[論文レビュー] Self-referencing of an on-chip soliton Kerr frequency comb without external broadening

Victor Brasch, Erwan Lucas+3 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 49被引用数 45

ひとこと要約

本論文は、外部のスペクトル拡張を用いずに、オンチップに統合されたソリトンKerr周波数コンブを自己参照する手法を示している。時間的散逸Kerrソリトン形成とソリトンCherenkov放射を用いて、2/3オクターブのコherent帯域幅を生成し、2f-3f方式による安定した自己参照を達成した。連続波転送レーザーを用いた2f-3f方式により、オフセット周波数およびポンプレーザーの光学周波数の正確な測定と追跡が可能となり、オンチップ統合型マイクロ波から光へのクロックワークの実現可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Self-referencing turns pulsed laser systems into self-referenced frequency combs. Such frequency combs allow counting of optical frequencies and have a wide range of applications. The required optical bandwidth to implement self-referencing is typically obtained via nonlinear broadening in optical fibers. Recent advances in the field of Kerr frequency combs have provided a path towards the development of compact frequency comb sources that provide broadband frequency combs, exhibit microwave repetition rates and that are compatible with on-chip photonic integration. These devices have the potential to significantly expand the use of frequency combs. Yet to date self-referencing of such Kerr frequency combs has only been attained by applying conventional, fiber based broadening techniques. Here we demonstrate external broadening-free self-referencing of a Kerr frequency comb. An optical spectrum that spans two-thirds of an octave is directly synthesized from a continuous wave laser-driven silicon nitride microresonator using temporal dissipative Kerr soliton formation and soliton Cherenkov radiation. Using this coherent bandwidth and two continuous wave transfer lasers in a 2f-3f self-referencing scheme, we are able to detect the offset frequency of the soliton Kerr frequency comb. By stabilizing the repetition rate to a radio frequency reference the self-referenced frequency comb is used to count and track the continuous wave pump laser's frequency. This work demonstrates the principal ability of soliton Kerr frequency combs to provide microwave-to-optical clockworks on a chip.

研究の動機と目的

• 外部のファイバーを用いたスペクトル拡張に依存せずに、オンチップに統合されたソリトンKerr周波数コンブの自己参照を達成すること。
• シリコンナイトライドマイクロレゾネータ内でのソリトンダイナミクスにより、自己参照に十分なコherentスペクトル帯域幅が内部から生成されることを実証すること。
• マイクロ波から光への周波数コンブシステムを完全に統合し、高精度な光周波数カウンティングを可能にするチップベースのシステムを確立すること。
• 商業用周波数コンブを用いたループ外比較により、オフセット周波数の測定を検証すること。
• 安定化されたコンブを用いて、連続波ポンプレーザーの周波数を追跡可能にする

提案手法

• 連続波レーザーをシリコンナイトライドマイクロレゾネータに結合し、時間的散逸Kerrソリトンを励起することで、ソリトンCherenkov放射によって広帯域周波数コンブを生成する。
• 得られたコンブは2/3オクターブにわたる帯域幅を有し、外部拡張なしで自己参照に十分な帯域幅を提供する。
• 150 THzおよび225 THzの2つの位相ロックされた連続波転送レーザーを用いて、2f-3f自己参照方式を実装する。
• 転送レーザーの周波数を2倍および3倍にした周波数間の混合周波数を測定することで、オフセット周波数を測定する。
• 繰り返し周波数をラジオ周波数基準に安定化させ、マイクロ波から光領域への位相整合周波数カウンティングを可能にする。
• ポンプレーザー周波数をKerrコンブから導出するループ外測定を、商業用自己参照周波数コンブと比較することで、正確性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部のスペクトル拡張を用いずに、オンチップKerr周波数コンブの自己参照が可能か？
• RQ2 ソリトンダイナミクスとCherenkov放射によって生成されるスペクトル帯域幅は、2f-3f自己参照に十分か？
• RQ3 統合部品と外部の転送レーザーのみを用いて、オンチップコンブのオフセット周波数を高精度で測定・安定化できるか？
• RQ4 自己参照コンブを用いて、連続波ポンプレーザーの周波数を正確に追跡できるか？
• RQ5 チップベースのシステムの性能は、従来のファイバーを用いた周波数コンブと同等か？

主な発見

• 著者らは、外部のスペクトル拡張を一切用いずに、内在的なソリトンダイナミクスに依存するオンチップ統合型ソリトンKerr周波数コンブの自己参照を成功裏に実証した。
• 生成された周波数コンブは2/3オクターブのコherent帯域幅を有し、2f-3f自己参照に十分な帯域幅を提供する。
• コンブのオフセット周波数は約159.71 GHzと測定され、f2f3f混合周波数の変動によりドリフトがモニタリングされた。
• 商業用周波数コンブを用いたループ外比較では、160秒間の測定で平均172 Hzのガウス分布に従う良好な一致が得られた。
• システムは、ポンプレーザーの周波数変動をコンブのオフセット周波数にマッピングすることで、連続波ポンプレーザー周波数の高精度な追跡を可能にした。
• 結果は、光計測およびマイクロ波から光への周波数合成に応用可能な、完全に統合された自己参照型周波数コンブの実現可能性を裏付けた。