[논문 리뷰] Fully integrated ultra-low power Kerr comb generation

Brian Stern, Xingchen Ji외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 01.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 29인용 수 178

한 줄 요약

본 논문은 저손실 실리콘 질화물(Si3N4)을 이용한 최초의 완전한 집적 Kerr 주파수 콤 소스를 보여주며, 100 nm를 넘는 솔리톤-모델록드 콤프를 단 98 mW의 전기 펌프 파워로 달성하고, 새로운 듀얼-캐비티(on-chip) 구성을 통해 구현되었습니다.

ABSTRACT

Optical frequency combs are broadband sources that offer mutually-coherent, equidistant spectral lines with unprecedented precision in frequency and timing for an array of applications. Kerr frequency combs in microresonators require a single-frequency pump laser and have offered the promise of highly compact, scalable, and power efficient devices. Here, we realize this promise by demonstrating the first fully integrated Kerr frequency comb source through use of extremely low-loss silicon nitride waveguides that form both the microresonator and an integrated laser cavity. Our device generates low-noise soliton-modelocked combs spanning over 100 nm using only 98 mW of electrical pump power. Our design is based on a novel dual-cavity configuration that demonstrates the flexibility afforded by full integration. The realization of a fully integrated Kerr comb source with ultra-low power consumption brings the possibility of highly portable and robust frequency and timing references, sensors, and signal sources. It also enables new tools to investigate the dynamics of comb and soliton generation through close chip-based integration of microresonators and lasers.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 질화물 플랫폼에서 완전한 Kerr 주파수 콤 소스의 시연.
• 마이크로공진기와 레이저 캐비티의 통합이 초저전력 동작을 가능하게 함을 보임.
• 잡음 특성이 낮은 솔리톤-모델록드 콤프를 100 nm 이상에 걸쳐 달성.
• 설계 유연성과 성능 향상을 위해 듀얼-캐비티 아키텍처를 도입.

제안 방법

• 매우 저손실의 실리콘 질화물 파이프를 이용해 마이크로공진기와 집적 레이저 캐비티를 형성.
• 완전한 통합을 가능하게 하는 새로운 듀얼-캐비티 구성을 구현.
• Kerr 주파수 콤프를 생성하고 잡음과 대역폭을 특성화해 솔리톤-모델록드 작동을 입증.
• 대역span, 펌프 파워, 콤의 안정성을 측정해 성능을 평가.
• 집적 소자 성능을 비집적 또는 고전력 플랫폼과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Kerr 주파수 콤 소스가 초저전력으로 칩상에서 완전하게 자립할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 질화물에서 마이크로공진기와 레이저 캐비티를 통합할 때 스팬(span)과 파워는 어떤 수준이 가능하나?
• RQ3 듀얼-캐비티 구성이 저잡음 솔리톤 상태를 갖는 유연하고 완전한 집적 Kerr 콤 생성 가능성을 제공하는가?

주요 결과

• 실리콘 질화물 플랫폼에서 달성된 완전 집적 Kerr 콤 소스.
• 저잡음 솔리톤-모델록드 콤프가 100 nm 이상에 걸쳐 확장.
• 콤프를 생성하는 데 필요한 전기 펌프 파워가 단 98 mW에 불과.
• 마이크로공진기와 레이저 캐비티의 단일 소자 내 통합을 시연.
• 듀얼-캐비티 구성이 설계 유연성과 통합상의 이점을 제공.