[論文レビュー] Generation of Kerr soliton microcomb in a normally dispersed lithium niobate microdisk resonator by mode trimming

Botao Fu, Renhong Gao+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、モードトリミングを用いてモードクロスイングとラーマン散乱を抑制することで、正の群速度分散を示すリチウムニオブート酸化物マイクロディスクレゾネータにおいて Kerr ソリトンマイクロコムの生成を実証した。この技術により、異常分散や正確な分散設計を必要とせず、35 mW のポンプパワーでのみ、1450–1620 nm の広帯域ソリトン形成が可能となった。

ABSTRACT

Anomalous microresonator dispersion is mandatory for Kerr soliton microcomb formation, which depends critically on the geometry of the microresonator and can hardly be tuned after the structure is made. To date, cavity-based microcombs have only been generated with fundamental whispering gallery modes (WGMs) of anomalous dispersion in microresonators. Moreover, microcomb generation in highly Raman-active platforms such as lithium niobate (LN) microresonators frequently suffers from stimulated Raman scattering and mode crossing due to the existence of multiple families of high-order WGMs. Here, we reveal a unique Kerr soliton microcomb generation mechanism through mode trimming in a weakly perturbed LN microdisk resonator. Remarkably, the soliton comb is generated with fundamental WGMs of normal dispersion and free from the mode crossing and Raman scattering effects. A robust soliton with a spectrum spanning from 1450 nm to 1620 nm at an on-chip pump power of 35 mW. Our discovery offers a powerful solution to circumvent the stringent requirements on high-precision dispersion engineering and termination of Raman excitation for soliton generation in the high-Q microdisk.

研究の動機と目的

• マイクロレゾネータにおける Kerr ソリトンマイクロコム生成に必要な異常分散の厳密な要件を克服すること。
• 高ラーマン活性なリチウムニオブート酸化物マイクロレゾネータにおけるモードクロスイングと誘導ラーマン散乱を軽減すること。
• 正の分散を示す状態でも、基本モードのウィスパリング・ギャラリー・モード（WGM）でソリトンマイクロコム動作を可能とすること。
• 正確な分散チューニングを必要とせず、プロセス後処理に適合する堅牢なソリトン生成手法の開発

提案手法

• 弱い摂動を加えたリチウムニオブート酸化物マイクロディスクレゾネータを用いて、モードトリミング効果を発現させた。
• モードトリミングを適用し、高次 WGM を選択的に抑制しながら、基本 WGM を保持した。
• 1550 nm の連続波オンチップポンプを用いて、正の分散を示すキャビティ内の基本 WGM を励起した。
• スペクトルおよび時間的特性測定を用いて、消費的 Kerr ソリトンの形成を確認した。
• 安定したソリトン状態を得るため、ポンプパワーおよびレゾネータ幾何形状の最適化を行った。
• 分散およびモードプロファイルの解析により、モードクロスイングおよびラーマン増幅効果の不在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正の分散を示すリチウムニオブート酸化物マイクロディスクレゾネータで Kerr ソリトンマイクロコムを生成できるか？
• RQ2 モードトリミングは、高ラーマン活性プラットフォームにおけるモードクロスイングおよびラーマン散乱を効果的に抑制できるか？
• RQ3 異常群速度分散を必要とせずに安定したソリトン形成が可能か？
• RQ4 これらの条件下で、ソリトン生成に必要なスペクトル帯域幅およびポンプパワーは何か？

主な発見

• 正の群速度分散を示すリチウムニオブート酸化物マイクロディスクレゾネータで、1450 nm から 1620 nm の広帯域 Kerr ソリトンマイクロコムが生成された。
• わずか 35 mW のオンチップポンプパワーでのソリトン形成が達成され、高い効率性を示した。
• モードトリミングにより高次 WGM とラーマン散乱が効果的に抑制され、安定したソリトン動作が実現した。
• 正の分散を示すキャビティ内の基本 WGM が、プロセス後処理における分散チューニングを必要とせず、強固なソリトン形成を可能とした。
• スペクトルおよび時間的測定により、モードクロスイングおよびラーマン増幅効果の不在が確認された。