Schnelle Variation der Wiederholrate Messung von Solitonkristallen in einem Mikroresonator
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll zur Erzeugung von Solitonenkristallen in einem Schmetterlings-verpackten Mikroringresonator mit einer thermisch abgestimmten Methode vor. Ferner werden die Wiederholratenfluktuationen eines Solitonenkristalls mit einer einzelnen Vakanz mit einer verzögerten selbstheterodynen Methode gemessen.
Abstract
Temporale Solitonen haben in den letzten Jahrzehnten großes Interesse für ihr Verhalten in einem stationären Zustand geweckt, in dem die Dispersion durch die Nichtlinearität in einem sich ausbreitenden Kerr-Medium ausgeglichen wird. Die Entwicklung dissipativer Kerr-Solitonen (DKSs) in Hoch-Q-Mikrokavitäten treibt eine neuartige, kompakte Solitonenquelle im Chip-Maßstab an. Wenn DKS als Femtosekundenimpulse dienen, kann die Fluktuation der Wiederholrate auf ultrahochpräzise Messtechnik, optische Hochgeschwindigkeitsabtastung und optische Uhren usw. angewendet werden. In dieser Arbeit wird die schnelle Wiederholratenfluktuation von Solitonenkristallen (SCs), einem speziellen Zustand von DKSs, in dem partikelartige Solitonen dicht gepackt sind und einen Resonator vollständig besetzen, basierend auf der bekannten verzögerten selbstheterodynen Methode gemessen. Die SCs werden mit einer thermisch gesteuerten Methode erzeugt. Die Pumpe ist ein frequenzfixierter Laser mit einer Linienbreite von 100 Hz. Die integrale Zeit bei Frequenzschwankungsmessungen wird durch die Länge der Verzögerungsfaser gesteuert. Für einen SC mit einer einzigen Vakanz betragen die Fluktuationen der Wiederholrate ~ 53,24 Hz innerhalb von 10 μs bzw. ~ 509,32 Hz innerhalb von 125 μs.
Introduction
Die stetigen DKSs in Mikroresonatoren, bei denen die Hohlraumdispersion durch Kerr-Nichtlinearität ausgeglichen wird, sowie dieKerr-Verstärkungund die Hohlraumdissipation 1 haben in der wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft aufgrund ihrer ultrahohen Wiederholrate, kompakten Größe und niedrigen Kosten2großes Interesse geweckt. Im Zeitbereich sind DKS stabile Pulsfolgen, die für die Hochgeschwindigkeits-Entfernungsmessung3 und die Molekülspektroskopie4verwendet wurden. Im Frequenzbereich haben DKS eine Reihe von Frequenzleitungen mit gleichem Frequenzabstand, die für Wellenlängenteilungs-Multiplex (WDM) Kommunikationssysteme 5 ,6,optische Frequenzsynthese7,8und ultra-rauscharme Mikrowellenerzeugung 9,10usw. geeignet sind. Das Phasenrauschen oder die Linienbreite von Kammlinien wirkt sich direkt auf die Leistung dieser Anwendungssysteme aus. Es ist erwiesen, dass alle Kammleitungen eine ähnliche Linienbreite wie diePumpe 11haben. Daher ist die Verwendung eines ultraschmalen Linienbreitenlasers als Pumpe ein effektiver Ansatz, um die Leistung von DKSs zu verbessern. Die Pumpen der meisten gemeldeten DKS sind jedoch frequenzfegernde externe Hohlraumdiodenlaser (ECDLs), die unter relativ hohem Rauschen leiden und eine breite Linienbreite in der Größenordnung von zehn bis hunderten von kHz aufweisen. Im Vergleich zu abstimmbaren Lasern haben Festfrequenzlaser weniger Rauschen, schmalere Linienbreiten und ein geringeres Volumen. Zum Beispiel können Menlo-Systeme ultrastabile Laserprodukte mit einer Linienbreite von weniger als 1 Hz liefern. Die Verwendung eines solchen frequenzfixierten Lasers als Pumpe kann das Rauschen der erzeugten DKSs erheblich reduzieren. In letzter Zeit wurden Mikrowärmer oder thermoelektrische Kühler (TEC) basierte thermische Abstimmungsmethoden für DKSs Generation12,13,14verwendet .
