قياس تقلبات معدل التكرار السريع لبلورات سوليتون في ميكرورسوناتور
Summary
هنا، نقدم بروتوكول لتوليد بلورات سوليتون في جهاز رنين حلقة صغيرة معبأة الفراشة باستخدام طريقة ضبطها الحرارية. وعلاوة على ذلك، يتم قياس تقلبات معدل التكرار من الكريستال سوليتون مع شاغر واحد باستخدام طريقة تأخر الذاتي heterodyne.
Abstract
وقد اجتذبت solitons الزمنية اهتماما كبيرا في العقود الماضية لسلوكهم في حالة ثابتة، حيث يتم موازنة التشتت من قبل nonlinearity في انتشار كير المتوسطة. تطوير سوليتون كير التبدد (DKSs) في microcavities عالية Q يدفع رواية, المدمجة, رقاقة نطاق مصدر سوليتون. عندما تعمل DKSs كنبضات femtosecond ، يمكن تطبيق تقلبات معدل التكرار على القياس الدقيق فائقة الدقة ، وأخذ العينات البصرية عالية السرعة ، والساعات البصرية ، وما إلى ذلك. في هذه الورقة ، يتم قياس تذبذب معدل التكرار السريع لبلورات سوليتون (SCs) ، وهي حالة خاصة من DKSs حيث يتم تعبئة سوليتونات تشبه الجسيمات بإحكام وتحتل بشكل كامل جهاز الرنين ، استنادا إلى طريقة الهترودين المتأخرة المعروفة. يتم إنشاء SCs باستخدام طريقة يتم التحكم فيها حراريا. المضخة هي تردد ليزر ثابت مع خط من 100 هرتز. يتم التحكم في الوقت المتكامل في قياسات تقلبات التردد بطول ألياف التأخير. وبالنسبة إلى المحكمة العليا التي يوجد بها شاغر واحد، تبلغ تقلبات معدل التكرار 53.24 هرتز تقريبا في حدود 10 ميكرومترات و~509.32 هرتز في حدود 125 ميكرون على التوالي.
Introduction
وقد اجتذبت DKSs ثابت في microresonators ، حيث يتم موازنة تشتت تجويف من قبل كير nonlinearity ، فضلا عن كسب كير وتبديد تجويف1، اهتماما كبيرا في مجتمع البحث العلمي لمعدل التكرار عالية جدا ، والحجم الصغير ، وانخفاضتكلفة 2. في المجال الزمني، DKSs هي قطارات نبض مستقرة التي تم استخدامها لقياس المدى عالي السرعة3 والتنظير الطيفي الجزيئي4. في مجال التردد، DKSs لديها سلسلة من خطوط التردد مع تباعد التردد على قدم المساواة التي هي مناسبة لأنظمة الاتصالات الطول الموجي تقسيم متعدد (WDM)5،6، تركيب التردد البصري7،8، والضوضاء الفائقة الضوضاء الجيل9،10، الخ. تؤثر ضوضاء المرحلة أو خط خطوط المشط بشكل مباشر على أداء أنظمة التطبيقات هذه. وقد ثبت أن جميع خطوط المشط لديها خط مماثل مع مضخة11. لذلك ، فإن استخدام ليزر خط ضيق للغاية كمضخة هو نهج فعال لتحسين أداء DKSs. ومع ذلك ، فإن مضخات معظم DKSs المبلغ عنها هي تكرار تجتاح الليزر الصمام الثنائي تجويف الخارجية (ECDLs) ، والتي تعاني من ضوضاء عالية نسبيا ولها خط عريض على ترتيب عشرات إلى مئات كيلوهرتز. بالمقارنة مع الليزر غير القادر، فإن أشعة الليزر ذات التردد الثابت تحتوي على ضوضاء أقل وسويات خطوط أضيق وحجم أصغر. على سبيل المثال ، يمكن لأنظمة Menlo توفير منتجات ليزر فائقة الاستقرار مع خط أقل من 1 هرتز. باستخدام مثل هذا الليزر الثابت التردد كمضخة يمكن أن تقلل بشكل كبير من ضوضاء DKSs المتولدة. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام طرق الضبط الحراري القائمة على microheater أو thermoelectric cooler (TEC) لجيل DKSs12و13و14.
