[논문 리뷰] A self-starting bi-chromatic LiNbO3 soliton microcomb

Yang He, Qi‐Fan Yang외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 22.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 44

한 줄 요약

본 논문은 광굴절효과를 통해 자발적으로 시작되는 단일형 리튬 나이오베이트 마이크로공진기에서 Kerr 솔리톤 마이크로콤을 보여주며, 양방향 솔리톤 스위칭을 지원하고 솔리톤 스펙트럼의 칩상 2차 고조화 생성을 통한 f-to-2f 자기참조를 가능하게 한다.

ABSTRACT

For its many useful properties, including second and third-order optical nonlinearity as well as electro-optic control, lithium niobate is considered an important potential microcomb material. Here, a soliton microcomb is demonstrated in a monolithic high-Q lithium niobate resonator. Besides the demonstration of soliton mode locking, the photorefractive effect enables mode locking to self-start and soliton switching to occur bi-directionally. Second-harmonic generation of the soliton spectrum is also observed, an essential step for comb self-referencing. The Raman shock time constant of lithium niobate is also determined by measurement of soliton self-frequency-shift. Besides the considerable technical simplification provided by a self-starting soliton system, these demonstrations, together with the electro-optic and piezoelectric properties of lithium niobate, open the door to a multi-functional microcomb providing f-2f generation and fast electrical control of optical frequency and repetition rate, all of which are critical in applications including time keeping, frequency synthesis/division, spectroscopy and signal generation.

연구 동기 및 목표

• 고-Q 리튬 나이오베이트 마이크로공진기에서 Kerr 솔리톤 모드 잠금을 입증한다.
• 광굴절효과를 이용하여 자발적 솔리톤 형성 및 양방향 스위칭을 가능하게 한다.
• LN 내에서 솔리톤 스펙트럼의 2차 고조화 생성 관찰 및 분석.
• LN의 라만 쇼크 시간 τ_R를 결정하기 위한 솔리톤 자기주파수 이동을 특성화한다.
• 집적 메트rology, 주파수 합성, 칩상 f-to-2f 자기참조에 대한 시사점을 논의한다.

제안 방법

• 로딩 Q ≈ 2.2×10^6 및 FSR ≈ 199.7 GHz인 z-자절단 리튬 나이오베이트 마이크로공진기를 제작한다.
• 공진기를 펌프하고 레이저 주파수를 스캔하여 Kerr 주도적 적색 디타닝을 유도하는 한편, 광굴절 비선형성을 활용해 솔리톤을 안정화하고 자발적으로 시작시킨다.
• FROG 및 이종박성 비트 노트를 통해 콤 스펙트럼, 펌프 전달, 펄스 코히런스를 측정한다.
• 솔리톤 스펙트럼의 2차 고조화를 관찰하고 이를 단일 솔리톤 및 솔리톤 크리스탈 상태와 연관한다.
• Lugiato-Lefever 방정식으로 동역학을 모델링하여 자발적 시작 메커니즘을 확인한다.
• 디타이닝 및 펌프 파워를 변화시켜 솔리톤 자기주파수 이동을 특성화하고 LN의 라만 쇼크 시간을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Kerr 솔리톤을 리튬 나이오베이트 마이크로공진기에서 안정적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 LN에서 광굴절효과가 솔리톤 상태의 자발적 시작과 양방향 스위칭을 가능하게 하는가?
• RQ3 LN 솔리톤이 칩상 2차 고조화를 보여주어 f-to-2f 자기참조를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 LN에서 라만 유도 솔리톤 자기주파수 이동과 펄스 폭의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• LN 마이크로공진기에서 sech^2 스펙트럴 엔벨로프를 갖는 단일 솔리톤 및 다중 솔리톤 상태를 입증했다.
• 솔리톤 형성은 광굴절효과로 인해 자발적으로 시작되며 외부 트리거 없이 안정화를 가능하게 한다.
• 솔리톤 스펙트럼의 2차 고조화를 관찰했고, 솔리톤 크리스탈에 대해서도 비슷한 sech^2 엔벨로프를 보인다.
• 통신 대역에서 단일 솔리톤의 3-dB 대역폭 약 27.9 nm, 2차 고조화의 3-dB 대역폭 약 9 nm를 측정했다.
• 느린 광굴절 반응과 빠른 Kerr 다이나믹스가 결합되어 양방향 솔리톤 스위칭이 가능하다는 것을 발견했다.
• LN의 라만 쇼크 시간 τ_R ≈ 6.3 fs를 결정하며 이는 fused silica보다 큰 라만 효과를 나타낸다.