מדידת תנודות קצב חזרה מהירה של גבישי סוליטון במיקרו-רזנטור
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול ליצירת גבישי סוליטון בתהודה מיקרו-טבעתית ארוזה פרפר בשיטה מכווננת תרמית. יתר על כן, תנודות שיעור החזרה של גביש סוליטון עם משרה פנויה אחת נמדדות בשיטת הטרודין עצמית מתעכבת.
Abstract
סוליטונים זמניים משכו עניין רב בעשורים האחרונים להתנהגותם במצב יציב, שבו הפיזור מאוזן על ידי אי-ליניאריות במדיום קר התפשטות. הפיתוח של סוליטוני קר (DKSs) מתפוגגים במיקרו-קסביות עתירות Q מניע מקור סוליטון חדשני, קומפקטי בקנה מידה שבבי. כאשר DKSs משמשים פולסים femtosecond, תנודות קצב החזרה ניתן להחיל על מטרולוגיה דיוק ultrahigh, דגימה אופטית במהירות גבוהה, ושעונים אופטיים, וכו ‘. במאמר זה, תנודות קצב החזרה המהיר של גבישי סוליטון (SCs), מצב מיוחד של DKSs שבו סוליטונים דמויי חלקיקים ארוזים היטב ותופסים תהודה באופן מלא, נמדדת על סמך שיטת ההטרודין העצמית הידועה. המחשבים במעגלים נוצרים בשיטה מבוקרת תרמית. המשאבה היא לייזר קבוע בתדר עם קו של 100 הרץ. הזמן האינטגרלי במדידות תנודות תדירות נשלט על ידי אורך סיבי ההשהיה. עבור SC עם משרה פנויה אחת, תנודות קצב החזרה הן ~ 53.24 הרץ בתוך 10 μs ו ~ 509.32 הרץ בתוך 125 μs, בהתאמה.
Introduction
DKSs יציב microresonators, שבו פיזור החלל מאוזן על ידי אי-ליניאריות קר, כמו גם רווח Kerr ופיזור חלל1, משכו עניין רב בקהילת המחקר המדעי עבור שיעור החזרה הגבוה במיוחד שלהם, גודל קומפקטי, ועלות נמוכה2. בתחום הזמן, DKSs הם רכבות דופק יציבות ששימשו למדידה במהירות גבוהה3 וספקטרוסקופיהמולקולרית 4. בתחום התדרים, ל- DKSs יש סדרה של קווי תדרים עם מרווח תדרים שווה המתאימים למערכות תקשורת באורך גל-חטיבה-מולטיפלקס (WDM)5,6, סינתזת תדר אופטי7,8,ודור מיקרוגל רעש אולטרה נמוך9,10וכו ‘. רעש הפאזה או קו הקווים של קווי המסרק משפיעים ישירות על הביצועים של מערכות יישומים אלה. הוכח כי כל קווי המסרק יש קו דומה עם המשאבה11. לכן, שימוש בלייזר קו צר במיוחד כמשאבה היא גישה יעילה לשיפור הביצועים של DKSs. עם זאת, המשאבות של רוב DKSs שדווחו הם תדר גורף לייזרים דיודת חלל חיצוני (ECDLs), אשר סובלים רעש גבוה יחסית ויש להם קו רחב בסדר גודל של עשרות עד מאות kHz. בהשוואה ללייזרים טונה, לייזרים בתדר קבוע יש פחות רעש, קווי ים צרים יותר ונפח קטן יותר. לדוגמה, מערכות מנלו יכולות לספק מוצרי לייזר אולטרה-יציבים עם קו של פחות מ-1 הרץ. שימוש בלייזר קבוע בתדר כזה כמשאבה יכול להפחית באופן משמעותי את הרעש של ה- DKSs שנוצר. לאחרונה, נעשה שימוש בשיטות כוונון תרמי מבוסס מיקרו-מחה או תרמואלקטרי (TEC) עבור DKSs Generation12,13,14.
יציבות שיעור החזרה היא פרמטר חשוב נוסף של DKSs. בדרך כלל, מוני תדר משמשים כדי לאפיין את יציבות התדר של DKSs בתוך זמן שער, אשר בדרך כלל על סדר של מיקרו שנייה לאלף שניות15,16. מוגבל על ידי רוחב הפס של photodetector ומונה תדרים, אפננים אלקטרו-אופטיים או לייזרי ייחוס משמשים בדרך כלל כדי להוריד את התדירות שזוהתה כאשר טווח הספקטרלי החופשי (FSR) של DKSs הוא מעל 100 GHz. זה לא רק מגביר את המורכבות של מערכות בדיקה, אלא גם מייצר שגיאות מדידה נוספות הנגרמות על ידי יציבות של מקורות RF או לייזרים התייחסות.
במאמר זה, מהדהד מיקרו-טבעת (MRR) הוא פרפר ארוז עם שבב TEC מסחרי המשמש לשליטה בטמפרטורת הפעולה. באמצעות לייזר קבוע תדר עם linewidth של 100 הרץ כמשאבה, גבישי סוליטון (SCs) נוצרים ביציבות על ידי הפחתת טמפרטורת ההפעלה באופן ידני; אלה הם DKSs מיוחדים שיכולים למלא לחלוטין מהדהד עם הרכבים מסודרים יחד של סוליטונים copropagating17. למיטב ידיעתנו, זוהי משאבת הקווים הצרה ביותר בניסויי דור DKSs. ספקטרום צפיפות הספקטרלית של צריכת החשמל (PSD) של כל קו מסרק נמדד על בסיס שיטת אינטרפרומטר הטרודין עצמית מושהית (DSHI). בהינתן קו אולטרה-צר של קווי המסרק, חוסר היציבות של גבישי סוליטון (SCs) נגזר מנדידת התדרים המרכזית של עקומות PSD. עבור SC עם משרה פנויה אחת, השגנו חוסר יציבות קצב חזרה של ~ 53.24 הרץ בתוך 10 μs ו ~ 509.32 הרץ בתוך 125 μs.
הפרוטוקול מורכב ממספר שלבים עיקריים: ראשית, MRR מצמיד מערך סיבים (FA) באמצעות שלב צימוד בן שישה צירים. MRR הוא מפוברק על ידי פלטפורמת זכוכית סיליקה מסוממת אינדקס גבוה18,19. לאחר מכן, MRR ארוז לתוך חבילת פרפר 14 פינים, אשר מגביר את היציבות עבור הניסויים. מחשבים מבוססים נוצרים בשיטה מבוקרת תרמית. לבסוף, תנודות קצב החזרה של SCs נמדדות בשיטת DSHI.
Protocol
Representative Results
Discussion
DKSs על השבב מספקים מקורות אופטיים קוהרנטיים קומפקטיים חדשניים ומציגים סיכויי יישום מצוינים במטרולוגיה אופטית, ספקטרוסקופיה מולקולרית ופונקציות אחרות. עבור יישומים מסחריים, מקורות מיקרו-מסרק ארוזים קומפקטיים הם חיוניים. פרוטוקול זה מספק גישה מעשית ליצירת מיקרו-מסרק ארוז הנהנה מחיבור אוב…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (NSFC) (גרנט 62075238, 61675231) ותוכנית המחקר בעדיפות אסטרטגית של האקדמיה הסינית למדעים (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) |
Riferimenti
- 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).
