Rask repetisjonshastighetssvingningsmåling av solitonkrystaller i en mikroresonator
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å generere solitonkrystaller i en sommerfuglpakket mikroringresonator ved hjelp av en termisk innstilt metode. Videre måles repetisjonsratens svingninger i en solitonkrystall med en enkelt ledig stilling ved hjelp av en forsinket selv-heterodynemetode.
Abstract
Temporale solitoner har tiltrukket seg stor interesse de siste tiårene for deres oppførsel i en jevn tilstand, hvor spredningen balanseres av ikke-lineæriteten i et forplantning Kerr-medium. Utviklingen av dissipative Kerr solitons (DKSs) i høy-Q mikrocavities driver en ny, kompakt, chip-skala soliton kilde. Når DKS-er fungerer som femtosecond-pulser, kan repetisjonshastighetssvingningene påføres ultrahøy presisjonsmetrologi, høyhastighets optisk prøvetaking og optiske klokker, etc. I dette papiret måles den raske repetisjonshastigheten som svinger av solitonkrystaller (SCer), en spesiell tilstand av DKSer der partikkellignende solitoner er tett pakket og fullt ut opptar en resonator, basert på den velkjente forsinkede selv-heterodynemetoden. SCene genereres ved hjelp av en termisk kontrollert metode. Pumpen er en frekvensfast laser med en forgrening på 100 Hz. Den integrerte tiden i frekvenssvingningsmålinger styres av lengden på forsinkelsesfiberen. For en SC med en enkelt ledighet er repetisjonshastighetssvingningene ~ 53,24 Hz innen henholdsvis 10 μs og ~ 509,32 Hz innen 125 μs.
Introduction
De stødige DKSene i mikroresonatorer, hvor hulromspredningen er balansert av Kerr nonlinearity, samt Kerr-gevinsten og hulromspredning1, har tiltrukket seg stor interesse for det vitenskapelige forskningssamfunnet for deres ultrahøye repetisjonshastighet, kompakt størrelse og lave kostnader2. I tidsdomenet er DKSs stabile pulstog som har blitt brukt til høyhastighetsmåling3 og molekylær spektroskopi4. I frekvensdomenet har DKSer en rekke frekvenslinjer med lik frekvensavstand som passer for WDM-kommunikasjonssystemer (wavelength-division-multiplex)5,6, optisk frekvenssyntese7,8og ultra-lav støy mikrobølgegenerering9,10, etc. Fasestøyen eller linewidth av kamlinjer påvirker direkte ytelsen til disse applikasjonssystemene. Det har vist seg at alle kamlinjene har en lignende linewidth med pumpen11. Derfor er bruk av en ultrasmal linewidth laser som pumpe en effektiv tilnærming for å forbedre ytelsen til DKSer. Pumpene til de fleste rapporterte DKS-er er imidlertid frekvens som feier eksterne hulromdiodelasere (ECDLer), som lider av relativt høy støy og har en bred linewidth på størrelse med titalls til hundrevis av kHz. Sammenlignet med justerbare lasere har lasere med fast frekvens mindre støy, smalere linewidths og mindre volum. For eksempel kan Menlo-systemer gi ultrastabile laserprodukter med en linewidth på mindre enn 1 Hz. Bruk av en slik frekvensfast laser som pumpe kan redusere støyen fra de genererte DKSene betydelig. Nylig har mikrovarmer eller termoelektrisk kjøler (TEC)-baserte termiske tuningmetoder blitt brukt til DKSs generasjon12,13,14.
Repetisjonshastighetsstabilitet er en annen viktig parameter for DKSer. Vanligvis brukes frekvenstellere til å karakterisere frekvensstabiliteten til DKSer innen en porttid, som vanligvis er på størrelse med et mikrosekund til tusen sekunder15,16. Begrenset av båndbredden til fotodetektoren og frekvenstelleren, brukes elektrooptiske modulatorer eller referanselasere vanligvis til å senke den oppdagede frekvensen når den frie spektralområdet (FSR) til DKS-ene er over 100 GHz. Dette øker ikke bare kompleksiteten til testsystemer, men produserer også ytterligere målefeil forårsaket av stabiliteten til RF-kilder eller referanselasere.
I dette papiret er en mikro-ring resonator (MRR) sommerfugl pakket med en kommersiell TEC-brikke som brukes til å kontrollere driftstemperaturen. Ved hjelp av en frekvensfast laser med en linjelinje på 100 Hz som pumpe, genereres solitonkrystaller (SCer) stabilt ved å redusere driftstemperaturen manuelt; Dette er spesielle DKSer som helt kan fylle en resonator med kollektivt bestilte ensembler av kopropagerende solitons17. Så vidt vi vet, er dette den smaleste linewidth-pumpen i DKSs generasjonseksperimenter. Kraftspektral tetthet (PSD) spektrum av hver kam linje måles basert på en forsinket selv-heterodyne interferometer (DSHI) metode. Ved å dra nytte av den ultrasmale linewidth av kamlinjene, er repetisjonshastigheten ustabilitet av solitonkrystaller (SCer) avledet fra den sentrale frekvensdriften til PSD-kurvene. For SC med en enkelt ledig stilling fikk vi en repetisjonshastighet ustabilitet på ~ 53,24 Hz innen 10 μs og ~ 509,32 Hz innen 125 μs.
Protokollen består av flere hovedtrinn: For det første er MRR kombinert med en fibermatrise (FA) ved hjelp av et seksakset koblingstrinn. MRR er fremstilt av en høyindeks dopet silika glass plattform18,19. Deretter pakkes MRR inn i en 14-pinners sommerfuglpakke, noe som øker stabiliteten for forsøkene. SCer genereres ved hjelp av en termisk kontrollert metode. Til slutt måles svingningene i repetisjonsraten for SCer ved hjelp av en DSHI-metode.
Protocol
Representative Results
Discussion
DKSer på chip gir nye kompakte kompakte sammenhengende optiske kilder og viser utmerkede applikasjonsutsikter innen optisk metrologi, molekylær spektroskopi og andre funksjoner. For kommersielle applikasjoner er kompakte pakkede mikrokamkilder avgjørende. Denne protokollen gir en praktisk tilnærming for å lage en pakket mikrokam som drar nytte av den pålitelige, lave koblingstapsforbindelsen mellom MRR og FA, samt en robust termisk kontrollert DKS-generasjonsmetode. Derfor er våre eksperimenter ikke lenger kobling…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) og Strategic Priority Research Program for 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) |
Referências
- 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).
