Summary
여기서, 열 조정 방법을 사용하여 나비 포장 마이크로 링 공진기에서 솔리톤 결정을 생성하는 프로토콜을 제시합니다. 또한, 단일 공석을 갖는 솔리톤 결정의 반복속도 변동은 지연된 자가이테로다인 방법을 사용하여 측정된다.
Abstract
현세적 솔리톤은 전파 커 매체의 비선형성에 의해 분산이 균형을 이루는 안정된 상태에서의 행동에 대해 지난 수십 년 동안 큰 관심을 끌었습니다. 하이큐 마이크로캐비티에서 소멸된 커 솔리톤(DKS)의 개발은 새로운 컴팩트한 칩 스케일 솔리톤 소스를 유도합니다. DKS가 펨토초 펄스 역할을 할 때, 반복 속도 변동은 초고정밀 계측, 고속 광학 샘플링 및 광학 시계 등에 적용될 수 있습니다. 이 논문에서, 입자와 같은 솔리톤이 단단히 포장되고 완전히 공진을 점유하는 DKSs의 특수 상태인 솔리톤 결정(SC)의 급속한 반복 속도 변동은 잘 알려진 지연된 자가 이테로다인 방법에 따라 측정된다. SC는 열 제어 방법을 사용하여 생성됩니다. 펌프는 100Hz의 라인 폭을 가진 주파수 고정 레이저입니다. 주파수 변동 측정의 필수적인 시간은 지연 섬유의 길이에 의해 제어됩니다. 단일 공석이 있는 SC의 경우 반복 속도 변동은 각각 125μs 이내의 ~53.24Hz 및 ~509.32Hz이다.
Introduction
커의 비선형성뿐만 아니라 커 이득 및 캐비티 분산1에의해 캐비티 분산이 균형을 이루는 미세 공명기의 꾸준한 DKS는 초고반복율, 컴팩트한 크기 및 저비용2에대한 과학 연구 커뮤니티에 큰 관심을 끌고 있다. 시간 영역에서, DKS는 고속 범위 측정3 및 분자 분광법4에사용 된 안정적인 펄스 열차입니다. 주파수 영역에서, DKS는 파장-분열-멀티플렉스(WDM) 통신 시스템5,6,광학 주파수 합성7,8,초저잡음 마이크로파 생성9,10등에 적합한 주파수 간격이 동일한 주파수 간격을 가진 일련의 주파수 라인을 갖는다. 빗 선의 위상 노이즈 또는 라인 폭은 이러한 응용 프로그램 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 모든 빗 라인은펌프(11)와유사한 선폭을 갖는 것으로 입증되었습니다. 따라서 초좁은 라인폭 레이저를 펌프로 사용하는 것은 DKS의 성능을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 그러나, 대부분의 보고된 DKS의 펌프는 상대적으로 높은 소음으로 고생하고 kHz의 수백의 순서에 넓은 라인 폭을 가지고 외부 캐비티 다이오드 레이저 (ECDL)를 청소 주파수입니다. 튜닝 가능한 레이저와 비교하여 고정 주파수 레이저는 소음이 적고 라인 폭이 좁으며 볼륨이 작습니다. 예를 들어, Menlo 시스템은 1Hz 미만의 라인폭을 갖는 초안정 레이저 제품을 제공할 수 있다. 이러한 주파수 고정 레이저를 펌프와 같은 주파수 고정 레이저를 사용하여 생성된 DKS의 소음을 현저히 감소시킬 수 있다.
반복 속도 안정성은 DKS의 또 다른 중요한 매개 변수입니다. 일반적으로 주파수 카운터는 일반적으로 천 초15,16까지마이크로초의 순서에 있는 게이트 시간 내에 DKS의 주파수 안정성을 특성화하는 데 사용된다. 광검출기 및 주파수 카운터의 대역폭에 의해 제한되는 전기 광학 변조기 또는 기준 레이저는 일반적으로 DKSs의 자유 스펙트럼 범위(FSR)가 100GHz 이상일 때 검출된 주파수를 낮추는 데 사용됩니다. 이는 테스트 시스템의 복잡성을 높일 뿐만 아니라 RF 소스 또는 참조 레이저의 안정성으로 인한 추가 측정 오류를 생성합니다.
