微谐振器中孤子晶体的快速重复率波动测量
Summary
在这里，我们提出了一种使用热调谐方法在蝴蝶封装的微环谐振器中产生孤子晶体的协议。此外，使用延迟自外差法测量具有单个空位的孤子晶体的重复速率波动。
Abstract
在过去的几十年中，时间孤子因其在稳定状态下的行为而引起了极大的兴趣，其中色散由传播Kerr介质中的非线性度平衡。耗散Kerr孤子（DKS）在高Q微腔中的发展推动了一种新颖，紧凑，芯片级的孤子源。当DKS作为飞秒脉冲时，重复率波动可以应用于超高精度计量，高速光学采样和光学时钟等。本文基于众所周知的延迟自外差法测量了孤子晶体（SC）的快速重复速率波动，这是DKS的一种特殊状态，其中颗粒状孤子紧密堆积并完全占据谐振器。SC是使用热控制方法生成的。泵浦是一种频率固定激光器，线宽为100 Hz。频率波动测量中的积分时间由延迟光纤的长度控制。对于具有单个空位的SC，重复率波动分别为10 μs内的~53.24 Hz和125 μs内的~509.32 Hz。
Introduction
微谐振器中的稳定DKS，其中腔体色散由Kerr非线性度以及Kerr增益和空腔耗散1平衡，因其超高重复率，紧凑尺寸和低成本2引起了科学研究界的极大兴趣。在时域中，DKS是稳定的脉冲序列，已用于高速测距测量3和分子光谱学4。在频域中，DKS具有一系列具有相等频率间距的频率线，适用于波分复用（WDM）通信系统5、6、光频率合成7、8和超低噪声微波生成9、10等。梳状线的相位噪声或线宽直接影响这些应用系统的性能。已经证明，所有梳状线都与泵11具有相似的线宽。因此，使用超窄线宽激光器作为泵浦是提高DKS性能的有效方法。然而，大多数报道的DKS的泵浦是频率扫描外腔二极管激光器（ECDL），其噪声相对较高，并且具有数十至数百kHz的宽线宽。与可调谐激光器相比，定频激光器具有更低的噪声，更窄的线宽和更小的体积。例如，Menlo系统可以提供线宽小于1 Hz的超稳定激光产品，使用这种频率固定激光器作为泵可以显着降低生成的DKS的噪声。最近，基于微加热器或热电冷却器（TEC）的热调谐方法已用于DKS第12代，13代，14。
重复率稳定性是DKS的另一个重要参数。通常，频率计数器用于表征DKS在栅极时间内的频率稳定性，其数量级为15，16微秒至1000秒。受光电探测器和频率计数器带宽的限制，电光调制器或参考激光器通常用于在DKS的自由光谱范围（FSR）超过100 GHz时降低检测频率。这不仅增加了测试系统的复杂性，而且还会产生由RF源或参考激光器的稳定性引起的额外测量误差。
在本文中，微环形谐振器（MRR）采用用于控制工作温度的商用TEC芯片进行蝶形封装。使用线宽为100 Hz的频率固定激光器作为泵浦，通过手动降低工作温度稳定地产生孤子晶体（SC）;这些是特殊的DKS，可以完全填充谐振器，具有集体有序的共振孤子集合17。据我们所知，这是DKS发电实验中最窄的线宽泵。基于延迟自外差干涉仪（DSHI）方法测量每条梳状线的功率谱密度（PSD）光谱。得益于梳状线的超窄线宽，孤子晶体（SC）的重复率不稳定性来自PSD曲线的中心频率漂移。对于具有单个空位的SC，我们在10 μs内获得了~53.24 Hz的重复率不稳定性，在125 μs内获得了~509.32 Hz的重复率不稳定性。
该协议由几个主要阶段组成：首先，MRR使用六轴耦合级与光纤阵列（FA）耦合。所述MRR是由高折射率掺杂的二氧化硅玻璃平台18、19制备的。然后，将MRR封装成14引脚蝶形封装，这增加了实验的稳定性。SC是使用热控制方法生成的。最后，采用DSHI方法测量SC的重复率波动。
Protocol
Representative Results
Discussion
片上DKS提供新型紧凑相干光源，在光学计量、分子光谱等功能方面具有良好的应用前景。对于商业应用，紧凑封装的微梳源至关重要。该协议提供了一种实用的方法来制造封装的微梳，该微梳受益于MRR和FA之间可靠，低耦合损耗的连接，以及强大的热控制DKS生成方法。因此，我们的实验不再依赖于耦合阶段，并表现出优异的环境适应性。同时，泵浦是一种波长固定激光器，可以使用更窄的线宽操?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究由国家自然科学基金（NSFC）（61675231 62075238）和中国科学院战略重点研究计划（批准号：国家自然科学基金）资助。XDB24030600）。
Materials
| 6-axis coupling stage | Suruga Seiki | KXC620G KGW060 |
Contains 3 linear motorized translation states and 3 angular motorized rotational stages. Linear state: Minimum stepping: 0.05 μm; Travel: 20mm; Max.speed: 25mm/s; Repeatability: +/-0.3 μm; Rotational stage:Travel: ±8°; Resolution/pulse: 0.003 degree; Repeatability:±0.005° |
| Abrasive powder | Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD | 2980002 | Silicon carbide, granularity: 1.5 μm |
| Glue 3410 | Electronic Materials Incorporated | Optocast 3410 | Optocast 3410 is an ultra violet light and heat curable epoxy suitable for opto-electronic assembly. It cures rapidly when exposed to U.V. light in the 320-380 nm. |
| High-index doped silica glass | Home-made | – | The MRR is fabricated by a high index doped silica glass platform. The waveguide section is 2×3 μm and radius is 592.1 μm, corresponding to FSR of 49 GHz. |
