Dissipative solitons can emerge in a wide variety of dissipative nonlinear systems throughout the fields of optics, medicine or biology. Dissipative solitons can also exist in Kerr-nonlinear optical resonators and rely on the double balance between parametric gain and resonator loss on the one hand and nonlinearity and diffraction or dispersion on the other hand. Mathematically these solitons are solution to the Lugiato-Lefever equation and exist on top of a continuous wave (cw) background. Here we report the observation of temporal dissipative solitons in a high-Q optical microresonator. The solitons are spontaneously generated when the pump laser is tuned through the effective zero detuning point of a high-Q resonance, leading to an effective red-detuned pumping. Red-detuned pumping marks a fundamentally new operating regime in nonlinear microresonators. While usually unstablethis regime acquires unique stability in the presence of solitons without any active feedback on the system. The number of solitons in the resonator can be controlled via the pump laser detuning and transitions to and between soliton states are associated with discontinuous steps in the resonator transmission. Beyond enabling to study soliton physics such as soliton crystals our observations open the route towards compact, high repetition-rate femto-second sources, where the operating wavelength is not bound to the availability of broadband laser gain media. The single soliton states correspond in the frequency domain to low-noise optical frequency combs with smooth spectral envelopes, critical to applications in broadband spectroscopy, telecommunications, astronomy and low phase-noise microwave generation.

Timing on a chip Laser-induced optical frequency combs allow precision measurements and affect a broad range of technologies. Brasch et al. generated optical frequency combs on an optical chip (see the Perspective by Akhmediev and Devine). They induced an optical soliton, or optical bullet, and propagated it in an engineered microcavity waveguide. The emitted output light formed a coherent comb of frequencies spanning two-thirds of an octave. Such an on-chip demonstration bodes well for miniaturization of metrological technology and its adaption for widespread application. Science , this issue p. 357 ; see also p. 340

Optical frequency combs enable coherent data transmission on hundreds of wavelength channels and have the potential to revolutionize terabit communications. Generation of Kerr combs in nonlinear integrated microcavities represents a particularly promising option enabling line spacings of tens of GHz, compliant with wavelength-division multiplexing (WDM) grids. However, Kerr combs may exhibit strong phase noise and multiplet spectral lines, and this has made high-speed data transmission impossible up to now. Recent work has shown that systematic adjustment of pump conditions enables low phase-noise Kerr combs with singlet spectral lines. Here we demonstrate that Kerr combs are suited for coherent data transmission with advanced modulation formats that pose stringent requirements on the spectral purity of the optical source. In a first experiment, we encode a data stream of 392 Gbit/s on subsequent lines of a Kerr comb using quadrature phase shift keying (QPSK) and 16-state quadrature amplitude modulation (16QAM). A second experiment shows feedback-stabilization of a Kerr comb and transmission of a 1.44 Tbit/s data stream over a distance of up to 300 km. The results demonstrate that Kerr combs can meet the highly demanding requirements of multi-terabit/s coherent communications and thus offer a solution towards chip-scale terabit/s transceivers.

Optical frequency combs allow for precise measurement of optical frequencies and are used in a growing number of applications beyond spectroscopy and optical frequency metrology. A class of compact microresonator based frequency comb generators has emerged recently based on (hyper)-parametric frequency conversion, mediated by the Kerr-non-linearity, of a continuous wave laser beam. Despite the rapid progress and the emergence of a wide variety of micro-resonator Kerr-comb platforms, an understanding of the dynamics of the Kerr comb formation is still lacking. In particular the question in which regime low phase noise performance can be achieved has so far not been answered but is of critical importance for future application of this technology. Here an universal, platform independent understanding of the Kerr-comb formation dynamics based on experimental observations in crystalline MgF2 and planar Si3N4 comb generators is given. This explains a wide range of hereto not understood phenomena and reveals for the first time the underlying condition for low phase noise performance.

