[논문 리뷰] Mode interaction aided soft excitation of dark solitons in normal dispersion microresonators and offset-frequency tunable Kerr combs

Xiaoxiao Xue, Yi Xuan외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 10.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 모드 상호작용을 통한 보조적 자극을 통해 정상 분산 마이크로레조너에서 어두운 솔리톤 커브를 처음으로 실험적으로 부드럽게 자극함으로써, 마이크로 히터를 사용하여 안정적이고 낮은 노이즈, 모드 잠금 작동을 달성하였다. 이 방법은 이전에 실패했던 과정에서 일관된 어두운 펄스 생성을 가능하게 하였으며, 이는 비선형 캐비티 내 이중안정 상태 간의 프론트 상호작용과 연관된다.

ABSTRACT

Kerr frequency combs from microresonators are now extensively investigated as a potentially portable technology for a variety of applications. Most studies employ anomalous dispersion microresonators that support modulational instability for comb initiation, and mode-locking transitions resulting in coherent bright soliton-like pulse generation have been reported. However, some experiments show comb generation in normal dispersion microresonators; simulations suggest the formation of dark pulse temporal profiles. Soft excitation of dark pulse solutions is difficult and has been demonstrated neither experimentally nor in simulation. Here we report experiments in which dark pulse combs are formed by mode-interaction-aided soft excitation; for the first time, a mode-locking transition is observed in the normal dispersion regime. A micro-heater actuated tuning scheme provides a new degree of freedom for adjusting the laser-resonator detuning; as a result we are able to substantially tune the comb offset frequency while maintaining low noise, highly coherent mode-locked operation. Through simulation we show that the observed dark pulses can be related to interactions of fronts which connect the bistable steady-state solutions of the nonlinear cavity. Microresonator-based optical frequency combs, also termed Kerr combs, are generated through conversion of a single pump frequency to a broadband frequency comb inside a high-quality-factor microresonator via the third-order Kerr nonlinearity [1]-[10]. For comb generation, the optical pump frequency is tuned close to a resonance of the microresonator. When the intracavity power exceeds some threshold, frequency combs grow up and are expanded due to modulational instability gain and cascaded four-wave mixing. The advantages of Kerr combs include very compact size, high repetition rate, and capability of generating ultra-broad combs. The dynamics of Kerr comb generation have attracted intense investigations since the first demonstration of the method [11]-[34]. It has been found that Kerr combs are not always coherent [11-12] and may be characterized by high intensity noise [13]-[14]; furthermore, lack of coherence and high intensity noise are generally correlated. Experiments have revealed transitions from low coherence, high noise states to highly coherent mode-locked state accompanied by a sudden drop in intensity noise [14]-[16], [18], [19]. It has been found in simulations and experiments that the mode locking of broadband Kerr combs is usually related to soliton formation in the cavity [15], [18]-[31]. These dissipative cavity solitons are localized structures stabilized by a balance between Kerr nonlinearity and dispersion. In time domain they exist as bright or dark pulses, depending on whether the cavity dispersion is anomalous or normal, respectively. Bright microresonator solitons

연구 동기 및 목표

• 이전 실험 및 시뮬레이션 시도가 실패한 정상 분산 마이크로레조너에서 어두운 솔리톤 커브의 소프트 자극을 달성하기 위해.
• 이전에 실험적으로 관측되지 않은 정상 분산 영역에서의 모드 잠금 전이를 입증하기 위해.
• 저강도 노이즈와 높은 간섭성 유지하면서도 킬러 커브의 오프셋 주파수를 조절 가능한 기능을 제공하기 위해.
• 관측된 어두운 펄스 동역학을 비선형 캐비티 내 이중안정 상태 솔루션 간의 프론트 상호작용과 연결하기 위해.

제안 방법

• 부드러운 자극의 과제를 극복하기 위해 정상 분산 마이크로레조너에서 어두운 펄스 형성을 유도하기 위해 모드 상호작용을 통한 자극을 활용하였다.
• 레이저-레조너의 탈조를 동적으로 제어할 수 있는 마이크로 히터 구동 조절 방식을 도입하여 커브 설계에 새로운 자유도를 제공하였다.
• 캐비티 동역학을 모델링하기 위해 시뮬레이션을 수행하였으며, 어두운 펄스가 이중안정 상태 솔루션을 연결하는 프론트의 상호작용에서 유래됨을 보여주었다.
• 고-Q 마이크로레조너의 삼차 킬러 비선형성을 활용하여 연속적인 4파면 혼합 및 불안정성에 의한 모odulational instability를 통해 광역 주파수 커브를 생성하였다.
• 강도 노이즈와 간섭성을 모니터링하여 비일관성, 높은 노이즈 상태에서 일관성 있고 낮은 노이즈의 모드 잠금 작동 상태로의 전이를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모드 불안정성이 존재하지 않는 상황에서 정상 분산 마이크로레조너에서 부드러운 자극을 통해 어두운 솔리톤 커브가 안정적으로 자극될 수 있는가?
• RQ2 이상한 분산이 없는 조건에서 모드 상호작용은 어떻게 어두운 펄스 형성에 기여하는가?
• RQ3 정상 분산 영역에서 킬러 커브의 오프셋 주파수를 활성적으로 조절하면서도 저노이즈와 높은 간섭성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 관측된 어두운 펄스 동역학은 비선형 캐비티 물리학, 특히 이중안정 상태 간의 프론트 상호작용과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 모드 상호작용을 통한 소프트 자극을 통해 정상 분산 영역에서 마이크로레조너에서의 모드 잠금 전이가 처음으로 실험적으로 관측되었다.
• 정상 분산 마이크로레조너에서 어두운 솔리톤 커브가 성공적으로 생성되었으며, 이는 이론적으로 이상한 분산이 없음에도 불구하고 일관성 있고 낮은 노이즈 작동을 보였다.
• 마이크로 히터 조절 방식을 통해 커브 오프셋 주파수를 크게이고 연속적으로 조절할 수 있었으며, 높은 간섭성과 낮은 강도 노이즈를 유지하였다.
• 시뮬레이션 결과 어두운 펄스 동역학이 비선형 캐비티의 이중안정 상태 솔루션을 연결하는 프론트 상호작용에서 기인함을 확인하였다.
• 고노이즈, 비일관성 상태에서 저노이즈, 일관성 있는 모드 잠금 작동 상태로의 전이가 실험적으로 관측되었으며, 이는 어두운 솔리톤 형성과 관련이 있었다.