Misurazione della fluttuazione del tasso di ripetizione rapida dei cristalli solitoni in un microrisonatore
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per generare cristalli di solitoni in un risonatore micro-anello confezionato a farfalla utilizzando un metodo termo sintonizzato. Inoltre, le fluttuazioni del tasso di ripetizione di un cristallo solitonico con un singolo posto vacante sono misurate utilizzando un metodo auto-eterodino ritardato.
Abstract
I solitoni temporali hanno suscitato grande interesse negli ultimi decenni per il loro comportamento in uno stato stazionario, dove la dispersione è bilanciata dalla non linearità in un mezzo di Kerr di propagazione. Lo sviluppo di solitoni di Kerr dissipativi (DKSS) in microcavità ad alto Q guida una nuova sorgente di solitoni compatta su scala chip. Quando i DKS fungono da impulsi a femtosecondi, la fluttuazione del tasso di ripetizione può essere applicata alla metrologia ad altissima precisione, al campionamento ottico ad alta velocità e agli orologi ottici, ecc. In questo articolo, la rapida fluttuazione del tasso di ripetizione dei cristalli solitonici (SC), uno stato speciale dei DKS in cui i solitoni simili a particelle sono strettamente impacchettati e occupano completamente un risonatore, viene misurata sulla base del noto metodo auto-eterodina ritardato. Gli SC sono generati utilizzando un metodo a controllo termico. La pompa è un laser fisso a frequenza con una larghezza di linea di 100 Hz. Il tempo integrale nelle misurazioni della fluttuazione di frequenza è controllato dalla lunghezza della fibra ritardata. Per un SC con un singolo posto vacante, le fluttuazioni del tasso di ripetizione sono rispettivamente ~ 53,24 Hz entro 10 μs e ~ 509,32 Hz entro 125 μs.
Introduction
I DKS costanti nei microrisonatori, dove la dispersione della cavità è bilanciata dalla non linearità di Kerr, così come il guadagno di Kerr e la dissipazione della cavità1,hanno attirato grande interesse nella comunità della ricerca scientifica per il loro altissimo tasso di ripetizione, dimensioni compatte e basso costo2. Nel dominio del tempo, i DKSS sono treni di impulsi stabili che sono stati utilizzati per la misurazione ad alta velocità3 e la spettroscopia molecolare4. Nel dominio della frequenza, i DKS hanno una serie di linee di frequenza con uguale spaziatura di frequenza che sono adatte per i sistemi di comunicazione wavelength-division-multiplex (WDM)5,6, sintesi ottica di frequenza7,8e generazione di microonde a bassissimo rumore9,10, ecc. Il rumore di fase o la larghezza di linea delle linee a pettine influisce direttamente sulle prestazioni di questi sistemi applicativi. È stato dimostrato che tutte le linee a pettine hanno una larghezza di linea simile con la pompa11. Pertanto, l’utilizzo di un laser a larghezza di linea ultra-stretta come pompa è un approccio efficace per migliorare le prestazioni dei DKS. Tuttavia, le pompe della maggior parte dei DKSS segnalati sono laser a diodi a cavità esterna (ECDL) a spazzamento di frequenza, che soffrono di rumore relativamente elevato e hanno un’ampia larghezza di linea dell’ordine di decine a centinaia di kHz. Rispetto ai laser sintonizzabili, i laser a frequenza fissa hanno meno rumore, larghezze di linea più strette e volume più piccolo. Ad esempio, i sistemi Menlo possono fornire prodotti laser ultrastabili con una larghezza di linea inferiore a 1 Hz. L’utilizzo di un laser fisso a frequenza tale come pompa può ridurre significativamente il rumore dei DKS generati. Recentemente, i metodi di sintonizzazione termica basati su microriscaldatori o raffreddatori termoelettrici (TEC) sono stati utilizzati metodi di sintonizzazione termica basati su DKSS12,13,14.
La stabilità del tasso di ripetizione è un altro parametro importante dei DKS. Generalmente, i contatori di frequenza sono usati per caratterizzare la stabilità di frequenza dei DKS all’interno di un tempo di gate, che è generalmente dell’ordine di un microsecondo a mille secondi15,16. Limitati dalla larghezza di banda del fotorivelatore e del contatore di frequenza, i modulatori elettro-ottici o i laser di riferimento vengono in genere utilizzati per abbassare la frequenza rilevata quando la gamma spettrale libera (FSR) dei DKS È superiore a 100 GHz. Ciò non solo aumenta la complessità dei sistemi di test, ma produce anche ulteriori errori di misurazione causati dalla stabilità delle sorgenti RF o dei laser di riferimento.
In questo documento, un risonatore micro-anello (MRR) è confezionato a farfalla con un chip TEC commerciale che viene utilizzato per controllare la temperatura di funzionamento. Utilizzando un laser fisso a frequenza con una larghezza di linea di 100 Hz come pompa, i cristalli solitoni (SC) vengono generati stabilmente diminuendo manualmente la temperatura di esercizio; questi sono DKS speciali che possono riempire completamente un risonatore con insiemi ordinati collettivamente di solitoni copropagating17. Per quanto ne sappiamo, questa è la pompa a larghezza di linea più stretta negli esperimenti di generazione DKSS. Lo spettro della densità spettrale di potenza (PSD) di ogni linea a pettine viene misurato in base a un metodo di interferometro auto-eterodina ritardato (DSHI). Beneficiando della larghezza di linea ultra-stretta delle linee a pettine, l’instabilità del tasso di ripetizione dei cristalli solitonici (SC) deriva dalla deriva della frequenza centrale delle curve PSD. Per l’SC con un singolo posto vacante, abbiamo ottenuto un’instabilità del tasso di ripetizione di ~ 53,24 Hz entro 10 μs e ~ 509,32 Hz entro 125 μs.
Il protocollo è costituito da diverse fasi principali: in primo luogo, l’MRR è accoppiato con un array di fibre (FA) utilizzando uno stadio di accoppiamento a sei assi. L’MRR è fabbricato da una piattaforma di vetro di silice drogato ad alto indice18,19. Quindi, l’MRR viene confezionato in un pacchetto a farfalla a 14 pin, che aumenta la stabilità per gli esperimenti. Gli SC sono generati utilizzando un metodo a controllo termico. Infine, le fluttuazioni del tasso di ripetizione delle SC sono misurate con un metodo DSHI.
Protocol
Representative Results
Discussion
I DKS su chip forniscono nuove sorgenti ottiche compatte coerenti e mostrano eccellenti prospettive applicative in metrologia ottica, spettroscopia molecolare e altre funzioni. Per le applicazioni commerciali, le sorgenti a microcomb confezionate compatte sono essenziali. Questo protocollo fornisce un approccio pratico per realizzare un microcomb confezionato che beneficia della connessione affidabile e a bassa perdita di accoppiamento tra MRR e FA, nonché di un robusto metodo di generazione DKS a controllo termico. Per…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) e dal Programma di ricerca prioritaria strategica dell’Accademia cinese delle scienze (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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