[论文解读] Sub-milliwatt, widely-tunable coherent microcomb generation with feedback-free operation

Haowen Shu, Lin Chang+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 10

一句话总结

该论文展示了在AlGaAs绝缘体微腔中利用暗脉冲态实现亚毫瓦级、宽范围可调谐、无反馈的相干微梳生成。通过利用热控避免模式交叉实现自稳定暗脉冲形成，该系统在小于1 mW的泵浦功率下实现了相干微梳，并具有宽广的啁啾范围，从而实现了无需主动锁相或复杂调谐协议的简单片上集成。

ABSTRACT

Microcombs are revolutionizing optoelectronics by providing parallelized, mutually coherent wavelength channels for time-frequency metrology and information processing. To implement this essential function in integrated photonic systems, it is desirable to drive microcombs directly with an on-chip laser in a simple and flexible way. However, two major difficulties are preventing this goal: 1) generating mode-locked comb states usually requires a significant amount of pump power and 2) the requirement to align laser and resonator frequency significantly complicates operation and limits the tunability of the comb lines. Here, we address these problems by using microresonators on an AlGaAs on-insulator platform to generate dark-pulse microcombs. This highly nonlinear platform dramatically relaxes fabrication requirements and leads to a record-low pump power of less than 1 mW for coherent comb generation. Dark-pulse microcombs facilitated by thermally-controlled avoided mode-crossings are accessed by direct DFB laser pumping. Without any feedback or control circuitries, the comb shows good coherence and stability. This approach also leads to an unprecedented wide chirping range of all the comb lines. Our work provides a route to realize power-efficient, simple and reconfigurable microcombs that can be seamlessly integrated with a wide range of photonic systems.

研究动机与目标

• 实现低功耗、无需外部反馈或控制系统的片上微梳运行。
• 克服集成微梳系统中高泵浦功率需求和频率对准挑战。
• 利用高非线性AlGaAs绝缘体平台中的暗脉冲动力学，实现宽范围可调谐且稳定的相干微梳生成。
• 展示通过片上DFB激光器直接泵浦微梳，且制造复杂度极低。

提出的方法

• 采用半径为144 µm、自由光谱范围为90 GHz的AlGaAs绝缘体微腔，其本征Q值高达236万。
• 通过主模式族与辅助模式族之间的热控避免模式交叉，调控局域色散，实现自稳定暗脉冲微梳的形成。
• 以低于1 mW的泵浦功率直接泵浦系统，消除了对主动反馈或频率锁相的需求。
• 基于包含两个模式族之间线性耦合的耦合非线性薛定谔方程，进行数值模拟，以模拟暗脉冲激发与色散工程。
• 通过希尔伯特变换强度噪声分析与功率谱密度分析测量微梳的稳定性和相干性，并利用高精度波长计追踪以表征啁啾特性。
• 通过PZT执行器调制泵浦激光频率实现频率啁啾，10秒内实现2 GHz/s的扫描速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无反馈、片上兼容配置下，以亚毫瓦级泵浦功率实现相干微梳生成？
• RQ2 热致避免模式交叉如何实现无需主动锁相的自稳定暗脉冲微梳运行？
• RQ3 该系统中微梳线的可调谐范围是多少？与传统的孤子基方法相比如何？
• RQ4 AlGaAs绝缘体平台在保持高Q值和非线性效率的同时，能在多大程度上降低制造复杂度？
• RQ5 直接DFB激光泵浦能否实现稳定、宽范围可调谐的微梳运行，而无需复杂的调谐或控制电路？

主要发现

• 该系统实现了创纪录的低泵浦功率（小于1 mW）下的相干微梳生成，显著低于传统系统通常所需的数十毫瓦。
• 微梳在无任何反馈或控制电路的情况下表现出优异的相干性和稳定性，其机制依赖于热调制的避免模式交叉。
• 微梳实现了前所未有的宽广啁啾范围，所有微梳线均可实现高达2 GHz/s的频率调谐，通过直接泵浦激光调制实现。
• AlGaAs绝缘体平台实现了高达236万的本征Q值，使得在低功率下实现高效的非线性相互作用成为可能。
• 数值模拟证实，主模式族与辅助模式族之间的避免模式交叉对于自激发暗脉冲态至关重要。
• 该系统在广泛的失谐条件下均保持稳定的暗脉冲运行，验证了无反馈设计的鲁棒性。