Medición rápida de la fluctuación de la tasa de repetición de cristales de solitón en un microrresonador

Summary

Aquí, presentamos un protocolo para generar cristales de solitón en un resonador de microanillos empaquetado en mariposas utilizando un método sintonizado térmicamente. Además, las fluctuaciones de la tasa de repetición de un cristal de solitario con una sola vacante se miden utilizando un método autoheterodino retardado.

Abstract

Los solitones temporales han atraído un gran interés en las últimas décadas por su comportamiento en un estado estacionario, donde la dispersión se equilibra con la no linealidad en un medio kerr de propagación. El desarrollo de solitones de Kerr disipativos (DKS) en microcavidades de alta Q impulsa una fuente de solitón novedosa, compacta y a escala de chip. Cuando los DKS sirven como pulsos de femtosegundos, la fluctuación de la tasa de repetición se puede aplicar a la metrología de ultra alta precisión, el muestreo óptico de alta velocidad y los relojes ópticos, etc. En este artículo, la rápida fluctuación de la tasa de repetición de los cristales de solitón (SC), un estado especial de los DKS donde los solitones similares a partículas están estrechamente empaquetados y ocupan completamente un resonador, se mide en función del conocido método autoheterodino retardado. Los SC se generan utilizando un método controlado térmicamente. La bomba es un láser fijo de frecuencia con un ancho de línea de 100 Hz. El tiempo integral en las mediciones de fluctuación de frecuencia está controlado por la longitud de la fibra de retardo. Para un SC con una sola vacante, las fluctuaciones de la tasa de repetición son de ~ 53.24 Hz dentro de 10 μs y ~ 509.32 Hz dentro de 125 μs, respectivamente.

Introduction

Los DKS estables en microrresonadores, donde la dispersión de la cavidad se equilibra con la no linealidad de Kerr, así como la ganancia de Kerr y la disipación de cavidad^1,han atraído un gran interés en la comunidad de investigación científica por su tasa de repetición ultra alta, tamaño compacto y bajo costo². En el dominio del tiempo, los SK son trenes de pulso estables que se han utilizado para la medición de rango de alta velocidad³ y la espectroscopia molecular^4. En el dominio de la frecuencia, los DKS tienen una serie de líneas de frecuencia con igual espaciado de frecuencia que son adecuadas para sistemas de comunicaciones de longitud de onda-división-multiplex (WDM)^5,6,síntesis de frecuencia óptica^7,8y generación de microondas de ruido ultra bajo^9,10,etc. El ruido de fase o el ancho de línea de las líneas de peine afecta directamente el rendimiento de estos sistemas de aplicación. Se ha comprobado que todas las líneas de peine tienen un ancho de línea similar con la bomba^11. Por lo tanto, el uso de un láser de ancho de línea ultra estrecho como bomba es un enfoque efectivo para mejorar el rendimiento de los DKS. Sin embargo, las bombas de la mayoría de los DKS reportados son láseres de diodo de cavidad externa (ECDL) de barrido de frecuencia, que sufren de un ruido relativamente alto y tienen un ancho de línea amplio del orden de decenas a cientos de kHz. En comparación con los láseres sintonizables, los láseres de frecuencia fija tienen menos ruido, anchos de línea más estrechos y menor volumen. Por ejemplo, los sistemas Menlo pueden proporcionar productos láser ultraestables con un ancho de línea inferior a 1 Hz. El uso de un láser fijo de frecuencia como bomba puede reducir significativamente el ruido de los DKS generados. Recientemente, se han utilizado métodos de ajuste térmico basados en microcalentadores o enfriadores termoeléctricos (TEC) para los DKS de generación^12,13,14.

La estabilidad de la tasa de repetición es otro parámetro importante de los SK. Generalmente, los contadores de frecuencia se utilizan para caracterizar la estabilidad de frecuencia de los DKS dentro de un tiempo de puerta, que generalmente es del orden de un microsegundo a mil segundos^15,16. Limitados por el ancho de banda del fotodetector y el contador de frecuencia, los moduladores electroópticos o láseres de referencia se utilizan normalmente para reducir la frecuencia detectada cuando el rango espectral libre (FSR) de los DKS es superior a 100 GHz. Esto no solo aumenta la complejidad de los sistemas de prueba, sino que también produce errores de medición adicionales causados por la estabilidad de las fuentes de RF o los láseres de referencia.

En este documento, un resonador de microanillo (MRR) es una mariposa empaquetada con un chip TEC comercial que se utiliza para controlar la temperatura de operación. Utilizando un láser fijo de frecuencia con un ancho de línea de 100 Hz como bomba, los cristales de solitón (SC) se generan de manera estable disminuyendo manualmente la temperatura de funcionamiento; estos son DKS especiales que pueden llenar completamente un resonador con conjuntos ordenados colectivamente de solitones copropagadores¹⁷. Hasta donde sabemos, esta es la bomba de ancho de línea más estrecha en los experimentos de generación de DKS. El espectro de densidad espectral de potencia (PSD) de cada línea de peine se mide en función de un método de interferómetro autoheterodino retardado (DSHI). Beneficiándose del ancho de línea ultra estrecho de las líneas de peine, la inestabilidad de la tasa de repetición de los cristales de solitón (SC) se deriva de la deriva de frecuencia central de las curvas PSD. Para el SC con una sola vacante, obtuvimos una inestabilidad de tasa de repetición de ~53.24 Hz dentro de 10 μs y ~509.32 Hz dentro de 125 μs.

El protocolo consta de varias etapas principales: Primero, el MRR se acopla con una matriz de fibra (FA) utilizando una etapa de acoplamiento de seis ejes. El MRR está fabricado por una plataforma de vidrio de sílice dopada de alto índice^18,19. Luego, el MRR se empaqueta en un paquete de mariposa de 14 pines, lo que aumenta la estabilidad para los experimentos. Los SC se generan utilizando un método controlado térmicamente. Finalmente, las fluctuaciones de la tasa de repetición de los SC se miden mediante un método DSHI.

Protocol

1. Acoplamiento óptico Pulir la cara final del MRR en una placa de molienda utilizando polvos abrasivos de 1,5 μm (óxido de aluminio) mezclados con agua durante 5 min. Fije el MRR con un accesorio de chip y coloque un FA de ocho canales en una etapa de acoplamiento de seis ejes, que incluye tres etapas lineales con una resolución de 50 nm y tres etapas de ángulo con una resolución de 0.003 °. Los parches de mrr y fa son de 250 μm. Utilice un láser de 1.550 nm como fuente óptica par…

Representative Results

La Figura 3 muestra el rastro de potencia de transmisión mientras se sintoniza una térmica de resonancia a través de la bomba. Hubo un paso de potencia obvio que indicaba la generación de SC. El paso tenía una potencia similar en comparación con su precursor, el peine de inestabilidad modulacional. Por lo tanto, la generación de SC no dependía de la velocidad de ajuste. Los SC exhibieron una gran variedad de estados, incluyendo vacantes (defectos de Schottky), defectos de Frenkel y s…

Discussion

Los SK en chip proporcionan nuevas fuentes ópticas compactas y coherentes y exhiben excelentes perspectivas de aplicación en metrología óptica, espectroscopia molecular y otras funciones. Para aplicaciones comerciales, las fuentes compactas de micropeine empaquetado son esenciales. Este protocolo proporciona un enfoque práctico para hacer un micropeine empaquetado que se beneficia de la conexión confiable y de baja pérdida de acoplamiento entre el MRR y el FA, así como de un robusto método de generación DKS con…

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)