이 논문에서 마이크로 링 공진기(MRR)는 작동 온도를 제어하는 데 사용되는 상업용 TEC 칩으로 포장된 나비입니다. 펌프로서 100Hz의 라인폭을 가진 주파수 고정 레이저를 사용하여 솔리톤 결정(SC)은 작동 온도를 수동으로 감소시킴으로써 안정적으로 생성됩니다. 이들은 완전히 공진을 채울 수있는 특별한 DKS입니다17공동 고독의 집단 주문 앙상블. 우리의 지식에, 이것은 DKS 세대 실험에서 가장 좁은 라인 폭 펌프입니다. 모든 빗라인의 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 스펙트럼은 지연된 자가 이테로다인 간섭계(DSHI) 방법에 기초하여 측정됩니다. 빗선의 매우 좁은 선폭의 이점을 통해 솔리톤 결정(SC)의 반복 속도 불안정성은 PSD 곡선의 중앙 주파수 드리프트로부터 파생됩니다. 단일 공석이 있는 SC의 경우 10μs 이내 ~53.24Hz의 반복속도 불안정성 및 125μs 내에서 ~509.32Hz의 반복률을 얻었습니다.
프로토콜은 여러 가지 주요 단계로 구성됩니다: 첫째, MRR은 6축 커플링 스테이지를 사용하여 파이버 어레이(FA)와 결합됩니다. MRR은 고지수 도핑 실리카 유리 플랫폼18,19에의해 제조된다. 그런 다음 MRR을 14핀 나비 패키지로 패키징하여 실험의 안정성을 높입니다. SC는 열 제어 방법을 사용하여 생성됩니다. 마지막으로, SC의 반복 속도 변동은 DSHI 방법으로 측정됩니다.
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Protocol
1. 광학 커플링
- 1.5 μm 연마 분말 (알루미늄 산화물)을 사용하여 연삭 판에 MRR의 끝면을 5 분 동안 물과 혼합.
- MRR을 칩 고정장치로 수정하고 8채널 FA를 6축 커플링 스테이지에 배치할 수 있으며, 여기에는 해상도가 50nm이고 해상도가 0.003°인 3개의 선형 스테이지가 포함된 3개의 선형 스테이지가 포함됩니다. MRR 및 FA의 패치는 250 μm입니다.
- 1,550nm 레이저를 광학 소스로 사용하여 커플링 효율을 실시간으로 모니터링하십시오. 개시 손실이 최소 값에 도달할 때까지 신중하게 FA의 위치를 조정, 일반적으로 미만 6 dB, 패싯 당 3 dB 미만의 커플링 손실에 해당.
- 자외선(UV) 곡선접착제(재료표)를사용하여 MRR 및 FA를 접착제로 배치합니다.
- UV 곡선 접착제를 150s용 UV 램프에 노출시키고 120°C의 챔버에서 1시간 이상 굽습니다.
2. 장치 포장
- 10.2mm x 6.05mm TEC 칩을 최대 전력 3.9W의 기본 플레이트에 실버 접착제를 사용하여 표준 14핀 나비 패키지의 베이스 플레이트에 응축합니다. TEC 칩의 두 전극을 나비 패키지의 두 핀으로 솔더링합니다.
- 실버 접착제를 사용하여 5mm × 5mm × 1mm 텅스텐 플레이트를 TEC 칩 표면에 붙여 넣습니다. 텅스텐 플레이트를 방열판으로 사용하여 TEC와 MRR 사이의 간격을 채웁니다.
- MRR 장치를 은 접착제를 사용하여 텅스텐 플레이트 의 상단에 붙여 넣고 FA의 피그테일을 나비 패키지의 출력 포트에 고정합니다.
- 실버 접착제를 사용하여 TEC 칩 표면에 테미저 칩을 붙여 넣습니다. 테미저의 전극 을 TEC 칩의 상단 표면에 연결합니다. 와이어는 금 실을 사용하여 나비 패키지의 두 핀에 테미저와 TEC 칩의 상단 표면의 다른 전극을 결합합니다.
- 포장된 장치를 100°C에서 1h로 굽어 실버 접착제를 고화시게 합니다.
- 나비 패키지를 밀봉합니다. 그림 1은 포장된 장치를 보여줍니다.
3. SC 생성
- 그림 2는 실험의 설정을 보여 주어. erbium 도핑 섬유 앰프(EDFA)를 사용하여 마이크로 콤 생성을 위한 펌프를 강화합니다. 섬유 편광 컨트롤러(FPC)를 사용하여 펌프의 편광 상태를 제어합니다. 단일 모드 섬유(SMF)를 사용하여 모든 장치를 연결합니다.
