[논문 리뷰] Sub-milliwatt, widely-tunable coherent microcomb generation with feedback-free operation

Haowen Shu, Lin Chang외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 16.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 알루미나주석산화물 기반 온인슐레이터 마이크로레조너에서 어두운 펄스 상태를 이용하여 1 mW 미만의 저전력, 광범위하게 조절 가능한, 피드백이 없는 비편향 마이크로콤을 생성하는 것을 보여준다. 열 제어된 피하기 모드 교차를 활용하여 자가 안정화된 어두운 펄스 형성을 가능하게 함으로써, 시스템은 1 mW 미만의 펮 전력과 넓은 채널링 범위를 갖는 비편향 마이크로콤을 달성하여, 활성 锁정 또는 복잡한 조정 프로토콜 없이도 단순한 온칩 통합이 가능하다.

ABSTRACT

Microcombs are revolutionizing optoelectronics by providing parallelized, mutually coherent wavelength channels for time-frequency metrology and information processing. To implement this essential function in integrated photonic systems, it is desirable to drive microcombs directly with an on-chip laser in a simple and flexible way. However, two major difficulties are preventing this goal: 1) generating mode-locked comb states usually requires a significant amount of pump power and 2) the requirement to align laser and resonator frequency significantly complicates operation and limits the tunability of the comb lines. Here, we address these problems by using microresonators on an AlGaAs on-insulator platform to generate dark-pulse microcombs. This highly nonlinear platform dramatically relaxes fabrication requirements and leads to a record-low pump power of less than 1 mW for coherent comb generation. Dark-pulse microcombs facilitated by thermally-controlled avoided mode-crossings are accessed by direct DFB laser pumping. Without any feedback or control circuitries, the comb shows good coherence and stability. This approach also leads to an unprecedented wide chirping range of all the comb lines. Our work provides a route to realize power-efficient, simple and reconfigurable microcombs that can be seamlessly integrated with a wide range of photonic systems.

연구 동기 및 목표

• 외부 피드백 또는 제어 시스템 없이 저전력, 온칩 마이크로콤 작동을 가능하게 하기 위해.
• 통합 마이크로콤 시스템에서 높은 펌프 전력 요구와 주파수 정렬 과제를 극복하기 위해.
• 높은 비선형성의 알루미나주석산화물 기반 온인슐레이터 플랫폼에서 어두운 펄스 역학을 이용해 넓은 조절 범위와 안정된 비편향 마이크로콤 생성을 달성하기 위해.
• 최소한의 제조 복잡성으로도 온칩 DFB 레이저를 직접 이용해 마이크로콤을 펌프하는 것을 시연하기 위해.

제안 방법

• 144 µm 반경과 90 GHz 자유 스펙트럼 범위를 가지며 고내재 Q 인자 수준 236만을 보이는 알루미나주석산화물 기반 온인슐레이터 마이크로레조너를 사용하였다.
• 주 모드 가족과 보조 모드 가족 간의 열 제어된 피하기 모드 교차를 활용하여 국소적 분산을 설계하고 자가 안정화된 어두운 펄스 마이크로콤 형성을 가능하게 하였다.
• 활성 피드백 또는 주파수 锁정이 필요 없도록 1 mW 미만의 펌프 전력으로 직접 DFB 레이저를 이용해 시스템을 펌프하였다.
• 어두운 펄스 자극과 분산 설계를 모델링하기 위해 두 모드 가족 간 선형 결합을 포함한 연립 비선형 슈뢰딩거 방정식 기반 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 히르베르트 변환된 강도 노이즈 및 전력 스펙트럼 밀도 분석을 통해 마이크로콤의 안정성과 비편향성을 측정하였으며, 채널링 특성 분석을 위해 고정밀 파장 미터를 사용하였다.
• PZT 액추에이터를 이용해 펌프 레이저 주파수를 조절하여 주파수 채널링을 수행하였으며, 10초 동안 2 GHz/s의 스캔 속도를 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피드백이 없고 온칩 호환성 있는 구성에서 1 mW 미만의 펌프 전력으로 비편향 마이크로콤 생성이 가능할 수 있는가?
• RQ2 열에 의해 유도된 피하기 모드 교차는 활성 锁정 없이도 자가 안정화된 어두운 펄스 마이크로콤 작동을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 마이크로콤 라인의 조절 가능 범위는 얼마이며, 기존 솔리톤 기반 접근 방식과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ4 알루미나주석산화물 기반 온인슐레이터 플랫폼은 고 Q 인자와 비선형 효율성을 유지하면서 제조 복잡성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 직접 DFB 레이저 펌프 방식은 복잡한 조정 또는 제어 회로 없이도 안정적이고 광범위하게 조절 가능한 마이크로콤 작동을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 기존 시스템에서 일반적으로 요구되는 수십 mW 수준보다 훨씬 낮은 기록적인 저전력 펌프 전력 1 mW 미만으로 비편향 마이크로콤 생성을 달성하였다.
• 열 제어된 피하기 모드 교차 덕분에 피드백 또는 제어 회로 없이도 마이크로콤이 뛰어난 비편향성과 안정성을 보였다.
• 마이크로콤은 모든 마이크로콤 라인에 대해 사전에 기록된 광범위한 채널링 범위를 보였으며, 직접 펌프 레이저 주파수 조절을 통해 2 GHz/s의 주파수 스캔 속도를 달성하였다.
• 알루미나주석산화물 기반 온인슐레이터 플랫폼은 236만의 고내재 Q 인자를 달성하여 저전력에서 효율적인 비선형 상호작용을 가능하게 하였다.
• 수치 시뮬레이션은 주 모드 가족과 보조 모드 가족 간의 피하기 모드 교차가 자가 자극 어두운 펄스 상태 형성에 필수적임을 확인하였다.
• 시스템은 광범위한 디튜닝 조건에서 안정된 어두운 펄스 작동을 유지하였으며, 피드백이 없는 설계의 견고성을 입증하였다.