[논문 리뷰] Multi-Octave Frequency Comb from an Ultra-Low-Threshold Nanophotonic Parametric Oscillator

Ryoto Sekine, Robert M. Gray외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 나노광학성 리튬니오브산탄 광학 매개변조기(OPO)에서 펌프 에너지가 피코줄 수준이지만 다수의 옥타브에 걸친 주파수 조합을 생성함을 보여준다. 선형 동기에서 벗어나 임계값을 훨씬 초월하는 조건에서 안정된 간섭성과 함께 작용하는 시간적 자가정제 메커니즘을 활용함으로써, 고-Q 공진기나 좁은 스펙트럼 대역폭을 요구하지 않고 초광역, 간섭성 스펙트럼 확장이 가능해졌으며, 이는 이전의 통합 방법 대비 에너지 소모를 수개의 순서수준으로 감소시켰다.

ABSTRACT

Ultrabroadband frequency combs coherently unite distant portions of the electromagnetic spectrum. They underpin discoveries in ultrafast science and serve as the building blocks of modern photonic technologies. Despite tremendous progress in integrated sources of frequency combs, achieving multi-octave operation on chip has remained elusive mainly because of the energy demand of typical spectral broadening processes. Here we break this barrier and demonstrate multi-octave frequency comb generation using an optical parametric oscillator (OPO) in nanophotonic lithium niobate with only femtojoules of pump energy. The energy-efficient and robust coherent spectral broadening occurs far above the oscillation threshold of the OPO and detuned from its linear synchrony with the pump. We show that the OPO can undergo a temporal self-cleaning mechanism by transitioning from an incoherent operation regime, which is typical for operation far above threshold, to an ultrabroad coherent regime, corresponding to the nonlinear phase compensating the OPO cavity detuning. Such a temporal self-cleaning mechanism and the subsequent multi-octave coherent spectrum has not been explored in previous OPO designs and features a relaxed requirement for the quality factor and relatively narrow spectral coverage of the cavity. We achieve orders of magnitude reduction in the energy requirement compared to the other techniques, confirm the coherence of the comb, and present a path towards more efficient and wider spectral broadening. Our results pave the way for ultrashort-pulse and ultrabroadband on-chip nonlinear photonic systems for numerous applications.

연구 동기 및 목표

• 통합 주파수 조합 소스의 고에너지 임계값으로 인해 제한되었던, 최소한의 펌프 에너지로 칩 내에서 다수 옥타브 주파수 조합 생성을 달성하고자 한다.
• 박막형 리튬니오브산탄의 이차 비선형성을 이용해 작고 통합된 플랫폼에서 간섭성 스펙트럼 확장을 가능하게 하고자 한다.
• 고이득, 임계값을 훨씬 초월하는 작동 조건에서 작용하는 OPO 내 신규 시간적 자가정제 메커니즘을 도입하고자 한다.
• 기존의 통합 및 거대체 시스템과 비교해 다수 옥타브 스펙트럼 확장에 필요한 에너지를 수개의 순서수준으로 감소시키고자 한다.
• 에너지 효율적이고 광역 간섭성 빛 소스를 통해 이중주파수 조합 분광법, 광학 주파수 합성 및 초고속 포토닉스 분야의 실용적인 칩 내 응용을 가능하게 하고자 한다.

제안 방법

• OPO는 5.075 µm의 주기적 도핑 간격을 가진 박막형 리튬니오브산탄으로 제작되어 효율적인 두 번째 고조파 생성을 위한 준위상 매칭을 가능하게 한다.
• 장치는 100-fs 펄스를 1045 nm에서 250.1775 MHz 반복 주기로 사용하는 동기 펌프된 균일 OPO로 작동한다.
• 군속도 분산(GVD)과 군속도 불일치(GVM)를 근사적으로 0으로 조절하기 위해 분산 설계를 적용하여 광역 매개변조 이득과 스펙트럼 확장을 가능하게 한다.
• OPO는 임계값을 훨씬 초월하고 선형 동기에서 벗어난 조건에서 작동하여 비선형 위상 보정 메커니즘을 통해 비간섭성에서 간섭성 작동으로의 전이를 가능하게 한다.
• 수치 시뮬레이션은 Lumerical 소프트웨어를 사용해 비선형 환경 방정식을 해결하며, 상수 위상 오프셋 없이 오직 χ(2) 비선형성만을 모델링하여 스펙트럼 및 시간적 동역학을 예측한다.
• 실험적 특성 분석은 광역 스펙트럼 수집을 위해 고저항성 및 플루오르화 섬유를 사용하였으며, 고속 광다이오드와 스펙트럼 분석기를 통해 RF 스펙트럼을 측정하였다.

Figure 1: Principle and design of the multi-octave nanophotonic OPO . a, Illustration of the sync-pumped OPO on thin-film lithium niobate with key features highlighted. b, Microscope image of several devices when the one in the center is pumped at 1 $\mu$ m. The chip glows green due to second harmon

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피코줄 수준의 펌프 에너지로 통합 나노광학 플랫폼에서 다수 옥타브 주파수 조합 생성이 가능할 수 있는가?
• RQ2 임계값을 훨씬 초월하고 선형 동기에서 벗어난 조건에서 작동하는 OPO에서 간섭성 스펙트럼 확장을 가능하게 하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 낮은 편향도와 중간 품질 인자(Q)를 가진 공진기 조건에서도 OPO 내 시간적 자가정제 메커니즘이 간섭성을 어떻게 안정화하고 초광역 출력을 가능하게 하는가?
• RQ4 분산 설계된 OPO에서 이차 비선형성을 활용할 경우, 다수 옥타브 스펙트럼 확장에 필요한 에너지를 얼마나 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 고-Q 공진기나 좁은 대역 성분을 요구하지 않고도 나노광학성 OPO가 옥타브를 넘는 또는 그 이상의 간섭성 스펙트럼을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• OPO는 펌프 에너지가 피코줄 수준이지만 350 nm에서 3400 nm까지의 스펙트럼을 커버하는 다수 옥타브 간섭성 주파수 조합을 생성한다.
• 장치는 총 43.4 dB의 전체 통과 손실을 기록하였으며, 이는 입력 커플링 손실 35.7 dB와 출력 커플링 손실 7.7 dB로 구성되어 있어 칩 내 빛 관리의 효율성을 입증한다.
• OPO는 펌프 펄스 에너지가 0.45 pJ로 작동하며, 이는 기존 통합 시스템에서 유사한 스펙트럼 확장을 위해 일반적으로 요구되는 10–100 pJ보다 수개의 순서수준 낮다.
• 시간적 자가정제 메커니즘이 비선형적으로 캐비티 이격을 보정하여, 임계값을 훨씬 초월하는 조건에서 비간섭성에서 간섭성 출력으로의 전이를 가능하게 하였다.
• 시뮬레이션 결과, 522 nm(두 번째 고조파)와 2090 nm(반고조파) 사이의 GVM은 721 fs/mm로 나타나 스펙트럼 워크오프와 짧은 파장 성분의 과소평가를 설명한다.
• 측정된 삼옥타브 스펙트럼은 RF 스펙트럼 분석을 통해 간섭성임이 확인되었으며, 250 MHz 반복 주기와 기본 반복 주파수 간격의 사이드밴드를 보였다.

Figure 2: OPO characterization. a, Oscillation peaks of the OPO as the pump repetition rate is modulated by a piezoelectric transducer (PZT) in the pump laser cavity at 600 Hz. b, Signal spectrum at 35 fJ of pump energy for three different roundtrip detunings and c, the corresponding OPO signal grow