[논문 리뷰] Kerr-microresonator solitons for accurate carrier-envelope-frequency stabilization

Travis C. Briles, Jordan R. Stone외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 16.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 42인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실리카 및 실리콘 질화물 공진기를 상호 연결한 구조를 사용하여 온칩 킬러-마이크로레조네이터 주파수 조합에서 캐리어-엔velope 주파수 안정화를 구현하였으며, 분수 주파수 오차가 3×10⁻¹⁶ 이하에 도달하였다. 이 시스템은 170 THz 대역폭을 가진 몇 주기의 1ps 솔리톤 펄스를 생성하며, 칩에 연결된 전력 소모가 250 mW 미만이어서 시계 조정 및 초고속 메트로로지 응용 분야에서 정밀한 광주파수 합성에 기여한다.

ABSTRACT

Carrier-envelope phase stabilization of optical pulses enables exquisitely precise measurements by way of direct optical-frequency synthesis, absolute optical-to-microwave phase conversion, and control of ultrafast waveforms. We report such phase stabilization for Kerr-microresonator frequency combs integrated on silicon chips, and verify their fractional-frequency inaccuracy at <3x10-16. Our work introduces an interlocked Kerr-comb configuration comprised of one silicon-nitride and one silica microresonator, which feature nearly harmonic repetition frequencies and can be generated with one laser. These frequency combs support an ultrafast-laser regime with few-optical-cycle, 1-picosecond-period soliton pulses and a total dispersive-wave-enhanced bandwidth of 170 THz, while providing a stable phase-link between the optical and microwave domains. To accommodate low-power and mobile application platforms, our phase-locked frequency-comb system operates with <250 mW of chip-coupled power. Our work establishes Kerr-microresonator combs as a viable technology for applications like optical-atomic timekeeping, optical synthesis, and related directions.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 광측정을 위해 온칩 주파수 조합에서 캐리어-엔벨롭 위상 안정화를 달성하기 위해.
• 소형 저전력 마이크로레조네이터 기반 주파수 조합에서 캐리어-엔벨롭 오프셋 주파수 안정화의 과제를 해결하기 위해.
• 몇 광주기 펄스를 생성할 수 있는 안정적이고 넓은 대역의 주파수 조합을 가능하게 하는 이중 공진기 상호 연결 구조를 시연하기 위해.
• 칩에 연결된 전력 소모를 250 mW 이하로 줄여 저전력 및 이동형 플랫폼에의 실용적 구현을 가능하게 하기 위해.
• 킬러-마이크로레조네이터 조합이 광원자 시계 조정 및 직접 광주파수-마이크로파 위상 변환에 실용적인 플랫폼이 될 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 질화물 및 실리카 마이크로레조네이터를 사용한 상호 연결된 구성이 사용되었으며, 거의 공명 반복 주파수를 갖춰 위상 잠금을 가능하게 하였다.
• 마이크로레조네이터 내에서의 소산적 킬러 솔리톤 형성에 의해 몇 주기의 1피코초 주기 솔리톤 펄스가 생성되었다.
• 산란파 증강에 의한 대역폭 170 THz를 달성하여 정밀한 주파수 합성에 적합한 넓은 스펙트럼 커버리지가 가능해졌다.
• 단일 레이저가 두 공진기를 동시에 펌프하여 비편재적 결합을 가능하게 하고 안정화 설정을 단순화하였다.
• 주파수 조합을 마이크로파 신호에 기반하여 위상 잠금 루프를 사용한 능동 피드백 제어를 통해 캐리어-엔벨롭 주파수 안정화를 달성하였다.
• 칩에 연결된 광전력이 250 mW 이하로 작동하여 저전력 및 이동형 플랫폼과의 호환성이 확보되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정밀도와 저전력 소모를 동시에 확보하면서 온칩 킬러-마이크로레조네이터 주파수 조합에서 캐리어-엔벨롭 주파수 안정화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 거의 공명 반복 주파수를 갖는 두 마이크로레조네이터를 어떻게 비편재적으로 결합하여 안정적인 주파수 조합 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 달성 가능한 분수 주파수 오차는 얼마이며, 광원자 시계 조정의 요구 조건을 충족시킬 수 있는가?
• RQ4 안정적인 위상 일관성을 유지하면서 넓은 스펙트럼 대역폭을 가진 몇 광주기 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ5 소형 칩 통합 플랫폼에서 안정적인 솔리톤 작동을 유지하기 위해 필요한 전력 수준은 얼마인가?

주요 결과

• 시스템은 분수 주파수 오차가 3×10⁻¹⁶ 이하에 도달하여 고정밀 캐리어-엔벨롭 위상 안정화를 입증하였다.
• 상호 연결된 이중 공진기 구성은 거의 공명 반복 주파수와 단일 펌프 레이저에서 비편재적 결합을 가능하게 하여 안정적인 작동을 실현하였다.
• 1피코초 주기의 솔리톤 펄스를 생성하며 몇 광주기 지속시간을 갖는다. 이는 초고속 웨이브폼 제어를 가능하게 한다.
• 산란파 증강에 의한 스펙트럼 확장 덕분에 총 대역폭 170 THz를 달성하여 넓은 대역 주파수 조합 작동이 가능해졌다.
• 위상 잠금 주파수 조합 시스템 전체가 칩에 연결된 광전력 250 mW 이하로 작동하여 저전력 및 이동형 응용에 적합하다.
• 결과적으로 온칩 킬러-마이크로레조네이터 조합이 광원자 시계 조정, 광주파수 합성 및 관련 정밀 메트로로지 응용 분야에서 실용적인 플랫폼이 될 수 있음을 입증하였다.