Summary
Aquí, presentamos un protocolo para generar cristales de solitón en un resonador de microanillos empaquetado en mariposas utilizando un método sintonizado térmicamente. Además, las fluctuaciones de la tasa de repetición de un cristal de solitario con una sola vacante se miden utilizando un método autoheterodino retardado.
Abstract
Los solitones temporales han atraído un gran interés en las últimas décadas por su comportamiento en un estado estacionario, donde la dispersión se equilibra con la no linealidad en un medio kerr de propagación. El desarrollo de solitones de Kerr disipativos (DKS) en microcavidades de alta Q impulsa una fuente de solitón novedosa, compacta y a escala de chip. Cuando los DKS sirven como pulsos de femtosegundos, la fluctuación de la tasa de repetición se puede aplicar a la metrología de ultra alta precisión, el muestreo óptico de alta velocidad y los relojes ópticos, etc. En este artículo, la rápida fluctuación de la tasa de repetición de los cristales de solitón (SC), un estado especial de los DKS donde los solitones similares a partículas están estrechamente empaquetados y ocupan completamente un resonador, se mide en función del conocido método autoheterodino retardado. Los SC se generan utilizando un método controlado térmicamente. La bomba es un láser fijo de frecuencia con un ancho de línea de 100 Hz. El tiempo integral en las mediciones de fluctuación de frecuencia está controlado por la longitud de la fibra de retardo. Para un SC con una sola vacante, las fluctuaciones de la tasa de repetición son de ~ 53.24 Hz dentro de 10 μs y ~ 509.32 Hz dentro de 125 μs, respectivamente.
Introduction
Los DKS estables en microrresonadores, donde la dispersión de la cavidad se equilibra con la no linealidad de Kerr, así como la ganancia de Kerr y la disipación de cavidad1,han atraído un gran interés en la comunidad de investigación científica por su tasa de repetición ultra alta, tamaño compacto y bajo costo2. En el dominio del tiempo, los SK son trenes de pulso estables que se han utilizado para la medición de rango de alta velocidad3 y la espectroscopia molecular4. En el dominio de la frecuencia, los DKS tienen una serie de líneas de frecuencia con igual espaciado de frecuencia que son adecuadas para sistemas de comunicaciones de longitud de onda-división-multiplex (WDM)5,6,síntesis de frecuencia óptica7,8y generación de microondas de ruido ultra bajo9,10,etc. El ruido de fase o el ancho de línea de las líneas de peine afecta directamente el rendimiento de estos sistemas de aplicación. Se ha comprobado que todas las líneas de peine tienen un ancho de línea similar con la bomba11. Por lo tanto, el uso de un láser de ancho de línea ultra estrecho como bomba es un enfoque efectivo para mejorar el rendimiento de los DKS. Sin embargo, las bombas de la mayoría de los DKS reportados son láseres de diodo de cavidad externa (ECDL) de barrido de frecuencia, que sufren de un ruido relativamente alto y tienen un ancho de línea amplio del orden de decenas a cientos de kHz. En comparación con los láseres sintonizables, los láseres de frecuencia fija tienen menos ruido, anchos de línea más estrechos y menor volumen. Por ejemplo, los sistemas Menlo pueden proporcionar productos láser ultraestables con un ancho de línea inferior a 1 Hz. El uso de un láser fijo de frecuencia como bomba puede reducir significativamente el ruido de los DKS generados. Recientemente, se han utilizado métodos de ajuste térmico basados en microcalentadores o enfriadores termoeléctricos (TEC) para los DKS de generación12,13,14.
La estabilidad de la tasa de repetición es otro parámetro importante de los SK. Generalmente, los contadores de frecuencia se utilizan para caracterizar la estabilidad de frecuencia de los DKS dentro de un tiempo de puerta, que generalmente es del orden de un microsegundo a mil segundos15,16. Limitados por el ancho de banda del fotodetector y el contador de frecuencia, los moduladores electroópticos o láseres de referencia se utilizan normalmente para reducir la frecuencia detectada cuando el rango espectral libre (FSR) de los DKS es superior a 100 GHz. Esto no solo aumenta la complejidad de los sistemas de prueba, sino que también produce errores de medición adicionales causados por la estabilidad de las fuentes de RF o los láseres de referencia.
