Medição rápida da flutuação da taxa de repetição de cristais de soliton em um microresonator

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para gerar cristais de soliton em um ressonador de micro-anéis embalado por borboletas usando um método térmico afinado. Além disso, as flutuações da taxa de repetição de um cristal de soliton com uma única vaga são medidas usando um método de auto-heterodyne atrasado.

Abstract

Os solitons temporais têm atraído grande interesse nas últimas décadas por seu comportamento em um estado estável, onde a dispersão é equilibrada pela não linearidade em um meio kerr de propagação. O desenvolvimento de solitons kerr dissipativos (DKSs) em microcavidades de alto Q impulsiona uma nova fonte de soliton, compacta e em escala de chip. Quando os DKSs servem como pulsos femtosegundos, a flutuação da taxa de repetição pode ser aplicada à metrologia de alta precisão, amostragem óptica de alta velocidade e relógios ópticos, etc. Neste artigo, a rápida flutuação da taxa de repetição dos cristais de soliton (SCs), um estado especial de DKSs onde os solitons semelhantes a partículas são firmemente embalados e ocupam plenamente um ressonador, é medido com base no conhecido método auto-heterodyne atrasado. Os SCs são gerados usando um método controlado térmico. A bomba é um laser fixo de frequência com uma largura de linha de 100 Hz. O tempo integral nas medições de flutuação de frequência é controlado pelo comprimento da fibra de atraso. Para um SC com uma única vaga, as flutuações da taxa de repetição são ~53,24 Hz dentro de 10 μs e ~509,32 Hz dentro de 125 μs, respectivamente.

Introduction

Os DKSs constantes em microresonadores, onde a dispersão da cavidade é equilibrada pela não linearidade de Kerr, bem como o ganho de Kerr e a dissipação da cavidade^1,têm atraído grande interesse na comunidade de pesquisa científica por sua taxa de repetição ultra-alta, tamanho compacto e baixo custo². No domínio do tempo, os DKSs são trens de pulso estáveis que têm sido usados para medição de alta velocidade³ e espectroscopia molecular⁴. No domínio de frequência, os DKSs possuem uma série de linhas de frequência com espaçamento de frequência igual que são adequados para sistemas de comunicação de divisão de comprimento de onda-multiplex (WDM)^5,6, síntese de frequência óptica^7,8, e ultra-baixa geração de ruído de micro-ondas^9,10,etc. O ruído de fase ou largura de linha das linhas de pente afetam diretamente o desempenho desses sistemas de aplicação. Foi provado que todas as linhas de pente têm uma largura de linha semelhante com a bomba¹¹. Portanto, usar um laser de largura de linha ultra-estreita como bomba é uma abordagem eficaz para melhorar o desempenho dos DKSs. No entanto, as bombas dos DKSs mais relatados são lasers de diodo de cavidade externa (ECDLs), que sofrem de ruído relativamente alto e têm uma ampla largura de linha na ordem de dezenas a centenas de kHz. Comparados com lasers tunable, lasers de frequência fixa têm menos ruído, larguras de linha mais estreitas e menor volume. Por exemplo, os sistemas Menlo podem fornecer produtos laser ultra-estáveis com uma largura de linha inferior a 1 Hz. O uso de um laser fixo de frequência como uma bomba pode reduzir significativamente o ruído dos DKSs gerados. Recentemente, métodos de ajuste térmico baseados em microheater ou termelétrico (TEC) têm sido usados para a geração DKSs^{geração 12,13,14}.

A estabilidade da taxa de repetição é outro parâmetro importante dos DKSs. Geralmente, os contadores de frequência são usados para caracterizar a estabilidade de frequência de DKSs dentro de um tempo de portão, que geralmente está na ordem de um microssegundo para mil segundos^15,16. Limitados pela largura de banda do fotodetetor e contador de frequência, moduladores eletro-ópticos ou lasers de referência são tipicamente usados para diminuir a frequência detectada quando a faixa livre-espectral (FSR) dos DKSs é superior a 100 GHz. Isso não só aumenta a complexidade dos sistemas de teste, mas também produz erros adicionais de medição causados pela estabilidade das fontes de RF ou lasers de referência.

Neste artigo, um ressonador de micro-anéis (MRR) é embalado por borboletas com um chip TEC comercial que é usado para controlar a temperatura de operação. Usando um laser fixo de frequência com uma largura de linha de 100 Hz como bomba, cristais de soliton (SCs) são gerados com estaca por diminuição manual da temperatura de operação; estes são DKSs especiais que podem encher completamente um ressonador com conjuntos ordenados coletivamente de solitons copropagantes¹⁷. Pelo que sabemos, esta é a bomba de largura de linha mais estreita nos experimentos de geração DKSs. O espectro de densidade espectral de poder (PSD) de cada linha de pente é medido com base em um método de interferômetro auto-heterodyne atrasado (DSHI). Beneficiando-se da largura de linha ultra-estreita das linhas de pente, a instabilidade da taxa de repetição dos cristais de soliton (SCs) é derivada da deriva de frequência central das curvas PSD. Para o SC com uma única vaga, obtivemos uma instabilidade de taxa de repetição de ~53,24 Hz dentro de 10 μs e ~509,32 Hz dentro de 125 μs.

O protocolo consiste em vários estágios principais: Primeiro, o MRR é acoplado a uma matriz de fibras (FA) usando um estágio de acoplamento de seis eixos. O MRR é fabricado por uma plataforma de vidro de sílica dopada de alto índice^18,19. Em seguida, o MRR é embalado em um pacote de borboleta de 14 pinos, o que aumenta a estabilidade para os experimentos. Os SCs são gerados usando um método controlado por térmicas. Finalmente, as flutuações da taxa de repetição das SCs são medidas por um método DSHI.

Protocol

1. Acoplamento óptico Polir a face final do MRR em uma placa de moagem usando 1,5 μm de pó abrasivo (óxido de alumínio) misturado com água por 5 min. Corrija o MRR com uma luminária de chip e coloque uma FA de oito canais em um estágio de acoplamento de seis eixos, que inclui três estágios lineares com resolução de 50 nm e três estágios angulares com resolução de 0,003°. As manchas do MRR e fa são de 250 μm. Use um laser de 1.550 nm como fonte óptica para monitoramento em…

Representative Results

A Figura 3 mostra o traço de energia de transmissão enquanto uma ressonância térmica estava sintonizada em toda a bomba. Havia um passo óbvio de poder que indicava a geração de SCs. A etapa tinha potência semelhante em relação ao seu precursor, o pente de instabilidade modulacional. Portanto, a geração de SCs não era dependente de velocidade de ajuste. Os SCs apresentaram uma grande variedade de estados, incluindo vagas (defeitos de Schottky), defeitos de Frenkel e superestrutur…

Discussion

Os DKSs on-chip fornecem novas fontes ópticas compactas coerentes e exibem excelentes perspectivas de aplicação em metrologia óptica, espectroscopia molecular e outras funções. Para aplicações comerciais, fontes compactas de micro-pente embaladas são essenciais. Este protocolo fornece uma abordagem prática para fazer um microcodíb pente embalado que se beneficie da conexão confiável e de baixa perda de acoplamento entre o MRR e o FA, bem como um robusto método de geração DKS controlado por térmicas. Port…

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)