Hurtig gentagelseshastighedsudsving måling af Soliton krystaller i en Microresonator
Summary
Her præsenterer vi en protokol til at generere solitonkrystaller i en sommerfuglpakket mikroringsresonator ved hjælp af en termisk tunet metode. Endvidere måles gentagelsesratudsvingene i en solitonkrystal med en enkelt tomgang ved hjælp af en forsinket selv heterodyne metode.
Abstract
Tidsmæssige solitoner har tiltrukket stor interesse i de seneste årtier for deres adfærd i en stabil tilstand, hvor spredningen opvejes af den ikke-lineære i en formering Kerr medium. Udviklingen af dissipative Kerr solitons (DKSs) i høj Q mikrocavities drev en ny, kompakt, chip-skala soliton kilde. Når DKS’er fungerer som femtosekunders pulser, kan gentagelseshastighedens udsving anvendes på ultrahøj præcisions metrologi, optisk prøveudtagning med høj hastighed og optiske ure osv. I dette papir måles den hurtige gentagelseshastighedsudsving af solitonkrystaller (SCs), en særlig tilstand af DKS’er, hvor partikellignende solitoner er tæt pakket og fuldt optaget af en resonator, målt baseret på den velkendte forsinkede selv heterodyne metode. SCs genereres ved hjælp af en termisk styret metode. Pumpen er en frekvens fast laser med en linewidth på 100 Hz. Den integrerede tid i frekvensudsvingsmålinger styres af længden af forsinkelsesfiberen. For en SC med en enkelt ledig stilling, gentagelse sats udsving er ~ 53,24 Hz inden for 10 μs og ~ 509,32 Hz inden for 125 μs, henholdsvis.
Introduction
Den konstante DKSs i microresonators, hvor hulrum spredning er afbalanceret af Kerr nonlinearity, samt Kerr gevinst og hulrum spredning1, har tiltrukket stor interesse i det videnskabelige forskningssamfund for deres ultra-høje gentagelse sats, kompakt størrelse, og lave omkostninger2. I tidsdomænet er DKSs stabile pulstog, der er blevet brugt til højhastighedsmåling3 og molekylær spektroskopi4. I frekvensdomænet har DKSs en række frekvenslinjer med samme frekvensafstand, der er egnet til WDM-kommunikationssystemer (Wavelength-division-multiplex)5,6, optisk frekvenssyntese7,8og mikrobølgegenerering af ultralav støj9,10osv. Fasestøj eller linewidth af kamlinjer påvirker direkte disse applikationssystemers ydeevne. Det er blevet bevist, at alle kam linjer har en lignende linewidth med pumpen11. Derfor er brug af en ultra-smal linewidth laser som pumpe en effektiv tilgang til at forbedre ydeevnen af DKSs. Men pumperne af de fleste rapporterede DKSs er frekvens fejende ydre hulrum diode lasere (ECDLs), som lider af relativt høj støj og har en bred linewidth på størrelsesordenen ti til hundredvis af kHz. Sammenlignet med tunable lasere, fast frekvens lasere har mindre støj, smallere linewidths og mindre volumen. For eksempel kan Menlo-systemer levere ultrastabile laserprodukter med en linewidth på mindre end 1 Hz. Ved hjælp af en sådan frekvens fast laser som pumpe kan reducere støjen fra de genererede DKSs. For nylig er mikrovarmer eller termoelektriske køler (TEC)-baserede termiske tuningsmetoder blevet brugt til DKSs generation12,13,14.
Gentagelsesstabilitet er et andet vigtigt parameter i DKSs. Generelt bruges frekvenstællere til at karakterisere frekvensstabiliteten af DKS’er inden for en gatetid, som generelt er i størrelsesordenen et mikrosekund til tusind sekunder15,16. Begrænset af båndbredden på fotodetektoren og frekvenstælleren anvendes elektrooptiske modulatorer eller referencelasere typisk til at sænke den registrerede frekvens, når dkss’ens fritspektrale område (FSR) er over 100 GHz. Dette øger ikke kun testsystemernes kompleksitet, men producerer også yderligere målefejl forårsaget af stabiliteten af RF-kilder eller referencelasere.
I dette papir er en mikroringsresonator (MRR) sommerfugl pakket med en kommerciel TEC-chip, der bruges til at styre driftstemperaturen. Ved hjælp af en frekvens fast laser med en linewidth på 100 Hz som en pumpe, soliton krystaller (SCs) er stabilt genereret ved manuelt at reducere driftstemperaturen; disse er specielle DKSs, der helt kan fylde en resonator med kollektivt bestilte ensembler af copropagating solitons17. Så vidt vi ved, er dette den smalleste linewidth pumpe i DKSs generation eksperimenter. Effektspektral densitet (PSD) spektrum af hver kam linje måles baseret på en forsinket selv-heterodyne interferometer (DSHI) metode. Fordelen ved den ultra-smalle linewidth af kam linjer, gentagelse sats ustabilitet af soliton krystaller (SCs) er afledt af den centrale frekvens drift af PSD kurver. For SC med en enkelt ledig stilling, opnåede vi en gentagelse sats ustabilitet på ~ 53,24 Hz inden for 10 μs og ~ 509,32 Hz inden for 125 μs.
Protokollen består af flere hovedfaser: For det første er MRR kombineret med et fiber array (FA) ved hjælp af et seksakset koblingstrin. MRR er fremstillet af en høj-indeks dopet silica glas platform18,19. Derefter pakkes MRR i en 14-bens sommerfuglpakke, hvilket øger stabiliteten for eksperimenterne. SCs genereres ved hjælp af en termisk styret metode. Endelig måles gentagelsesratudsvingene i SCs ved hjælp af en DSHI-metode.
Protocol
Representative Results
Discussion
On-chip DKSs giver nye kompakte sammenhængende optiske kilder og udviser fremragende anvendelsesmuligheder inden for optisk metrologi, molekylær spektroskopi og andre funktioner. Til kommercielle applikationer er kompakte emballerede mikrokamkilder afgørende. Denne protokol giver en praktisk tilgang til at lave en emballeret mikrokam, der drager fordel af den pålidelige, lave koblingstabsforbindelse mellem MRR og FA samt en robust termisk styret DKS-generationsmetode. Derfor er vores eksperimenter ikke længere kobli…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) og Strategic Priority Research Program of the 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) |
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).
