[论文解读] Soliton Pulses in Photonic Crystal Fabry-Perot Microresonators

Thibault Wildi, Mahmoud Gaafar+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

该论文首次展示了在芯片集成光子晶体法布里-珀罗微腔中，由连续波驱动的耗散克尔孤子（DKSs）。通过使用两个光子晶体反射器（PCRs）实现反常群延迟色散（GDD），并获得高达400万的本征Q因子，该平台实现了宽带DKS生成，且通过定制化PCRs，具备在可见光及更长波段运行的潜力。

ABSTRACT

Dissipative Kerr solitons (DKSs) in high-Q microresonators enable applications in sensing, communication, and signal processing. Until now, DKSs driven by continuous-wave (CW) lasers are exclusively generated in ring-type resonators. Complementary to ring-type resonators, Fabry-Perot resonators could enable new approaches to dispersion engineering, addressing a key challenge of DKS technology. However, DKS generation in a CW-driven Fabry-Perot microresonator has not yet been achieved. Here, we demonstrate for the first time CW-driven DKSs in a high-Q Fabry-Perot microresonator. Fabricated in a wafer-level process, two photonic crystal reflectors in a waveguide form the chip-integrated resonator and define its dispersion. The intrinsic Q-factor of 4 million is propagation-loss limited. In principle, each cell of the photonic crystal reflector can be tailored, opening a design space beyond traditional dispersion engineering, with potential for future extension of DKSs to visible and other currently inaccessible wavelengths. Beyond DKSs, this creates opportunities for filter-driven pulse formation, engineered spectra and broadband phase-matching in microresonators.

研究动机与目标

• 在尚未实现的连续波（CW）驱动法布里-珀罗微腔中，实现耗散克尔孤子（DKS）的生成。
• 通过光子晶体反射器（PCRs）在集成微腔中实现超越传统波导或导波腔模式色散调控的新色散工程能力。
• 在采用晶圆级制造、芯片集成的FP谐振器中实现高Q因子运行（Q ≈ 400万），适用于DKS应用。
• 通过可调PCR设计，为DKS在可见光及其他当前难以实现的波段运行开辟新路径。

提出的方法

• 微腔通过商用紫外光刻工艺制造，采用参数化PCR几何结构以校正制造偏差，实现无需电子束光刻的晶圆级集成。
• 使用光子晶体反射器（PCRs）主导谐振器的色散特性，其带隙和耦合特性通过耦合模理论及反射系数方程建模。
• 通过波导和PCR的贡献计算往返相位和群延迟色散（GDD），单个PCR反射的GDD估算为−2170 fs²，波导传输的GDD为−445 fs²。
• 采用双激光稳定方案：主泵浦激光为TM偏振连续波，辅助激光为TE偏振激光（1560 nm），用于热稳定谐振器并抑制调谐过程中的热漂移。
• 通过辅助激光方法实现孤子态的获取，保持腔内功率恒定，实现无需快速扫描的稳定孤子态调谐。
• 实验表征采用光谱分析仪（OSA）、电谱分析仪（ESA）和光电探测器，测量孤子光谱和时间域动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有光子晶体反射器的连续波驱动法布里-珀罗微腔中实现耗散克尔孤子？
• RQ2 与传统环形谐振器相比，光子晶体反射器在色散工程方面能提供多大程度的新自由度？
• RQ3 能否在仅使用光学光刻的晶圆级制造FP微腔中实现高Q因子运行（Q ≈ 400万）？
• RQ4 PCR引入的色散在实现DKS形成所必需的反常GDD方面起什么作用？
• RQ5 通过PCR设计，该平台能否支持可见光波段及更长波段的DKS运行？

主要发现

• 首次在光子晶体法布里-珀罗微腔中实现连续波驱动的耗散克尔孤子（DKSs）的实验演示。
• 该谐振器展现出400万的本征Q因子，受限于传播损耗，性能与同一流程中其他环形谐振器相当。
• 色散主要由光子晶体反射器（PCRs）主导，单个PCR反射对群延迟色散（GDD）的贡献为−2170 fs²，实现DKS形成所必需的反常GDD。
• 孤子光谱显示调制包络，周期约为207 GHz，深度约1.5 dB，归因于芯片端面和连接波导的低Q反射。
• 该平台通过可独立调节的PCR单元实现新型色散工程，为可见光及此前难以实现的波段中的DKS运行提供可能。
• 采用辅助TE偏振激光的双激光稳定方法成功抑制热漂移，实现对孤子态的稳定访问。