[논문 리뷰] Generation of Kerr combs centered at 4.5{\mu}m in crystalline microresonators pumped by quantum cascade lasers

Anatoliy A. Savchenkov, Vladimir S. Ilchenko외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 31.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 26인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 연속파 양자 cascade 레이저(QCL)를 사용하여 4.5 µm 중심 주파수를 가진 고-Q 결정성 마이크로레진레이터(MgF2 및 CaF2)를 펌프하여 중적외선 Kerr 주파수 콤의 생성을 보여준다. 펌프 파wer가 15 mW에 불과할 때도 콤은 10 THz에 이르는 반올팍 이상의 스펙트럼 대역폭을 가지며, 이는 현재까지 보고된 바 중 가장 파장이 긴 Kerr 콤이며 분자 분광법 및 환경 센싱 분야의 적용 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

We report on the generation of mid-infrared Kerr frequency combs in high-finesse CaF$_2$ and MgF$_2$ whispering-gallery mode resonators pumped with continuous wave room temperature quantum cascade lasers. The combs were centered at 4.5$\mu$m, the longest wavelength to date. A frequency comb wider than a half of an octave was demonstrated when approximately 20mW of pump power was coupled to an MgF2 resonator characterized with quality factor exceeding 10$^8$.

연구 동기 및 목표

• 4.5 µm를 초과하는 중적외선 영역으로 Kerr 콤 생성을 확장하여 분자 인식 영역을 목표로 한다.
• 기존의 모드-잠금 레이저의 한계를 극복하기 위해 연속파 QCL을 펌프 소스로 사용한다.
• 고 Q 인자와 비정상적인 군속도 분산 덕분에 결정성 플루오르화물 마이크로레진레이터(MgF2, CaF2)가 4.5 µm에서 효율적인 4파면 혼합을 지원함을 보여준다.
• 분광법 및 센싱에 적합한 현장 적용 가능한 중적외선 주파수 콤을 위한 소형 통합 플랫폼을 제공한다.

제안 방법

• 4.5 µm에서 방출되는 실온 동작, 분포형 피드백(DFB) QCL을 사용하여 고정밀도 MgF2 및 CaF2 웨스팅턴-갤러리 모드(WGM) 마이크로레진레이터를 펌프한다.
• 자기 투사 락킹을 통해 QCL을 마이크로레진레이터의 WGM에 수동적으로 주파수 락킹하여 펌프를 공진 모드에 안정화시킨다.
• 개별 콤 라인을 해상하기 위해 조절 가능한 MgF2 마이크로레진레이터를 좁은 대역, 1차 Lorentzian 필터(300 MHz에서 0.3 MHz)로 활용한다.
• 필터링 후 스펙트럼 라인에 Lorentzian 피팅을 적용하여 콤의 라인 폭을 측정하였으며, 전체 폭의 절반에서의 너비(FWHM)는 약 60 kHz를 기록하였다.
• 중적외선 투과 섬유를 갖춘 푸리에 변환 광스펙트럼 분석기(OSA)를 사용하여 스펙트럼 특성을 특성화하였다.
• 다양한 펌프 파워 및 타이밍 오프셋 조건에서 콤의 동역학과 안정성을 모니터링하여 다양한 콤 영역(튜링 패턴, 다중 솔리톤 상태)을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속파 QCL을 펌프 소스로 사용하여 결정성 마이크로레진레이터에서 4.5 µm에서 Kerr 주파수 콤을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 달성 가능한 최대 스펙트럼 대역폭은 얼마이며, 이를 위해 필요한 펌프 파워 수준은 얼마인가?
• RQ3 4.5 µm에서 MgF2와 CaF2 레진레이터 간의 콤 동역학 및 스펙트럼 특성은 어떻게 다를까?
• RQ4 조절 가능한 마이크로레진레이터 필터를 사용하여 콤의 라인 폭을 고정밀도로 측정할 수 있으며, 그 결과로 얻어진 라인 폭은 얼마인가?
• RQ5 장거리 중적외선 파장에서 시스템이 튜링 패턴, 다중 솔리톤 상태 등 다양한 콩 영역을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 약 20 mW의 펌프 파워로 MgF2 마이크로레진레이터에서 10 THz를 초과하는 스펙트럼 폭을 가진 Kerr 콤을 생성하였다.
• 4.5 µm 중심 주파수에서 Kerr 콩의 최초 관측를 달성하여 현재까지 보고된 바 중 가장 파장이 긴 Kerr 콩을 실현하였다.
• 펌프 파워가 15 mW에 불과할 때도 CaF2 및 MgF2 레진레이터 모두에서 콩을 생성하였다.
• 개별 콩 라인은 조절 가능한 MgF2 마이크로레진레이터 필터를 사용하여 측정한 결과, 전체 폭의 절반에서의 너비(FWHM)가 약 60 kHz로 나타났다.
• CaF2 및 MgF2 레진레이터 모두에서 튜링 패턴 유사 및 다중 솔리톤 유사 콩 에너지 분포를 관측하여 풍부한 비선형 동역학을 확인하였다.
• 열적 및 자기 투사 락킹 QCL 주파수 락킹 조건 하에서 안정적인 콩 작동이 가능하여 재현 가능하고 확장 가능한 중적외선 콩 생성이 가능함을 입증하였다.