Tailoring microcombs with inverse-designed, meta-dispersion microresonators

谐振器 色散(光学) 物理 光学 模态色散 非线性光学 激光器 光纤 色散位移光纤 光纤传感器
作者
Erwan Lucas,Su‐Peng Yu,Travis C. Briles,David Carlson,Scott B. Papp
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:46
标识
DOI:10.1038/s41566-023-01252-7
摘要

Nonlinear-wave mixing in optical microresonators offers new perspectives to generate compact optical-frequency microcombs, which enable an ever-growing number of applications. Microcombs exhibit a spectral profile that is primarily determined by their microresonator's dispersion; an example is the $ \operatorname{sech}^2 $ spectrum of dissipative Kerr solitons under anomalous group-velocity dispersion. Here, we introduce an inverse-design approach to spectrally shape microcombs, by optimizing an arbitrary meta-dispersion in a resonator. By incorporating the system's governing equation into a genetic algorithm, we are able to efficiently identify a dispersion profile that produces a microcomb closely matching a user-defined target spectrum, such as spectrally-flat combs or near-Gaussian pulses. We show a concrete implementation of these intricate optimized dispersion profiles, using selective bidirectional-mode hybridization in photonic-crystal resonators. Moreover, we fabricate and explore several microcomb generators with such flexible `meta' dispersion control. Their dispersion is not only controlled by the waveguide composing the resonator, but also by a corrugation inside the resonator, which geometrically controls the spectral distribution of the bidirectional coupling in the resonator. This approach provides programmable mode-by-mode frequency splitting and thus greatly increases the design space for controlling the nonlinear dynamics of optical states such as Kerr solitons.
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