[论文解读] Repetition rate tuning of soliton in microrod resonators

Rui Niu, Shuai Wan+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 30被引用 8

一句话总结

本论文通过在熔融石英微杆谐振器中使用压电陶瓷致动器（PZT）进行外部应力控制，实现了在耗散克尔孤子（DKS）微梳中精确、宽频带的重复频率调谐。通过使用辅助激光稳定热响应并实现可靠的孤子态切换，作者实现了30 MHz的连续重复频率调谐范围，从而为精密计量和光谱学应用提供了稳定、快速且精确的频率锁定。

ABSTRACT

The coherent temporal soliton in optical microresonators has attracted great attention recently. Here, we demonstrate the dissipative Kerr soliton generation in a microrod resonator, by utilizing an auxiliary-laser-assisted thermal response control. By external stress tuning, the repetition rate of the soliton has been controlled over a large range of 30 MHz. Our platform promises precise tuning and locking of the repetition frequency of coherent mode-locked comb in the microresonator, and holds great potential for applications in spectroscopy and precision measurements.

研究动机与目标

• 为耗散克尔孤子（DKS）微梳在精密测量实际应用中实现稳定且精确的重复频率调谐。
• 克服基于微谐振器的孤子微梳重复频率可调带宽有限的问题，这些系统对温度和泵浦功率敏感。
• 开发一种通过PZT致动器在高品质因子微杆谐振器中施加机械应力，实现宽范围、快速且精确的重复频率控制的方法。
• 证明辅助激光辅助的热响应控制可实现可靠的孤子态切换，并在宽调谐范围内保持稳定运行。

提出的方法

• 使用辅助激光激发一个不参与孤子微梳生成的模式，从而控制腔体的热响应并稳定孤子态。
• 通过压电陶瓷致动器（PZT）对微杆谐振器施加机械应力，改变其长度和折射率，从而调节自由光谱范围（FSR）和重复频率。
• 系统性地调节PZT电压以引入可控应变，从而移动共振频率并调制FSR，直接改变DKS的重复频率。
• 系统使用波长为1557.2 nm的泵浦激光，通过光学光谱分析和使用频谱分析仪（ESA）测量射频拍频信号确认孤子态的形成。
• 通过电光调制器（EOM）将射频拍频信号下变频至20 GHz以下进行检测，实现重复频率的精确测定。
• 通过比较PZT电压变化引起的重复频率偏移与小幅度泵浦失谐引起的偏移，验证了调谐机制，确认机械调谐占主导地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过机械应力在微杆谐振器中的耗散克尔孤子实现宽范围的重复频率调谐？
• RQ2 辅助激光辅助的热响应控制如何提升孤子态形成的稳定性和可重复性？
• RQ3 在高品质因子微杆谐振器中，通过PZT诱导应变可实现的最大重复频率调谐范围是多少？
• RQ4 与泵浦失谐相比，机械调谐在DKS微梳重复频率控制中的有效性如何？
• RQ5 能否在保持低噪声孤子微梳特性的同时，实现重复频率的精确且快速调谐？

主要发现

• 通过在0 V至80 V范围内施加PZT电压，耗散克尔孤子微梳的重复频率实现了30 MHz的宽范围调谐。
• 当电压超过40 V后，调谐速率呈非线性下降，表明PZT响应具有非线性特性，重复频率随电压升高而降低。
• 由泵浦失谐引起的重复频率变化最大仅为300 kHz，比PZT实现的调谐范围小两个数量级，证实机械调谐占主导地位。
• 光学光谱图中未观察到因光谱分析仪（OSA）分辨率限制（0.02 nm）导致的谱线偏移，证实重复频率变化仅能通过射频拍频分析可靠测量。
• 辅助激光实现了稳定的孤子态切换和热响应控制，使整个调谐范围内均可实现可重复操作。
• 该平台实现了精确、快速且稳定的重复频率调谐，适用于精密计量和光谱学应用中的孤子微梳锁相。