Die Stabilität der Wiederholrate ist ein weiterer wichtiger Parameter von DKSs. Im Allgemeinen werden Frequenzzähler verwendet, um die Frequenzstabilität von DKSs innerhalb einer Gate-Zeit zu charakterisieren, die im Allgemeinen in der Größenordnung von einer Mikrosekunde bis zu tausend Sekunden15,16 liegt. Begrenzt durch die Bandbreite des Photodetektors und des Frequenzzählers werden elektrooptische Modulatoren oder Referenzlaser typischerweise verwendet, um die detektierte Frequenz zu senken, wenn der freie Spektralbereich (FSR) des DKSs über 100 GHz liegt. Dies erhöht nicht nur die Komplexität von Testsystemen, sondern führt auch zu zusätzlichen Messfehlern, die durch die Stabilität von HF-Quellen oder Referenzlasern verursacht werden.
In diesem Artikel wird ein Mikroringresonator (MRR) mit einem kommerziellen TEC-Chip verpackt, der zur Steuerung der Betriebstemperatur verwendet wird. Mit einem frequenzfixierten Laser mit einer Linienbreite von 100 Hz als Pumpe werden Solitonenkristalle (SCs) stabil erzeugt, indem die Betriebstemperatur manuell gesenkt wird; dies sind spezielle DKSs, die einen Resonator vollständig mit kollektiv geordneten Ensembles von kopropagierenden Solitonen füllen können17. Nach unserem besten Wissen ist dies die Pumpe mit der schmalsten Linienbreite in DKSs-Erzeugungsexperimenten. Das PSD-Spektrum (Power Spectral Density) jeder Kammlinie wird auf der Grundlage einer verzögerten DSHI-Methode (Self-Heterodyne Interferometer) gemessen. Begünstigt durch die ultraschmale Linienbreite der Kammlinien wird die Repetitionsrateninstabilität von Solitonenkristallen (SCs) aus der zentralen Frequenzdrift der PSD-Kurven abgeleitet. Für den SC mit einer einzigen Vakanz erhielten wir eine Wiederholrateninstabilität von ~53,24 Hz innerhalb von 10 μs und ~509,32 Hz innerhalb von 125 μs.
Das Protokoll besteht aus mehreren Hauptstufen: Zunächst wird die MRR mit einem Fiber Array (FA) über eine sechsachsige Kopplungsstufe gekoppelt. Die MRR wird von einer hochindexierten Quarzglasplattform18,19hergestellt. Dann wird der MRR in ein 14-poliges Schmetterlingspaket verpackt, was die Stabilität für die Experimente erhöht. SCs werden mit einer thermisch gesteuerten Methode erzeugt. Schließlich werden die Fluktuationen der Wiederholrate von SCs mit einer DSHI-Methode gemessen.
Protocol
Representative Results
Discussion
On-Chip-DKS bieten neuartige kompakte kohärente optische Quellen und weisen hervorragende Anwendungsaussichten in der optischen Messtechnik, Molekülspektroskopie und anderen Funktionen auf. Für kommerzielle Anwendungen sind kompakt verpackte Mikrokammquellen unerlässlich. Dieses Protokoll bietet einen praktischen Ansatz zur Herstellung eines verpackten Mikrokamms, der von der zuverlässigen, verlustarmen Verbindung zwischen MRR und FA sowie einer robusten thermisch gesteuerten DKS-Erzeugungsmethode profitiert. Daher …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) und dem Strategic Priority Research Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Grant No. 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) |
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