[论文解读] Raman lasing and soliton modelocking in lithium-niobate microresonators

Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 48被引用 5

一句话总结

该论文展示了在绝缘衬底上铌酸锂（LNOI）微腔中实现反向拉曼激光与孤子锁模，首次在20 mW泵浦阈值下实现46%的记录性差分量子效率。通过调控腔体几何结构以抑制拉曼散射，作者实现了在X切LNOI芯片上首次观测到孤子锁模，推动了在强非线性与可调色散的高性能平台上集成非线性光子学的发展。

ABSTRACT

The recent advancement in lithium niobate on insulator (LNOI) technology is revolutionizing the optoelectronic industry as devices of higher performance, lower power consumption, and smaller footprint can be realized due to the high optical confinement in the structures. The LNOI platform offers both large \c{hi}(2) and \c{hi}(3) nonlinearities along with the power of dispersion engineering, enabling brand new nonlinear photonic devices and applications towards the next generation of integrated photonic circuits. However, the Raman scattering, one of the most important nonlinear phenomena, have not been extensively studied, neither was its influences in dispersion-engineered LNOI nano-devices. In this work, we characterize the Raman radiation spectra in a monolithic lithium niobate (LN) microresonator via selective excitation of Raman-active phonon modes. Remarkably, the dominant mode for Raman oscillation is observed in the backward direction for a continuous-wave pump threshold power of 20 mW with a reportedly highest differential quantum efficiency of 46 %. In addition, we explore the effects of Raman scattering on Kerr optical frequency combs generation. We achieve, for the first time, soliton modelocking on a X-cut LNOI chip through sufficient suppression of the Raman effect via cavity geometry control. Our analysis of the Raman effect provides guidance for the development of future chip-based photonic devices on the LNOI platform.

研究动机与目标

• 研究色散工程的绝缘衬底上铌酸锂（LNOI）微腔中的拉曼散射。
• 表征拉曼活性声子模式及其对LNOI中非线性光学过程的影响。
• 通过腔体几何结构控制抑制拉曼效应，实现孤子锁模。
• 为未来基于LNOI平台的芯片光子器件建立设计准则。

提出的方法

• 使用连续波泵浦在单片式铌酸锂微腔中选择性激发拉曼活性声子模式。
• 测量拉曼辐射光谱以识别主导散射模式及其方向性。
• 通过腔体几何结构工程抑制拉曼散射，实现克尔频率梳的形成。
• 分析差分量子效率以量化拉曼激光性能。
• 采用色散工程调节群速度色散以实现孤子形成。
• 在LNOI平台上集成高阶非线性效应（χ(2) 和 χ(3)），以实现复杂的非线性动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在铌酸锂微腔中，主导的拉曼散射模式是什么？它们向哪个方向传播？
• RQ2 LNOI微腔中拉曼激光的泵浦阈值功率和量子效率分别是多少？
• RQ3 拉曼散射如何影响LNOI器件中克尔光学频率梳的生成？
• RQ4 能否通过抑制拉曼效应在X切LNOI芯片中实现孤子锁模？
• RQ5 腔体几何结构在减轻拉曼引起的频率梳生成扰动中起什么作用？

主要发现

• 观察到主导的反向拉曼激光模式，差分量子效率达46%，为迄今报道的最高值。
• 在单片式LN微腔中，连续波泵浦阈值为20 mW，实现了拉曼激光。
• 通过有效抑制拉曼散射，首次在X切LNOI芯片上成功演示了孤子锁模。
• 腔体几何结构控制可充分抑制拉曼效应，从而实现稳定的孤子形成。
• 本研究揭示，拉曼散射显著影响色散工程LNOI器件中的克尔频率梳动力学。
• 研究结果为未来利用LNOI平台高非线性与可调色散特性的集成光子器件提供了关键设计洞见。