[논문 리뷰] Photonic chip-based resonant supercontinuum

Miles Anderson, Romain Bouchand외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 30.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 1 ps 펄스로 구동되는 분산 설계된 Si₃N₄ 마이크로레지온레이터를 사용하여 광칩 기반의 공진적 슈퍼컨티누엄 생성기를 구현한다. 피크 전력 약 1 W 수준의 펄스를 이용해 2,200선의 평탄한 톱니형 주파수 콤을 28 GHz 반복 주파수로 생성하며, 이는 현재까지 보고된 바 중에서 가장 높은 대역폭-선 수 곱을 기록한다. 이 방법은 입력 펄스와 약한 유대 상태에 있는 소용리드 케르 솔리톤을 안정화시켜, 마이크로파 반복 주파수 호환 가능한 전력 수준에서 간섭계적이고 넓은 대역 슈퍼컨티누엄을 생성할 수 있게 한다. 또한, 캐비티 감쇠율보다 100배 낮은 오프셋 주파수에서도 노이즈 전달을 억제한다.

ABSTRACT

Supercontinuum generation in optical fibers is one of the most dramatic nonlinear effects discovered, allowing short pulses to be converted into multi-octave spanning coherent spectra. However, generating supercontinua that are both coherent and broadband requires pulses that are simultaneously ultrashort with high peak power. This results in a reducing efficiency with increasing pulse repetition rate, that has hindered supercontinua at microwave line spacing, i.e. 10s of GHz. Soliton microcombs by contrast, can generate octave-spanning spectra, but with good conversion efficiency only at vastly higher repetition rates in the 100s of GHz. Here, we bridge this efficiency gap with resonant supercontinuum, allowing supercontinuum generation using input pulses with an ultra-low 6 picojoule energy, and duration of 1 picosecond, 10-fold longer than what is typical. By applying synchronous pulse-driving to a dispersion-engineered, low-loss Si$_3$N$_4$ photonic chip microresonator, we generate dissipative Kerr solitons with a strong dispersive wave, both bound to the input pulse. This creates a smooth, flattened 2,200 line frequency comb, with an electronically detectable repetition rate of 28 GHz, constituting the largest bandwidth-line-count product for any microcomb generated to date. Strikingly, we observe that solitons exist in a weakly bound state with the input pulse, stabilizing their repetition rate, but simultaneously allowing noise transfer from one to the other to be suppressed even for offset frequencies 100 times lower than the linear cavity decay rate. We demonstrate that this nonlinear filtering can be enhanced by pulse-driving asynchronously, in order to preserve the coherence of the comb. Taken together, our work establishes resonant supercontinuum as a promising route to broadband and coherent spectra.

연구 동기 및 목표

• 마이크로파 반복 주파수 시스템과의 호환성을 제한하는 기존 슈퍼컨티누엄 생성 기술의 고피크 전력 요구 조건(킬로와트 수준)을 극복하기 위해.
• 칩 스케일 통합을 통해 10 수준의 GHz 반복 주파수에서 간섭계적이고 넓은 대역 슈퍼컨티누엄을 생성할 수 있도록 하여, 광주파수 분할, 라만 영상, 통신 분야에 이상적인 조건을 제공하기 위해.
• 드라이빙 펄스와의 약한 유대 상태에서 소용리드 케르 솔리톤을 안정화시켜 노이즈 전달을 억제하면서도 간섭계적 성질을 유지하기 위해.
• 저피크 전력(1 W)과 펄스 시간이 피코초 수준인 조건에서 고효율로 옥타브 스펙트럼을 구현하는 공진적 슈퍼컨티누엄 메커니즘을 제시하기 위해.
• Si₃N₄ 마이크로레지온레이터에서 동기 펄스 구동과 비선형 필터링을 활용하여 칩 기반 고간섭계성, 넓은 대역 주파수 콤을 위한 새로운 길을 모색하기 위해.

제안 방법

• 소용리드 케르 솔리톤(DKS) 형성을 지원하도록 설계된 저손실, 분산 설계된 Si₃N₄ 광칩 마이크로레지온레이터를 사용하며, 적재된 Q 인자는 1.8×10⁶, FSR는 27.88 GHz이다.
• 지속광 레이저를 전기광 조절을 통해 1 ps 펄스 트레인(효과 피크 전력 약 900 mW)으로 변환하고, 13.94 GHz RF 신호를 사용해 단계 조절기를 다중으로 연결하여 드라이빙한다.
• 동기 펄스 구동을 적용하여 솔리톤을 입력 펄스에 고정시켜 간섭계적 에너지 전달을 가능하게 하고, 비선형 필터링을 통해 위상 노이즈를 억제한다.
• 마흐-젠더 조절기와 분산 보정 섬유를 사용하여 펄스를 약 1.4 ps 길이로 형상화하고 잔여 양의 채널링을 최적화하여 스펙트럼 확장 효율을 높인다.
• 고차항 분산 및 라만 효과를 무시한 단순화된 매개변수를 사용한 루기아토-레시에르 방정식(LLE)을 모델링하여 노이즈 전달과 솔리톤 안정성 분석을 수행한다.
• 출력 특성을 광스펙트럼 분석, 비트노트 측정, FROG 복원을 통해 확인하여 콤 간섭계성과 스펙트럼 평탄함을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 킬로와트 수준의 소스가 필요 없이 약 1 W 피크 전력으로 10 수준의 GHz 반복 주파수에서 공진적 슈퍼컨티누엄 생성이 가능할 수 있는가?
• RQ2 입력 펄스와 소용리드 케르 솔리톤 사이의 약한 유대 상태가 노이즈 전달과 콤 간섭계성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 캐비티 감쇠율보다 100배 낮은 오프셋 주파수에서도 비선형 필터링이 위상 노이즈를 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ4 공진적 슈퍼컨티누엄 생성을 이용한 칩 기반 마이크로콤에서 도달 가능한 최대 대역폭-선 수 곱은 얼마인가?
• RQ5 비동기 펄스 구동이 생성된 주파수 콤의 간섭계성과 안정성 향상에 더 큰 기여를 할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 28 GHz 반복 주파수로 2,200선의 평탄한 톱니형 주파수 콤을 생성하여, 현재까지 보고된 바 중에서 가장 높은 대역폭-선 수 곱을 기록했다.
• 콤은 뛰어난 간섭계성을 보였으며, 1560–1620 nm 대역에서 비트노트 측정 결과(μ = -45에서 -300 사이)가 안정적인 위상 고정과 낮은 위상 노이즈를 나타내었다.
• 솔리톤 반복 주파수의 비트노트는 안정적이며 전자적으로 감지 가능했으며, 전체 콤 구조의 간섭계성이 확인되었다.
• 캐비티 감쇠율보다 100배 낮은 오프셋 주파수(100 MHz)에서 RF 소스에서 콤으로의 노이즈 전달이 20 dB 이상 억제되어 비선형 필터링의 효과적인 작용이 입증되었다.
• 소용리드 케르 솔리톤은 입력 펄스와 약한 유대 상태를 유지하며 안정적인 작동과 노이즈 억제를 동시에 달성하였고, 높은 스펙트럼 평탄함을 유지하였다.
• 칩에 커플링된 효과 피크 전력은 약 900 mW였으며, 낮은 입력 전력에도 불구하고 높은 변환 효율을 달성하여 칩 스케일 응용의 실현 가능성을 입증했다.