[论文解读] Sideband Injection Locking in Microresonator Frequency Combs

Thibault Wildi, Alexander E. Ulanov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 62被引用 1

一句话总结

本文实验展示了微腔频率梳中的边带注入锁相，表明通过将二次连续波激光注入频率梳的边带，可实现对重复频率的全光控制并降低相位噪声。作者推导了锁相范围的解析标度律，并展示了重复频率相位噪声较自由振荡系统降低三个数量级，从而实现低噪声微波生成和稳定光学钟。

ABSTRACT

Frequency combs from continuous-wave-driven Kerr-nonlinear microresonators have evolved into a key photonic technology with applications from optical communication to precision spectroscopy. Essential to many of these applications is the control of the comb's defining parameters, i.e., carrier-envelope offset frequency and repetition rate. An elegant and all-optical approach to controlling both degrees of freedom is the suitable injection of a secondary continuous-wave laser into the resonator onto which one of the comb lines locks. Here, we study experimentally such sideband injection locking in microresonator soliton combs across a wide optical bandwidth and derive analytic scaling laws for the locking range and repetition rate control. As an application example, we demonstrate optical frequency division and repetition rate phase-noise reduction to three orders of magnitude below the noise of a free-running system. The presented results can guide the design of sideband injection-locked, parametrically generated frequency combs with opportunities for low-noise microwave generation, compact optical clocks with simplified locking schemes and more generally, all-optically stabilized frequency combs from Kerr-nonlinear resonators.

研究动机与目标

• 实验表征基于微腔的克尔频率梳中宽光谱带宽下的边带注入锁相动力学。
• 推导并验证锁相范围与关键实验参数（如模式数、注入功率和光谱失谐）关系的解析标度律。
• 在耗散克尔孤子（DKS）梳态中实现光学频率分频，并显著降低重复频率的相位噪声。
• 为设计低噪声、全光稳定频率梳提供定量框架，应用于微波光子学和光学计量学。

提出的方法

• 采用高分辨率相干光谱技术，映射包括DKS梳中心区域和光谱翼在内的多个梳模的锁相动力学。
• 理论建模基于频域中的Lugiato-Lefever方程，耦合模方程描述泵浦光、二次激光与梳线之间的相互作用。
• 推导出锁相范围的解析表达式，显示其与模式数呈平方关系，与注入功率和DKS光谱功率呈平方根关系。
• 基于LLE框架进行数值模拟，模拟注入下的孤子动力学，通过跟踪二次激光与目标梳线之间的相位同步确认锁相。
• 计算注入光子的光子中心质量，将相位动力学与重复频率偏移关联，确保与时域描述的一致性。
• 对功率波动引起的热效应进行建模，表明其对频率漂移的贡献小于100 kHz，远低于注入锁相效应（低两个数量级）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在微腔频率梳中，边带注入锁相范围如何随模式数、注入激光功率和DKS光谱功率变化？
• RQ2 注入激光失谐与DKS梳重复频率调谐之间的定量关系为何？
• RQ3 与自由振荡系统相比，边带注入锁相在多大程度上可降低重复频率的相位噪声？
• RQ4 功率波动引起的热频移如何影响注入锁相存在下的锁相动力学与稳定性？
• RQ5 理论模型能否准确预测异常色散和正常色散梳工作区域的锁相范围？

主要发现

• 锁相范围与模式数µ′呈二次方关系，与理论预测和实验观测一致。
• 锁相范围对注入激光功率和DKS光谱功率均呈平方根依赖，可通过功率调节实现可调控制。
• 通过二次激光实现光学频率分频，使重复频率可锁定至低频参考源，且噪声更低。
• 重复频率相位噪声相比自由振荡系统降低高达三个数量级，展现出显著的噪声抑制效果。
• 由功率波动引起的热谐振频移估计小于50 MHz，对应频率漂移小于100 kHz，与注入锁相效应相比可忽略不计。
• 基于Lugiato-Lefever方程的数值模拟与理论和实验结果高度一致，验证了模型在不同梳工作区域的预测能力。