[论文解读] Mode-locking in an optical microresonator via soliton formation

Tobias Herr, Victor Brasch+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2012

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 12

一句话总结

本论文通过红失谐泵浦，在高Q值光学微腔中实现了时间域耗散孤子的自发生成，其行为受Lugiato-Lefever方程支配。孤子在有效零失谐点处产生，实现了稳定、高重复频率的飞秒脉冲源，具有低噪声、平滑光谱包络的频率梳，且无需宽带增益介质。

ABSTRACT

Dissipative solitons can emerge in a wide variety of dissipative nonlinear systems throughout the fields of optics, medicine or biology. Dissipative solitons can also exist in Kerr-nonlinear optical resonators and rely on the double balance between parametric gain and resonator loss on the one hand and nonlinearity and diffraction or dispersion on the other hand. Mathematically these solitons are solution to the Lugiato-Lefever equation and exist on top of a continuous wave (cw) background. Here we report the observation of temporal dissipative solitons in a high-Q optical microresonator. The solitons are spontaneously generated when the pump laser is tuned through the effective zero detuning point of a high-Q resonance, leading to an effective red-detuned pumping. Red-detuned pumping marks a fundamentally new operating regime in nonlinear microresonators. While usually unstablethis regime acquires unique stability in the presence of solitons without any active feedback on the system. The number of solitons in the resonator can be controlled via the pump laser detuning and transitions to and between soliton states are associated with discontinuous steps in the resonator transmission. Beyond enabling to study soliton physics such as soliton crystals our observations open the route towards compact, high repetition-rate femto-second sources, where the operating wavelength is not bound to the availability of broadband laser gain media. The single soliton states correspond in the frequency domain to low-noise optical frequency combs with smooth spectral envelopes, critical to applications in broadband spectroscopy, telecommunications, astronomy and low phase-noise microwave generation.

研究动机与目标

• 研究在红失谐泵浦下，Kerr非线性光学微腔中耗散孤子的产生机制。
• 研究在无主动反馈的被动微腔中，孤子态的稳定性和控制方法。
• 展示具有平滑光谱包络的低噪声光学频率梳的生成，适用于实际应用。
• 实现无需宽带激光增益介质的紧凑、高重复频率飞秒脉冲源。
• 通过泵浦失谐控制研究孤子晶格的形成及孤子态之间的转变。

提出的方法

• 利用具有Kerr非线性的高Q值光学微腔，以支持耗散孤子的形成。
• 在有效零失谐点处施加红失谐泵浦激光激发，以诱导孤子生成。
• 采用Lugiato-Lefever方程作为理论框架，描述连续波背景上的孤子动力学。
• 通过精确调节泵浦激光相对于微腔共振频率的失谐量，控制孤子数量。
• 监测微腔透射谱，以检测孤子态之间的不连续转变。
• 分析输出信号的光谱和时域特性，以确认低噪声、平滑光谱包络的频率梳。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红失谐泵浦下，是否可在高Q值光学微腔中自发生成时间域耗散孤子？
• RQ2 有效零失谐点在无需主动反馈的情况下实现稳定孤子形成中起什么作用？
• RQ3 泵浦激光失谐如何控制孤子数量并诱导孤子态之间的转变？
• RQ4 所生成频率梳的光谱特性是什么？与传统光源相比有何差异？
• RQ5 该系统中是否可形成孤子晶格？其观测结果对理解孤子相互作用有何启示？

主要发现

• 通过在有效零失谐点处的红失谐泵浦，成功在高Q值光学微腔中观测到时间域耗散孤子。
• 孤子态自发产生并表现出内在稳定性，无需主动反馈，标志着微腔中一种新型工作模式的实现。
• 通过调节泵浦激光失谐量可控制孤子数量，且在微腔透射谱中观察到离散的相变。
• 单孤子态生成了低噪声、光谱包络平滑的光学频率梳，适用于光谱分析与微波生成等应用。
• 该系统实现了无需宽带激光增益介质的紧凑、高重复频率飞秒脉冲源。
• 观测到了孤子晶格的形成，为研究孤子相互作用与集体动力学开辟了新途径。