[论文解读] Photonic chip-based resonant supercontinuum

Miles Anderson, Romain Bouchand+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 10

一句话总结

该论文展示了一种基于光子芯片的谐振超宽带光源，采用色散工程化的 Si₃N₄ 微谐振腔，以 1 ps 脉冲驱动，峰值功率约为 1 W，实现了重复频率为 28 GHz、具有 2,200 根平坦顶部线的频率梳——这是迄今为止报道的最高带宽-线数乘积。该方法通过将耗散克尔孤子稳定在与输入脉冲的弱束缚态，实现了在微波重复率兼容功率电平下的相干、宽带超宽带光源生成，即使在低于谐振腔衰减率 100 倍的频率偏移下也能有效抑制噪声传输。

ABSTRACT

Supercontinuum generation in optical fibers is one of the most dramatic nonlinear effects discovered, allowing short pulses to be converted into multi-octave spanning coherent spectra. However, generating supercontinua that are both coherent and broadband requires pulses that are simultaneously ultrashort with high peak power. This results in a reducing efficiency with increasing pulse repetition rate, that has hindered supercontinua at microwave line spacing, i.e. 10s of GHz. Soliton microcombs by contrast, can generate octave-spanning spectra, but with good conversion efficiency only at vastly higher repetition rates in the 100s of GHz. Here, we bridge this efficiency gap with resonant supercontinuum, allowing supercontinuum generation using input pulses with an ultra-low 6 picojoule energy, and duration of 1 picosecond, 10-fold longer than what is typical. By applying synchronous pulse-driving to a dispersion-engineered, low-loss Si$_3$N$_4$ photonic chip microresonator, we generate dissipative Kerr solitons with a strong dispersive wave, both bound to the input pulse. This creates a smooth, flattened 2,200 line frequency comb, with an electronically detectable repetition rate of 28 GHz, constituting the largest bandwidth-line-count product for any microcomb generated to date. Strikingly, we observe that solitons exist in a weakly bound state with the input pulse, stabilizing their repetition rate, but simultaneously allowing noise transfer from one to the other to be suppressed even for offset frequencies 100 times lower than the linear cavity decay rate. We demonstrate that this nonlinear filtering can be enhanced by pulse-driving asynchronously, in order to preserve the coherence of the comb. Taken together, our work establishes resonant supercontinuum as a promising route to broadband and coherent spectra.

研究动机与目标

• 克服传统超宽带光源生成对高脉冲峰值功率（kW 级别）的需求，从而提升与微波重复率系统兼容性。
• 通过芯片级集成，实现在数十 GHz 重复频率下的相干、宽带超宽带光源生成——适用于光频分频、拉曼成像和电信领域。
• 通过将耗散克尔孤子稳定在与驱动脉冲的弱束缚态，抑制噪声传输，同时保持相干性。
• 展示一种谐振超宽带光源机制，可在低脉冲峰值功率（1 W）和飞秒脉冲下实现跨越八度频带的高效率光谱。
• 通过利用同步脉冲驱动和 Si₃N₄ 微谐振腔中的非线性滤波，为芯片上实现高相干性、宽带频率梳开辟新途径。

提出的方法

• 采用色散工程化、低损耗的 Si₃N₄ 光子芯片微谐振腔，其加载 Q 因子为 1.8×10⁶，自由光谱范围（FSR）为 27.88 GHz，设计用于支持耗散克尔孤子（DKS）的形成。
• 利用连续波激光经电光调制生成 1 ps 脉冲序列（有效峰值功率约 900 mW），采用 13.94 GHz 射频信号通过级联相位调制器实现。
• 采用同步脉冲驱动，将孤子锁定于输入脉冲，实现相干能量转移，并通过非线性滤波抑制相位噪声。
• 使用马赫-曾德尔调制器和色散补偿光纤将脉冲整形为约 1.4 ps 时宽，具有残余正啁啾，以优化光谱展宽。
• 采用简化参数的 Lugiato-Lesihre 方程（LLE）对系统进行建模（忽略高阶色散和拉曼效应），以分析噪声传输和孤子稳定性。
• 通过光学光谱分析、拍频测量和 FROG 重构对输出进行表征，以确认频率梳的相干性和光谱平坦性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在仅约 1 W 峰值功率下，于数十 GHz 重复频率下实现谐振超宽带光源生成，从而避免对千瓦级光源的依赖？
• RQ2 输入脉冲与耗散克尔孤子之间的弱束缚态对噪声传输和频率梳相干性有何影响？
• RQ3 非线性滤波在低于谐振腔衰减率 100 倍的频率偏移下，能在多大程度上抑制相位噪声？
• RQ4 在基于芯片的微频率梳中，通过谐振超宽带光源生成可实现的最大带宽-线数乘积是多少？
• RQ5 异步脉冲驱动是否能进一步提升生成频率梳的相干性和稳定性？

主要发现

• 系统生成了 2,200 根线、光谱平坦的频率梳，重复频率为 28 GHz，实现了迄今为止任何微频率梳报道的最高带宽-线数乘积。
• 该频率梳表现出优异的相干性，其拍频信号在 1560–1620 nm 波段（μ = -45 至 -300）测量稳定，显示相位锁定良好且相位噪声低。
• 孤子重复频率的拍频信号稳定且可电子检测，证实了整个频率梳结构的相干性。
• 在低于谐振腔衰减率 100 倍的频率偏移（100 MHz）下，来自射频源的噪声传输被抑制超过 20 dB，证明了非线性滤波的有效性。
• 耗散克尔孤子保持与输入脉冲的弱束缚态，实现了稳定运行，同时有效抑制噪声并保持高光谱平坦度。
• 有效耦合至芯片的峰值功率约为 900 mW，尽管输入功率较低，系统仍实现了高转换效率，证明了其在芯片级应用中的可行性。