마이크로레소네이터에서 솔리톤 크리스탈의 신속한 반복 속도 변동 측정
Summary
여기서, 열 조정 방법을 사용하여 나비 포장 마이크로 링 공진기에서 솔리톤 결정을 생성하는 프로토콜을 제시합니다. 또한, 단일 공석을 갖는 솔리톤 결정의 반복속도 변동은 지연된 자가이테로다인 방법을 사용하여 측정된다.
Abstract
현세적 솔리톤은 전파 커 매체의 비선형성에 의해 분산이 균형을 이루는 안정된 상태에서의 행동에 대해 지난 수십 년 동안 큰 관심을 끌었습니다. 하이큐 마이크로캐비티에서 소멸된 커 솔리톤(DKS)의 개발은 새로운 컴팩트한 칩 스케일 솔리톤 소스를 유도합니다. DKS가 펨토초 펄스 역할을 할 때, 반복 속도 변동은 초고정밀 계측, 고속 광학 샘플링 및 광학 시계 등에 적용될 수 있습니다. 이 논문에서, 입자와 같은 솔리톤이 단단히 포장되고 완전히 공진을 점유하는 DKSs의 특수 상태인 솔리톤 결정(SC)의 급속한 반복 속도 변동은 잘 알려진 지연된 자가 이테로다인 방법에 따라 측정된다. SC는 열 제어 방법을 사용하여 생성됩니다. 펌프는 100Hz의 라인 폭을 가진 주파수 고정 레이저입니다. 주파수 변동 측정의 필수적인 시간은 지연 섬유의 길이에 의해 제어됩니다. 단일 공석이 있는 SC의 경우 반복 속도 변동은 각각 125μs 이내의 ~53.24Hz 및 ~509.32Hz이다.
Introduction
커의 비선형성뿐만 아니라 커 이득 및 캐비티 분산1에의해 캐비티 분산이 균형을 이루는 미세 공명기의 꾸준한 DKS는 초고반복율, 컴팩트한 크기 및 저비용2에대한 과학 연구 커뮤니티에 큰 관심을 끌고 있다. 시간 영역에서, DKS는 고속 범위 측정3 및 분자 분광법4에사용 된 안정적인 펄스 열차입니다. 주파수 영역에서, DKS는 파장-분열-멀티플렉스(WDM) 통신 시스템5,6,광학 주파수 합성7,8,초저잡음 마이크로파 생성9,10등에 적합한 주파수 간격이 동일한 주파수 간격을 가진 일련의 주파수 라인을 갖는다. 빗 선의 위상 노이즈 또는 라인 폭은 이러한 응용 프로그램 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 모든 빗 라인은펌프(11)와유사한 선폭을 갖는 것으로 입증되었습니다. 따라서 초좁은 라인폭 레이저를 펌프로 사용하는 것은 DKS의 성능을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 그러나, 대부분의 보고된 DKS의 펌프는 상대적으로 높은 소음으로 고생하고 kHz의 수백의 순서에 넓은 라인 폭을 가지고 외부 캐비티 다이오드 레이저 (ECDL)를 청소 주파수입니다. 튜닝 가능한 레이저와 비교하여 고정 주파수 레이저는 소음이 적고 라인 폭이 좁으며 볼륨이 작습니다. 예를 들어, Menlo 시스템은 1Hz 미만의 라인폭을 갖는 초안정 레이저 제품을 제공할 수 있다. 이러한 주파수 고정 레이저를 펌프와 같은 주파수 고정 레이저를 사용하여 생성된 DKS의 소음을 현저히 감소시킬 수 있다.
반복 속도 안정성은 DKS의 또 다른 중요한 매개 변수입니다. 일반적으로 주파수 카운터는 일반적으로 천 초15,16까지마이크로초의 순서에 있는 게이트 시간 내에 DKS의 주파수 안정성을 특성화하는 데 사용된다. 광검출기 및 주파수 카운터의 대역폭에 의해 제한되는 전기 광학 변조기 또는 기준 레이저는 일반적으로 DKSs의 자유 스펙트럼 범위(FSR)가 100GHz 이상일 때 검출된 주파수를 낮추는 데 사용됩니다. 이는 테스트 시스템의 복잡성을 높일 뿐만 아니라 RF 소스 또는 참조 레이저의 안정성으로 인한 추가 측정 오류를 생성합니다.
이 논문에서 마이크로 링 공진기(MRR)는 작동 온도를 제어하는 데 사용되는 상업용 TEC 칩으로 포장된 나비입니다. 펌프로서 100Hz의 라인폭을 가진 주파수 고정 레이저를 사용하여 솔리톤 결정(SC)은 작동 온도를 수동으로 감소시킴으로써 안정적으로 생성됩니다. 이들은 완전히 공진을 채울 수있는 특별한 DKS입니다17공동 고독의 집단 주문 앙상블. 우리의 지식에, 이것은 DKS 세대 실험에서 가장 좁은 라인 폭 펌프입니다. 모든 빗라인의 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 스펙트럼은 지연된 자가 이테로다인 간섭계(DSHI) 방법에 기초하여 측정됩니다. 빗선의 매우 좁은 선폭의 이점을 통해 솔리톤 결정(SC)의 반복 속도 불안정성은 PSD 곡선의 중앙 주파수 드리프트로부터 파생됩니다. 단일 공석이 있는 SC의 경우 10μs 이내 ~53.24Hz의 반복속도 불안정성 및 125μs 내에서 ~509.32Hz의 반복률을 얻었습니다.
프로토콜은 여러 가지 주요 단계로 구성됩니다: 첫째, MRR은 6축 커플링 스테이지를 사용하여 파이버 어레이(FA)와 결합됩니다. MRR은 고지수 도핑 실리카 유리 플랫폼18,19에의해 제조된다. 그런 다음 MRR을 14핀 나비 패키지로 패키징하여 실험의 안정성을 높입니다. SC는 열 제어 방법을 사용하여 생성됩니다. 마지막으로, SC의 반복 속도 변동은 DSHI 방법으로 측정됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
온칩 DKS는 새로운 컴팩트한 일관된 광학 소스를 제공하며 광학 계측, 분자 분광법 및 기타 기능에서 우수한 응용 전망을 제공합니다. 상용 애플리케이션의 경우 컴팩트한 포장 된 마이크로 콤 소스가 필수적입니다. 이 프로토콜은 MRR과 FA 간의 신뢰할 수 있고 낮은 커플링 손실 연결과 견고한 열 제어 DKS 생성 방법의 이점을 제공하는 패키지마이크로 콤을 만드는 실용적인 방법을 제공합니다. 따라…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 중국 국립 자연 과학 재단 (NSFC) (그랜트 62075238, 61675231)와 중국 과학 아카데미의 전략적 우선 순위 연구 프로그램 (그랜트 번호)에 의해 지원되었다. XDB4030600).
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).