- 펌프 레이저의 파장을 1,556.3 nm에서 수정합니다. 외부 상용 TEC 컨트롤러를 통해 작동 온도를 수동으로 조정합니다.
- 광학 스펙트럼 분석기로 출력 광학 스펙트럼을 모니터링합니다. 3GHz 광검출기로 출력 전력 추적을 감지하고 오실로스코프로 기록합니다.
- EDFA의 출력을 34dBm으로 설정하여 30.5dBm의 온칩 전력(MRR 및 FA의 결합 손실 고려, FPC의 삽입 손실 고려)을 설정하여 마이크로 빗 생성을 위해 MRR에 충분한 전력이 결합되도록 합니다.
- 66°C의 작동 온도에 해당하는 2kΩ으로 저미터를 설정합니다. 그런 다음 저미터의 설정 값을 변경하여 작동 온도를 천천히 감소시면 됩니다. 이러한 실험에서, 테미터가 5.8kΩ으로 설정되었을 때, 38°C에 대응하는 MRR의 하나의 공진이 펌프를 통과하고 삼각형 형상 전력 추적을 기록하였다.
- 삼각형 변속기 동력 추적의 낙하 가장자리에서 SC 단계가 관찰될 때까지 FPC에 의한 펌프의 편광을 조정한다. 도 3은 일반적인 광변전기 동력 추적을 나타낸다.
- -66°C에서 동작 온도를 천천히 감소시키고 광학 스펙트럼 분석기에서 손바닥과 같은 광학 스펙트럼이 관찰되면 중지합니다. 이 실험에서 테미터의 가치는 약 5.6 kΩ이었다. 도 4A 및 도 5B는 각각 단일 공석을 가진 완벽한 SC 및 SC의 광학 스펙트럼을 보여줍니다.
4. 반복 속도 변동 측정
- 생성된 SC를 TTPF(조정 가능한 밴드패스 필터)에 연결하여 개별 빗 라인을 추출합니다. TBPF의 패스밴드를 0.1nm로 설정합니다. 중앙 파장의 중앙 파장을 전체 C 및 L 밴드위에 조정할 수 있습니다. 필터 경사는 400 dB/nm입니다.
- 선택한 빗선을 비대칭 마하-젠더 간섭계(AMZI)에 결합합니다. AMZI의 한 쪽 팔의 광학 주파수는 아쿠스토 옵틱 변조기(AOM)를 사용하여 200MHz로 이동합니다. 다른 팔의 광장은 광섬유 의 세그먼트에 의해 지연된다. 이 실험에는 2km와 25km의 지연 섬유가 사용됩니다.
- 광다이오드로 출력 광학 신호를 감지하고 전기 스펙트럼 분석기를 사용하여 PSD 스펙트럼을 분석합니다.
- TBPF의 중앙 파장을 조정합니다. 설명된 방법을 사용하여 모든 빗 선의 PSD를 측정합니다. 도 4B, C는 각각 2km 및 25km 지연 광섬유와 완벽한 SC의 빗 라인 S1 및 S2에 대한 PSD 스펙트럼을 보여줍니다.
- 동일한 방법을 사용하여 공석이 있는 SC의 PSD 곡선을 측정합니다. PSD 곡선의 3dB 대역폭을 기록하고 그림 5B, C에표시된 대로 선형으로 맞습니다. 10 μs 내에서 ~53.24Hz의 반복 속도 변동과 125 μs 이내의 ~509.32Hz의 반복 속도 변동이 도출되었다.
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Representative Results
도 3은 펌프 전체에 공진 열이 조정된 동안 변속기 추적을 나타낸다. SC의 생성을 나타내는 명백한 전력 단계가 있었습니다. 이 단계는 전구체, 변조 불안정 빗과 비교하여 비슷한 힘을 가지고 있었습니다. 따라서 SC의 생성은 속도에 따라 조정되지 않았습니다. SC는 공석(쇼트키 결함), 프렌켈 결함, 상부 구조12,17등 다양한 주를 전시했다. 예를 들어, 도 4A는 27솔리톤과 그림 5A가 단일 공석을 가진 SC인 완벽한 SC를 나타낸다.
μ빗선의 주파수는
그리고 μth 빗 라인의 주파수 변동은 다음과 같이 표현 될 수있다 :
여기서 μ 펌프에서 떨어진 모드 번호인 경우, F담당자는 SC의 반복 속도이며, Δf펌프 및 Δf담당자는 각각 펌프 레이저의 주파수 변동및 SC의 반복 속도이다. 따라서, SC의 반복 속도 변동은 μ주파수 라인에서 μ 거의 증폭되었다.
