[论文解读] Synthetic Frequency Lattices from an Integrated Dispersive Multi-Color Soliton

Grégory Moille, Curtis R. Menyuk+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

该论文通过利用四波混频布里渊散射引起的非线性耦合，在集成的、色散性的多波长耗尽克尔孤子（DKS）的本征频率空间中实现了合成频率晶格。通过利用1 THz重复率微腔中群速度与相速度的差异，作者实现了跨越150 THz的全光宽带耦合，从而在与倍频程微梳兼容的复杂频率晶格中开辟了一个隐藏维度。

ABSTRACT

Dissipative Kerr solitons (DKSs) in optical microresonators have been intensely studied from the perspective of both fundamental nonlinear physics and portable and low power technological applications in communications, sensing, and metrology. In parallel, synthetic dimensions offer the promise of studying physical phenomena with a dimensionality beyond that imposed by geometry, and have been implemented in optics. The interplay of DKS physics with synthetic dimensions promises to unveil numerous new physical and technological insights, yet many fundamental challenges remain. In particular, DKSs intrinsically rely on dispersion to exist while the creation of synthetic frequency lattices typically needs a dispersion-less system. We present a change of paradigm with the creation of a synthetic frequency lattice in the eigenfrequency space of a dispersive multi-color soliton through all-optical nonlinear coupling -- compatible with octave spanning microcombs -- harnessing the interplay between the cavity dispersion and the dispersion-less nature of the DKS. We examine theoretically and experimentally the nonlinear coupling mechanism in a 1~THz repetition rate resonator and demonstrate four-wave mixing Bragg scattering between the different wavepackets forming the multi-color soliton, with the microcomb ranging over 150~THz, yielding a complex all-optical and integrated synthetic frequency lattice.

研究动机与目标

• 为克服合成频率晶格（通常需要无色散系统）与耗尽克尔孤子（DKS）之间的不兼容性，后者本质上依赖腔体色散存在。
• 通过利用色散腔中DKS波包组分之间的相速度差异，建立光子学中合成维度的新范式。
• 在DKS的本征频率空间中实现全光宽带非线性耦合，从而在无需外部电光调制的情况下创建复杂合成频率晶格。
• 验证高阶色散虽常为障碍，但可作为正向机制，在与重复率空间正交的隐藏维度中实现非线性耦合。
• 为在经典集成光子系统中模拟量子类现象、拓扑性以及多能级原子系统提供新平台。

提出的方法

• 理论建模将多泵浦DKS系统简化为一组描述离散波包组分的耦合Lugiato-Lefever方程（LLE），将DKS视为具有内部频率组分的稳定包络。
• 非线性耦合由波包之间因腔体色散导致的相位旋转速度差异所驱动，而群速度则通过交叉相位调制保持锁定。
• 以四波混频布里渊散射作为核心非线性过程，类比于光学参量放大，用于在本征频率空间中生成新的闲频波包。
• 在1 THz重复率的Si3N4微腔中实验实现该系统，采用双泵浦激发，实现了超过150 THz带宽的宽带频率梳。
• 通过精确控制线性腔体色散引起的相位跳变，实现在合成维度中波包之间的长程相干耦合。
• 通过测量实验框架中的输出光谱对实验结果进行验证，结果与本征频率域建模高度一致，证实了合成晶格的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管DKS依赖色散而合成晶格通常假设无色散系统，是否仍可在色散多波长DKS的本征频率空间中实现合成频率晶格？
• RQ2 如何在不依赖与高重复率微梳不兼容的电光调制的情况下，实现在DKS本征频率空间中的非线性耦合？
• RQ3 群速度与相速度之间的差异在实现与重复率空间正交的隐藏维度中的非线性混合与耦合中起到何种作用？
• RQ4 高阶色散虽常为不利因素，是否可被利用以实现合成频率晶格中的复杂长程耦合？
• RQ5 由此产生的合成晶格在多大程度上可模拟经典集成光子平台中的多能级原子系统或拓扑现象？

主要发现

• 在1 THz重复率DKS的本征频率空间中，实验上实现了跨越超过150 THz带宽的合成频率晶格。
• 非线性耦合通过DKS波包组分之间的四波混频布里渊散射发生，由腔体色散引起的相速度失配所驱动，尽管群速度相同。
• 该系统实现了无需电光调制的全光耦合，因此与高重复率、倍频程覆盖的微梳兼容。
• 本征频率域的理论建模与实验室框架中的实验观测结果高度一致，证实了DKS中隐藏维度的存在。
• 高阶色散并非限制因素，而是实现合成晶格中长程耦合的关键驱动力，从而支持复杂可重构的频率结构。
• 合成晶格支持类似于λ型、V型和阶梯型原子系统的配置，为在经典光子系统中模拟原子物理现象开辟了新途径。