[论文解读] Fully integrated ultra-low power Kerr comb generation

Brian Stern, Xingchen Ji+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 29被引用 178

一句话总结

该论文展示了首个完全集成的 Kerr 频率梳源，利用低损耗的硅氮化物实现，耦合孤子模型锁定梳覆盖超过 100 nm，电泵功率仅 98 mW，在一种新颖的片上双腔结构中实现。

ABSTRACT

Optical frequency combs are broadband sources that offer mutually-coherent, equidistant spectral lines with unprecedented precision in frequency and timing for an array of applications. Kerr frequency combs in microresonators require a single-frequency pump laser and have offered the promise of highly compact, scalable, and power efficient devices. Here, we realize this promise by demonstrating the first fully integrated Kerr frequency comb source through use of extremely low-loss silicon nitride waveguides that form both the microresonator and an integrated laser cavity. Our device generates low-noise soliton-modelocked combs spanning over 100 nm using only 98 mW of electrical pump power. Our design is based on a novel dual-cavity configuration that demonstrates the flexibility afforded by full integration. The realization of a fully integrated Kerr comb source with ultra-low power consumption brings the possibility of highly portable and robust frequency and timing references, sensors, and signal sources. It also enables new tools to investigate the dynamics of comb and soliton generation through close chip-based integration of microresonators and lasers.

研究动机与目标

• 在硅氮化物平台上展示一个完全集成的 Kerr 频率梳源。
• 显示微腔和激光腔的整合能够实现超低功耗运行。
• 实现跨越>100 nm、噪声特性低的孤子模型锁定梳。
• 引入双腔架构以提升集成灵活性和性能。

提出的方法

• 使用极低损耗的硅氮化物波导来形成微腔和一个集成激光腔。
• 实现一种新颖的双腔配置以实现完全集成。
• 产生 Kerr 频率梳并表征噪声和带宽，以证明孤子模型锁定的工作状态。
• 测量光谱跨距、泵浦功率和梳的稳定性以评估性能。
• 将集成器件的性能与非集成或更高功率平台进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kerr 频率梳源是否可以在片上实现完全集成且功耗极低？
• RQ2 在硅氮化物上集成微腔和激光腔时，能达到的跨距和功率是多少？
• RQ3 双腔配置是否能够实现灵活的、完全集成的 Kerr 梳生成，并具备低噪声的孤子态？

主要发现

• 在硅氮化物平台上实现了完全集成的 Kerr 梳源。
• 低噪声的孤子模型锁定梳，跨越超过 100 nm。
• 生成梳只需 98 mW 的电泵功率。
• 证明了在单一器件中实现微腔和激光腔的集成。
• 双腔配置提供设计灵活性和集成优势。