완벽한 SC의 경우 그림 4B,C는 펌프, S1 및 S2에 대해 각각 2km 및 25km 지연 섬유를 기반으로 측정된 PSD 스펙트럼을 보여줍니다. PSD 곡선의 가장 주목할 만한 특징은 지연 시간 내의 주파수 변동으로 인해 발생한 플랫 탑이었습니다. 지연 시간이 10μs였을 때 S1과 S2의 주파수 변동은 각각 2.08kHz및 3.54kHz였습니다. 지연 섬유가 25km였을 때, S1과 S2의 측정 주파수 변동은 각각 14.31kHz및 28.02kHz였습니다.
도 5A는 단일 공석을 가진 SC의 전형적인 광학 스펙트럼을 나타낸다. MRR에는 27개의 솔리톤이 순환했습니다. 각 빗선의 측정된 주파수 변동이 플롯되고 그림 5B,C에표시됩니다. 조각방향으로 선형 피팅 선은 파란색 선으로 플롯되어 표시할 수 있습니다.
피팅 라인의 평균 경사는 약 53.24Hz/FSR 및 509.32 Hz/FSR이었으며, 이는 각각 10μs 및 125 μs의 응답 지연 시간 내에 SC의 반복 속도 변동을 나타냅니다. 잔류 주파수 변동은 AOM의 구동 무선 신호의 주파수 변동과 함께 펌프 레이저의 주파수 변동으로 간주되었다.
그림 1. 나비 패키지 MRR. (A)모델 및(B)나비 포장 MRR의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. Kerr OFCs 생성 및 반복 속도 변동 측정의 실험 적인 설정. 인셋은 하나의 공석이 있는 하나의 일반적인 SC의 광학 스펙트럼을 보여줍니다. 100Hz의 라인폭을 가진 주파수 고정 CW 레이저가 펌프로 사용되었다. EDFA는 펌프를 최대 34dBm까지 향상시키는 데 사용되었습니다. 주파수 변동은 지연된 자가 이테로다인 간섭계 방법에 의해 측정되었다. CW = 연속 파동; EDFA = 에르비움 도핑 섬유 앰프; FPC = 섬유 편광 컨트롤러; TEC = 열전 냉각기; MRR = 마이크로 링 공진기; BPF = 밴드패스 필터; AOM = 아쿠스토 옵틱 변조기; PD = 포토디오드; ESA = 전기 스펙트럼 분석기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 낙하 포트의 광 변속기 동력 추적. 전구체와 유사한 전력을 가진 SC 단계는 명확하게 얻어진다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 완벽한 SC. (A)완벽한 SC의 광학 스펙트럼을 측정합니다. 인셋은 MRR에서 균일하게 분포된 27개의 솔리톤을 보여줍니다. (B)펌프, S1 및 S2의 PSD 곡선을 측정하고 2km 지연 섬유를 사용하였다. (C)25km 지연 섬유와 펌프, S1 및 S2의 PSD 곡선을 측정하였다. 플랫 탑 PSD 곡선은 빗 선의 급격한 주파수 변동에 의해 발생했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. 하나의 공석이 있는 SC. (A)단일 공석이 있는 SC의 광학 스펙트럼. 인셋은 MRR의 솔리톤 분포를 보여줍니다. (B)2km 지연 섬유의 주파수 변동. 반복 속도 변동은 10 μs 내에서 약 53.24 Hz였습니다. 펌프 레이저 및 측정 시스템에 의해 도입된 주파수 변동은약 500Hz(C) 25km 지연 섬유를 갖는 반복 속도 변동은 125μs 이내약 626Hz였다. 펌프 레이저 및 측정 시스템에 의해 도입 된 주파수 변동은 약 1 kHz이었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6. 광전류의 이론적 PSD는 광학 일관된 길이가 상대지연 시간보다 크면 이다. 빨간색 선은 중앙 주파수 변동을 나타내지 않습니다. 파란색 선은 PSD에 선형 중앙 주파수 변동을 제공합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
온칩 DKS는 새로운 컴팩트한 일관된 광학 소스를 제공하며 광학 계측, 분자 분광법 및 기타 기능에서 우수한 응용 전망을 제공합니다. 상용 애플리케이션의 경우 컴팩트한 포장 된 마이크로 콤 소스가 필수적입니다. 이 프로토콜은 MRR과 FA 간의 신뢰할 수 있고 낮은 커플링 손실 연결과 견고한 열 제어 DKS 생성 방법의 이점을 제공하는 패키지마이크로 콤을 만드는 실용적인 방법을 제공합니다. 따라서, 우리의 실험은 더 이상 결합 단계에 의존하고 우수한 환경 적응을 나타낸다. 한편, 펌프는 더 좁은 라인폭으로 작동할 수 있는 파장 고정 레이저로, 소음이 현저히 적으며, 튜닝 가능한 레이저에 비해 훨씬 작습니다. 따라서 이 프로토콜은 통합 된 고성능 온칩 DKS 소스의 잠재적 상용 응용 프로그램에 대한 유망한 접근 방식입니다.
