[论文解读] Competition between Raman and Kerr effects in microresonator comb generation

Yoshitomo Okawachi, Mengjie Yu+6 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文研究了在晶态微腔中拉曼与克尔非线性之间的竞争对频率梳生成的影响。结果表明，通过调节自由光谱范围（FSR），使拉曼增益峰位于腔模之间，可有效抑制拉曼效应，从而实现纯克尔梳的生成；这一方法设定了微腔尺寸的最大允许值，尤其在金刚石等高拉曼材料中尤为关键。

ABSTRACT

We investigate the effects of Raman and Kerr gain in crystalline microresonators and determine the conditions required to generate modelocked frequency combs. We show theoretically that strong, narrowband Raman gain determines a maximum microresonator size allowable to achieve comb formation. We verify this condition experimentally in diamond and silicon microresonators and show that there exists a competition between Raman and Kerr effects that leads to the existence of two different comb states.

研究动机与目标

• 理解强拉曼增益在晶态微腔中对克尔频率梳生成可行性造成的限制。
• 识别拉曼与克尔效应竞争的条件，从而导致不同的梳态。
• 确定在强拉曼增益存在下仍能实现稳定锁模克尔梳运行的最大微腔尺寸。
• 在具有可控FSR和泵浦失谐的金刚石与硅微腔中，实验验证理论预测。
• 证明通过FSR工程抑制拉曼效应可实现从拉曼振荡到纯克尔梳态的转变。

提出的方法

• 使用洛伦兹谱形对拉曼与克尔增益进行理论建模：$ g_R(\delta) = g_R / (1 + 4\delta^2 / \Gamma_R^2) $，其中 $ \delta $ 为相对于拉曼峰的失谐。
• 推导有效拉曼增益抑制的条件：$ \delta / \Gamma_R > \sqrt{g_R / g_K} / 2 $，确保拉曼增益相对于参量（克尔）增益被抑制。
• 利用FSR为787–417 GHz（金刚石）和176–70.7 GHz（硅）的数值模拟，对金刚石与硅微腔中的梳生成进行仿真，泵浦波长分别为790 nm和3100 nm。
• 在FSR = 128 GHz的硅微腔中进行实验验证，通过调节泵浦-腔体失谐以实现拉曼主导与克尔主导的梳态。
• 对模拟与实验的梳动力学进行时域与频谱分析，以识别孤子形成、拉曼激光与非简并四波混频过程。
• 通过FSR工程使拉曼增益峰位于相邻腔模之间，从而最小化与共振斯托克斯模的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强拉曼增益存在下，允许稳定克尔梳生成的最大微腔尺寸是多少？
• RQ2 自由光谱范围（FSR）如何影响晶态微腔中拉曼与克尔非线性之间的竞争？
• RQ3 能否通过抑制拉曼振荡来实现纯克尔梳的生成？在何种FSR条件下可实现这一目标？
• RQ4 泵浦-腔体失谐在硅微腔中从拉曼主导过渡到克尔主导梳态的过程中起什么作用？
• RQ5 拉曼与克尔增益系数（$ g_R $ 与 $ g_K $）的相对大小如何决定两种不同梳态的存在？

主要发现

• 在金刚石中，$ g_K = 0.2 $ cm/GW 且 $ g_R = 26 $ cm/GW（波长800 nm），拉曼增益比克尔增益强130倍，因此需FSR > 70.7 GHz才能抑制拉曼效应。
• 在硅中波长为3100 nm时，$ g_K \approx 0.03 $ cm/GW 且 $ g_R \approx 3 $ cm/GW，拉曼与克尔增益相当，可通过调节失谐实现拉曼与克尔梳态之间的转换。
• 在硅微腔（FSR = 128 GHz）中的实验结果表明存在两种截然不同的梳态：一种在3700 nm处具有强拉曼谱线（为拉曼频移的1/9），另一种则无，对应多孤子形成。
• 数值模拟显示，在FSR = 129 GHz时，随着泵浦失谐增加，拉曼振荡被抑制，进而实现多孤子形成，最终形成单孤子。
• 在硅的中等FSR范围（70.7–176 GHz）内，拉曼与克尔效应可共存，状态转换取决于泵浦失谐与功率。
• 最大微腔长度受以下条件限制：拉曼增益峰必须与腔共振波长失谐超过 $ \sqrt{g_R / g_K} \cdot \Gamma_R / 2 $，这在高拉曼材料中设定了器件尺寸的硬性上限。