[논문 리뷰] Hybrid Kerr-electro-optic frequency combs on thin-film lithium niobate

Yunxiang Song, Yaowen Hu외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 02. 18.

Photorefractive and Nonlinear Optics인용 수 6

한 줄 요약

본 논문은 박막 리튬 나이오베이트에서 하이브리드 Kerr-전기광 주파수 콤을 시연하여 2,589 라인을 29.308 GHz 간격으로 75.9 THz 대역폭에 걸쳐 달성하고, 솔리톤 간격의 칩 내 안정화를 달성했다.

ABSTRACT

Optical frequency combs are indispensable links between the optical and microwave domains, enabling a wide range of applications including precision spectroscopy, ultrastable frequency generation, and timekeeping. Chip-scale integration miniaturizes bulk implementations onto photonic chips, offering highly compact, stable, and power-efficient frequency comb sources. State of the art integrated frequency comb sources are based on resonantly-enhanced Kerr effect and, more recently, on electro-optic effect. While the former can routinely reach octave-spanning bandwidths and the latter feature microwave-rate spacings, achieving both in the same material platform has been challenging. Here, we leverage both strong Kerr nonlinearity and efficient electro-optic phase modulation available in the ultralow-loss thin-film lithium niobate photonic platform, to demonstrate a hybrid Kerr-electro-optic frequency comb with stabilized spacing. In our approach, a dissipative Kerr soliton is first generated, and then electro-optic division is used to realize a frequency comb with 2,589 comb lines spaced by 29.308 GHz and spanning 75.9 THz (588 nm) end-to-end. Further, we demonstrate electronic stabilization and control of the soliton spacing, naturally facilitated by our approach. The broadband, microwave-rate comb in this work overcomes the spacing-span tradeoff that exists in all integrated frequency comb sources, and paves the way towards chip-scale solutions for complex tasks such as laser spectroscopy covering multiple bands, micro- and millimeter-wave generation, and massively parallel optical communications.

연구 동기 및 목표

• 칩 규모에서 넓은 대역폭과 작은 간격을 모두 갖춘 광–마이크로파 주파수 콤의 개발을 촉진한다.
• 박막 리튬 나이오베이트(TFLN)에서 강한 Kerr 비선형성 및 전기광(EO) 분할을 활용한다.
• TFLN에서 자체 시작 소산 Kerr 솔리톤(DKS)을 시연하고 EO 사이드밴드 생성을 연쇄적으로 이용하여 간격을 마이크로파 속도로 나눈다.
• 높은 속도 EO 위상 변조와 Kerr 솔리톤 소스를 통합하여 완전한 통합 하이브리드 Kerr-EO 콤을 실현한다.
• 생성된 차 주파수 Δf에 대한 피드백을 통해 솔리톤 간격의 전자적 안정화를 보인다.

제안 방법

• 지연 엔지니어링된 TFLN 마이크로공진기에 온칩 펌프 전력 약 100–372 mW로 옥타브를 넘는 DKS를 생성한다.
• TFLN에 2 cm 길이의 집적 EO 위상 변조기를 사용하여 각 DKS 선 주위에 EO 구동 주파수(f_RF)의 배수로 사이드밴드를 생성한다.
• THz 규모의 DKS 간격 f_DKS를 EO 사이드밴드로 나누어 간격이 f_RF인 마이크로파 속도의 콤을 얻는다.
• f_DKS, f_RF, 그리고 Δf를 정의하고 측정하며, Δf = f_DKS − N·f_RF로서 N은 완전한 분할에 필요한 EO 사이드밴드의 수이다.
• Δf를 마이크로파 레퍼런스에 위상락시켜 DKS 펌프에 대한 피드백을 통해 f_DKS를 안정화한다.
• 모듈레이터 Vπ, EO 대역폭 및 통신 밴드 전반에 걸친 교차 파장 성능을 특징짓다.

Figure 1: Concept of hybrid Kerr-electro-optic frequency comb. a 3-D illustration of the hybrid Kerr-electro-optic frequency comb system, consisting of a dissipative Kerr soliton microresonator chip and an electro-optic phase modulator chip. A continuous-wave (CW) optical frequency initiates a THz-r

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얇은 박막 리튬 나이오베이트에서의 하이브리드 Kerr-EO 접근이 하나의 칩에서 큰 광 대역폭과 마이크로파 속도의 콤 간격을 모두 제공할 수 있는가?
• RQ2 통합 EO 변조로 THz 규모의 Kerr 솔리톤 간격을 완전히 분할할 때 달성 가능한 분할 계수 N은 무엇인가?
• RQ3 EO-분할된 콤이 EO 차 주파수 Δf를 마이크로파 기준에 락킹하여 전자적으로 안정화될 수 있는가?
• RQ4 다양한 파장에 걸친 Kerr 솔리톤 생성과 EO 변조가 TFLN에서 어떻게 서로 결합하여 광대역의 칩 규모 콤을 만들까?

주요 결과

• 660 GHz 간격의 옥타브 확장 DKS가 얇은 박막 리튬 나이오베이트에서 시연됐다(131.3–263.2 THz 범위).
• 2 cm EO 모듈레이터가 29.158 GHz 변조 주파수를 달성하여 DKS 간격을 N=14로 나누어 29.308 GHz 하이브리드 콤을 얻었다.
• 하이브리드 Kerr-EO 콤은 끝에서 끝까지 75.9 THz를 커버하며 588 nm를 포함하고, Kerr 및 EO 과정이 모두 칩상에 있다.
• Δf는 EO 비트노트로 측정하고 마이크로파 기준에 락킹하여 펌프에 대한 피드백을 통해 f_DKS를 안정화시킨다.
• 락킹 시 Δf 선폭은 약 30 kHz로 나타났으며, 거의 THz 근방의 Kerr 간격에 대한 일관된 제어를 입증한다.
• 이 접근법은 단일 광학 플랫폼에서 통합 마이크로파 합성 및 이중 도메인 주파수 기준으로의 경로를 제공한다.

Figure 2: Dissipative Kerr soliton on thin-film lithium niobate. a Total comb power traces as pump laser scans across a microresonator resonance from the red to blue (top) and blue to red (bottom) directions, accessing flat soliton steps in both directions. The step around 5.4 V is a single-soliton