[논문 리뷰] Direct generation of 74-fs mode-locking from on-chip normal dispersion frequency combs

Shihao Huang, James F. McMillan외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 12.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정규 군속도 분산를 갖는 온칩 마이크로레조나터에서 모드 상호작용을 이용해 초과파arametric 진동을 유도하고, 제어된 펌프 전력과 탐침을 통해 모드 락킹 상태로 전이함으로써 안정적인 74-fs 모드 락킹 펄스를 생성함을 보여준다. 펄스는 파장에 따라 변하는 품질 인자와 펌프 탐침에 의해 안정화된 단일 펄스, 편재성 기반 솔리톤 유사 상태를 형성하며, 마스터 방정식의 수치적 해를 통해 확인된다.

ABSTRACT

We describe the generation of stable mode-locked pulse trains from on-chip normal dispersion microresonators. The excitation of hyper-parametric oscillation is facilitated by the local dispersion disruptions induced by mode interactions. The system is then driven from hyper-parametric oscillation to the mode-locked state with over 200 nm spectral width by controlled pump power and detuning. With the continuous-wave driven nonlinearity, the pulses sit on a pedestal, akin to a cavity soliton. We identify the importance of pump detuning and wavelength-dependent quality factors in stabilizing and shaping the pulse structure, to achieve a single pulse inside the cavity. We examine the mode locking dynamics by numerically solving the master equation and provide analytic solutions under appropriate approximations.

연구 동기 및 목표

• 정규 군속도 분산를 갖는 온칩 마이크로레조나터에서 안정적인 초단파 펄스 생성을 달성하는 것, 이는 일반적으로 소리톤 형성을 지원하지 않는 시스템이다.
• 모드 상호작용을 활용해 초과파arametric 진동을 유도함으로써 정규 분산 시스템에서의 펄스 불안정성 문제를 해결하는 것.
• 초과파arametric 진동에서 광학적 위상 일치를 갖는 단일 펄스 모드 락킹 상태로의 전이를 통해 넓은 스펙트럼 대역폭(>200 nm)을 확보하는 것.
• 펄스 구조를 안정화하고 형상화하는 데 핵심적인 매개변수인 펌프 탐침과 파장에 따라 변하는 품질 인자를 규명하고 제어하는 것.
• 마스터 방정식을 사용해 모드 락킹 동역학을 모델링하고, 적절한 근사 조건 하에서 해석적 해를 유도하는 것.

제안 방법

• 모드 상호작용을 설계하여 국소적 분산을 파괴함으로써 정규 분산 영역에서 초과파arametric 진동을 가능하게 하는 온칩 마이크로레조나터를 사용한다.
• 조절 가능한 전력과 탐침을 갖는 연속파 펌프를 적용하여 시스템을 초과파arametric 진동 상태에서 모드 락킹 상태로 이끌어내는 방법을 적용한다.
• 파장에 따라 변하는 품질 인자를 활용하여 펄스를 안정화하고 다중 펄스 형성을 억제함으로써 단일 펄스 상태를 선호한다.
• 일반화된 Lugiato-Lefever 방정식(마스터 방정식)의 수치적 해를 구해 모드 락킹 동역학을 시뮬레이션하고 실험 관측 결과를 검증한다.
• 약한 비선형성과 천천히 변화하는 진폭 근사를 통해 해석적 해를 도출함으로써 펄스 형성과 안정성에 대한 통찰을 제공한다.
• 펌프 탐침이 스펙트럼 대역폭이 넓은 상태에서 진동에서 모드 락킹 행동으로의 전이에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정규 군속도 분산를 갖는 온칩 마이크로레조나터에서 안정적인 모드 락킹을 어떻게 달성할 수 있는가? 이는 일반적으로 소산성 솔리톤을 지원하지 않는 시스템이다.
• RQ2 모드 상호작용과 국소적 분산 파괴는 정규 분산 시스템에서 초과파arametric 진동을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 펌프 탐침은 초과파arametric 진동에서 광학적 위상 일치를 갖는 단일 펄스 모드 락킹 상태로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 파장에 따라 변하는 품질 인자는 캐비티에서 펄스 안정성과 형상화에 어떤 방식으로 기여하는가?
• RQ5 어떤 분석적 및 수치적 모델이 이 시스템에서 펄스 형성과 락킹의 동역학을 정확히 기술하는가?

주요 결과

• 정규 분산를 갖는 온칩 마이크로레조나터에서 안정적인 74-fs 모드 락킹 펄스 트레인 생성이 이루어졌으며, 이는 이전에는 그러한 펄스에 적합하지 않다고 여겨졌던 시스템에서 100 fs 이하 작동을 실현한 것이다.
• 펌프 전력과 탐침을 조절함으로써 초과파arametric 진동에서 모드 락킹 상태로의 전이가 이루어졌으며, 스펙트럼 대역폭이 200 nm를 초과하는 결과를 얻었다.
• 펄스는 편재성에 의해 형성되며, 캐비티 솔리톤 유사 상태를 띠며, 펌프 탐침과 파장에 따라 변하는 품질 인자의 상호작용에 의해 안정화된 단일 펄스 상태이다.
• 마스터 방정식의 수치 시뮬레이션은 관측된 모드 락킹 동역학을 재현하며, 분산 및 비선형성이 펄스 형상화에 미치는 역할을 확인한다.
• 약한 비선형성과 천천히 변화하는 진폭 근사를 통해 도출된 해석적 해는 펄스의 안정성과 시간적 프로파일에 대한 통찰을 제공한다.
• 펌프 탐침은 단일 펄스 모드 락킹 상태를 달성하고 유지하는 데 핵심적인 제어 매개변수로 규명되었다.