[论文解读] Ultra-Broadband Soliton Microcomb Through Synthetic Dispersion

Grégory Moille, Edgar F. Perez+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 5

一句话总结

本文通过双泵方案引入合成色散，将克尔孤子微梳的带宽远远扩展至仅靠几何色散无法达到的极限。通过在1550 nm处使用第二束泵浦光实现非简并四波混频，作者展示了一款硅氮化物微梳，其带宽接近两个八度（137–407 THz），并验证了相位相干性，从而实现了超宽带、稳定的频率梳，适用于紧凑型光学频率合成与原子钟。

ABSTRACT

Broad bandwidth and stable microresonator frequency combs are critical for accurate and precise optical frequency measurements in a compact and deployable format. Typically, broad bandwidths (e.g., octave spans) are achieved by tailoring the microresonator's geometric dispersion. However, geometric dispersion engineering alone may be insufficient for sustaining bandwidths well beyond an octave. Here, we introduce the novel concept of synthetic dispersion, in which a second pump laser effectively alters the dispersion landscape to create Kerr soliton microcombs that extend far beyond the anomalous geometric dispersion region. Through detailed numerical simulations, we show that the synthetic dispersion model captures the system's key physical behavior, in which the second pump enables non-degenerate four-wave mixing that produces new dispersive waves on both sides of the spectrum. We experimentally demonstrate these concepts by pumping a silicon nitride microring resonator at 1060 nm and 1550 nm to generate a single soliton microcomb whose bandwidth approaches two octaves (137 THz to 407 THz) and whose phase coherence is verified through beat note measurements. Such ultra-broadband microcombs provide new opportunities for full microcomb stabilization in optical frequency synthesis and optical atomic clocks, while the synthetic dispersion concept can extend microcomb operation to wavelengths that are hard to reach solely through geometric dispersion engineering.

研究动机与目标

• 解决仅靠几何色散调控在微谐振腔频率梳中实现超过一个八度带宽的局限性。
• 开发一种新方法，通过外部控制色散，将微梳带宽扩展至超宽带区域。
• 实现在传统几何色散调控难以触及的波段的稳定、相位相干微梳。
• 在紧凑、可部署的格式中，实验验证合成色散在光学频率计量中的可行性。
• 为光学原子钟和精密光谱学应用中实现全微梳稳定化铺平道路。

提出的方法

• 采用1060 nm和1550 nm激光的双泵配置，在氮化硅微环谐振器中激发非简并四波混频。
• 通过第二束泵浦光有效重塑色散轮廓，实现超越几何色散异常区域的合成色散工程。
• 利用数值模拟建模系统行为，确认合成色散可实现孤子形成及光谱两侧的色散波生成。
• 通过拍频测量验证生成微梳的相位相干性，确认其稳定性和光谱平坦性。
• 设计微环谐振器，使其在双泵激励下支持克尔孤子形成，同时保持低传输损耗。
• 表征输出光谱，确认带宽从137 THz扩展至407 THz，接近两个八度。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过第二束泵浦实现的合成色散是否能够突破仅靠几何色散调控的微梳带宽极限？
• RQ2 双泵激励引发的非简并四波混频如何影响克尔孤子形成的光谱与时间动力学？
• RQ3 在通过合成色散生成的超宽带微梳中，相位相干性能够保持到何种程度？
• RQ4 是否能在紧凑的氮化硅平台中实验实现接近两个八度带宽的微梳？
• RQ5 合成色散在光学频率合成与原子钟中稳定微梳方面具有何种实际意义？

主要发现

• 双泵方案成功将微梳带宽扩展至137 THz至407 THz，接近两个八度，远超典型的一倍八度带宽微梳。
• 通过拍频测量实验验证了微梳的相位相干性，证实其适用于精密频率计量。
• 数值模拟确认，合成色散可通过非简并四波混频在光谱两侧生成色散波。
• 该方法克服了仅靠几何色散的物理限制，使原本难以在微谐振器中实现的波段得以访问。
• 在氮化硅微环谐振器中的实验演示证实了紧凑型、超宽带、相位稳定微梳的可行性。
• 合成色散使克尔孤子在异常色散区域之外实现稳定运行，扩展了微梳的可操作窗口。