Mesure rapide de la fluctuation du taux de répétition des cristaux de soliton dans un microrésonateur
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour générer des cristaux de soliton dans un résonateur à micro-anneaux emballé par papillon en utilisant une méthode d’accord thermique. De plus, les fluctuations du taux de répétition d’un cristal de soliton avec une seule vacance sont mesurées à l’aide d’une méthode d’auto-hétérodyne retardée.
Abstract
Les solitons temporels ont suscité un grand intérêt au cours des dernières décennies pour leur comportement dans un état stable, où la dispersion est équilibrée par la non-linéarité dans un milieu de Kerr de propagation. Le développement de solitons de Kerr dissipatifs (DKS) dans des microcavités à Q élevé entraîne une nouvelle source de solitton compacte à l’échelle de la puce. Lorsque les DKS servent d’impulsions femtosecondes, la fluctuation du taux de répétition peut être appliquée à la métrologie de très haute précision, à l’échantillonnage optique à grande vitesse, aux horloges optiques, etc. Dans cet article, la fluctuation rapide du taux de répétition des cristaux de soliton (SC), un état spécial des DKS où les solitons de type particule sont étroitement emballés et occupent pleinement un résonateur, est mesurée sur la base de la méthode bien connue de l’auto-hétérodyne retardé. Les SC sont générés à l’aide d’une méthode à contrôle thermique. La pompe est un laser fixe de fréquence avec une largeur de ligne de 100 Hz. Le temps intégral dans les mesures de fluctuation de fréquence est contrôlé par la longueur de la fibre de retard. Pour un SC avec une seule vacance, les fluctuations du taux de répétition sont respectivement d’environ 53,24 Hz dans les 10 μs et d’environ 509,32 Hz dans les 125 μs.
Introduction
Les DKS stables dans les microrésonateurs, où la dispersion de la cavité est équilibrée par la non-linéarité de Kerr, ainsi que le gain de Kerr et la dissipation de la cavité1,ont suscité un grand intérêt dans la communauté de la recherche scientifique pour leur taux de répétition ultra-élevé, leur taille compacte et leur faible coût2. Dans le domaine temporel, les DKS sont des trains d’impulsions stables qui ont été utilisés pour la mesure de télémétrie à grande vitesse3 et la spectroscopie moléculaire4. Dans le domaine des fréquences, les DKS ont une série de lignes de fréquence avec un espacement de fréquence égal qui conviennent aux systèmes de communication WDM (wavelength-division-multiplex)5,6,synthèse de fréquence optique7,8et génération de micro-ondes à très faible bruit9,10,etc. Le bruit de phase ou la largeur de ligne des lignes de peigne affecte directement les performances de ces systèmes d’application. Il a été prouvé que toutes les lignes de peigne ont une largeur de ligne similaire à celle de la pompe11. Par conséquent, l’utilisation d’un laser à largeur de ligne ultra-étroite comme pompe est une approche efficace pour améliorer les performances des DKS. Cependant, les pompes de la plupart des DKS signalés sont des lasers à diode à cavité externe (ECDL) à balayage de fréquence, qui souffrent d’un bruit relativement élevé et ont une large largeur de ligne de l’ordre de dizaines à des centaines de kHz. Comparés aux lasers accordables, les lasers à fréquence fixe ont moins de bruit, des largeurs de ligne plus étroites et un volume plus petit. Par exemple, les systèmes Menlo peuvent fournir des produits laser ultra-stables avec une largeur de ligne inférieure à 1 Hz. L’utilisation d’un laser fixe à fréquence telle qu’une pompe peut réduire considérablement le bruit des DKS générés. Récemment, des méthodes de réglage thermique basées sur un microchauffeur ou un refroidisseur thermoélectrique (TEC) ont été utilisées pour la génération de DKS12,13,14.
La stabilité du taux de répétition est un autre paramètre important des DKS. Généralement, les compteurs de fréquence sont utilisés pour caractériser la stabilité de fréquence des DKS dans un temps de porte, qui est généralement de l’ordre d’une microseconde à mille secondes15,16. Limités par la bande passante du photodétecteur et du compteur de fréquence, les modulateurs électro-optiques ou les lasers de référence sont généralement utilisés pour abaisser la fréquence détectée lorsque la gamme spectrale libre (FSR) des DKS est supérieure à 100 GHz. Cela augmente non seulement la complexité des systèmes de test, mais produit également des erreurs de mesure supplémentaires causées par la stabilité des sources RF ou des lasers de référence.
Dans cet article, un résonateur à micro-anneaux (MRR) est emballé avec une puce TEC commerciale qui est utilisée pour contrôler la température de fonctionnement. En utilisant un laser fixe de fréquence avec une largeur de ligne de 100 Hz comme pompe, les cristaux de soliton (SC) sont générés de manière stable en diminuant manuellement la température de fonctionnement; ce sont des DKS spéciaux qui peuvent remplir complètement un résonateur avec des ensembles ordonnés collectivement de solitons copropagants17. À notre connaissance, il s’agit de la pompe à largeur de ligne la plus étroite dans les expériences de génération de DKS. Le spectre de densité spectrale de puissance (PSD) de chaque raie de peigne est mesuré sur la base d’une méthode d’interféromètre auto-hétérodyne retardé (DSHI). Bénéficiant de la largeur de ligne ultra-étroite des lignes de peigne, l’instabilité du taux de répétition des cristaux de soliton (SC) est dérivée de la dérive de fréquence centrale des courbes PSD. Pour le SC avec une seule vacance, nous avons obtenu une instabilité du taux de répétition de ~53,24 Hz dans les 10 μs et ~509,32 Hz dans les 125 μs.
Le protocole se compose de plusieurs étapes principales: Tout d’abord, le MRR est couplé à un réseau de fibres (FA) à l’aide d’un étage de couplage à six axes. Le MRR est fabriqué par une plate-forme en verre de silice dopée à indice élevé18,19. Ensuite, le MRR est emballé dans un boîtier papillon à 14 broches, ce qui augmente la stabilité pour les expériences. Les SC sont générés à l’aide d’une méthode à contrôle thermique. Enfin, les fluctuations du taux de répétition des SC sont mesurées par une méthode DSHI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les DKS sur puce fournissent de nouvelles sources optiques compactes et cohérentes et présentent d’excellentes perspectives d’application en métrologie optique, en spectroscopie moléculaire et dans d’autres fonctions. Pour les applications commerciales, les sources de microcombres compactes emballées sont essentielles. Ce protocole fournit une approche pratique pour fabriquer un micro-peigne emballé qui bénéficie de la connexion fiable et à faible perte de couplage entre le MRR et le FA, ainsi que d’une …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) et le Strategic Priority Research Program de l’Académie chinoise des sciences (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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