[论文解读] Kerr-microresonator solitons for accurate carrier-envelope-frequency stabilization

Travis C. Briles, Jordan R. Stone+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 42被引用 6

一句话总结

该论文通过使用氮化硅与二氧化硅微腔的互锁结构，在片上Kerr微腔频率梳中实现了载波包络频率稳定，实现的频率不准确度低于3×10⁻¹⁶。该系统生成具有170 THz带宽的少周期、1 ps脉冲，芯片耦合功率低于250 mW，适用于计时和超快计量等领域的精密光频合成。

ABSTRACT

Carrier-envelope phase stabilization of optical pulses enables exquisitely precise measurements by way of direct optical-frequency synthesis, absolute optical-to-microwave phase conversion, and control of ultrafast waveforms. We report such phase stabilization for Kerr-microresonator frequency combs integrated on silicon chips, and verify their fractional-frequency inaccuracy at <3x10-16. Our work introduces an interlocked Kerr-comb configuration comprised of one silicon-nitride and one silica microresonator, which feature nearly harmonic repetition frequencies and can be generated with one laser. These frequency combs support an ultrafast-laser regime with few-optical-cycle, 1-picosecond-period soliton pulses and a total dispersive-wave-enhanced bandwidth of 170 THz, while providing a stable phase-link between the optical and microwave domains. To accommodate low-power and mobile application platforms, our phase-locked frequency-comb system operates with <250 mW of chip-coupled power. Our work establishes Kerr-microresonator combs as a viable technology for applications like optical-atomic timekeeping, optical synthesis, and related directions.

研究动机与目标

• 在片上频率梳中实现载波包络相位稳定，以实现高精度光频测量。
• 解决在紧凑、低功耗微腔基频率梳中稳定载波包络拍频频率的挑战。
• 展示一种双微腔互锁结构，实现稳定、宽带频率梳及少光周期脉冲。
• 通过将芯片耦合功率降至250 mW以下，实现低功耗和移动平台的实用化部署。
• 确立Kerr微腔梳作为光原子计时和直接光频到微波相位转换的可行平台。

提出的方法

• 采用一个氮化硅和一个二氧化硅微腔构成的互锁结构，其重复频率近乎谐波，以实现相位锁定。
• 通过微腔中的耗散Kerr孤子形成，生成少周期、周期为1皮秒的孤子脉冲。
• 通过色散波增强，实现170 THz的带宽，支持精确的频率合成。
• 单一激光泵浦两个微腔，实现相干耦合并简化稳定系统结构。
• 通过使用参考微波信号的相位锁定环主动反馈控制，实现载波包络频率稳定。
• 系统在芯片耦合光功率低于250 mW下运行，确保与低功耗和便携平台的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在片上Kerr微腔频率梳中实现高稳定性与低功耗的载波包络频率稳定？
• RQ2 如何实现两个重复频率近乎谐波的微腔之间的相干耦合，以实现稳定频率梳运行？
• RQ3 该系统的可实现频率不准确度为多少？是否能满足光原子计时的要求？
• RQ4 系统能否在保持相位相干性的同时生成少光周期脉冲并具备宽光谱带宽？
• RQ5 在紧凑、芯片集成的平台上，维持稳定孤子运行所需的功耗水平是多少？

主要发现

• 系统实现的频率不准确度低于3×10⁻¹⁶，证明了高精度的载波包络相位稳定。
• 互锁双微腔结构实现了近乎谐波重复频率下的稳定运行，并通过单个泵浦激光实现相干耦合。
• 系统生成周期为1皮秒的孤子脉冲，持续时间仅数个光周期，支持超快波形控制。
• 通过色散波增强的光谱展宽，总带宽达到170 THz，支持超宽带频率梳运行。
• 整个相位锁定频率梳系统在芯片耦合光功率低于250 mW下运行，支持低功耗和移动应用。
• 研究结果确立了片上Kerr微腔梳在光原子计时、光频合成及相关精密计量应用中的可行性平台。