結合リングソリトンマイクロコムスにおける帯間ケリーサイドバンドの観察

2024-07-24 Wed
観測されたカップリング環状コーム構造における帯間のケリーサイドバンド背景紹介ケリーサイドバンド（Kelly Sidebands, KSS）は、モードロックシステムに現れる特殊な分散波であり、光ファイバーレーザー内で広範に研究されています。しかし、集積フォトニクス微小共振器の光路長さが短いため、集積マイクロコームでの生成は相対的に困難です。これらの挑戦にもかかわらず、対称性の破られたパルスポンプされた微小コームの中で、最近ケリーサイドバンドが観測されています。この研究の背景の中で、著者らは部分的にカップリングされたトラック型共振器の微小コーム中で連続波の励起を通じてケリーサイドバンドを生成することを探っています。
論文の出典本論文は、Maodong Gao、Zhiquan Yuan、Yan Yu、Warren Jin、Qing-Xin Ji、Jinhao Ge、Avi Feshali、Mario Paniccia、John E. Bowers、そしてKerry J. Vahalaによって共同執筆され、著者らはカリフォルニア工科大学、カリフォルニア大学サンタバーバラ校およびAnello Photonics会社に所属しています。論文は2024年7月に発表され、《Optica》誌の第11巻第7号に掲載されました。
研究の流れ研究対象および研究方法実験装置と検出方法：
CMOS互換プロセスを用いて作られたカップリングリング装置を使用。
連続波レーザーを用いたポンプにより、異常分散ウィンドウ近傍のスペクトルに位置することで明るい孤立パルスのペアを生成。
実験手順：
Si3N4マイクロ共振器トラックを製作。
二つの混合モードファミリーの集積分散を測定。
異常分散ウィンドウ近傍で連続波レーザーを用いたポンプ、孤立パルスのペアを生成。
孤立パルスの周波数コームとKSSのスペクトル位置を観察。
主要な実験およびパラメータ実験過程で部分的にカップリングされたトラック型共振器が使用され、この構造は二つの光学帯域を生成する特徴があり、さらに部分カップリングされたトラック型共振器はシステムの対称性を壊すことを可能にし、これによって孤立パルスとケリーサイドバンドが異なる帯域間のカップルが可能になります。
実験では、連続波ポンプおよびパルスポンプ状態におけるケリーサイドバンドの位置調整について研究されました。シミュレーション実験との比較を通じて、部分的にカップリングされた装置と完全にカップリングされた装置の間でケリーサイドバンドの生成における違いを分析しました。
実験結果連続波励起の下での結果部分的にカップリングされたトラック型共振器内で、連続波レーザーのポンプを用いることで異常分散ウィンドウ近傍に孤立パルスのペアを生成。スペクトル上に二つの異なる帯域で存在する分散波とケリーサイドバンドが表示されました。
具体的な結果は集積分散曲線上の二点において分散波が観察され、一方ケリーサイドバンドは異なる帯域に位置しています。これらの特性はケリーサイドバンドの形成が系の対称性の突破に必要であることを示しています。
パルスポンプ下での結果電気光学コームとパルス圧縮技術を用いて生成された孤立パルスのペアも類似したスペクトル結果を示しました。
実験結果はまた、パルス連続型の単一回のポンプが分散波とケリーサイドバンドのスペクトル位置に及ぼす影響を表示し、これらの変化はポンプパルスの繰り返し周波数を調節することによって観測されました。
数値シミュレーション分析Lugiato-Lefever方程式（LLE）を用いてカップリングモードをシミュレーションし、部分的にカップリングされた装置と完全にカップリングされた装置でのケリーサイドバンドの生成状況をそれぞれモデル化しました。
シミュレーションの結果では、部分的にカップリングされた状況では、分散波とケリーサイドバンドが両方ともスペクトルに表れる一方で、完全にカップリングされた状況では分散波のみが登場し、ケリーサイドバンドが生成されないことが確認されました。
その上、シミュレーションの結果はケリーサイドバンドの形成と対称性の破壊の相互関係を反映しています。
結論とその意義この研究は、部分的にカップリングされたトラック型共振器内の孤立パルス微小コームを用いてケリーサイドバンドを生成する方法を示しました。この方法は系の対称性を壊すことによってケリーサイドバンド生成に必要なパワーを削減し、さらに連続波励起によるケリーサイドバンドの生成を可能にします。
実験およびシミュレーションの結果はこの多帯域システムがマイクロコームのスペクトルを拡大するポテンシャルを持っていることを確認し、ケリーサイドバンドを工学的に活用するための新しい途を提供しました。
光周波数分割でのケリーサイドバンドの潜在的な応用（例えば光周波数コームの使用など）を考慮すると、この研究成果は重要な科学的及び実用的価値を持ちます。
研究のハイライト部分的にカップリングされた共振器を通じてケリーサイドバンドを生成する新しい方法を提供し、マイクロコームのスペクトルの拡張に繋がります。
実験とシミュレーションの観測結果は両方とも、ケリーサイドバンドの生成が系の対称性の破壊に依存することを示しており、これはさらなるマイクロコームのシステム設計における新しい考え方を提供します。
研究中に用いた数値モデルは、異なるカップリング状態におけるケリーサイドバンドの生成の違いを正確に比較し、実験結果の有効性を確認しました。
さらに、本論文は高精度光スペクトル分析装置による測定データに基づき、ケリーサイドバンドが主コームのグリッドと共有するキャリアエンベロープオフセット周波数をさらに確認しました。
本研究の結果は光周波数コームの工学的応用において重要な意義を持ち、未来の関連研究に新しい方向性を提供します。