[论文解读] A self-starting bi-chromatic LiNbO3 soliton microcomb

Yang He, Qi‐Fan Yang+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 44

一句话总结

本文展示了在单片化铌酸锂微共振腔中实现的Kerr孤子微梳，其通过光折变效应自启动，支持双向孤子切换，并实现孤子谱的片上二次谐波产生，用于f-to-2f自参照。

ABSTRACT

For its many useful properties, including second and third-order optical nonlinearity as well as electro-optic control, lithium niobate is considered an important potential microcomb material. Here, a soliton microcomb is demonstrated in a monolithic high-Q lithium niobate resonator. Besides the demonstration of soliton mode locking, the photorefractive effect enables mode locking to self-start and soliton switching to occur bi-directionally. Second-harmonic generation of the soliton spectrum is also observed, an essential step for comb self-referencing. The Raman shock time constant of lithium niobate is also determined by measurement of soliton self-frequency-shift. Besides the considerable technical simplification provided by a self-starting soliton system, these demonstrations, together with the electro-optic and piezoelectric properties of lithium niobate, open the door to a multi-functional microcomb providing f-2f generation and fast electrical control of optical frequency and repetition rate, all of which are critical in applications including time keeping, frequency synthesis/division, spectroscopy and signal generation.

研究动机与目标

• 在高Q铌酸锂微共振腔中实现Kerr孤子模锁
• 利用光折变效应实现自启动孤子形成和双向切换
• 观测并分析在LN内的孤子谱的二次谐波产生
• 表征孤子自频移以确定LN的拉曼冲击时间
• 讨论对集成计量、频率合成和片上f-to-2f参照的影响。

提出的方法

• 制备一个z-cut高Q铌酸锂微共振腔，负载Q≈2.2×10^6，FSR≈199.7 GHz。
• 泵浦该腔并扫描激光频率以诱导Kerr驱动的红失谐，同时利用光折变非线性来稳定并自启动孤子。
• 通过FROG和外差拍频测量梳谱、泵浦透射和脉冲相干性。
• 观察孤子谱的二次谐波产生，并将谱与单孤子态和孤子晶体态联系起来。
• 用Lugiato-Lefever方程建模动力学以证实自启动机制。
• 通过改变失谐和泵浦功率来表征孤子自频移，以提取LN的拉曼冲击时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kerr孤子是否能在铌酸锂微共振腔中稳定产生？
• RQ2 光折变效应是否使LN中的孤子态实现自启动和双向切换？
• RQ3 LN孤子是否能在片上实现二次谐波产生，从而实现f-to-2f自参照？
• RQ4 LN中的拉曼诱导孤子自频移及其与脉宽的关系是什么？

主要发现

• 在LN微共振腔中展示了具有sech^2光谱包络的单孤子态和多孤子态。
• 孤子形成因光折变效应而自启动，实现了无需外部触发的稳定化。
• 观测到孤子谱的二次谐波产生，包括对孤子晶体态，且具有可比的sech^2包络。
• 在电信波段测得单孤子3-dB带宽约27.9 nm，二次谐波3-dB带宽约9 nm。
• 发现由缓慢的光折变响应与快速Kerr动力学耦合所驱动的双向孤子切换。
• 通过孤子自频移与1/τ_s^4的线性关系，确定LN的拉曼冲击时间τ_R≈6.3 fs，表明其拉曼效应大于纯石英玻璃。