Snabb repetitionshastighetsfluktuationer Mätning av Solitonkristaller i en mikroresonator
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att generera sotkristaller i en fjärilsförpackad mikroringresonator med en termisk trimmad metod. Vidare mäts repetitionshastighetsfluktuationerna hos en solitonkristall med en enda vakans med en fördröjd själv heterodynemetod.
Abstract
Temporala solitoner har lockat stort intresse under de senaste decennierna för sitt beteende i ett stabilt tillstånd, där spridningen balanseras av nonlinearity i ett förökning Kerr medium. Utvecklingen av dissipativa Kerr-solitoner (DKS) i hög-Q-mikrocavities driver en ny, kompakt, chip-skala solitonkälla. När DKS fungerar som femtosekundspulser kan repetitionshastighetsfluktuationerna tillämpas på ultrahög precisions metrologi, optisk provtagning med hög hastighet och optiska klockor etc. I detta dokument mäts den snabba repetitionshastigheten av solitonkristaller (SCs), ett speciellt tillstånd av DKS där partikelliknande solitoner är tätt packade och upptar en resonator, baserat på den välkända fördröjda själv heterodynemetoden. SCs genereras med en termisk styrd metod. Pumpen är en frekvens fast laser med en linjebredd på 100 Hz. Den integrerade tiden i frekvensfluktuationernas mätningar styrs av fördröjningsfiberns längd. För en SC med en enda vakans är repetitionshastighetsfluktuationerna ~ 53,24 Hz inom 10 μs respektive ~ 509,32 Hz inom 125 μs.
Introduction
De stadiga DKSs i mikroresonatorer, där kavitetsspridning balanseras av Kerr nonlinearity, liksom Kerr vinst och hålighet avledning1, har lockat stort intresse i det vetenskapliga forskarsamhället för deras ultrahöga repetitionshastighet, kompakt storlek och låg kostnad2. Inom tidsdomänen är DKS stabila pulståg som har använts för höghastighetsmätning3 och molekylär spektroskopi4. I frekvensdomänen har DKSs en serie frekvenslinjer med lika frekvensavstånd som är lämpliga för våglängdsdivision-multiplex (WDM) kommunikationssystem5,6, optisk frekvenssyntes7,8och ultralågt brus mikrovågsgenerering9,10, etc. Fasbruset eller linjebredden av kamlinjer påverkar direkt prestandan hos dessa applikationssystem. Det har bevisats att alla kamlinjer har en liknande linjebredd med pumpen11. Därför är det ett effektivt tillvägagångssätt att använda en ultrasmal linjebreddslaser som pump för att förbättra DKS:s prestanda. Pumparna i de flesta rapporterade DKS är dock frekvenssvepande externa kavitetsdiodlasrar (ECDLs), som lider av relativt högt brus och har en bred linjebredd i storleksordningen tiotals till hundratals kHz. Jämfört med tunable lasrar har fasta frekvenslasrar mindre brus, smalare linewidths och mindre volym. Till exempel kan Menlo-system tillhandahålla ultrastabila laserprodukter med en linjebredd på mindre än 1 Hz. Användning av en sådan frekvens fast laser som en pump kan avsevärt minska bullret från de genererade DKSS. Nyligen har mikrovärmare eller termoelektrisk kylare (TEC) -baserade termiska justeringsmetoder använts för DKSs generation12,13,14.
Repetitionshastighetsstabilitet är en annan viktig parameter för DKSs. I allmänhet används frekvensräknare för att karakterisera frekvensstabiliteten hos DKS inom en grindtid, som vanligtvis är i ordningen för en mikrosekund till tusen sekunder15,16. Begränsade av bandbredden hos fotodetektorn och frekvensräknaren används elektrooptiska modulatorer eller referenslasrar vanligtvis för att sänka den detekterade frekvensen när DKSS (Free-spectral-range) (FSR) är över 100 GHz. Detta ökar inte bara testsystemens komplexitet, utan ger också ytterligare mätfel som orsakas av stabiliteten hos RF-källor eller referenslasrar.
I detta dokument är en mikroringresonator (MRR) fjärilsförpackad med ett kommersiellt TEC-chip som används för att styra driftstemperaturen. Med hjälp av en frekvens fast laser med en linjebredd på 100 Hz som pump genereras solitonkristaller (SCs) stabilt genom att manuellt minska driftstemperaturen. dessa är speciella DKSs som helt kan fylla en resonator med kollektivt beställda ensembler av copropagating solitons17. Såvitt vi vet är detta den smalaste linjebreddspumpen i DKSs generationsexperiment. Psd-spektrumet (Power spectral density) för varje kamlinje mäts baserat på en fördröjd själv heterodyneinterferometer (DSHI). Genom att dra nytta av kamlinjernas ultrasnrsta linjebredd härleds repetitionshastigheten för solitonkristaller (SCs) från psd-kurvornas centrala frekvensdrift. För SC med en enda vakans erhöll vi en repetitionshastighetsinstabilitet på ~ 53,24 Hz inom 10 μs och ~ 509,32 Hz inom 125 μs.
Protokollet består av flera huvudsteg: För det första är MRR kopplad till en fibermatris (FA) med ett sexaxligt kopplingssteg. MRR tillverkas av en högindex dopad kiselglasplattform18,19. Sedan förpackas MRR i ett 14-stifts fjärilspaket, vilket ökar stabiliteten för experimenten. SCs genereras med en termiskt styrd metod. Slutligen mäts repetitionshastighetsfluktuationerna för SCs med en DSHI-metod.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dkss på chip tillhandahåller nya kompakta sammanhängande optiska källor och uppvisar utmärkta applikationsmöjligheter inom optisk metrologi, molekylär spektroskopi och andra funktioner. För kommersiella applikationer är kompakta förpackade mikrokamkällor viktiga. Detta protokoll ger ett praktiskt tillvägagångssätt för att göra en förpackad mikrokam som drar nytta av den tillförlitliga, låga kopplingsförlustanslutningen mellan MRR och FA, samt en robust termiskt styrd DKS-genereringsmetod. Därför är…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) och det strategiska prioriterade forskningsprogrammet för Chinese Academy of 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) |
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).