| Pump laser | NKT Photonics | E15 | It is a continuous wave fiber laser with linewidth of 100 Hz. |
| Ultrastable Laser | Menlosystems | ORS | State-of-the-art linewidth (<1Hz) and stability (<2 x 10-15 Hz) |
References
- Herr, T., et al. Temporal solitons in optical microresonators. Nature Photonics. 8, 145-152 (2014).
- Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. Low-pump-power, low-phase-noise, and microwave to millimeter-wave repetition rate operation in microcombs. Physical Review Letters. 109, 1-5 (2012).
- Trocha, P., et al. Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs. Science. 359, 887-891 (2018).
- Myoung-Gyun, S., Qi-Fan, Y., Ki Youl, Y., Xu, Y., Kerry, L. V. Microresonator soliton dual-comb spectroscopy. Science. 354, 600-603 (2016).
- Marin-Palomo, P., et al. Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications. Nature. 546, 274-279 (2017).
- Fang-Xiang, W., et al. Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators. arXiv. , (2018).
- Spencer, D. T., et al. An optical-frequency synthesizer using integrated photonics. Nature. 557, 81-85 (2018).
- Del’Haye, P., et al. Phase-coherent microwave-to-optical link with a self-referenced microcomb. Nature Photonics. 10, 516-520 (2016).
- Huang, S. W., et al. A broadband chip-scale optical frequency synthesizer at 2.7×10-16 relative uncertainty. Science Advance. 2, 1501489 (2016).
- Liang, W., et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator. Nature Communications. 6, 7957 (2015).
- Liao, P. C., et al. Dependence of a microresonator Kerr frequency comb on the pump linewidth. Optics Letters. 42, 779-782 (2017).
- Wang, W. Q. Robust soliton crystals in a thermally controlled microresonator. Optics Letters. 43, 2002-2005 (2018).
- Chaitanya, J., et al. Thermally controlled comb generation and soliton modelocking in microresonators. Optics Letters. 41, 2565-2568 (2016).
- Lu, Z. Z., et al. Deterministic generation and switching of dissipative Kerr soliton in a thermally controlled micro-resonator. AIP Advances. 9, 025314 (2019).
- Jost, J. D., et al. Counting the Cycles of Light using a Self-Referenced Optical Microresonator. Optica. 2, 706-711 (2014).
- Brasch, V., et al. Self-referenced photonic chip soliton Kerr frequency comb. Light: Science & Applications. 6, 16202-16206 (2017).
- Cole, D. C., et al. Soliton crystals in Kerr resonators. Nature Photonics. 11, 671-676 (2017).
- Little, B. E. A VLSI photonics platform. Conference on Optical Fiber Communication. 86, 444-445 (2003).
- Wang, W. Q., et al. Dual-pump kerr micro-cavity optical frequency comb with varying FSR spacing. Scientific Report. 6, 28501 (2016).
- Kessler, T., et al. A sub-40-m Hz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity. Nature Photonics. 6, 687-692 (2012).
