[论文解读] Dual-microcomb generation in a synchronously-driven waveguide ring resonator

Yiqing Xu, Miro Erkintalo+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 32被引用 9

一句话总结

该论文首次通过同步驱动的电光脉冲序列，在单个集成石英波导环形谐振器中实现了双微梳的实验生成。通过同时泵浦两个正交偏振模族——利用谐振器的双折射特性，产生重复频率不同的梳状谱（3.23 GHz 和 3.2314874 GHz，相差 84 kHz）——该系统实现了与外部射频时钟同步的相干单孤子微梳，实现了在 20 nm 带宽内 26 pm 光谱分辨率的高分辨率光谱测量。

ABSTRACT

Microcombs -- optical frequency combs generated in coherently-driven nonlinear microresonators -- have attracted significant attention over the last decade. The ability to generate two such combs in a single resonator device has in particular enabled a host of applications from spectroscopy to imaging. Concurrently, novel comb generation techniques such as synchronous pulsed driving have been developed to enhance the efficiency and flexibility of microcomb generation. Here we report on the first experimental demonstration of dual-microcomb generation via synchronous pulsed pumping of a single microresonator. Specifically, we use two electro-optically generated pulse trains derived from a common continuous wave laser to simultaneously drive two orthogonal polarization modes of an integrated silica ring resonator, observing the generation of coherent dissipative Kerr cavity soliton combs on both polarization axes. Thanks to the resonator birefringence, the two soliton combs are associated with different repetition rates, thus realizing a dual-microcomb source. To illustrate the source's application potential, we demonstrate proof-of-concept spectroscopic measurements.

研究动机与目标

• 通过同步脉冲泵浦在单个微谐振器中实现双微梳生成，克服连续波泵浦的局限性。
• 利用集成石英波导环形谐振器中的双折射特性，实现正交偏振模的两种不同梳重复频率。
• 通过独立同步的脉冲序列，实现在两个偏振轴上同时、相干的耗散克尔腔孤子形成。
• 通过基于光纤布拉格光栅的原理验证实验，证明该源在光谱测量中的适用性。
• 通过脉冲驱动实现时间与频率锁定的双梳源，提升泵浦效率与可控性。

提出的方法

• 通过电光调制和频率偏移（∆f = fo + 3FSRs = 10.1 GHz）从单个连续波激光器生成两个正交偏振的脉冲序列。
• 电光梳发生器（EOCs）将连续波光束转换为超短脉冲序列（全宽半最大值 1.8 ps 和 2.5 ps），并分别锁定至具有 84 kHz 差异的独立射频时钟。
• 脉冲序列经掺铒光纤放大器（EDFAs）放大后，通过偏振 beam splitter 合并，并通过偏振控制器注入波导环形谐振器（WRR）。
• 通过在 1530 nm 波长处使用反向传播的辅助连续波激光实现热稳定，以实现单孤子梳操作。
• 利用光谱分析仪（OSA）和频谱分析仪（ESA）表征双梳输出，使用光波整形器抑制残留泵浦分量。
• 通过将双梳光束分为样品和参考光路进行光谱测量，从射频拍频信号中提取透射谱特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过同步脉冲泵浦而非连续波驱动，在单个微谐振器中实现双微梳生成？
• RQ2 能否在双折射波导环形谐振器的正交偏振模上，同时生成具有不同重复频率的两个相干耗散克尔腔孤子梳？
• RQ3 同步脉冲泵浦是否能相比连续波泵浦，实现对孤子数量的更好控制并提升泵浦到梳的转换效率？
• RQ4 该源能否实现具有明确定义光谱分辨率的高分辨率光谱测量？
• RQ5 该双梳源是否稳定且适用于光谱测量和测距等实际应用？

主要发现

• 该系统成功在单个波导环形谐振器的正交偏振模上生成了两个相干的耗散克尔腔孤子梳，且重复频率不同。
• 两个梳的重复频率差精确为 84 kHz，对应于生成脉冲序列所用的两个独立射频时钟之间的频率偏移。
• 光谱覆盖范围超过 1550 nm 附近的 20 nm，平均梳线间距为 3.23 GHz，光谱测量中测得分辨率为 26 pm。
• 射频谱显示在 6 dB 功率电平内超过 800 根谱线，证实了双梳态的相干性与稳定性。
• 对光纤布拉格光栅（带宽 250 GHz）的原理验证光谱测量显示，双梳测量结果与直接 OSA 测量结果高度一致，验证了系统的准确性。
• 双梳源实现了单孤子操作且射频噪声较低，表明其具有高相干性，且系统完全与外部电子时钟同步。