[논문 리뷰] Temporal solitons in a coherently driven active resonator

Nicolas Englebert, Carlos Mas Arabí외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 30.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 66인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 레이저 기반 및 수동 공진기 플랫폼의 장점을 융합하여, 레이저의 고출력과 수동 공진기의 저시간 잡음 특성을 동시에 확보하고자, 내부 증폭과 위상 일치 주입을 조합한 하이브리드 일관된 주입 방식의 활성 공진기를 제안한다. 이는 저미세도 공진기(3%의 유효 손실)에서 최대 10%의 출력을 추출하면서도, 증폭된 자발적 방출(ASE)의 영향을 최소화하여 안정적인 고출력 펄스 열을 생성한다.

ABSTRACT

Optical frequency combs are lightwaves composed of a large number of equidistant spectral lines. They are important for metrology, spectroscopy, communications and fundamental science. Frequency combs are most often generated by exciting dissipative solitons in lasers or in passive resonators, both of which suffer from significant limitations. Here, we show that the advantages of each platform can be combined. We introduce a novel kind of soliton, called active cavity soliton, hosted in coherently driven lasers pumped below the lasing threshold. We use an active fibre resonator and measure high peak power solitons on a low power background, in excellent agreement with simulations of a generalized Lugiato-Lefever equation. Moreover, we find that amplified spontaneous emission has negligible impact on the soliton's stability. Our results open up novel avenues for frequency comb formation by showing that coherent driving and incoherent pumping can be efficiently combined to generate a high-power ultra-stable pulse train.

연구 동기 및 목표

• 레이저 기반 및 수동 공진기 플랫폼의 장점을 융합하여 전통적인 주파수 조합 소스의 한계를 극복한다.
• 레이저에서 유도되는 고출력과 수동 공진기에서 기인하는 저시간 잡음 사이의 상충 관계를 해결한다.
• 일관된 주입 공진기 내에서 내부 증폭이 효율적인 솔리톤 형성과 향상된 에너지 추출을 가능하게 함을 입증한다.
• 일관된 주입 조건 하에서 저미세도, 활성 도핑된 공진기에서 솔리톤의 안정성과 스펙트럼 특성을 조사한다.
• 증폭된 자발적 방출이 솔리톤 안정성에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작아, 높은 간섭성 주파수 조합을 가능하게 함을 보여준다.

제안 방법

• 1480 nm에서 주입되는 짧은 에르븀 도핑된 섬유(EDF)를 이용해 레이저 임계값 이하의 내부 증폭을 제공하는 50 m 길이의 섬유 공진기 사용.
• 1550 nm의 좁은 대역폭 레이저로 공진기를 일관되게 주입하며, 펄스 동기 주입을 위해 진폭과 위상을 조절한다.
• 결합 및 추출 효율을 제어하기 위해 90/1 또는 99/1 커플러를 입력/출력 포트로 사용.
• 출력 커플러로부터의 피드백을 통해 레이저 주파수를 공진기 공명에 고정하는 PID 제어기를 사용해 공진기 안정화.
• 광 스펙트럼 분석기, 고속 광다이오드, 옛스코프, RF 스펙트럼 분석기 및 대역통과 필터를 사용해 펄스 신호를 분리하고 솔리톤 특성 분석.
• 주입 레이저 파장 중심에 1 nm 대역폭의 대역통과 필터를 사용해 증폭된 자발적 방출(ASE) 억제.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 증폭이 레이저 임계값 이하에서 작용하는 일관된 주입 방식의 활성 공진기에서 시간적 소산 솔리톤을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 증폭과 일관된 주입을 조합함으로써 저미세도 공진기에서 출력 추출 효율을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 이러한 하이브리드 시스템에서 증폭된 자발적 방출은 솔리톤 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 플랫폼에서 솔리톤은 레이저와 수동 공진기 플랫폼의 장점을 모두 확보한 고출력 및 저시간 잡음 특성을 갖출 수 있는가?
• RQ5 안정적인 단일 또는 다중 솔리톤 상태를 생성하기 위한 최적의 디튜닝 및 주입 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 시스템은 내부 공진기 에너지의 최대 10%를 추출하는 새로운 유형의 시간적 솔리톤—활성 공진기 솔리톤(ACSs)—을 생성한다.
• 유효 공진기 손실은 최소 3%에 불과하여 저미세도임에도 불구하고 효율적인 에너지 추출이 가능하다.
• 솔리톤은 안정적이며 낮은 위상 잡음을 나타내며, 세그-형 스펙트럼을 보이며, 증폭된 자발적 방출의 영향을 거의 받지 않는다.
• 디튜닝 조절을 통해 단일 및 다중 ACSs를 생성할 수 있으며, 단일 솔리톤의 경우 D=250, 다중 솔리톤의 경우 D=6에서 안정된 동작가능성이 확인되었다.
• 최대 내부 공진기 출력은 215 µW, Q 인자는 122억이며, 자유 스펙트럼 범위는 3.969 MHz이다.
• RF 측정 결과에서 낮은 시간 잡음이 확인되었으며, 위상 잡음 수준은 고안정성 주파수 조합 동작과 일치한다.