[논문 리뷰] Synthetic Frequency Lattices from an Integrated Dispersive Multi-Color Soliton

Grégory Moille, Curtis R. Menyuk외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 17.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 4파면 혼합 브라그 산란을 통한 비선형 결합을 이용하여 통합 다색 분산성 다이세프 킬러 솔리톤(DKS)의 고유주파수 공간에서 합성 주파수 격자를 구현한다. 1 THz 반복률 마이크로레진에서 군속도와 위상속도의 차이를 활용함으로써, 150 THz에 걸쳐 전면 광학적, 넓은 대역의 결합을 실현하여, 오크타브 스펙트럼을 갖는 마이크로콤과 호환되는 복잡한 주파수 격자에 대한 숨겨진 차원을 제공한다.

ABSTRACT

Dissipative Kerr solitons (DKSs) in optical microresonators have been intensely studied from the perspective of both fundamental nonlinear physics and portable and low power technological applications in communications, sensing, and metrology. In parallel, synthetic dimensions offer the promise of studying physical phenomena with a dimensionality beyond that imposed by geometry, and have been implemented in optics. The interplay of DKS physics with synthetic dimensions promises to unveil numerous new physical and technological insights, yet many fundamental challenges remain. In particular, DKSs intrinsically rely on dispersion to exist while the creation of synthetic frequency lattices typically needs a dispersion-less system. We present a change of paradigm with the creation of a synthetic frequency lattice in the eigenfrequency space of a dispersive multi-color soliton through all-optical nonlinear coupling -- compatible with octave spanning microcombs -- harnessing the interplay between the cavity dispersion and the dispersion-less nature of the DKS. We examine theoretically and experimentally the nonlinear coupling mechanism in a 1~THz repetition rate resonator and demonstrate four-wave mixing Bragg scattering between the different wavepackets forming the multi-color soliton, with the microcomb ranging over 150~THz, yielding a complex all-optical and integrated synthetic frequency lattice.

연구 동기 및 목표

• 합성 주파수 격자(일般적으로 분산 없음이 가정됨)와 분산성 다이세프 킬러 솔리톤(DKS) 사이의 상충 관계를 극복하기 위해.
• 분산성 캐비티 내 DKS 웨이브패킷 성분 간 위상속도의 차이를 활용하여 광학 분야에서 합성 차원의 새로운 패러다임을 수립하기 위해.
• 외부 전기광학 모odulation이 필요 없이 DKS의 고유주파수 공간에서 전면 광학적, 넓은 대역의 비선형 결합을 구현하여, 복잡한 합성 주파수 격자를 생성하기 위해.
• 고차 분산이 종종 방해가 되지만, 반대로 반복률 공간에 수직된 숨겨진 차원에서 비선형 결합을 가능하게 할 수 있음을 입증하기 위해.
• 고전적이고 통합된 광학 시스템에서 양자 유사 현상, 위상학적 현상 및 다수준 원자 시스템을 시뮬레이션할 수 있는 새로운 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다중 펌프 DKS 시스템을 이산 웨이브패킷 성분에 대한 연관된 루지아토-레프레버 방정식(LLE)의 집합으로 축소시켜, DKS를 내부 주파수 성분을 갖는 정적 에너지 패킷으로 간주한다.
• 비선형 결합은 캐비티 분산으로 인한 웨이브패킷 간 위상 속도 회전 속도의 차이로 가능해지며, 군속도는 교차 위상 조절을 통해 잠금된다.
• 핵심 비선형 과정으로 4파면 혼합 브라그 산란을 사용하여, 고유주파수 공간에서 새로운 아이디어 웨이브패킷을 생성한다. 이는 광학적 비선형 증폭과 유사하다.
• 이중 펌프 구동을 통해 1 THz 반복률 Si3N4 마이크로레진에서 시스템을 실험적으로 실현하여, 150 THz 이상의 대역폭을 갖는 넓은 대역 주파수 콤을 실현한다.
• 선형 캐비티 분산에 의해 유도된 위상 이동을 정밀하게 제어하여, 합성 차원에서 웨이브패킷 간 장거리, 간섭 무늬 유지 결합을 달성한다.
• 실험적 검증은 실험실 기준에서의 출력 스펙트럼 측정을 통해 수행되었으며, 고유주파수 도메인 모델링과의 일치를 보여 합성 격자의 존재를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산성 다색 DKS의 고유주파수 공간에서 합성 주파수 격자를 실현할 수 있는가? 이는 DKS가 분산을 필요로 하고, 합성 격자는 일반적으로 분산이 없는 시스템을 가정하기 때문에 본질적인 갈등이 존재한다.
• RQ2 전기광학 모odulation이 고주기 반복률 마이크로콤과 호환되지 않기 때문에, 외부 전기광학 모odulation에 의존하지 않고 DKS 고유주파수 공간에서 비선형 결합을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 군속도와 위상속도의 차이가 반복률 공간에 수직된 숨겨진 차원에서 비선형 혼합과 결합을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 종종 해로운 것으로 간주되는 고차 분산이, 복잡하고 장거리 결합을 가능하게 하기 위해 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ5 결과로 생성된 합성 격자가 고전적이고 통합된 광학 플랫폼에서 다수준 원자 시스템이나 위상학적 현상을 얼마나 잘 모방할 수 있는가?

주요 결과

• 1 THz 반복률 DKS의 고유주파수 공간에서 150 THz 이상의 대역폭을 갖는 합성 주파수 격자가 실험적으로 구현되었다.
• 비선형 결합은 DKS 웨이브패킷 성분 간 4파면 혼합 브라그 산란을 통해 발생하며, 캐비티 분산으로 인한 위상속도 불일치로 인해 발생한다. 이는 군속도가 동일한 상황에서도 가능하다.
• 전기광학 모odulation 없이도 전면 광학적 결합을 실현하여 고주기 반복률, 오크타브 스펙트럼 마이크로콤과 호환된다.
• 고유주파수 도메인에서의 이론적 모델링은 실험 관측 결과와 우수한 일치를 보이며, DKS 내 숨겨진 차원 존재를 확인한다.
• 고차 분산는 제약이 아니라 합성 격자에서 장거리 결합을 가능하게 하는 핵심 요소로 기능하며, 복잡하고 재구성 가능한 주파수 구조를 가능하게 한다.
• 합성 격자는 람다, 바이, 래더 원자 시스템과 유사한 구성 구조를 지원하며, 고전적 광학 시스템에서 원자 물리 현상을 모방할 수 있는 길을 열어준다.