En este documento, un resonador de microanillo (MRR) es una mariposa empaquetada con un chip TEC comercial que se utiliza para controlar la temperatura de operación. Utilizando un láser fijo de frecuencia con un ancho de línea de 100 Hz como bomba, los cristales de solitón (SC) se generan de manera estable disminuyendo manualmente la temperatura de funcionamiento; estos son DKS especiales que pueden llenar completamente un resonador con conjuntos ordenados colectivamente de solitones copropagadores17. Hasta donde sabemos, esta es la bomba de ancho de línea más estrecha en los experimentos de generación de DKS. El espectro de densidad espectral de potencia (PSD) de cada línea de peine se mide en función de un método de interferómetro autoheterodino retardado (DSHI). Beneficiándose del ancho de línea ultra estrecho de las líneas de peine, la inestabilidad de la tasa de repetición de los cristales de solitón (SC) se deriva de la deriva de frecuencia central de las curvas PSD. Para el SC con una sola vacante, obtuvimos una inestabilidad de tasa de repetición de ~53.24 Hz dentro de 10 μs y ~509.32 Hz dentro de 125 μs.
El protocolo consta de varias etapas principales: Primero, el MRR se acopla con una matriz de fibra (FA) utilizando una etapa de acoplamiento de seis ejes. El MRR está fabricado por una plataforma de vidrio de sílice dopada de alto índice18,19. Luego, el MRR se empaqueta en un paquete de mariposa de 14 pines, lo que aumenta la estabilidad para los experimentos. Los SC se generan utilizando un método controlado térmicamente. Finalmente, las fluctuaciones de la tasa de repetición de los SC se miden mediante un método DSHI.
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Protocol
1. Acoplamiento óptico
- Pulir la cara final del MRR en una placa de molienda utilizando polvos abrasivos de 1,5 μm (óxido de aluminio) mezclados con agua durante 5 min.
- Fije el MRR con un accesorio de chip y coloque un FA de ocho canales en una etapa de acoplamiento de seis ejes, que incluye tres etapas lineales con una resolución de 50 nm y tres etapas de ángulo con una resolución de 0.003 °. Los parches de mrr y fa son de 250 μm.
- Utilice un láser de 1.550 nm como fuente óptica para la supervisión en tiempo real de la eficiencia del acoplamiento. Ajuste cuidadosamente la posición del FA hasta que la pérdida insertada alcance el valor mínimo, generalmente inferior a 6 dB, correspondiente a una pérdida de acoplamiento de menos de 3 dB por faceta.
- Utilice un adhesivo curvo ultravioleta (UV)(Tabla de materiales)para pegar el MRR y el FA. Coloque el adhesivo en el borde lateral de la superficie de contacto, lo que garantiza que no haya pegamento en la trayectoria óptica.
- Exponga el adhesivo con curva UV a una lámpara UV durante 150 s y hornee en una cámara a 120 °C durante más de 1 h.
2. Embalaje del dispositivo
- Conglutine un chip TEC de 10,2 mm x 6,05 mm con una potencia máxima de 3,9 W a la placa base de un paquete de mariposa estándar de 14 pines utilizando pegamento plateado. Suelde los dos electrodos del chip TEC a dos pines del paquete de mariposas.
- Pegue una placa de tungsteno de 5 mm × 5 mm × 1 mm en la superficie del chip TEC con pegamento de plata. Use la placa de tungsteno como disipador de calor para llenar el espacio entre el TEC y el MRR.
- Pegue el dispositivo MRR en la parte superior de la placa de tungsteno con pegamento plateado y fije la coleta del FA al puerto de salida del paquete de mariposa.
- Pegue un chip de termistor en la superficie del chip TEC con pegamento de plata. Conecte un electrodo del termistor a la superficie superior del chip TEC. El alambre une el otro electrodo del termistor y la superficie superior del chip TEC a dos pines del paquete de mariposas utilizando hilo de oro.
- Hornea el dispositivo envasado a 100 °C durante 1 h para solidificar el pegamento de plata.
- Selle el paquete de mariposas. La figura 1 muestra el dispositivo empaquetado.
3. Generación de SC
- La Figura 2 muestra la configuración de los experimentos. Utilice un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) para impulsar la bomba para la generación de micropeines. Controle el estado de polarización de la bomba mediante un controlador de polarización de fibra (FPC). Conecte todos los dispositivos utilizando fibras monomodo (SMF).
- Fije la longitud de onda del láser de la bomba a 1.556,3 nm. Ajuste manualmente la temperatura de operación a través de un controlador TEC comercial externo.
- Supervise el espectro óptico de salida con un analizador de espectro óptico. Detecte el rastro de potencia de salida con un fotodetector de 3 GHz y grabe con un osciloscopio.
