[논문 리뷰] Dual-microcomb generation in a synchronously-driven waveguide ring resonator

Yiqing Xu, Miro Erkintalo외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 11.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 32인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 동기화된 전기광학적 펄스 트레인을 이용해 단일 통합 실리카 웨이브가이드 링 공진기에서 두 개의 마이크로콤보를 실험적으로 처음으로 생성하는 것을 보여준다. 공진기의 이방성 특성을 이용해 서로 수직된 편광 모드 가족을 동시에 펌프하여 반복 주파수가 다른 마이크로콤보(3.23 GHz 및 3.2314874 GHz, 84 kHz의 차이)를 생성함으로써, 외부 RF 클록에 동기화된 고해상도 분광법을 가능하게 하는 일관된 단일 솔리톤 마이크로콤보를 구현하였다. 이는 20 nm 대역폭에서 26 pm의 스펙트럼 해상도를 제공한다.

ABSTRACT

Microcombs -- optical frequency combs generated in coherently-driven nonlinear microresonators -- have attracted significant attention over the last decade. The ability to generate two such combs in a single resonator device has in particular enabled a host of applications from spectroscopy to imaging. Concurrently, novel comb generation techniques such as synchronous pulsed driving have been developed to enhance the efficiency and flexibility of microcomb generation. Here we report on the first experimental demonstration of dual-microcomb generation via synchronous pulsed pumping of a single microresonator. Specifically, we use two electro-optically generated pulse trains derived from a common continuous wave laser to simultaneously drive two orthogonal polarization modes of an integrated silica ring resonator, observing the generation of coherent dissipative Kerr cavity soliton combs on both polarization axes. Thanks to the resonator birefringence, the two soliton combs are associated with different repetition rates, thus realizing a dual-microcomb source. To illustrate the source's application potential, we demonstrate proof-of-concept spectroscopic measurements.

연구 동기 및 목표

• 지속적 웨이브 펌프 방식의 한계를 극복하기 위해 동기화 펄스 펌프를 사용하여 단일 마이크로공진기에서 이중 마이크로콤보 생성을 보여주기.
• 통합 실리카 웨이브가이드 링 공진기의 이방성 특성을 활용하여 수직된 편광 모드에서 서로 다른 두 개의 콤 반복 주파수를 가능하게 하기.
• 독립적으로 동기화된 펄스 트레인을 통해 두 편광 축에서 동시에 일관된 소산적 킬러 공진기 솔리톤 형성이 이루어지도록 하기.
• 섬섬 섬유 브래그 격자( fiber Bragg grating)를 이용한 개념 증명 분광 측정을 통해 소스의 적용 가능성을 검증하기.
• 펄스 구동을 통해 향상된 펌프 효율성과 제어성을 확보한 시간 및 주파수 고정 이중 콤 소스 구축하기.

제안 방법

• 단일 지속적 웨이브 레이저에서 전기광학 변조 및 주파수 이동(∆f = fo + 3FSRs = 10.1 GHz)을 통해 두 개의 수직된 편광 펄스 트레인이 생성된다.
• 전기광학 콤 생성기(Electro-Optic Combs, EOCs)는 지속적 웨이브 빛을 초단파 펄스 트레인(1.8 ps 및 2.5 ps FWHM)으로 변환하며, 이는 서로 다른 RF 클록에 고정되어 있으며 84 kHz의 주파수 차이를 가진다.
• 펄스 트레인은 erbium 도핑된 섬유 증폭기(EDFAs)로 증폭되고, 편광 분리기로 조합된 후 편광 제어기를 통해 웨이브가이드 링 공진기(WRR)에 입력된다.
• 열적 안정화를 위해 1530 nm의 반대 방향으로 진행하는 보조 지속적 웨이브 레이저를 사용하여 단일 솔리톤 콤 작동을 가능하게 한다.
• 이중 콤 출력은 광스펙트럼 분석기(OSA)와 스펙트럼 분석기(ESA)를 사용해 특성 분석되며, 잔여 펌프 성분을 억제하기 위해 웨이브셰이퍼가 사용된다.
• 분광 측정은 이중 콤 빛을 샘플 및 기준 경로로 분리하고, RF 비트 노트에서 전송 프로파일을 추출함으로써 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지속적 웨이브 구동 대신 동기화 펄스 펌프를 사용하여 단일 마이크로공진기에서 이중 마이크로콤보를 생성할 수 있는가?
• RQ2 이방성 웨이브가이드 링 공진기의 수직된 편광 모드에서 서로 다른 반복 주파수를 갖는 두 개의 일관된 소산적 킬러 공진기 솔리톤 콤을 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ3 동기화 펄스 펌프는 지속적 웨이브 펌프에 비해 솔리톤 수 제어 및 펌프-콤 효율성 향상에 기여하는가?
• RQ4 이러한 소스는 명확한 스펙트럼 해상도를 갖는 고해상도 분광법을 수행할 수 있는가?
• RQ5 이 이중 콤 소스는 안정적이며 분광법 및 레이저 거리 측정 등 실용적 응용에 적합한가?

주요 결과

• 시스템은 단일 웨이브가이드 링 공진기의 수직된 편광 모드에서 서로 다른 반복 주파수를 갖는 두 개의 일관된 소산적 킬러 공진기 솔리톤 콩보를 성공적으로 생성하였다.
• 두 콩보는 정확히 84 kHz의 반복 주파수 차이를 보였으며, 이는 두 개의 독립된 RF 클록 간의 주파수 오프셋과 정확히 일치하였다.
• 광스펙트럼는 1550 nm 주변에서 20 nm 이상의 스펙트럼 범위를 가지며, 평균 콩보 라인 간격은 3.23 GHz였고, 분광 측정에서 측정된 스펙트럼 해상도는 26 pm이었다.
• RF 스펙트럼에서는 6-dB 전력 수준 내 약 800개 이상의 선이 관측되어 이중 콩보 상태의 일관성과 안정성을 확인하였다.
• 섬섬 섬유 브래그 격자(250 GHz 대역폭)에 대한 개념 증명 분광 측정 결과는 이중 콩보 측정치와 직접 OSA 측정치 사이에 뛰어난 일치를 보였으며, 시스템의 정확성을 검증하였다.
• 이중 콩보 소스는 낮은 RF 노이즈를 보이며 단일 솔리톤 작동을 달성하여 고일관성을 나타내었고, 외부 전자 클록에 완전히 동기화된 상태였다.