[論文レビュー] Kerr-microresonator solitons for accurate carrier-envelope-frequency stabilization

Travis C. Briles, Jordan R. Stone+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 42被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、シリコンナイトライドと酸化ケイ素の共振器を組み合わせた相互接続構成を用いて、オンチップのケル・マイクロレゾネータ周波数コンブでキャリア・エンvelope周波数を安定化することを示した。これにより、分数周波数誤差が3×10⁻¹⁶未満に達した。システムは170 THzの帯域幅を持つ数サイクル、1 psパルスを生成し、チップに結合されるパワーが250 mW未塔であるため、時刻計測および超高速メトロロジー分野における正確な光周波数合成が可能になった。

ABSTRACT

Carrier-envelope phase stabilization of optical pulses enables exquisitely precise measurements by way of direct optical-frequency synthesis, absolute optical-to-microwave phase conversion, and control of ultrafast waveforms. We report such phase stabilization for Kerr-microresonator frequency combs integrated on silicon chips, and verify their fractional-frequency inaccuracy at <3x10-16. Our work introduces an interlocked Kerr-comb configuration comprised of one silicon-nitride and one silica microresonator, which feature nearly harmonic repetition frequencies and can be generated with one laser. These frequency combs support an ultrafast-laser regime with few-optical-cycle, 1-picosecond-period soliton pulses and a total dispersive-wave-enhanced bandwidth of 170 THz, while providing a stable phase-link between the optical and microwave domains. To accommodate low-power and mobile application platforms, our phase-locked frequency-comb system operates with <250 mW of chip-coupled power. Our work establishes Kerr-microresonator combs as a viable technology for applications like optical-atomic timekeeping, optical synthesis, and related directions.

研究の動機と目的

• 高精度な光測定に向け、オンチップ周波数コンブにおけるキャリア・エンvelope位相の安定化を達成すること。
• コンactで低消費電力のマイクロレゾネータベース周波数コンブにおけるキャリア・エンvelopeオフセット周波数の安定化という課題に対処すること。
• 少数の光周期パルスを生成できる安定で広帯域の周波数コンブを実現する二重レゾネータ相互接続構成を示すこと。
• チップに結合されるパワーを250 mW未塔に抑えることで、低消費電力およびモバイルプラットフォームへの実用的展開を可能にすること。
• ケル・マイクロレゾネータコンブが光原子時刻計測および直接光周波数からマイクロ波周波数への位相変換に実用的であるプラットフォームとして確立されること。

提案手法

• シリコンナイトライドと酸化ケイ素のマイクロレゾネータを用いた相互接続構成を採用し、ほぼ調和的な繰返し周波数を実現することで位相ロックを可能にした。
• マイクロレゾネータ内での散乱Kerrソリトン形成により、数サイクル、1ピコ秒周期のソリトンパルスが生成された。
• 分散波強化による帯域幅170 THzを達成し、正確な周波数合成に適した広帯域スペクトルカバレッジを実現した。
• 一つのレーザーが両レゾネータをポンプすることで、整合的な結合が可能になり、安定化システムの簡素化が図られた。
• 周波数コンブをマイクロ波信号に参照することで、位相ロックループを用いたアクティブフィードバック制御によりキャリア・エンvelope周波数の安定化が達成された。
• チップに結合される光パワーが250 mW未塔で動作するため、低消費電力およびポータブルプラットフォームとの互換性が確保された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップケル・マイクロレゾネータ周波数コンブにおいて、高い安定性と低消費電力でキャリア・エンvelope周波数の安定化を達成できるか。
• RQ2 ほぼ調和的な繰返し周波数を持つ二つのマイクロレゾネータを、どのように整合的に結合して安定な周波数コンブ動作を実現できるか。
• RQ3 このようなシステムで達成可能な分数周波数誤差はどの程度か。また、光原子時刻計測の要件を満たせるか。
• RQ4 位相整合性を維持しながら、広帯域スペクトル帯域を有する少数光周期パルスを生成できるか。
• RQ5 コンパクトでチップ統合型のプラットフォームで安定ソリトン動作を維持するために必要なパワーはどの程度か。

主な発見

• システムは分数周波数誤差が3×10⁻¹⁶未塔に達し、高精度なキャリア・エンvelope位相安定化を実証した。
• 相互接続された二重レゾネータ構成により、ほぼ調和的な繰返し周波数と一つのポンプレーザーからの整合的結合を実現し、安定な動作が可能になった。
• 1ピコ秒周期のソリトンパルスが少数光周期の持続時間で生成され、超高速波形制御が可能になった。
• 分散波強化によるスペクトル拡張により、合計170 THzの帯域幅が達成され、広帯域周波数コンブ動作を支援した。
• 位相ロック済み周波数コンブシステム全体が、チップに結合されるパワーが250 mW未塔で動作し、低消費電力およびモバイル用途に適した。
• 本結果により、オンチップケル・マイクロレゾネータコンブが光原子時刻計測、光周波数合成、および関連する高精度メトロロジー応用分野の実用的プラットフォームとして確立された。