[论文解读] PT-symmetric microring lasers: Self-adapting broadband mode-selective resonators

Hossein Hodaei, Mohammad‐Ali Miri+3 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 25被引用 3

一句话总结

该论文通过实验表明，PT对称的微环激光腔通过选择性地破坏PT对称性，可在多个纵模位于增益带宽内时，实现对特定模式的增益增强，从而实现稳定的单纵模运转。该方法无需外部滤波器即可实现模式选择，为多模谐振腔提供了鲁棒、宽带且自适应的激光输出。

ABSTRACT

We demonstrate experimentally that stable single longitudinal mode operation can be readily achieved in PT-symmetric arrangements of coupled microring resonators. Whereas any active resonator is in principle capable of displaying single-wavelength operation, selective breaking of PT-symmetry can be utilized to systematically enhance the maximum achievable gain of this mode, even if a large number of competing longitudinal or transverse resonator modes fall within the amplification bandwidth of the inhomogeneously broadened active medium. This concept is robust with respect to fabrication tolerances, and its mode selectivity is established without the need for additional components or specifically designed filters. Our results may pave the way for a new generation of versatile cavities lasing at a desired longitudinal resonance. Along these lines, traditionally highly multi-moded microring resonator configurations can be fashioned to suppress all but one longitudinal mode.

研究动机与目标

• 在无需外部模式滤波器的情况下，实现多模微环谐振腔中稳定的单纵模运转。
• 利用耦合的有源-无源微环谐振腔中的PT对称性破缺，选择性增强目标模式的增益。
• 证明模式选择性激光在制造公差下的鲁棒性。
• 通过谐振腔的本征动力学，在非均匀加宽增益介质中实现宽带模式选择。
• 开发一种自适应激光腔，可自动选择并放大单个期望的纵模。

提出的方法

• 采用一对耦合的微环谐振腔，其中一个为有源（增益介质），另一个为无源，构成PT对称配置。
• 使用非均匀加宽的增益介质，以在增益带宽内支持多个纵模。
• 通过调节有源环的增益来破坏PT对称性，从而选择性地提高非目标模式的阈值。
• 利用非厄米哈密顿量框架，通过平衡的增益与损耗来控制模式竞争。
• 依赖耦合谐振腔中的本征模式竞争动力学，实现单个纵模的自选择。
• 实验验证了无需额外滤波元件的稳定性与宽带模式选择性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PT对称耦合是否可在微环谐振腔中实现对宽带增益介质中单个纵模的选择性放大？
• RQ2 选择性PT对称性破缺如何影响耦合微环腔中的模式竞争与激光阈值？
• RQ3 模式选择性激光在多大程度上对制造缺陷和参数变化具有鲁棒性？
• RQ4 是否可使多模微环腔自适应重构，以在无外部滤波器的情况下在期望的纵模上激光？
• RQ5 通过此类系统中的PT对称性破缺，所选模式的最大增益增强可达多少？

主要发现

• 实验验证了在无外部滤波器的情况下，PT对称微环激光器可实现稳定的单纵模运转。
• 选择性破坏PT对称性可增强目标模式的最大可实现增益，即使多个模式在光谱上位于增益带宽内。
• 模式选择性对制造公差具有鲁棒性，表明其具有实际可行性。
• 系统通过本征腔体动力学实现宽带模式选择，而非依赖外部元件。
• 该方法使传统上为多模的微环谐振腔可自适应地工作为单模激光器，自动锁定至期望的共振频率。
• 该方法可通过受控的PT对称性破缺，实现在增益带宽内任意期望纵模的可重构激光输出。