[论文解读] Orthogonally Polarized Kerr Frequency Combs

Changjing Bao, Peicheng Liao+17 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 29被引用 6

一句话总结

本文展示了在单个微谐振腔中同时生成两个低噪声、正交偏振的克尔频梳，其中一个频梳由孤子脉冲驱动，第二个频梳则通过第一个频梳的强交叉相位调制（XPM）诱导产生。第二个频梳仅需0.1 mW输入功率，且低于自激振荡阈值，其光谱包络呈凹形，这是由于频率失配所致；尽管自由光谱范围（FSR）不同，两个频梳仍共享相同的重复频率。

ABSTRACT

Kerr optical frequency combs with multi-gigahertz spacing have previously been demonstrated in chip-scale microresonators, with potential applications in coherent communication, spectroscopy, arbitrary waveform generation, and radio frequency photonic oscillators. In general, the harmonics of a frequency comb are identically polarized in a single microresonator. In this work, we report that one comb in one polarization is generated by an orthogonally polarized soliton comb and two low-noise, orthogonally polarized combs interact with each other and exist simultaneously in a single microresonator. The second comb generation is attributed to the strong cross-phase modulation with the orthogonally polarized soliton comb and the high peak power of the intracavity soliton pulse. Experimental results show that a second frequency comb is excited even when a continuous wave light as a "seed"-with power as low as 0.1 mW-is input, while its own power level is below the threshold of comb generation. Moreover, the second comb has a concave envelope, which is different from the sech2 envelope of the soliton comb. This is due to the frequency mismatch between the harmonics and the resonant frequency. We also find that the repetition rates of these two combs coincide, although two orthogonal resonant modes are characterized by different free spectral ranges.

研究动机与目标

• 在单个芯片级微谐振腔中实现两个低噪声、正交偏振的频梳的同步生成。
• 探索在低于自激振荡阈值条件下，通过正交偏振孤子频梳的交叉相位调制实现第二个频梳形成的物理机制。
• 研究第二个频梳的光谱与时间特性，特别是其凹形包络的成因及其与频率失配的关系。
• 证明尽管自由光谱范围不同，两个频梳仍可共享相同的重复频率，这是由于正交偏振模的耦合效应。
• 通过极低泵浦功率实现双频梳系统，推动其在相干通信、光谱学和光子微波生成中的应用。

提出的方法

• 采用支持两个正交偏振横向模式的芯片级微谐振腔，其自由光谱范围（FSR）不同。
• 以0.1 mW连续波（CW）泵浦光注入，作为第二个频梳的种子，该功率低于孤立状态下产生频梳的阈值。
• 利用正交偏振孤子频梳与种子信号之间的强交叉相位调制（XPM）实现第二个频梳的激发。
• 利用谐振腔内孤子脉冲的高峰值功率，增强非线性相互作用，从而实现XPM驱动的频梳生成。
• 通过干涉测量与光谱分析表征两个频梳的光谱包络，确认第二个频梳具有凹形包络。
• 测量并比较两个频梳的重复频率，证实尽管自由光谱范围不同，其重复频率仍保持一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 当仅以0.1 mW连续波光注入时，是否可在低于自激振荡阈值的条件下于微谐振腔中生成第二个频梳？
• RQ2 何种物理机制使得正交偏振孤子频梳通过交叉相位调制诱导出第二个频梳？
• RQ3 为何第二个频梳呈现凹形光谱包络，而不同于孤子频梳的sech²形状？
• RQ4 在单个微谐振腔中，两个自由光谱范围不同的频梳如何共存于同一重复频率？
• RQ5 偏振正交性在实现具有不同光谱特性的两个频梳稳定、同步运行中起到何种作用？

主要发现

• 仅以0.1 mW连续波输入功率，成功生成了第二个频梳，远低于无主孤子频梳时的自激振荡阈值。
• 第二个频梳的凹形光谱包络是由于其谐波与正交模式的谐振频率之间存在频率失配所致。
• 尽管自由光谱范围不同，两个频梳仍共享相同的重复频率，表明正交偏振模式之间存在强耦合或同步机制。
• 第二个频梳由正交偏振态中高峰值功率孤子脉冲的强交叉相位调制诱导产生，证实XPM是主导的非线性机制。
• 两个频梳均为低噪声且稳定，证明了在极低泵浦功率下实现单微谐振腔双频梳系统的可行性。
• 该结果为芯片集成双频梳系统开辟了新路径，可实现更宽的光谱覆盖和更低的功耗，适用于光子信号处理与光谱学等应用。