ثبات معدل التكرار هو معلمة هامة أخرى من DKSs. عموما، وتستخدم عدادات التردد لتوصيف استقرار التردد من DKSs داخل وقت البوابة، والتي هي عموما على ترتيب ميكروثانية إلى ألف ثانية15،16. تستخدم عادة أجهزة التشكيل الكهربائي البصري أو الليزر المرجعي، التي يحدها عرض النطاق الترددي للمضاد الضوئي وعداد التردد، لخفض التردد المكتشف عندما يكون المدى الطيفي الحر (FSR) لل DKSs أكثر من 100 جيجاهرتز. وهذا لا يزيد من تعقيد أنظمة الاختبار فحسب، بل ينتج أيضا أخطاء قياس إضافية ناجمة عن استقرار مصادر التردد اللاسلكي أو الليزر المرجعي.
في هذه الورقة ، الرنين الحلقي الصغير (MRR) هو فراشة معبأة مع رقاقة TEC التجارية التي تستخدم للتحكم في درجة حرارة العملية. باستخدام تردد ليزر ثابت مع خطوي من 100 هرتز كمضخة، يتم إنشاء بلورات سوليتون (SCs) بشكل ثابت عن طريق خفض درجة حرارة التشغيل يدويا. هذه هي DKSs الخاصة التي يمكن أن تملأ تماما صدى مع فرق أمر جماعي من solitons copropagating17. على حد علمنا ، وهذا هو أضيق مضخة linewidth في تجارب الجيل DKSs. يتم قياس طيف كثافة الطاقة الطيفية (PSD) لكل خط مشط استنادا إلى طريقة مقياس التداخل الذاتي غير التقليدية المتأخر (DSHI). الاستفادة من خط ضيق جدا من خطوط المشط، وعدم استقرار معدل التكرار من بلورات سوليتون (SCs) مشتق من الانجراف التردد المركزي من منحنيات PSD. بالنسبة إلى SC التي لديها شاغر واحد، حصلنا على عدم استقرار معدل التكرار ~ 53.24 هرتز في غضون 10 ميكروس و ~ 509.32 هرتز في غضون 125 ميكرو ثانية.
يتكون البروتوكول من عدة مراحل رئيسية: أولا ، يقترن MRR بمجموعة ألياف (FA) باستخدام مرحلة اقتران من ستة محاور. يتم تلفيق MRR من قبل منصة زجاج السيليكا المخدرة عالية المؤشر18،19. ثم يتم حزم MRR في حزمة فراشة 14 دبوس ، مما يزيد من استقرار التجارب. يتم إنشاء SCs باستخدام طريقة يتم التحكم فيها حراريا. وأخيرا، تقاس تقلبات معدل التكرار في البلدان النامية بطريقة DSHI.
Protocol
Representative Results
Discussion
توفر DKSs المدمجة على رقاقة مصادر بصرية متماسكة مدمجة جديدة وتظهر آفاق تطبيق ممتازة في القياس البصري ، والتنظير الطيفي الجزيئي ، وغيرها من الوظائف. بالنسبة للتطبيقات التجارية، تعتبر مصادر المشط الصغير المدمجة المعبأة ضرورية. يوفر هذا البروتوكول نهجا عمليا لجعل مشط صغير معبأ يستفيد من اتصا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (منحة 62075238، 61675231) وبرنامج البحوث ذات الأولوية الاستراتيجية للأكاديمية الصينية للعلوم (المنحة رقم 1000/1999). 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) |
References
- 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).
