[论文解读] Temporal solitons in a coherently driven active resonator

Nicolas Englebert, Carlos Mas Arabí+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 66被引用 16

一句话总结

本文提出一种混合相干驱动有源谐振腔，通过结合腔内放大与相干泵浦，生成时间耗散孤子，实现稳定、高功率脉冲序列，最高可实现10%的功率提取效率，且在低精细度腔（3%有效损耗）下运行，同时将放大自发辐射的影响降至最低。

ABSTRACT

Optical frequency combs are lightwaves composed of a large number of equidistant spectral lines. They are important for metrology, spectroscopy, communications and fundamental science. Frequency combs are most often generated by exciting dissipative solitons in lasers or in passive resonators, both of which suffer from significant limitations. Here, we show that the advantages of each platform can be combined. We introduce a novel kind of soliton, called active cavity soliton, hosted in coherently driven lasers pumped below the lasing threshold. We use an active fibre resonator and measure high peak power solitons on a low power background, in excellent agreement with simulations of a generalized Lugiato-Lefever equation. Moreover, we find that amplified spontaneous emission has negligible impact on the soliton's stability. Our results open up novel avenues for frequency comb formation by showing that coherent driving and incoherent pumping can be efficiently combined to generate a high-power ultra-stable pulse train.

研究动机与目标

• 通过融合激光器平台与被动谐振腔平台的优势，克服传统频率梳光源的局限性。
• 解决激光器的高输出功率与被动谐振腔的低时间抖动之间的权衡问题。
• 证明在相干驱动腔内实现腔内放大可实现高效的孤子形成并提升能量提取效率。
• 研究在相干驱动下，低精细度、有源掺杂谐振腔中孤子的稳定性和光谱特性。
• 表明放大自发辐射对孤子稳定性影响可忽略，从而实现高相干性。

提出的方法

• 采用50 m光纤腔，利用短段掺铒光纤（EDF）在1480 nm波长泵浦，提供低于阈值的腔内增益。
• 使用线宽极窄的1550 nm激光器相干驱动腔体，通过调制幅度和相位实现同步泵浦。
• 使用90/10或99/1耦合器作为输入/输出端口，以控制耦合效率与提取效率。
• 通过反馈来自输出耦合器的信号，利用PID控制器将激光频率锁定至腔共振频率，实现腔体稳定。
• 采用光谱分析仪、快速光电二极管、示波器及带通滤波后的射频谱分析仪，对孤子进行表征，以隔离脉冲信号。
• 使用中心波长位于驱动激光波长、带宽为1 nm的带通滤波器抑制放大自发辐射（ASE）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在低于阈值的腔内放大条件下，通过相干驱动有源腔实现时间耗散孤子的稳定？
• RQ2 通过结合增益与相干驱动，能否显著提升低精细度谐振腔中的功率提取效率？
• RQ3 放大自发辐射在该混合系统中对孤子稳定性有何影响？
• RQ4 该平台中的孤子能否同时实现高功率与低时间抖动，从而兼具激光器与被动谐振腔平台的优势？
• RQ5 生成稳定单孤子或多孤子态的最优失谐与泵浦配置为何？

主要发现

• 系统生成一种新型时间孤子——有源腔孤子（ACSs），最高可从腔内提取10%的功率。
• 有效腔损耗低至3%，即使精细度较低，仍可实现高效能量提取。
• 孤子稳定，相位噪声低，光谱呈清晰的sech形，且未受放大自发辐射的显著影响。
• 通过调节失谐可生成单个或多个ACSs，稳定运行状态出现在失谐值D=250（单孤子）和D=6（多孤子）时。
• 系统实现最大腔内功率215 µW，Q值达122亿，自由光谱范围为3.969 MHz。
• 射频测量证实时间抖动极低，相位噪声水平与高稳定性频率梳运行一致。