[논문 리뷰] Repetition rate tuning of soliton in microrod resonators

Rui Niu, Shuai Wan외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 18.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 30인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고순도 실리카 마이크로드롭 공진기에서 압전 세라믹 변환기(PZT)를 이용한 외부 응력 제어를 통해 소산성 킬러 솔리톤(DKS) 마이크로콤에서 반복 주파수를 정밀하고 광대역으로 조절하는 것을 보여준다. 보조 레이저를 활용해 열 반응을 안정화하고 안정적인 솔리톤 상태 전환을 가능하게 함으로써, 저자들은 연속적인 반복 주파수 조정 범위 30 MHz를 달성하였으며, 정밀 측정 및 분광 측정 응용 분야에서 안정적이고 빠르며 정확한 주파수 잠금을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The coherent temporal soliton in optical microresonators has attracted great attention recently. Here, we demonstrate the dissipative Kerr soliton generation in a microrod resonator, by utilizing an auxiliary-laser-assisted thermal response control. By external stress tuning, the repetition rate of the soliton has been controlled over a large range of 30 MHz. Our platform promises precise tuning and locking of the repetition frequency of coherent mode-locked comb in the microresonator, and holds great potential for applications in spectroscopy and precision measurements.

연구 동기 및 목표

• 정밀 측정 응용 분야에서 실용적인 활용을 위해 소산성 킬러 솔리톤(DKS) 마이크로콤의 반복 주파수를 안정적이고 정밀하게 조절할 수 있도록 하는 것.
• 온도 및 펌프 파워에 민감한 마이크로공진기 기반 솔리톤 마이크로콤에서 제한된 반복 주파수 조정 범위 문제를 해결하는 것.
• 고-Q 마이크로드롭 공진기에서 PZT 액추에이터를 통해 기계적 응력을 이용한 광범위하고 빠르며 정확한 반복 주파수 제어 방법을 개발하는 것.
• 보조 레이저를 활용한 열 반응 제어가 넓은 조정 범위에서 안정적인 솔리톤 상태 전환과 안정된 작동을 가능하게 한다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 솔리톤 마이크로콤 생성에서 제외된 모드를 자극하기 위해 보조 레이저를 사용하여 캐비티의 열 반응을 제어하고 솔리톤 상태를 안정화시킨다.
• 압전 세라믹 변환기(PZT)가 마이크로드롭 공진기에 기계적 응력을 가하여 길이와 굴절률을 변화시켜 자유 스펙트럴 간격(FSR)과 반복 주파수를 조절한다.
• PZT의 전압을 체계적으로 변화시켜 제어된 변형을 유도하고, 이는 공명 주파수의 이동과 FSR의 조절을 유도하여 직접적으로 DKS의 반복 주파수에 영향을 준다.
• 펌프 레이저는 1557.2 nm 파장을 사용하며, 솔리톤 상태 형성 여부는 광스펙트럼 분석 및 전기 스펙트럼 분석기(ESA)를 이용한 RF 비트 노트 측정을 통해 확인된다.
• 반복 주파수는 전기광학 모odulator(EOM)를 이용해 RF 비트 노트를 20 GHz 이하로 다운컨verting하여 정확한 주파수 결정을 수행한다.
• PZT 전압 변화에 따른 반복 주파수 이동과 소규모 펌프 떨어짐에 의한 이동을 비교함으로써 조절 메커니즘이 검증되었으며, 기계적 조절이 주도적임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로드롭 공진기에서 기계적 응력에 의한 조절이 가능할지, 반복 주파수를 광범위하게 조절할 수 있는가?
• RQ2 보조 레이저를 활용한 열 반응 제어가 솔리톤 상태 형성의 안정성과 재현 가능성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 고-Q 마이크로드롭 공진기에서 PZT에 의한 변형에 의해 도달 가능한 최대 반복 주파수 조정 범위는 얼마인가?
• RQ4 DKS 마이크로콤에서 반복 주파수 제어에 있어 기계적 조절이 펌프 떨어짐에 비해 얼마나 효과적인가?
• RQ5 저노이즈 솔리톤 마이크로콤 특성을 유지하면서도 반복 주파수를 정밀하고 신속하게 조절할 수 있는가?

주요 결과

• PZT 전압을 0 V에서 80 V로 변화시킴으로써 소산성 킬러 솔리톤 마이크로콤의 반복 주파수를 30 MHz에 이르는 넓은 범위로 조절하였다.
• 40 V를 초과한 이후로는 조정 속도가 비선형적으로 감소하여 PZT의 비선형 응답을 나타내었으며, 전압이 증가할수록 반복 주파수가 감소함을 확인하였다.
• 펌프 떨어짐에 의한 반복 주파수 변화 범위는 최대 300 kHz에 그쳤으며, 이는 PZT를 통한 조정 범위에 비해 두 개의 주기수만큼 작아 기계적 조절이 주도적임을 확인하였다.
• 광스펙트럼 분석에서 OSA 해상도 한계(0.02 nm)로 인해 선 이격이 명백하지 않았으며, 반복 주파수 변화는 RF 비트 노트 분석을 통해만 신뢰성 있게 측정 가능함을 확인하였다.
• 보조 레이저를 통해 안정적인 솔리톤 상태 전환과 열 반응 제어가 가능하여 전체 조정 범위에서 재현 가능한 작동이 가능하였다.
• 이 플랫폼는 정밀하고 신속하며 안정적인 반복 주파수 조절이 가능하여 정밀 측정 및 분광 측정 응용 분야에서 솔리톤 마이크로콤의 잠금에 적합하다.