[논문 리뷰] Novel architecture for ultra-stable micro-ring resonator based optical frequency combs

Alessia Pasquazi, Lucia Caspani외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 05.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 30인용 수 63

한 줄 요약

이 논문은 열적 락킹이 필요 없이 자가 락킹 방식을 통해 초안정적인 광주파수 복합체를 생성하는 CMOS 호환성 있는 마이크로링 공명기 아키텍처를 제안한다. 이 방법은 외부 펌프 레이저의 열적 락킹을 제거하며, >300 nm 대역폭과 자유 스펙트럼 범위(Free Spectral Range, FSR) 간격을 가지는 연속적이고 자가유지되는 복합체 생성을 실현하여, 외부 펌프 공명기 기반 광학적 비선형 진동자에서 흔히 발생하는 자가 종료 불안정성 문제를 해결한다.

ABSTRACT

We report a novel geometry for OPOs based on nonlinear microcavity resonators. This approach relies on a self-locked scheme that enables OPO emission without the need for thermal locking of the pump laser to the microcavity resonance. By exploiting a CMOS-compatible microring resonator, we achieve oscillation with a complete absence of shutting down, or self-terminating behavior, a very common occurrence in externally pumped OPOs. Further, this scheme consistently produces very wide bandwidth (>300nm, limited by our experimental set-up) combs that oscillate at a spacing of the FSR of the micro cavity resonance.

연구 동기 및 목표

• 마이크로캐비티 공명기 기반 외부 펌프 광학적 비선형 진동자(OPO)에서 흔히 발생하는 불안정성과 자가 종료 행동을 해결하기 위해.
• 펌프 레이저를 마이크로캐비티 공명주기에 활성적으로 열 락킹할 필요를 제거하기 위해.
• 작고 CMOS 호환 가능한 플랫폼에서 넓은 스펙트럼 대역폭을 가진 연속적이고 안정적인 복합체 생성을 가능하게 하기 위해.
• 환경 조건 변화에 상관없이 일관성과 안정성을 유지하는 자가 락킹 작동 방식을 구현하기 위해.
• 자유 스펙트럼 범위(Free Spectral Range, FSR) 간격을 가지는 초안정 주파수 복합체를 실현하여 정밀 측정 및 광통신 분야의 응용을 위해.

제안 방법

• 저자들은 CMOS 호환성 있는 마이크로링 공명기에 자가 락킹 방식을 구현하여, 복합체 생성이 캐비티의 비선형 역학에 의해 내재적으로 안정화됨을 구현하였다.
• 외부 열 피드백 없이, 4파면 혼합 과정을 통한 펌프와 캐비티 공명주기 간의 내재적 락킹에 의존하여 작동한다.
• 마이크로링 공명기는 자유 스펙트럼 범위(Free Spectral Range, FSR)를 지원하도록 설계되어 복합체 선 간격을 결정하며, 주기적인 주파수 복합체 생성을 가능하게 한다.
• 고 품질 인덕터(Q) 마이크로캐비티에서의 비선형 광학 효과를 활용하여 외부 제어 최소화로 넓은 스펙트럼 복합체를 생성한다.
• 조정 가능한 레이저 펌프를 사용한 소형 장치를 통해 실험적 검증을 수행하며, 출력 스펙트럼과 시간에 따른 안정성을 측정하였다.
• 시스템은 복합체 안정성, 스펙트럼 대역폭, 자가 종료 행동의 부재를 통해 특성화되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로링 공명기에서 자가 락킹 방식이 OPO 기반 주파수 복합체의 열적 락킹 필요성을 제거할 수 있는가?
• RQ2 외부 피드백 메커니즘이 없는 조건에서 복합체 생성은 얼마나 안정적이고 연속적인가?
• RQ3 이 아키텍처에서 생성된 주파수 복합체의 도달 가능한 스펙트럼 대역폭은 얼마인가?
• RQ4 복합체 선은 캐비티의 자유 스펙트럼 범위(Free Spectral Range, FSR) 간격으로 정확히 간격을 두고 있는가?
• RQ5 시스템은 외부 펌프 OPO에서 흔히 발생하는 자가 종료 행동을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 아키텍처는 자가 종료 행동 없이 연속적이고 자가유지되는 복합체 생성을 실현하였으며, 기존 외부 펌프 OPO에 비해 근본적인 개선이다.
• 시스템은 실험적 장치의 제약 이외에는 초과 300 nm의 스펙트럼 대역폭을 가지는 광주파수 복합체를 생성한다.
• 복합체 선은 마이크로링 공명기의 자유 스펙트럼 범위(Free Spectral Range, FSR) 간격으로 정확히 간격을 두어, 일관성 있고 주기적인 주파수 복합체 작동을 확인한다.
• 자기 락킹 방식은 펌프 레이저를 캐비티 공명주기에 열 락킹할 필요 없이 시스템을 성공적으로 안정화시켰다.
• CMOS 호환성 있는 마이크로링 공명기는 초안정 주파수 복합체 생성을 위한 작고 견고하며 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.
• 결과적으로, 광통신 및 정밀 측정 분야의 응용을 위한 실용적인 칩 통합 주파수 복합체로 향한 중요한 단계를 보여준다.