDコントローラーでレーザー周波数をキャビティ共振にロックすることでキャビティを安定化する。
• 光学スペクトルアナライザー、高速フォトダイオード、オシロスコープ、およびバンドパスフィルタを用いたRFスペクトルアナライザーを組み合わせ、パルス信号を分離してソリトンを特徴づける。
• 駆動レーザー波長中心の1 nm帯域幅のバンドパスフィルタを用いて、増幅自発放射（ASE）を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部増幅がレーザー閾値未満のコherent駆動アクティブキャビティで、時間的散逸的ソリトンを安定化させることは可能か？
• RQ2 ゲインとコherent駆動を組み合わせることで、低finesse共振器における出力パワー抽出効率をどの程度向上させられるか？
• RQ3 このハイブリッドシステムにおける増幅自発放射（ASE）は、ソリトンの安定性にどのような影響を及えるか？
• RQ4 このプラットフォームにおけるソリトンは、レーザーとパass型共振器プラットフォームの利点を併せ持つ高出力および低タイミングジッターを達成できるか？
• RQ5 安定な単一またはマルチソリトン状態を生成するための最適なデチューニングおよびポンプ設定は何か？

主な発見

• 本システムは、キャビティ内パワーの最大10%が抽出可能な、時間的ソリトンの新種「アクティブキャビティソリトン（ACSs）」を生成する。
• 有効キャビティ損失は最小3%であり、低finesseであるにもかかわらず、効率的なエネルギー抽出を可能にする。
• ソリトンは安定しており、低位相ノイズを示し、きれいなsech型スペクトルを示し、増幅自発放射（ASE）による顕著な劣化は認められない。
• デチューニングを調整することで単一および複数ACSsが生成され、デチューニング値D=250（単一ソリトン）およびD=6（複数ソリトン）で安定動作が確認された。
• 最大キャビティ内パワーは215 µW、Qファクターは122億、自由スペクトル範囲（FSR）は3.969 MHzを達成した。
• RF測定により低タイミングジッターが確認され、高安定性周波数コンブ動作と整合する位相ノイズレベルを示した。