Optical frequency combs have revolutionized the field of frequency metrology within the last decade and have become enabling tools for atomic clocks, gas sensing and astrophysical spectrometer calibration. The rapidly increasing number of applications has heightened interest in more compact comb generators. Optical microresonator based comb generators bear promise in this regard. Critical to their future use as 'frequency markers', is however the absolute frequency stabilization of the optical comb spectrum. A powerful technique for this stabilization is self-referencing, which requires a spectrum that spans a full octave, i.e. a factor of two in frequency. In the case of mode locked lasers, overcoming the limited bandwidth has become possible only with the advent of photonic crystal fibres for supercontinuum generation. Here, we report for the first time the generation of an octave-spanning frequency comb directly from a toroidal microresonator on a silicon chip. The comb spectrum covers the wavelength range from 990 nm to 2170 nm and is retrieved from a continuous wave laser interacting with the modes of an ultra high Q microresonator, without relying on external broadening. Full tunability of the generated frequency comb over a bandwidth exceeding an entire free spectral range is demonstrated. This allows positioning of a frequency comb mode to any desired frequency within the comb bandwidth. The ability to derive octave spanning spectra from microresonator comb generators represents a key step towards achieving a radio-frequency to optical link on a chip, which could unify the fields of metrology with micro- and nano-photonics and enable entirely new devices that bring frequency metrology into a chip scale setting for compact applications such as space based optical clocks.

The formation of temporal dissipative solitons in optical microresonators enables compact, high-repetition rate sources of ultrashort pulses as well as low noise, broadband optical frequency combs with smooth spectral envelopes. Here we study the influence of the microresonator mode spectrum on temporal soliton formation in a crystalline ${\mathrm{MgF}}_{2}$ microresonator. While an overall anomalous group velocity dispersion is required, it is found that higher order dispersion can be tolerated as long as it does not dominate the resonator's mode structure. Avoided mode crossings induced by linear mode coupling in the resonator mode spectrum are found to prevent soliton formation when affecting resonator modes close to the pump laser frequency. The experimental observations are in excellent agreement with numerical simulations based on the nonlinear coupled mode equations. The presented results provide for the first time design criteria for the generation of temporal solitons in optical microresonators.

The mid-infrared spectral range (λ~2–20 μm) is of particular importance as many molecules exhibit strong vibrational fingerprints in this region. Optical frequency combs—broadband optical sources consisting of equally spaced and mutually coherent sharp lines—are creating new opportunities for advanced spectroscopy. Here we demonstrate a novel approach to create mid-infrared optical frequency combs via four-wave mixing in a continuous-wave pumped ultra-high Q crystalline microresonator made of magnesium fluoride. Careful choice of the resonator material and design made it possible to generate a broadband, low-phase noise Kerr comb at λ=2.5 μm spanning 200 nm (≈10 THz) with a line spacing of 100 GHz. With its distinguishing features of compactness, efficient conversion, large mode spacing and high power per comb line, this novel frequency comb source holds promise for new approaches to molecular spectroscopy and is suitable to be extended further into the mid-infrared. Optical frequency combs are vital tools for precision measurements, and extending them further into the mid-infrared 'molecular fingerprint' range will open new avenues for spectroscopy. Using crystalline microresonators, Wang et al. demonstrate Kerr combs at 2.5 μm as a promising route into the mid-infrared.

Get PDF Email Share Share with Facebook Tweet This Post on reddit Share with LinkedIn Add to CiteULike Add to Mendeley Add to BibSonomy Get Citation Copy Citation Text C. Y. Wang, T. Herr, K. Hartinger, J. Riemensberger, V. Brasch, R. Holtzwarth, and T. J. Kippenberg, "Microresonator Based Optical Frequency Combs," in Conference on Lasers and Electro-Optics 2012, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2012), paper CF3M.1. Export Citation BibTex Endnote (RIS) HTML Plain Text Citation alert Save article