Быстрое измерение флуктуаций частоты повторения кристаллов солитона в микрорезонаторе
Summary
Здесь мы представляем протокол для генерации кристаллов солитона в микрокольцевом резонаторе с бабочкой с использованием метода термической настройки. Далее флуктуации частоты повторения кристалла солитона с одной вакансией измеряют с помощью отсроченного самогетеродинного метода.
Abstract
Временные солитоны привлекли большой интерес в последние десятилетия своим поведением в устойчивом состоянии, где дисперсия уравновешивается нелинейностью в среде распространения Керра. Разработка диссипативных солитонов Керра (ДКС) в микрополощах с высоким Q приводит к созданию нового, компактного источника солитона в масштабе чипа. Когда ДКС служат фемтосекундными импульсами, флуктуации частоты повторения могут быть применены к метрологии сверхвысокой точности, высокоскоростному оптическому отбору проб, оптическим часам и т. Д. В данной работе быстрая флуктуация частоты повторения кристаллов солитона (СК), особое состояние ДКС, при котором частицеподобные солитоны плотно упакованы и полностью занимают резонатор, измеряется на основе известного метода замедленного самогетеродина. СК генерируются с использованием термоуправляемого метода. Насос представляет собой частотно-фиксированный лазер с шириной линии 100 Гц. Интегральное время в измерениях колебаний частоты контролируется длиной волокна задержки. Для СК с одной вакансией колебания частоты повторения составляют ~53,24 Гц в пределах 10 мкс и ~509,32 Гц в пределах 125 мкс соответственно.
Introduction
Устойчивые ДКС в микрорезонаторах, где дисперсия полости уравновешивается нелинейностью Керра, а также усиление Керра и рассеивание полости1,вызвали большой интерес в научно-исследовательском сообществе за их сверхвысокую частоту повторения, компактный размер и низкую стоимость2. Во временной области ДКШ представляют собой стабильные импульсные поезда, которые использовались для высокоскоростного измерения диапазона3 и молекулярной спектроскопии4. В частотной области ДКС имеют ряд частотных линий с равным частотным интервалом, которые подходятдля систем связи5,6, синтезаоптических частот7,8и сверхнизкошумой микроволновой генерации9,10и т. Д. Фазовый шум или ширина линии гребенчатых линий напрямую влияет на производительность этих прикладных систем. Доказано, что все гребенчатые линии имеют одинаковую ширину линии с насосом11. Поэтому использование ультраузкого лазера шириной линии в качестве накачки является эффективным подходом к улучшению производительности ДКС. Тем не менее, насосы большинства зарегистрированных ДКС представляют собой частотно-уборочные наружные резонаторные диодные лазеры (ECDL), которые страдают от относительно высокого шума и имеют широкую ширину линии порядка десятков-сотен кГц. По сравнению с перестраиваемыми лазерами, лазеры с фиксированной частотой имеют меньший шум, более узкие ширины линий и меньшую громкость. Например, системы Menlo могут поставлять сверхстабильные лазерные изделия с шириной линии менее 1 Гц. Использование такого частотно-фиксированного лазера, как накачка, может значительно снизить шум генерируемых ДКС. В последнее время для ДКС поколения12,13,14 используются методы термонастройки на основе микронагревателя или термоэлектрического охладителя(TEC).
Стабильность частоты повторения является еще одним важным параметром РСД. Как правило, частотомеры используются для характеристики частотной стабильности ДКШ в пределах времени затвора, которое обычно составляет порядка микросекунды до тысячи секунд15,16. Ограниченные полосой пропускания фотоприемника и частотомера, электрооптические модуляторы или опорные лазеры обычно используются для снижения обнаруженной частоты, когда свободный спектральный диапазон (FSR) ДКС составляет более 100 ГГц. Это не только увеличивает сложность тест-систем, но и приводит к дополнительным погрешностям измерений, вызванным стабильностью радиочастотных источников или эталонных лазеров.
В этой статье микрокольцевой резонатор (MRR) представляет собой бабочку, упакованную с коммерческим чипом TEC, который используется для контроля рабочей температуры. Используя частотно-фиксированный лазер с шириной линии 100 Гц в качестве накачки, кристаллы солитона (СК) стабильно генерируются путем ручного снижения рабочей температуры; это специальные ДКС, которые могут полностью заполнять резонатор коллективно упорядоченными ансамблями сопропагатирующих солитонов17. Насколько нам известно, это самый узкий насос ширины линии в экспериментах по генерации ДКС. Спектр спектральной плотности мощности (PSD) каждой гребенчатой линии измеряется на основе метода замедленного самогетеродинного интерферометра (DSHI). Используя ультраузкую ширину линий гребенчатых линий, нестабильность частоты повторения кристаллов солитона (SCs) выводится из центрального частотного дрейфа кривых PSD. Для СК с одной вакансией мы получили нестабильность частоты повторения ~53,24 Гц в пределах 10 мкс и ~509,32 Гц в пределах 125 мкс.
Протокол состоит из нескольких основных этапов: во-первых, MRR соединен с волоконно-оптическим массивом (FA) с использованием шестиосевой соединительной ступени. MRR изготовлен из высокоиндексной легированной кремнеземной стеклянной платформы18,19. Затем MRR упаковывается в 14-контактный пакет бабочки, что повышает стабильность экспериментов. СК генерируются с использованием термоуправляемого метода. Наконец, колебания частоты повторения СК измеряются методом DSHI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Встроенные ДКС обеспечивают новые компактные когерентные оптические источники и демонстрируют отличные перспективы применения в оптической метрологии, молекулярной спектроскопии и других функциях. Для коммерческого применения важное значение имеют компактные упакованные микрогр?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC) (грант 62075238, 61675231) и Программой стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук (грант 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).
