[论文解读] Novel architecture for ultra-stable micro-ring resonator based optical frequency combs

Alessia Pasquazi, Lucia Caspani+9 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 30被引用 63

一句话总结

本文提出一种新型CMOS兼容的微环谐振器架构，通过自锁方案实现超稳定光学频率梳，无需对泵浦激光器进行热锁定。该方法实现了连续、自维持的频率梳生成，带宽超过300 nm，且梳线以自由光谱范围（FSR）间隔分布，克服了外泵浦光学参量振荡器中常见的自终止不稳定性问题。

ABSTRACT

We report a novel geometry for OPOs based on nonlinear microcavity resonators. This approach relies on a self-locked scheme that enables OPO emission without the need for thermal locking of the pump laser to the microcavity resonance. By exploiting a CMOS-compatible microring resonator, we achieve oscillation with a complete absence of shutting down, or self-terminating behavior, a very common occurrence in externally pumped OPOs. Further, this scheme consistently produces very wide bandwidth (>300nm, limited by our experimental set-up) combs that oscillate at a spacing of the FSR of the micro cavity resonance.

研究动机与目标

• 解决基于微腔谐振器的外泵浦光学参量振荡器（OPO）中常见的不稳定性和自终止行为问题。
• 消除对泵浦激光器与微腔谐振频率进行主动热锁定的需求。
• 在紧凑、CMOS兼容的平台上实现连续、稳定的宽带谱带宽频率梳生成。
• 展示一种自锁操作方案，可在环境条件变化下保持相干性和稳定性。
• 实现具有自由光谱范围（FSR）间隔梳线的超稳定频率梳，适用于精密计量和光通信应用。

提出的方法

• 作者在CMOS兼容的微环谐振器中实现自锁方案，其中频率梳生成通过腔体的非线性动力学实现内在稳定。
• 系统无需外部热反馈，依赖四波混频过程实现泵浦与腔体谐振之间的内在锁定。
• 微环谐振器设计支持确定梳线间隔的自由光谱范围（FSR），实现周期性频率梳生成。
• 该架构利用高Q微腔中的非线性光学效应，实现宽带频率梳生成，且外部控制需求最小化。
• 通过配备可调谐激光泵浦的紧凑实验装置进行验证，测量输出光谱及其随时间的稳定性。
• 通过监测频率梳的稳定性、光谱带宽以及自终止行为的缺失对系统进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在微环谐振器中采用自锁方案是否可消除基于OPO的频率梳对热锁定的需求？
• RQ2 在无外部反馈机制的情况下，频率梳生成的稳定性和连续性如何？
• RQ3 该架构中生成的频率梳可实现的光谱带宽是多少？
• RQ4 梳线是否能精确地以谐振器的自由光谱范围（FSR）间隔分布？
• RQ5 该系统是否表现出自终止行为，即外泵浦OPO中常见的故障模式？

主要发现

• 所提出的架构实现了无需自终止行为的连续、自维持频率梳生成，相较于传统外泵浦OPO有显著改进。
• 该系统生成的光学频率梳光谱带宽超过300 nm，仅受实验装置限制。
• 梳线精确地以微环谐振器的自由光谱范围（FSR）间隔分布，证实了相干、周期性的频率梳运行。
• 自锁方案成功实现了系统稳定，无需将泵浦激光器热锁定至腔体谐振频率。
• CMOS兼容的微环谐振器提供了一种紧凑、鲁棒且可扩展的平台，适用于超稳定频率梳生成。
• 结果表明，该工作朝着实用化、芯片集成的频率梳在光通信和精密计量领域应用迈出了重要一步。