[논문 리뷰] Gain-assisted chiral soliton microcombs

Teng Hwang Tan, Hao-Jing Chen외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 28.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 패키지화된 에rbium 도핑된 실리카 마이크로레조너에서 활성 레이저 매체를 통합함으로써, 처음으로 이득 보정된 나비에트 솔리톤 마이크로콤을 구현하였다. 이는 믹서 제어 및 조절 가능한 双콤 생성을 가능하게 한다. 상호 모드 결합과 에rbium 이득에 의해 구동되는 솔리톤 슬링샷 효과는 솔리톤 접근 범위를 18 GHz로 확장하고, 0.14 µs의 on-off 지연과 7 MHz의 변조 대역폭을 갖는 반대 방향 솔리톤 이면성 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The emerging microresonator-based frequency combs revolutionize a broad range of applications from optical communications to astronomical calibration. Despite of their significant merits, low energy efficiency and the lack of all-optical dynamical control severely hinder the transfer of microcomb system to real-world applications. Here, by introducing active lasing medium into the soliton microcomb, for the first time, we experimentally achieve the chiral soliton with agile on-off switch and tunable dual-comb generation in a packaged microresonator. It is found that such a microresonator enables a soliton slingshot effect, the rapid soliton formation arising from the extra energy accumulation induced by inter-modal couplings. Moreover, tuning the erbium gain can generate versatile multi-soliton states, and extend the soliton operation window to a remarkable range over 18 GHz detuning. Finally, the gain-assisted chirality of counterpropagating soliton is demonstrated, which enables an unprecedented fast on-off switching of soliton microcombs. The non-trivial chiral soliton formation with active controllability inspires new paradigms of miniature optical frequency combs and brings the fast tunable soliton tools within reach.

연구 동기 및 목표

• 마이크로레조너 주파수 콤의 낮은 에너지 효율성과 모든 광학적 동적 제어의 부족을 해결하기 위해.
• 작고 패키지화된 마이크로콤 시스템에서 솔리톤 이면성과 on-off 스위칭의 능동적 실시간 제어를 가능하게 하기 위해.
• 통합된 에rbium 이득과 상호 모드 결합을 통해 솔리톤 작동 창을 연장하고 스펙트럼 범위를 향상시키기 위해.
• 실용적인 응용을 위한 광학 센싱 및 통신 분야에서 조절 가능한 이중콤 분광법과 초고속 스위칭을 구현하기 위해.

제안 방법

• 980 nm 펌프 레이저를 사용하여 광학적 이득과 능동적 레이저를 제공하기 위해 에rbium 도핑된 실리카 마이크로스피어 레조너를 통합한다.
• 고 품질 인자 (>10^8)를 갖는 마이크로레조너에서 4파면 혼합을 통해 솔리톤 형성을 유도하기 위해 1550 nm의 테이블러블 ECDL을 사용한다.
• 감쇠된 섬유를 사용하여 마이크로스피어 레조너에서 빛을 자극하고 수확한다.
• 10 fs 샘플링 해상도를 갖는 주파수 분해 광 게이팅(FROG)을 사용하여 솔리톤 펄스 길이와 반복 주파수를 측정한다.
• 980 nm 제어 레이저를 사용하여 공진향 및 반대 방향 모드의 비대칭 굴절률 조절을 통해 솔리톤 이면성의 능동적 제어를 수행한다.
• 이득과 모드 결합 조건 하에서 솔리톤 진화 및 임계 조건을 시뮬레이션하기 위해 Lugiato-Lefever 방정식(LLE)을 사용한 수치 모델링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로레조너 내에서 광학적 이득이 솔리톤 이면성과 on-off 스위칭의 동적 전면 광학적 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 상호 모드 결합과 에rbium 이득이 솔리톤 슬링샷 효과와 솔리톤 접근 범위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 활성 이득 조절을 통해 솔리톤 작동 창을 어느 정도까지 연장할 수 있는가?
• RQ4 반대 방향 솔리톤을 독립적으로 제어하여 조절 가능한 이중콤 생성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 이득 보정 나비에트 솔리톤 마이크로콤에서 도달 가능한 스위칭 속도와 차단 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 솔리톤 슬링샷 효과는 상호 모드 결합과 이득 유도 에너지 축적 덕분에 빠른 솔리톤 형성을 가능하게 하며, 100 mW 제어 레이저 출력에서 최대 18 GHz의 솔리톤 접근 범위를 확보한다.
• 100 mW 제어 레이저 출력에서 솔리톤 스펙트럼 범위는 115 nm에 도달하며, 0 mW일 때의 66 nm보다 현저히 넓어진다.
• 공진향 솔리톤의 on-off 스위칭은 0.14 µs 지연 시간과 3-dB 차단 비율을 보이며, 이는 7 MHz의 변조 대역폭에 해당한다.
• 48.6 MHz에서 반대 방향 솔리톤 간의 비트 노트는 제어 레이저 출력 증가에 따라 증가하는 주파수 오프셋을 보이며, 능동적 이면성 제어를 확인한다.
• 시스템은 다양한 다중 솔리톤 상태를 지원하며, 18 GHz 이상의 디튜닝 범위에서 솔리톤 작동 창을 연장하여 조절 가능한 이중콤 분광법을 가능하게 한다.
• 이득 보정 나비에트 솔리톤 마이크로콤은 패키지화된 장치에서 구현되어 광학 통신 및 센싱 분야에서 실용적 구현을 가능하게 한다.