[論文レビュー] Photonic chip-based resonant supercontinuum

Miles Anderson, Romain Bouchand+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、1 psパルス（ピークパワー約1 W）で駆動される分散設計されたSi₃N₄マイクロレゾネータを用いたフォトニックチップベースの共鳴型スーパーコンtinウム生成器を提案する。28 GHz繰返し周波数で2,200ラインの平坦な周波数コムを達成し、これまでに報告された中で最高の帯域幅-ライン数積を実現した。この手法により、入力パルスと弱結合状態にある散乱Kerrソリトンを安定化させることで、マイクロ波繰返し周波数と互換性のあるパワー領域でコherentで広帯域のスーパーコンチニウム生成が可能となり、レゾネータの減衰レートの100倍低い周波数でもノイズ伝搬が抑制された。

ABSTRACT

Supercontinuum generation in optical fibers is one of the most dramatic nonlinear effects discovered, allowing short pulses to be converted into multi-octave spanning coherent spectra. However, generating supercontinua that are both coherent and broadband requires pulses that are simultaneously ultrashort with high peak power. This results in a reducing efficiency with increasing pulse repetition rate, that has hindered supercontinua at microwave line spacing, i.e. 10s of GHz. Soliton microcombs by contrast, can generate octave-spanning spectra, but with good conversion efficiency only at vastly higher repetition rates in the 100s of GHz. Here, we bridge this efficiency gap with resonant supercontinuum, allowing supercontinuum generation using input pulses with an ultra-low 6 picojoule energy, and duration of 1 picosecond, 10-fold longer than what is typical. By applying synchronous pulse-driving to a dispersion-engineered, low-loss Si$_3$N$_4$ photonic chip microresonator, we generate dissipative Kerr solitons with a strong dispersive wave, both bound to the input pulse. This creates a smooth, flattened 2,200 line frequency comb, with an electronically detectable repetition rate of 28 GHz, constituting the largest bandwidth-line-count product for any microcomb generated to date. Strikingly, we observe that solitons exist in a weakly bound state with the input pulse, stabilizing their repetition rate, but simultaneously allowing noise transfer from one to the other to be suppressed even for offset frequencies 100 times lower than the linear cavity decay rate. We demonstrate that this nonlinear filtering can be enhanced by pulse-driving asynchronously, in order to preserve the coherence of the comb. Taken together, our work establishes resonant supercontinuum as a promising route to broadband and coherent spectra.

研究の動機と目的

• マイクロ波繰返し周波数システムとの互換性を制限する従来のスーパーコンチニウム生成におけるkWレベルの高ピークパワー要件を克服すること。
• チップスケール統合を用いて10 GHz台の繰返し周波数でコherentで広帯域のスーパーコンチニウム生成を可能とすること—光学周波数分割、ラマンイメージング、通信に最適。
• 入力パルスと弱結合状態にある散乱Kerrソリトンを安定化させることで、ノイズ伝搬を抑制しながらコherenct性を維持すること。
• 低ピークパワー（1 W）とピコ秒パルスで高い効率でオクターブスパンのスペクトルを達成する共鳴型スーパーコンチニウムメカニズムを実証すること。
• 同期パルス駆動とSi₃N₄マイクロレゾネータ内の非線形フィルタリングを活用することで、チップ上に高コヒーレンスで広帯域の周波数コムを実現する新規ルートを確立すること。

提案手法

• 散乱Kerrソリトン（DKS）形成を可能にする分散設計された低損失Si₃N₄フォトニックチップマイクロレゾネータを採用。負荷Qファクターは1.8×10⁶、FSRは27.88 GHz。
• CWレーザーの電気光変調を用いて1 psパルス列（有効ピークパワー約900 mW）を生成し、13.94 GHzのRF信号を用いて段階的位相変調器を駆動。
• パルスとソリトンの同期駆動を実施し、ソリトンを入力パルスにロックすることで、コherentエネルギー移動を実現するとともに、非線形フィルタリングによる位相ノイズ抑制を達成。
• マハチゾーナー変調器と分散補償ファイバーを用いて、パルスを約1.4 psに整形し、残存する正のチルプを最適化し、スペクトル拡張を促進。
• 高次分散およびラーマン効果を無視した簡略化パラメータを用いたLugiato-Lesihre方程式（LLE）を用いて、ノイズ伝搬とソリトン安定性を解析。
• 出力特性を光学スペクトル解析、ビートノート測定、FROG再構成を用いて評価し、コムのコヒーレンスとスペクトル平坦性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 W程度のピークパワーで10 GHz台の繰返し周波数で共鳴型スーパーコンチニウム生成が可能となり、kWレベルの光源を回避できるか？
• RQ2 入力パルスと散乱Kerrソリトンの弱結合状態がノイズ伝搬とコムコヒーレンスに与える影響は何か？
• RQ3 レゾネータの減衰レートの100倍低い周波数でも、非線形フィルタリングが位相ノイズをどれほど抑制できるか？
• RQ4 共鳴型スーパーコンチニウム生成を用いたチップ上マイクロコムで達成可能な最大の帯域幅-ライン数積は何か？
• RQ5 非同期パルス駆動は、生成された周波数コムのコヒーレンスと安定性をさらに向上させ得るか？

主な発見

• 28 GHz繰返し周波数で2,200ラインの平坦な周波数コムが生成され、これまでに報告された中で最高の帯域幅-ライン数積を達成した。
• コムは優れたコヒーレンスを示し、1560–1620 nm帯でビートノートを測定（μ = -45 から -300）し、安定した位相ロックと低位相ノイズを確認した。
• ソリトン繰返し周波数のビートノートは安定で、電子的に検出可能であり、コム構造全体のコヒーレンスを裏付けた。
• レゾネータの減衰レートの100倍低い周波数（100 MHz）でのRFソースからのノイズ伝搬が20 dB以上抑制された。これは効果的な非線形フィルタリングを示した。
• 散乱Kerrソリトンは入力パルスと弱結合状態に保たれ、安定な動作とノイズ抑制を実現しながらも、高いスペクトル平坦性を維持した。
• チップに結合された有効ピークパワーは約900 mWであり、低入力パワーでも高い変換効率を達成した。これはチップスケール応用の実現可能性を示した。