[논문 리뷰] Raman lasing and soliton modelocking in lithium-niobate microresonators

Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 31.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 리튬니오브산탄(Insulator) 마이크로레지오너에서 뒤로 향하는 라만 레이저 작동과 솔리톤 모델로킹을 입증하며, 20 mW의 펌프 임계값에서 기록적인 46%의 차등 양자 효율을 달성한다. 캐비티 기하구조를 설계하여 라만 산란을 억제함으로써, X-절단 LNOI 칩에서 솔리톤 모델로킹을 처음으로 관측하였다. 이는 강한 비선형성과 조절 가능한 군속도 분산을 지닌 고성능 플랫폼에서 통합 비선형 포토닉스를 발전시킨다.

ABSTRACT

The recent advancement in lithium niobate on insulator (LNOI) technology is revolutionizing the optoelectronic industry as devices of higher performance, lower power consumption, and smaller footprint can be realized due to the high optical confinement in the structures. The LNOI platform offers both large \c{hi}(2) and \c{hi}(3) nonlinearities along with the power of dispersion engineering, enabling brand new nonlinear photonic devices and applications towards the next generation of integrated photonic circuits. However, the Raman scattering, one of the most important nonlinear phenomena, have not been extensively studied, neither was its influences in dispersion-engineered LNOI nano-devices. In this work, we characterize the Raman radiation spectra in a monolithic lithium niobate (LN) microresonator via selective excitation of Raman-active phonon modes. Remarkably, the dominant mode for Raman oscillation is observed in the backward direction for a continuous-wave pump threshold power of 20 mW with a reportedly highest differential quantum efficiency of 46 %. In addition, we explore the effects of Raman scattering on Kerr optical frequency combs generation. We achieve, for the first time, soliton modelocking on a X-cut LNOI chip through sufficient suppression of the Raman effect via cavity geometry control. Our analysis of the Raman effect provides guidance for the development of future chip-based photonic devices on the LNOI platform.

연구 동기 및 목표

• 분산 설계된 리튬니오브산탄 온 인슐레이터(LNOI) 마이크로레지오너에서의 라만 산란을 조사하기 위해.
• LNOI에서 비선형 광학 과정에 영향을 주는 라만 활성 진동 모드를 특성화하기 위해.
• 캐비티 기하구조 제어를 통해 라만 효과를 억제함으로써 솔리톤 모델로킹을 달성하기 위해.
• 미래의 칩 기반 포토닉 장치 설계를 위한 지침을 수립하기 위해.

제안 방법

• 지속형 펌프를 사용하여 단일결정 리튬니오브산탄 마이크로레지오너에서 라만 활성 진동 모드를 선택적으로 자극하기 위해.
• 라만 방사 스펙트럼 측정을 통해 주요 산란 모드와 그 방향성을 규명하기 위해.
• 캐비티 기하구조 공학을 통해 라만 산란을 억제하고 케르르 주파수 커브 형성을 가능하게 하기 위해.
• 차등 양자 효율 분석을 통해 라만 레이저 성능을 정량화하기 위해.
• 군속도 분산을 조절하여 솔리톤 형성을 위한 디스pers션 공학을 수행하기 위해.
• LNOI 플랫폼에 고차 비선형성(χ(2) 및 χ(3))을 통합하여 복잡한 비선형 역학을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리튬니오브산탄 마이크로레지오너에서 주요 라만 산란 모드는 무엇이며, 어느 방향으로 전파되는가?
• RQ2 LNOI 마이크로레지오너에서 라만 레이저의 임계 펌프 전력과 양자 효율은 각각 얼마인가?
• RQ3 라만 산란은 LNOI 장치에서 케르르 주파수 커브 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 라만 효과를 억제함으로써 X-절단 LNOI 칩에서 솔리톤 모델로킹을 달성할 수 있는가?
• RQ5 캐비티 기하구조는 주파수 커브 생성 중 라만 유도 간섭을 완화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 뒤로 향하는 방향에서 주요 라만 레이저 모드가 관측되었으며, 차등 양자 효율이 46%로 지금까지 보고된 바 중 최고 수준이다.
• 단일결정 리튬니오브산탄 마이크로레지오너에서 지속형 펌프 임계값 20 mW에서 라만 레이저 작동이 달성되었다.
• 효과적인 라만 산란 억제를 통해 X-절단 LNOI 칩에서 솔리톤 모델로킹이 처음으로 성공적으로 실험에 성공하였다.
• 캐비티 기하구조 제어를 통해 라만 효과를 충분히 억제하여 안정적인 솔리톤 형성을 가능하게 하였다.
• 연구 결과에 따르면 라만 산란은 분산 설계된 LNOI 장치에서 케르르 주파수 커브 역학에 크게 영향을 준다.
• 결과적으로 LNOI 플랫폼의 고비선형성과 조절 가능한 분산을 활용한 미래의 통합 포토닉 장치 설계에 중요한 설계 통찰을 제공한다.