[논문 리뷰] Generation of Kerr soliton microcomb in a normally dispersed lithium niobate microdisk resonator by mode trimming

Botao Fu, Renhong Gao외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 02.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 정상 군속도 분산를 가진 리튬니오브산염 마이크로디스크 공진기에서 모드 트리밍을 활용하여 모드 교차와 라만 산란을 억제함으로써 케르르 솔리톤 마이크로콤 생성을 구현한다. 이 기법은 이량성 분산과 정밀한 분산 설계가 필요로 하지 않는 35 mW의 펌프 전력으로 1450–1620 nm 범위에서 안정적인 솔리톤 형성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Anomalous microresonator dispersion is mandatory for Kerr soliton microcomb formation, which depends critically on the geometry of the microresonator and can hardly be tuned after the structure is made. To date, cavity-based microcombs have only been generated with fundamental whispering gallery modes (WGMs) of anomalous dispersion in microresonators. Moreover, microcomb generation in highly Raman-active platforms such as lithium niobate (LN) microresonators frequently suffers from stimulated Raman scattering and mode crossing due to the existence of multiple families of high-order WGMs. Here, we reveal a unique Kerr soliton microcomb generation mechanism through mode trimming in a weakly perturbed LN microdisk resonator. Remarkably, the soliton comb is generated with fundamental WGMs of normal dispersion and free from the mode crossing and Raman scattering effects. A robust soliton with a spectrum spanning from 1450 nm to 1620 nm at an on-chip pump power of 35 mW. Our discovery offers a powerful solution to circumvent the stringent requirements on high-precision dispersion engineering and termination of Raman excitation for soliton generation in the high-Q microdisk.

연구 동기 및 목표

• 마이크로공진기에서 케르르 솔리톤 마이크로콤 형성에 요구되는 이량성 분산의 엄격한 조건을 극복하기 위해.
• 고라만 활성 리튬니오브산염 마이크로공진기에서의 모드 교차와 강력한 라만 산란을 완화하기 위해.
• 정상 분산 조건에서 기본 웨이브기반 웨이브게일 모드(WGM)에서 솔리톤 마이크로콤 작동을 가능하게 하기 위해.
• 정밀한 분산 조정이 필요 없는 후공정 가용성 있는 방법을 개발하기 위해.

제안 방법

• 약간의 외란을 가진 리튬니오브산염 마이크로디스크 공진기를 활용하여 모드 트리밍 효과를 유도하기 위해.
• 모드 트리밍을 적용하여 고차원 웨이브기반 웨이브게일 모드(WGM)를 선택적으로 억제하면서 기본 WGM을 유지하기 위해.
• 1550 nm의 연속파 온치 펌프를 사용하여 정상 분산 공진기에서 기본 WGM을 자극하기 위해.
• 분산 솔리톤의 형성을 확인하기 위해 스펙트럼 및 시간 영역 측정을 수행하기 위해.
• 안정된 솔리톤 상태를 달성하기 위해 펌프 전력과 공진기 기하구조를 최적화하기 위해.
• 모드 프로파일과 분산 분석을 통해 모드 교차 및 라만 증폭 효과의 부재를 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정상 분산 리튬니오브산염 마이크로디스크 공진기에서 케르르 솔리톤 마이크로콤을 생성할 수 있는가?
• RQ2 모드 트리밍이 고라만 활성 플랫폼에서 모드 교차와 라만 산란을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 이량성 군속도 분산이 필요 없이 안정적인 솔리톤 형성이 가능한가?
• RQ4 이 조건에서 솔리톤 생성에 필요한 스펙트럼 대역폭과 펌프 전력은 얼마인가?

주요 결과

• 정상 군속도 분산를 가진 리튬니오브산염 마이크로디스크 공진기에서 1450 nm에서 1620 nm까지 광역 범위의 넓은 스펙트럼을 가진 케르르 솔리톤 마이크로콤이 생성되었다.
• 솔리톤 형성은 단지 35 mW의 낮은 온치 펌프 전력으로 이루어져 높은 효율성을 시사한다.
• 모드 트리밍을 통해 고차원 WGM과 라만 산란이 효과적으로 억제되어 안정적인 솔리톤 작동이 가능해졌다.
• 정상 분산 공진기의 기본 WGM은 후공정 분산 조정이 필요 없이도 강력한 솔리톤 형성을 지원하였다.
• 스펙트럼 및 시간 측정 결과를 통해 모드 교차 및 라만 증폭 효과가 부재함을 확인하였다.