Mikroresonatörde Soliton Kristallerinin Hızlı Tekrarlama Hızı Dalgalanma Ölçümü
Summary
Burada, termal ayarlı bir yöntem kullanarak kelebekle paketlenmiş bir mikro halka rezonatörde soliton kristalleri üretmek için bir protokol sunuyoruz. Ayrıca, tek bir boş pozisyona sahip bir soliton kristalinin tekrarlama oranı dalgalanmaları gecikmiş bir kendi kendine heterodyne yöntemi kullanılarak ölçülür.
Abstract
Zamansal solitonlar, son on yıllarda, dağılımın bir yayılma Kerr ortamındaki doğrusal olmayanlık ile dengelendiği istikrarlı bir durumdaki davranışları için büyük ilgi çekmiştir. Yüksek Q mikrokapilerde dissipatif Kerr solitonlarının (DKS) gelişimi yeni, kompakt, çip ölçekli bir soliton kaynağına neden olur. DKS’ler femtosaniye darbeler olarak hizmet ettiğinde, tekrarlama hızı dalgalanması ultra yüksek hassasiyetli metrolojiye, yüksek hızlı optik örneklemeye ve optik saatlere vb. Bu yazıda, parçacık benzeri solitonların sıkıca paketlendiği ve bir rezonatörün tamamen işgal edildiği özel bir DKS durumu olan soliton kristallerinin (SCs) hızlı tekrarlama hızı dalgalanması, iyi bilinen gecikmeli kendi kendine heterodyne yöntemine göre ölçülür. SBC’ler termal kontrollü bir yöntem kullanılarak oluşturulur. Pompa, 100 Hz’lik bir linewidth’e sahip frekans sabit bir lazerdir. Frekans dalgalanması ölçümlerindeki integral süre, gecikme lifinin uzunluğu ile kontrol edilir. Tek bir boş pozisyona sahip bir SC için, tekrarlama oranı dalgalanmaları sırasıyla 10 μs içinde ~53.24 Hz ve 125 μs içinde ~509.32 Hz’dir.
Introduction
Kavite dağılımının Kerr doğrusallığı ile dengelendiği mikroresonatörlerdeki sabit DKS’lerin yanı sıra Kerr kazancı ve kavite dağılımı1, ultra yüksek tekrarlama oranı, kompakt boyutu ve düşük maliyeti2için bilimsel araştırma topluluğunda büyük ilgi gördü. Zaman alanında, DKS’ler yüksek hızlı ölçüm3 ve moleküler spektroskopi4için kullanılan kararlı darbeli trenlerdir. Frekans alanında, DKS’ler dalga boyu bölmeli-multipleks (WDM) iletişim sistemleri 5 ,6, optik frekans sentezi 7,8ve ultra düşük gürültülü mikrodalga üretimi9,10, vb. Tarak hatlarının faz gürültüsü veya linewidth’i bu uygulama sistemlerinin performansını doğrudan etkiler. Tüm tarak hatlarının pompa11ile benzer bir hat genişliğine sahip olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle, pompa olarak ultra dar linewidth lazer kullanmak, DKS’lerin performansını artırmak için etkili bir yaklaşımdır. Bununla birlikte, bildirilen çoğu DKS’nin pompaları, nispeten yüksek gürültüden muzdarip olan ve onlarca ila yüzlerce kHz sırasına göre geniş bir çizgi genişliğine sahip olan frekans süpürme harici boşluk diyot lazerleridir (ECDL’ler). Ayarlanabilir lazerlerle karşılaştırıldığında, sabit frekanslı lazerler daha az gürültüye, daha dar çizgi tellerine ve daha küçük ses seviyesine sahiptir. Örneğin, Menlo sistemleri 1 Hz’den daha az bir linewidth ile ultra kararlı lazer ürünleri sağlayabilir. Pompa olarak böyle bir frekans sabit lazer kullanarak üretilen DKS’lerin gürültüsünü önemli ölçüde azaltabilir. Son zamanlarda, DKSs nesil12 , 13,14için mikro ısı kesici veya termoelektrik soğutucu(TEC)tabanlı termal ayar yöntemleri kullanılmıştır.
Tekrarlama oranı stabilitesi DKS’lerin bir diğer önemli parametresidir. Genellikle, frekans sayaçları, genellikle bir mikrosaniye ila bin saniye15,16sırasında olan bir kapı süresi içinde DKS’lerin frekans kararlılığını karakterize etmek için kullanılır. Fotodetector ve frekans sayacının bant genişliği ile sınırlı olan elektro optik modülatörler veya referans lazerler, DKS’lerin serbest spektral aralığı (FSR) 100 GHz’in üzerinde olduğunda algılanan frekansı düşürmek için kullanılır. Bu sadece test sistemlerinin karmaşıklığını artırmakla kalmaz, aynı zamanda RF kaynaklarının veya referans lazerlerin kararlılığından kaynaklanan ek ölçüm hataları da üretir.
Bu yazıda, bir mikro halka rezonatör (MRR), çalışma sıcaklığını kontrol etmek için kullanılan ticari bir TEC çipi ile paketlenmiş bir kelebektir. Pompa olarak 100 Hz’lik bir linewidth ile frekans sabit lazer kullanılarak, soliton kristalleri (SC’ ler) çalışma sıcaklığının manuel olarak azaltılmasıyla sabit olarak üretilir; bunlar, bir rezonatörü topluca sıralanmış copropagating soliton toplulukları ile tamamen doldurabilen özelDKS’lerdir 17. En iyi bilgiye göre, bu DKSs üretim deneylerindeki en dar linewidth pompadır. Her tarak hattının güç spektral yoğunluğu (PSD) spektrumu, gecikmiş bir öz heterodyne interferometre (DSHI) yöntemine göre ölçülür. Tarak hatlarının ultra dar çizgi hattından yararlanan soliton kristallerinin (SC) tekrarlama hızı kararsızlığı, PSD eğrilerinin merkezi frekans kaymasından elde edilir. Tek bir boş pozisyona sahip SC için, 10 μs içinde ~53.24 Hz ve 125 μs içinde ~509.32 Hz tekrarlama oranı kararsızlığı elde ettik.
Protokol birkaç ana aşamadan oluşur: İlk olarak, MRR altı eksenli bir kavrama aşaması kullanılarak bir fiber dizi (FA) ile birleştirilmiştir. MRR, yüksek indeksli doptik silikas cam platformu18,19ile üretilmiştir. Daha sonra, MRR deneyler için stabiliteyi artıran 14 pinli bir kelebek paketine paketlenir. SBC’ler termal kontrollü bir yöntem kullanılarak oluşturulur. Son olarak, SBC’lerin tekrarlama oranı dalgalanmaları bir DSHI yöntemi ile ölçülür.
Protocol
Representative Results
Discussion
Çip üzerinde DKS’ler yeni kompakt tutarlı optik kaynaklar sağlar ve optik metroloji, moleküler spektroskopi ve diğer işlevlerde mükemmel uygulama beklentileri sergiler. Ticari uygulamalar için kompakt ambalajlı mikro tarak kaynakları gereklidir. Bu protokol, MRR ve FA arasındaki güvenilir, düşük kavrama kaybı bağlantısının yanı sıra sağlam bir termal kontrollü DKS üretim yönteminden yararlanan paketlenmiş bir mikro tarak yapmak için pratik bir yaklaşım sağlar. Bu nedenle, deneylerimiz art?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) ve Çin Bilimler Akademisi Stratejik Öncelikli Araştırma Programı (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).
