[논문 리뷰] Orthogonally Polarized Kerr Frequency Combs

Changjing Bao, Peicheng Liao외 17명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 15.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 29인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 단일 마이크로레조너에서 두 개의 저노이즈, 상호 수직 편광된 킬러 주파수 조합을 동시에 생성하는 것을 보여주며, 한 조합은 솔리톤 펄스에 의해 구동되고 두 번째 조합은 첫 번째에서 강한 교차 위상 변조를 통해 유도된다. 두 번째 조합은 단지 0.1 mW의 입력 전력으로 생성되었으며 자가 진동 임계값 이하이지만, 주파수 불일치로 인해 오목한 스펙트럼 에너지가 나타난다. 두 조합은 자유 스펙트럼 범위가 다름에도 불구하고 동일한 반복 주파수를 공유한다.

ABSTRACT

Kerr optical frequency combs with multi-gigahertz spacing have previously been demonstrated in chip-scale microresonators, with potential applications in coherent communication, spectroscopy, arbitrary waveform generation, and radio frequency photonic oscillators. In general, the harmonics of a frequency comb are identically polarized in a single microresonator. In this work, we report that one comb in one polarization is generated by an orthogonally polarized soliton comb and two low-noise, orthogonally polarized combs interact with each other and exist simultaneously in a single microresonator. The second comb generation is attributed to the strong cross-phase modulation with the orthogonally polarized soliton comb and the high peak power of the intracavity soliton pulse. Experimental results show that a second frequency comb is excited even when a continuous wave light as a "seed"-with power as low as 0.1 mW-is input, while its own power level is below the threshold of comb generation. Moreover, the second comb has a concave envelope, which is different from the sech2 envelope of the soliton comb. This is due to the frequency mismatch between the harmonics and the resonant frequency. We also find that the repetition rates of these two combs coincide, although two orthogonal resonant modes are characterized by different free spectral ranges.

연구 동기 및 목표

• 단일 칩스케일 마이크로레조너에서 두 개의 저노이즈, 수직 편광된 주파수 조합을 동시에 생성하는 것.
• 자기 진동 임계값 이하에서 주로 작동하는 두 번째 조합이 수직 편광된 솔리톤 조합으로부터 교차 위상 변조를 통해 어떻게 형성되는지 탐구하는 것.
• 특히 주파수 불일치의 역할을 고려하여 두 번째 조합의 스펙트럼 및 시간적 특성, 특히 오목한 에너지 형태를 조사하는 것.
• 서로 다른 자유 스펙트럼 범위를 가짐에도 불구하고 두 조합이 동일한 반복 주파수를 공유할 수 있는 이유를 밝히는 것.
• 공진기의 공진 주파수와 조합의 고조파 간 주파수 불일치로 인해 오목한 스펙트럼 에너지가 나타나는 메커니즘을 규명하는 것.

제안 방법

• 서로 다른 자유 스펙트럼 범위를 가진 두 개의 수직 편광된 횡모드를 지원하는 칩스케일 마이크로레조너를 사용하였다.
• 두 번째 조합을 유도하기 위해 0.1 mW의 연속파(CW) 펌프를 사용하였으며, 이는 고립된 상태에서 조합 생성의 임계값 이하였다.
• 서로 수직 편광된 솔리톤 조합과 시드 신호 간의 강한 교차 위상 변조(XPM)를 활용하여 두 번째 조합을 유도하였다.
• 내부 고조파 솔리톤 펄스의 높은 피크 전력으로 비선형 상호작용을 강화하고 XPM 기반 조합 형성을 가능하게 하였다.
• 간섭계적 및 스펙트럼 분석을 통해 두 조합의 스펙트럼 에너지를 특성화하였으며, 두 번째 조합의 오목한 에너지 형태를 확인하였다.
• 두 조합의 반복 주파수를 측정하고 비교하여, 서로 다른 자유 스펙트럼 범위에도 불구하고 일치함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.1 mW의 연속파 빛으로 시딩된 상태에서, 주로 작동하는 첫 번째 솔리톤 조합이 존재하지 않을 경우, 마이크로레조너에서 자가 진동 임계값 이하에서도 두 번째 주파수 조합을 생성할 수 있는가?
• RQ2 수직 편광된 솔리톤 조합으로부터 교차 위상 변조를 통해 두 번째 조합이 형성되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 왜 두 번째 조합은 솔리톤 조합의 sech² 형태와는 달리 오목한 스펙트럼 에너지를 나타내는가?
• RQ4 서로 다른 자유 스펙트럼 범위를 가진 두 조합이 단일 마이크로레조너에서 동일한 반복 주파수를 공유할 수 있는가?
• RQ5 편광의 수직성은 서로 다른 스펙트럼 특성을 가진 두 조합이 안정적으로 동시에 작동할 수 있도록 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 0.1 mW의 연속파 입력 전력으로 두 번째 주파수 조합이 성공적으로 생성되었으며, 이는 고립된 상태에서의 자가 진동 임계값 이하이므로, 주로 작동하는 첫 번째 솔리톤 조합이 존재할 때에만 가능한 현상이다.
• 두 번째 조합은 수직 편광 모드의 공진 주파수와 조합 고조파 간의 주파수 불일치로 인해 오목한 스펙트럼 에너지를 나타냈다.
• 서로 다른 자유 스펙트럼 범위를 가짐에도 불구하고 두 조합은 동일한 반복 주파수를 공유했으며, 이는 서로 다른 편광 모드 간에 강한 결합 또는 동기화 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 두 번째 조합은 수직 편광 상태의 고피크 전력 솔리톤 펄스로부터 강한 교차 위상 변조를 통해 유도되었으며, 이는 XPM가 주요 비선형 메커니즘임을 확인한다.
• 두 조합 모두 저노이즈이고 안정적이었으며, 낮은 펌프 전력으로도 단일 마이크로레조너 내 더블콤 시스템의 실현 가능성을 입증하였다.
• 결과적으로, 광신호 처리 및 분광학 분야의 응용을 위한 향상된 스펙트럼 커버리지와 낮은 전력 요구량을 갖춘 칩 통합 더블콤 시스템의 길을 열었다.