완전히 통합된 SC 소스를 획득하는 데 있어 가장 큰 한계는 EDFA가 필요한 높은 펌프 전력입니다. 최근 SiN MRR에서 펌프 전력이 매우 낮은 DKS가 실현되었습니다. 따라서 우리는 실용적으로 완전히 통합된 DKS 소스가 가까운 장래에 이루어질 것으로 믿습니다.
반복 속도의 안정성은 OFC의 성능을 평가하는 가장 중요한 매개 변수 중 하나입니다. 일반적으로 반복 속도 안정성은 주파수 카운터를 사용하여 측정됩니다. 그러나 마이크로 콤의 반복 속도는 일반적으로 주파수 카운터 및 광검출기의 대역폭에서 벗어난 수십 GHz에서 THz로의 순서에 있습니다. 따라서, 기준 레이저 소스 또는 변조기와 같은 간접적인 방법은 일반적으로 반복 속도 안정성 측정에 사용되어 측정 시스템의 복잡성을 증가시킵니다. 당사의 프로토콜은 고주파 구성 요소와 매우 안정적인 기준 소스가 불필요한 DSHI 기반 반복 속도 변동 측정 방식을 제공합니다. 시스템에 는 상위 반복 속도 제한이 없습니다. 당사의 시스템은 지연 시간 동안 누적된 주파수 변동을 측정하고 주파수 카운터 기반 방법은 게이트 시간의 평균 값을 테스트합니다. 따라서 당사의 계획은 주파수 카운터 기반 반복 속도 안정성 측정 시스템에 보완됩니다.
펌프 레이저의 라인폭은 DSHI 기반 반복 속도 변동 측정 체계에 필수적입니다. 광학 분야
DSHI 방식에 의해 측정되며, 광전류의 PSD 스펙트럼은 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서 E0 및 ω 0은각각 진폭 및 각 주파수입니다; φ(t)은광학 분야의 초기 단계이다. α 두 간섭 암의 전력 비율입니다. I0은 입력 광학 강도; θd 및 θc는 각각 광학 필드의 상대 지연 시간 및 일관된 시간입니다. Ω AOM의 주파수 이동입니다. θc가 θd보다크면, PSD는 도 6(빨간색 선)에 도시된 바와 같이 박동 신호및 디락 함수의 겹침이 됩니다. 그러나, 레이저의 주파수 변동을 고려하여, 광학 분야는
여기서 Δω은 각 주파수 변동이다. DSHI의 경우 추가 주파수 시프트가 추가됩니다. 도 6(파란색 선)은 계산된 PSD 스펙트럼을 나타내며, 여기서 광학 주파수는 지연 시간 동안 10kHz를 선형적으로 변경한다. 반대로 θ c가 θ d보다적을 때 Dirac 함수는 무시할 수 있으며 우리의 계획은 더 이상 DKS의 반복 속도 변동을 측정할 수 없습니다. 당사의 방식은 수십 kHz 의 순서에 라인폭이 있는 펌프 레이저를 사용하여 생성된 DKS에 적합하지 않습니다. 다행히 도내 1Hz 미만의 라인폭을 가진 레이저가 상용화되었으며, 40mHz 미만의 라인폭이 있는 고정 주파수 레이저가20개미만이 되었다. 따라서, 우리의 계획은 미래에 마이크로 빗 성능 평가를위한 간단한 빠른 반복 속도 불안정 측정 방법을 제공합니다.
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Disclosures
저자는 경쟁적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.
Acknowledgments
이 작품은 중국 국립 자연 과학 재단 (NSFC) (그랜트 62075238, 61675231)와 중국 과학 아카데미의 전략적 우선 순위 연구 프로그램 (그랜트 번호)에 의해 지원되었다. XDB4030600).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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) |
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