[논문 리뷰] Self-referencing of an on-chip soliton Kerr frequency comb without external broadening

Victor Brasch, Erwan Lucas외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 09.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 49인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 외부 스펙트럼 확장 없이 칩 내부에서 발생하는 솔리톤 킬러 주파수 조합의 자기참조를 실험적으로 구현하였으며, 시간적 소산성 킬러 솔리톤 형성과 솔리톤 체렌코프 복사에 의해 두 세타 옥타브의 일관된 대역폭을 생성하였다. 저자들은 연속파 전달 레이저를 사용한 2f-3f 방법을 통해 안정적인 자기참조를 달성하였으며, 오프셋 주파수와 펌프 레이저의 광주파수를 정밀하게 측정하고 추적할 수 있었고, 칩 통합형 마이크로파에서 광주파수로의 시계계산 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

Self-referencing turns pulsed laser systems into self-referenced frequency combs. Such frequency combs allow counting of optical frequencies and have a wide range of applications. The required optical bandwidth to implement self-referencing is typically obtained via nonlinear broadening in optical fibers. Recent advances in the field of Kerr frequency combs have provided a path towards the development of compact frequency comb sources that provide broadband frequency combs, exhibit microwave repetition rates and that are compatible with on-chip photonic integration. These devices have the potential to significantly expand the use of frequency combs. Yet to date self-referencing of such Kerr frequency combs has only been attained by applying conventional, fiber based broadening techniques. Here we demonstrate external broadening-free self-referencing of a Kerr frequency comb. An optical spectrum that spans two-thirds of an octave is directly synthesized from a continuous wave laser-driven silicon nitride microresonator using temporal dissipative Kerr soliton formation and soliton Cherenkov radiation. Using this coherent bandwidth and two continuous wave transfer lasers in a 2f-3f self-referencing scheme, we are able to detect the offset frequency of the soliton Kerr frequency comb. By stabilizing the repetition rate to a radio frequency reference the self-referenced frequency comb is used to count and track the continuous wave pump laser's frequency. This work demonstrates the principal ability of soliton Kerr frequency combs to provide microwave-to-optical clockworks on a chip.

연구 동기 및 목표

• 외부 섬유 기반 스펙트럼 확장을 의존하지 않고 온칩 솔리톤 킬러 주파수 조합의 자기참조를 달성하고자 한다.
• 실내에서 발생하는 솔리톤 역학을 통해 생성된 일관된 스펙트럼 확장을 통해 2f-3f 자기참조에 필요한 충분한 대역폭을 생성할 수 있음을 입증하고자 한다.
• 정밀한 광주파수 수세기를 가능하게 하는 완전히 통합된 칩 기반 마이크로파에서 광주파수로의 주파수 조합 시스템을 구축하고자 한다.
• 외부 루프 비교를 통해 오프셋 주파수 측정의 정확성을 검증하고자 한다.
• 안정화된 주파수 조합을 통해 연속파 펌프 레이저의 주파수를 추적할 수 있도록 하고자 한다.

제안 방법

• 연속파 레이저를 실리콘 나이트라이드 마이크로레지오나터에 입력하여 시간적 소산성 킬러 솔리톤을 유도하고, 솔리톤 체렌코프 복사에 의해 광범위한 주파수 조합을 생성한다.
• 해당 주파수 조합은 두 세타 옥타브에 이르는 스펙트럼을 커버하여 외부 확장을 필요로 하지 않는 자기참조에 충분한 대역폭을 제공한다.
• 150 THz와 225 THz의 두 개의 위상 잠금된 연속파 전달 레이저를 사용하여 2f-3f 자기참조 방법을 구현한다.
• 전달 레이저의 두 배와 세 배 주파수 간의 하이브리드 비트 노트 검출을 통해 오프셋 주파수를 측정한다.
• 반복 주파수는 라디오 주파수 기준에 따라 안정화되어 마이크로파에서 광영역으로의 위상일관된 주파수 수세기를 가능하게 한다.
• 펌프 레이저 주파수를 온칩 킬러 주파수 조합에서 유도한 결과와 상업적 자기참조 주파수 조합을 사용한 외부 루프 측정을 비교하여 정확성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 스펙트럼 확장을 사용하지 않고 온칩 킬러 주파수 조합의 자기참조를 달성할 수 있는가?
• RQ2 솔리톤 역학과 체렌코프 복사에 의해 생성된 스펙트럼 대역폭이 2f-3f 자기참조에 충분한가?
• RQ3 통합된 구성 요소와 외부 전달 레이저만을 사용하여 온칩 주파수 조합의 오프셋 주파수를 고정밀도로 측정하고 안정화할 수 있는가?
• RQ4 자기참조 주파수 조합을 통해 연속파 펌프 레이저의 주파수를 정밀하게 추적할 수 있는가?
• RQ5 칩 기반 시스템의 성능이 전통적인 섬유 기반 주파수 조합과 비교하여 유사한가?

주요 결과

• 저자들은 외부 스펙트럼 확장을 전혀 사용하지 않고 실내 솔리톤 역학에 의존하여 온칩 통합 솔리톤 킬러 주파수 조합의 자기참조를 성공적으로 구현하였다.
• 생성된 주파수 조합은 두 세타 옥타브의 일관된 대역폭을 가지며, 2f-3f 자기참조에 충분한 대역폭을 확보하였다.
• 주파수 조합의 오프셋 주파수는 약 159.71 GHz로 측정되었으며, f2f3f 비트 노트를 통해 드리프트가 모니터링되었다.
• 상업적 주파수 조합과의 외부 루프 비교에서 뛰어난 일치를 보였으며, 160초 동안 측정된 결과는 평균 172 Hz에 중심을 두고 정규 분포를 이룬다.
• 펌프 레이저의 주파수 드리프트를 주파수 조합의 오프셋 주파수로 매핑함으로써 연속파 펌프 레이저 주파수의 정밀한 추적 기능을 실현하였다.
• 결과적으로 칩 기반 완전 통합형 자기참조 주파수 조합이 광학 미세측정 및 마이크로파에서 광주파수로의 주파수 합성에 응용 가능한 가능성을 확인하였다.