[논문 리뷰] Femtosecond Pulse Generation via an Integrated Electro-Optic Time Lens

Mengjie Yu, Christian Reimer외 13명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 16.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 연속된 리튬니오브산염 변조기와 캐스케이드 구조의 브라그 격자로 구성된 통합 전기광학 시간 렌즈 시스템을 사용한 칩스케일 펌토세컨드 펄스 소스를 제시한다. 이는 30 GHz 반복 주기에서 520 fs 펄스, 0.54 pJ 펄스 에너지, 12.6 nm 대역폭(10-dB)을 달성하며, 이전의 통합 소스에 비해 연속파에서 펄스로의 변환 효율이 10배 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

Integrated femtosecond pulse and frequency comb sources are critical components for a wide range of applications. The leading approaches for on-chip pulse generation rely on mode locking inside microresonator with either third-order nonlinearity or with semiconductor gain. These approaches, however, are limited in noise performance, wavelength tunability and repetition rates. Alternatively, sub-picosecond pulses can be synthesized without mode-locking, by modulating a continuous-wave (CW) single-frequency laser using a cascade of electro-optic (EO) modulators. This method is particularly attractive due to its simplicity, robustness, and frequency-agility but has been realized only on a tabletop using multiple discrete EO modulators and requiring optical amplifiers (to overcome large insertion losses), microwave amplifiers, and phase shifters. Here we demonstrate a chip-scale femtosecond pulse source implemented on an integrated lithium niobate (LN) photonic platform18, using cascaded low-loss electro-optic amplitude and phase modulators and chirped Bragg grating, forming a time-lens system. The device is driven by a CW distributed feedback (DFB) chip laser and controlled by a single CW microwave source without the need for any stabilization or locking. We measure femtosecond pulse trains (520 fs duration) with a 30-GHz repetition rate, flat-top optical spectra with a 10-dB optical bandwidth of 12.6 nm, individual comb-line powers above 0.1 milliwatt, and pulse energies of 0.54 picojoule. Our results represent a tunable, robust and low-cost integrated pulsed light source with CW-to-pulse conversion efficiencies an order of magnitude higher than achieved with previous integrated sources. Our pulse generator can find applications from ultrafast optical measurement to networks of distributed quantum computers.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 플랫폼을 위한 컴act하고 견고하며 테이블러블인 펌토세컨드 펄스 소스를 개발한다.
• 기존의 칩 내 모드 잠금 마이크로레조나터 소스의 노이즈, 파장 테이블러블성, 반복 주기 제한을 극복한다.
• 모드 잠금 또는 외부 안정화 없이 고효율, 저손실, 주파수 민감도가 높은 펄스 생성을 가능하게 한다.
• 단일 통합 플랫폼에서 높은 광학 출력 전력 및 높은 펄스 에너지를 달성한다.
• 실용적 구현을 위해 대규모이고 분리된 구성 요소를 완전히 통합된 리튬니오브산염 광학 회로로 대체한다.

제안 방법

• 리튬니오브산염 플랫폼에 통합된 진폭 및 위상 변조기를 사용한 캐스케이드 전기광학 시간 렌즈 시스템을 구현한다.
• 시간 렌즈 압축을 가능하게 하기 위해 시간 프로파일을 형상화하기 위해 캐리어드 브라그 격자를 사용한다.
• 단일 연속파(CW) DFB 칩 레이저와 단일 연속파 마이크로파 소스로 시스템을 구동하여 위상 잠금 또는 안정화의 필요성을 제거한다.
• 저손실 통합 구성 요소를 활용하여 삽입 손실을 최소화하고 변환 효율을 향상시킨다.
• 모드 잠금 없이 진폭 및 위상 변조를 통해 전기광학 변조를 이용해 피크세컨드 이하의 펄스를 합성한다.
• 12.6 nm 대역폭 내에서 평탄한 광스펙트럼과 높은 스펙트럼 평탄도를 확보하기 위해 설계를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 통합된 전기광학 시간 렌즈 시스템이 고효율 및 저손실로 펌토세컨드 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 단일 마이크로파 소스로 시스템 전체를 제어할 수 있으며, 안정화 또는 잠금 메커니즘이 필요 없는가?
• RQ3 통합 플랫폼이 1 ps 이하의 펄스 지속시간과 높은 복합선 당 광학 출력 전력을 달성할 수 있는가?
• RQ4 이 통합 시스템의 변환 효율은 이전의 칩 내 펄스 소스와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 작고 단일 구조의 설계에서 평탄한 광스펙트럼과 높은 반복 주기 안정성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 30 GHz 반복 주기에서 520 fs 풀폭 반최대(FWHM) 펄스를 생성한다.
• 광학 스펙트럼의 10-dB 대역폭은 12.6 nm이며, 높은 스펙트럼 평탄도를 나타낸다.
• 개별 복합선 전력은 0.1 mW를 초과하여 높은 출력 효율을 보여준다.
• 펄스 에너지는 0.54 picojoule에 도달하여 압축된 펄스에 높은 에너지 집중을 보여준다.
• 연속파에서 펄스로의 변환 효율은 이전의 통합 소스보다 10배 높다.
• 외부 안정화 또는 잠금 없이 작동하며, 제어를 위해 단일 연속파 마이크로파 소스에 의존한다.