[论文解读] Generation of Kerr soliton microcomb in a normally dispersed lithium niobate microdisk resonator by mode trimming

Botao Fu, Renhong Gao+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

该论文通过模式修剪技术抑制模式交叉和拉曼散射，在具有正常群速度色散的钽酸锂微盘谐振器中实现了克尔孤子微梳。该技术使在仅35 mW泵浦功率下实现1450–1620 nm波段的稳定孤子形成成为可能，无需依赖反常色散或精确的色散工程。

ABSTRACT

Anomalous microresonator dispersion is mandatory for Kerr soliton microcomb formation, which depends critically on the geometry of the microresonator and can hardly be tuned after the structure is made. To date, cavity-based microcombs have only been generated with fundamental whispering gallery modes (WGMs) of anomalous dispersion in microresonators. Moreover, microcomb generation in highly Raman-active platforms such as lithium niobate (LN) microresonators frequently suffers from stimulated Raman scattering and mode crossing due to the existence of multiple families of high-order WGMs. Here, we reveal a unique Kerr soliton microcomb generation mechanism through mode trimming in a weakly perturbed LN microdisk resonator. Remarkably, the soliton comb is generated with fundamental WGMs of normal dispersion and free from the mode crossing and Raman scattering effects. A robust soliton with a spectrum spanning from 1450 nm to 1620 nm at an on-chip pump power of 35 mW. Our discovery offers a powerful solution to circumvent the stringent requirements on high-precision dispersion engineering and termination of Raman excitation for soliton generation in the high-Q microdisk.

研究动机与目标

• 克服微谐振器中克尔孤子微梳形成对反常色散的严格要求。
• 减轻高拉曼活性钽酸锂微谐振器中的模式交叉和受激拉曼散射。
• 实现在正常色散下基本驻波导模中的孤子微梳运行。
• 开发一种无需精确色散调谐的、适用于后处理的鲁棒孤子生成方法。

提出的方法

• 利用弱扰动的钽酸锂微盘谐振器以实现模式修剪效应。
• 应用模式修剪技术选择性抑制高阶驻波导模（WGMs），同时保留基本驻波导模。
• 采用波长为1550 nm的连续波片上泵浦，激发正常色散腔中的基本驻波导模。
• 通过光谱和时域表征确认耗散克尔孤子的形成。
• 优化泵浦功率和谐振器几何结构，以实现稳定的孤子态。
• 分析色散特性与模场分布，确认无模式交叉和拉曼增益效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有正常群速度色散的钽酸锂微盘谐振器中生成克尔孤子微梳？
• RQ2 模式修剪能否有效抑制高拉曼活性平台中的模式交叉和拉曼散射？
• RQ3 是否可能在无需反常群速度色散的条件下实现稳定的孤子形成？
• RQ4 在这些条件下，孤子生成的光谱带宽和泵浦功率需求是多少？

主要发现

• 在具有正常群速度色散的钽酸锂微盘谐振器中，成功生成了从1450 nm到1620 nm的宽带克尔孤子微梳。
• 孤子形成仅需35 mW的片上泵浦功率，表明其具有高效率。
• 模式修剪有效抑制了高阶WGMs并减轻了拉曼散射，从而实现了稳定的孤子运行。
• 在正常色散腔中，基本WGMs支持了无需后处理色散调谐的鲁棒孤子形成。
• 通过光谱和时域测量确认了无模式交叉和拉曼增益效应。