[논문 리뷰] Mode-locking in an optical microresonator via soliton formation

Tobias Herr, Victor Brasch외 5명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 04.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 Lugiato-Lefever 방정식에 의해 지배되는 고-Q 광학 마이크로레조너에서 레드-디튜닝 펌프를 통해 시간적 소산성 솔리톤의 자발적 생성을 실험적으로 입증한다. 솔리톤은 효과적 영-zero 딜레이닝 지점에서 발생하며, 광대역 증폭 매체에 의존하지 않는 저잡음, 매끄러운 스펙트럼 레귤레이션 주파수 콤을 갖는 안정적인 고반복주기 피코초 펄스 소스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Dissipative solitons can emerge in a wide variety of dissipative nonlinear systems throughout the fields of optics, medicine or biology. Dissipative solitons can also exist in Kerr-nonlinear optical resonators and rely on the double balance between parametric gain and resonator loss on the one hand and nonlinearity and diffraction or dispersion on the other hand. Mathematically these solitons are solution to the Lugiato-Lefever equation and exist on top of a continuous wave (cw) background. Here we report the observation of temporal dissipative solitons in a high-Q optical microresonator. The solitons are spontaneously generated when the pump laser is tuned through the effective zero detuning point of a high-Q resonance, leading to an effective red-detuned pumping. Red-detuned pumping marks a fundamentally new operating regime in nonlinear microresonators. While usually unstablethis regime acquires unique stability in the presence of solitons without any active feedback on the system. The number of solitons in the resonator can be controlled via the pump laser detuning and transitions to and between soliton states are associated with discontinuous steps in the resonator transmission. Beyond enabling to study soliton physics such as soliton crystals our observations open the route towards compact, high repetition-rate femto-second sources, where the operating wavelength is not bound to the availability of broadband laser gain media. The single soliton states correspond in the frequency domain to low-noise optical frequency combs with smooth spectral envelopes, critical to applications in broadband spectroscopy, telecommunications, astronomy and low phase-noise microwave generation.

연구 동기 및 목표

• 레드-디튜닝 펌프 조건 하에서 케르 비선형 광학 마이크로레조너에서 소산성 솔리톤의 발생을 탐구한다.
• 피드백을 활성적으로 제어하지 않은 수동 마이크로레조너에서 솔리톤 상태의 안정성과 제어 가능성을 조사한다.
• 실용적 응용을 위해 저잡음, 매끄러운 스펙트럼 레귤레이션 주파수 콩을 생성하는 것을 목표로 한다.
• 광대역 레이저 증폭 매체에 의존하지 않는 소형, 고반복주기 피코초 펄스 소스를 실현한다.
• 펌프 딜레이닝 제어를 통한 솔리톤 결정 형성 및 솔리톤 상태 간 전이를 연구한다.

제안 방법

• 케르 비선형성을 지닌 고-Q 광학 마이크로레조너를 사용하여 소산성 솔리톤 형성을 지원한다.
• 효과적 영-zero 딜레이닝 지점에서 레드-디튜닝 펌프 레이저를 이용해 솔리톤 생성을 유도한다.
• 연속파 배경에서의 솔리톤 동역학을 기술하기 위해 Lugiato-Lefever 방정식을 이론적 프레임워크로 활용한다.
• 레조너 공명에 대한 펌프 레이저 딜레이닝 조절을 통해 솔리톤 수를 정밀하게 제어한다.
• 레조너 투과도를 모니터링하여 솔리톤 상태 간의 비연속적 전이를 탐지한다.
• 출력의 스펙트럼 및 시간적 특성을 분석하여 저잡음, 매끄러운 스펙트럼 레귤레이션 주파수 콩임을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레드-디튜닝 펌프 조건 하에서 고-Q 광학 마이크로레조너에서 시간적 소산성 솔리톤이 자발적으로 생성될 수 있는가?
• RQ2 효과적 영-zero 딜레이닝 지점은 피드백 없이도 안정적인 솔리톤 형성을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 펌프 레이저의 딜레이닝 조절이 솔리톤 수 제어 및 솔리톤 상태 간 전이를 어떻게 유도하는가?
• RQ4 생성된 주파수 콩의 스펙트럼 특성은 무엇이며, 전통적 소스와 비교해 봤을 때 어떻게 다른가?
• RQ5 이 시스템에서 솔리톤 결정이 형성될 수 있으며, 그 관측은 솔리톤 상호작용에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• 고-Q 광학 마이크로레조너에서 레드-디튜닝 펌프를 통해 효과적 영-zero 딜레이닝 지점에서 시간적 소산성 솔리톤을 성공적으로 관측하였다.
• 솔리톤 상태는 자발적으로 발생하였으며, 피드백 없이도 내재된 안정성을 보였으며, 마이크로레조너에서 새로운 작동 영역를 확립하였다.
• 펌프 레이저의 딜레이닝 조절을 통해 솔리톤 수를 제어할 수 있었으며, 레조너 투과도에서 이산적 전이가 관측되었다.
• 단일 솔리톤 상태는 저잡음, 매끄러운 스펙트럼 레귤레이션 주파수 콩을 생성하였으며, 분광학 및 마이크로파 생성 분야의 응용에 이상적이다.
• 광대역 레이저 증폭 매체에 의존하지 않는 소형, 고반복주기 피코초 펄스 소스를 실현하였다.
• 솔리톤 결정의 관측이 가능해졌으며, 이는 솔리톤 상호작용 및 집합적 동역학 연구를 위한 길을 열었다.