[论文解读] Direct generation of 74-fs mode-locking from on-chip normal dispersion frequency combs
该论文通过利用模式相互作用诱导超参数振荡，并借助受控的泵浦功率和失谐，实现了在具有正常群速度色散的片上微腔中稳定输出74-fs锁模脉冲。脉冲形成一种单个、带有基底的类似孤子的状态，其稳定性由波长相关的品质因数和泵浦失谐共同维持，该结果通过主方程的数值解得到验证。
We describe the generation of stable mode-locked pulse trains from on-chip normal dispersion microresonators. The excitation of hyper-parametric oscillation is facilitated by the local dispersion disruptions induced by mode interactions. The system is then driven from hyper-parametric oscillation to the mode-locked state with over 200 nm spectral width by controlled pump power and detuning. With the continuous-wave driven nonlinearity, the pulses sit on a pedestal, akin to a cavity soliton. We identify the importance of pump detuning and wavelength-dependent quality factors in stabilizing and shaping the pulse structure, to achieve a single pulse inside the cavity. We examine the mode locking dynamics by numerically solving the master equation and provide analytic solutions under appropriate approximations.
研究动机与目标
- 在通常不支持孤子形成的片上微腔中实现稳定、超短脉冲的生成，其群速度色散为正常色散。
- 通过利用模式相互作用启动超参数振荡，克服正常色散系统中脉冲不稳定的挑战。
- 实现从超参数振荡到具有宽带谱宽（>200 nm）的相干单脉冲锁模态的转变。
- 识别并控制关键参数——泵浦失谐和波长相关的品质因数——以稳定和塑造脉冲结构。
- 利用主方程建模锁模动力学，并在适当近似下推导解析解。
提出的方法
- 利用具有工程化模式相互作用的片上微腔，局部破坏色散，从而在正常色散区域实现超参数振荡。
- 施加可调谐功率和失谐的连续波泵浦，驱动系统从超参数振荡过渡到锁模状态。
- 采用波长相关的品质因数来稳定脉冲并抑制多脉冲形成，有利于单脉冲态。
- 通过数值求解广义Lugiato-Lefever方程（主方程）模拟锁模动力学并验证实验观测结果。
- 在弱非线性和慢变包络近似下推导解析解，从而深入理解脉冲形成与稳定机制。
- 分析泵浦失谐在系统从振荡行为向高带宽锁模态转变中的作用。
实验结果
研究问题
- RQ1如何在具有正常群速度色散的片上微腔中实现稳定锁模，而这类系统通常不支持耗散孤子？
- RQ2模式相互作用和局部色散破坏在正常色散系统中如何启动超参数振荡？
- RQ3泵浦失谐如何影响从超参数振荡向相干单脉冲锁模态的转变？
- RQ4波长相关的品质因数在谐振腔中如何贡献于脉冲的稳定与整形？
- RQ5哪些解析与数值模型能准确描述该系统中脉冲形成与锁模的动力学？
主要发现
- 在具有正常色散的片上微腔中实现了稳定的74-fs锁模脉冲序列，证明了在以往被认为不适合此类脉冲的系统中实现了亚100 fs操作。
- 通过调节泵浦功率和失谐，系统从超参数振荡过渡到锁模状态，实现了超过200 nm的谱宽。
- 脉冲以基底形式形成，类似于腔孤子，其单脉冲态由泵浦失谐与波长相关品质因数的协同作用所稳定。
- 主方程的数值模拟再现了观测到的锁模动力学，并证实了色散与非线性在脉冲整形中的作用。
- 在弱非线性和慢变包络近似下推导出的解析解，为理解脉冲的稳定性和时间波形提供了洞见。
- 识别出泵浦失谐是实现并维持单脉冲锁模态的关键控制参数。
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