[论文解读] Gain-assisted chiral soliton microcombs

Teng Hwang Tan, Hao-Jing Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

该论文首次通过集成有源激光介质，在封装的掺铒硅酸盐微腔中实现了放大增益辅助的螺旋状孤子微梳，实现了灵活的开关控制和可调谐双梳生成。由模间耦合与掺铒增益驱动的孤子弹射效应，将孤子可访问范围扩展至18 GHz，并实现了对逆向传播孤子啁啾的快速主动控制，开关延迟仅为0.14 µs，调制带宽达7 MHz。

ABSTRACT

The emerging microresonator-based frequency combs revolutionize a broad range of applications from optical communications to astronomical calibration. Despite of their significant merits, low energy efficiency and the lack of all-optical dynamical control severely hinder the transfer of microcomb system to real-world applications. Here, by introducing active lasing medium into the soliton microcomb, for the first time, we experimentally achieve the chiral soliton with agile on-off switch and tunable dual-comb generation in a packaged microresonator. It is found that such a microresonator enables a soliton slingshot effect, the rapid soliton formation arising from the extra energy accumulation induced by inter-modal couplings. Moreover, tuning the erbium gain can generate versatile multi-soliton states, and extend the soliton operation window to a remarkable range over 18 GHz detuning. Finally, the gain-assisted chirality of counterpropagating soliton is demonstrated, which enables an unprecedented fast on-off switching of soliton microcombs. The non-trivial chiral soliton formation with active controllability inspires new paradigms of miniature optical frequency combs and brings the fast tunable soliton tools within reach.

研究动机与目标

• 解决微腔光频梳中能量效率低和缺乏全光动态控制的问题。
• 在紧凑、封装的微梳系统中实现孤子啁啾和开关控制的主动实时调控。
• 通过集成掺铒增益与模间耦合，扩展孤子工作窗口并增强光谱带宽。
• 在光学传感与通信的实际应用中，实现可调谐双梳光谱测量与超快开关。

提出的方法

• 将掺铒硅酸盐微球腔与980 nm泵浦激光器集成，以提供光增益和有源激光作用。
• 使用可调谐1550 nm ECDL通过高Q因子（>10^8）微腔中的四波混频激发孤子形成。
• 采用锥形光纤实现倏逝场耦合，以激发并收集微球腔中的光。
• 利用时间分辨为10 fs的频率分辨光学门控（FROG）测量孤子脉冲宽度与重复频率。
• 通过980 nm控制激光对共向与反向传播模式的折射率进行非对称调制，实现孤子啁啾的主动控制。
• 采用Lugiato-Lefever方程（LLE）进行数值建模，模拟在增益与模间耦合条件下的孤子演化与阈值条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 微腔中的有源光增益是否能够实现孤子啁啾与开关控制的动态全光调控？
• RQ2 模间耦合与掺铒增益如何影响孤子弹射效应及孤子可访问范围？
• RQ3 通过主动增益调谐，孤子工作窗口可被扩展到何种程度？
• RQ4 能否独立控制反向传播孤子，以实现可调谐双梳生成？
• RQ5 在增益辅助螺旋状孤子微梳中，可实现的开关速度与消光比是多少？

主要发现

• 孤子弹射效应通过模间耦合与增益诱导的能量积累，实现了快速孤子形成，100 mW控制激光功率下最大孤子可访问范围达18 GHz。
• 在100 mW控制激光功率下，孤子光谱带宽达到115 nm，显著宽于0 mW时的66 nm。
• 共向传播孤子的开关控制延迟为0.14 µs，3-dB消光比，对应调制带宽7 MHz。
• 反向传播孤子的拍频信号在48.6 MHz处随控制激光功率增加而呈现频率偏移，证实了对孤子啁啾的主动调控。
• 系统支持多种多孤子态，孤子工作窗口扩展超过18 GHz失谐，实现了可调谐双梳光谱测量。
• 在封装器件中成功演示了增益辅助螺旋状孤子微梳，为光学通信与传感领域的实际部署提供了可能。