[论文解读] Soliton Microcomb Generation in a III-V Photonic Crystal Cavity

Alberto Nardi, Alisa Davydova+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 6

一句话总结

该论文展示了在使用啁啾光子晶体镜进行色散工程的III-V族磷化镓（GaP）光子晶体法布里-珀罗腔中，实现稳定的耗散克尔孤子（DKS）频率梳。仅需23.6 mW平均泵浦功率，作者便实现了60 fs孤子脉冲和3.0 THz带宽，得益于GaP的高非线性和高Q因子（1.2×10⁶），为在紧凑可集成平台上实现倍频带宽频率梳提供了新路径。

ABSTRACT

Photonic crystals, material structures in which the dielectric function varies periodically in one, two, or three dimensions, can provide exquisite control over the propagation and confinement of light. By tailoring their band structure, exceptional optical effects can be achieved, such as slow light propagation or, through the creation of photonic bandgaps, optical cavities with both a high quality factor and a small mode volume. Photonic crystal cavities have been used to realize compact nano-lasers and achieve strong coupling to quantum emitters, such as semiconductor quantum dots, color centers, or cold atoms. A useful attribute of photonic crystals is the ability to create chirped mirrors. Chirping has underpinned advances in ultra-fast lasers based on bulk mirrors, but has yet to be fully exploited in integrated photonics, where it could provide a means to engineer otherwise unattainable dispersion profiles for a range of nonlinear optical applications, including soliton frequency comb generation. The vast majority of integrated resonators for frequency combs make use of microring geometries, where only waveguide width and height are varied to engineer dispersion. Generation of frequency combs has been demonstrated with one-dimensional photonic crystal cavities made of silicon nitride, but the low index contrast prevents formation of broad soliton combs. We overcome these challenges by using a photonic-crystal Fabry-Pérot resonator made of gallium phosphide, a material with a high refractive index and a Kerr nonlinearity 200 times larger than that of silicon nitride. We employ chirped photonic crystal mirrors to provide anomalous dispersion. With subharmonic pulsed pumping at an average power of 23.6 mW, we are able to access stable dissipative Kerr frequency combs. We demonstrate soliton formation with a 3-dB bandwidth of 3.0 THz, corresponding to a pulse duration of 60 fs.

研究动机与目标

• 为克服氮化硅微环谐振腔在孤子微梳生成中的局限性，特别是其色散工程能力受限和非线性系数较低的问题。
• 利用磷化镓（GaP）的高克尔非线性和低双光子吸收特性，在集成平台上实现高效的孤子形成。
• 证明在基于GaP的法布里-珀罗腔中，使用啁啾光子晶体镜可实现对色散的精确调控，以获得反常群速度色散（GVD）。
• 在III-V集成平台上实现低泵浦功率和高Q因子条件下的稳定、宽带耗散克尔孤子（DKS）形成。

提出的方法

• 设计基于磷化镓（GaP）的光子晶体法布里-珀罗（PC-FP）腔，采用啁啾光子晶体镜（PCRs）以实现反常色散。
• 利用三段式模型（直波导、PCRs、锥形耦合器）进行色散仿真，通过FDTD和本征频率求解器从S参数计算群延迟。
• 采用有限差分时域（FDTD）仿真，从S11反射系数计算PCRs的相位和群延迟。
• 采用子谐波脉冲泵浦方案，在23.6 mW平均功率下激发腔内的DKS态。
• 通过光谱展宽和时间脉冲测量对孤子形成进行实验表征，利用定时抖动评估同步稳定性。
• 采用Lugiato-Lefever方程框架进行孤子形成的数值仿真，以验证观测到的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于GaP的PC-FP腔中，啁啾光子晶体镜是否能够实现耗散克尔孤子（DKS）形成所必需的反常色散？
• RQ2 在具有高非线性和高Q因子的GaP微梳平台上，启动稳定DKS态所需的最小泵浦功率是多少？
• RQ3 通过啁啾PCRs在GaP PC-FP腔中能实现多大程度的色散工程，以实现宽带孤子生成？
• RQ4 与传统平台相比，GaP的高克尔非线性（为Si3N4的200倍）如何影响孤子脉冲宽度和光谱带宽？
• RQ5 GaP的本征特性（包括其宽透明窗口和非零χ(2)非线性）是否可使同一器件实现谐波生成或参量振荡等附加功能？

主要发现

• 仅需23.6 mW平均泵浦功率，便在GaP光子晶体法布里-珀罗腔中实现了稳定的耗散克尔孤子（DKS）形成。
• 测得3 dB带宽为3.0 THz，对应60 fs孤子脉冲，表明具有高时间相干性。
• 该腔体实现了GaP谐振腔的纪录内在Q因子1.2×10⁶，支持低阈值孤子激发。
• 仅使用15个单元的啁啾光子晶体镜（PCRs）即在20 THz带宽内实现>90%高反射率，支持宽频带色散调控。
• 系统对子谐波泵浦脉冲列表现出约1.3 MHz的同步稳定性，表明孤子动力学具有强鲁棒性。
• 该平台可在GaP透明窗口（24–546 THz）内实现近乎任意的色散工程，具备实现倍频带宽频率梳的潜力。