- Ajuste la salida del EDFA a 34 dBm, correspondiente a una potencia en chip de 30,5 dBm (teniendo en cuenta la pérdida de acoplamiento del MRR y fa, pérdida de inserción del FPC), lo que garantiza que haya suficiente potencia acoplada al MRR para la generación de micropeines.
- Ajuste el termistor a 2 kΩ, correspondiente a una temperatura de funcionamiento de 66 °C. Luego disminuya lentamente la temperatura de funcionamiento cambiando el valor establecido del termistor. En estos experimentos, cuando el termistor se ajustó a 5,8 kΩ, correspondiente a 38 °C, una resonancia de la MRR pasó a través de la bomba y se registró una traza de potencia de forma triangular.
- Ajuste la polarización de la bomba por el FPC hasta que se observe un paso SC en el borde descendente de la traza de potencia de transmisión triangular. La Figura 3 muestra un trazado típico de potencia de transmisión óptica.
- Disminuya lentamente la temperatura de operación de ~ 66 ° C y deténgase cuando se observe un espectro óptico similar a la palma de la mano en el analizador de espectro óptico. El valor del termistor fue de alrededor de 5,6 kΩ en estos experimentos. La Figura 4A y la Figura 5B muestran los espectros ópticos de SC y SC perfectos con una sola vacante, respectivamente.
4. Medición de la fluctuación de la tasa de repetición
- Conecte los SC generados a un filtro de paso de banda sintonizable (TBPF) para extraer una línea de peine individual. Establezca la banda de paso del TBPF en 0,1 nm. Su longitud de onda central se puede sintonizar en toda la banda C y L. La pendiente del filtro es de 400 dB/nm.
- Acople la línea de peine seleccionada a un interferómetro asimétrico Mach-Zehnder (AMZI). La frecuencia óptica en un brazo del AMZI se desplaza en 200 MHz utilizando un modulador acústico-óptico (AOM). El campo óptico en el otro brazo se retrasa por un segmento de fibra óptica. En estos experimentos se utilizan fibras de retardo de 2 km y 25 km.
- Detecte la señal óptica de salida con un fotodiodo y analice el espectro PSD utilizando un analizador de espectro eléctrico.
- Ajuste la longitud de onda central del TBPF. Mida los PSD de cada línea de peine utilizando el método descrito. La Figura 4B,C muestra los espectros PSD para las líneas de peine S1 y S2 de SC perfectos con las fibras ópticas de 2 km y 25 km de retraso, respectivamente.
- Utilizando el mismo método, mida las curvas PSD de los SC con una vacante. Registre el ancho de banda de 3 dB de la curva PSD y ajústelo linealmente por partes, como se muestra en la Figura 5B, C. Se derivaron fluctuaciones de la tasa de repetición de ~ 53.24 Hz dentro de 10 μs y ~ 509.32 Hz dentro de 125 μs.
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Representative Results
La Figura 3 muestra el rastro de potencia de transmisión mientras se sintoniza una térmica de resonancia a través de la bomba. Hubo un paso de potencia obvio que indicaba la generación de SC. El paso tenía una potencia similar en comparación con su precursor, el peine de inestabilidad modulacional. Por lo tanto, la generación de SC no dependía de la velocidad de ajuste. Los SC exhibieron una gran variedad de estados, incluyendo vacantes (defectos de Schottky), defectos de Frenkel y superestructura12,17. Como ejemplos, la Figura 4A muestra un SC perfecto con 27 solitones y la Figura 5A es un SC con una sola vacante.
La frecuencia de la μlínea de peine es igual a
y la fluctuación de frecuencia de la μ líneade peine se puede expresar como:
donde μ es el número de modo alejado de la bomba, frep es la tasa de repetición de los SC, y la bomba Δ f y larepetición Δ f son las fluctuaciones de frecuencia del láser de la bomba y la tasa de repetición de los SC, respectivamente. Por lo tanto, la fluctuación de la tasa de repetición de los SC se amplificó casi μ veces en la línea defrecuencia μ.
Para scs perfectos, la Figura 4B,C muestra los espectros PSD medidos para la bomba, S1 y S2, basados en una fibra de retardo de 2 km y 25 km, respectivamente. Las características más notables de las curvas PSD fueron las tapas planas, que fueron causadas por la fluctuación de frecuencia dentro del tiempo de retraso. Cuando el tiempo de retardo fue de 10 μs, las fluctuaciones de frecuencia de S1 y S2 fueron de 2,08 kHz y 3,54 kHz, respectivamente. Cuando la fibra de retardo era de 25 km, las fluctuaciones de frecuencia medidas de S1 y S2 fueron de 14,31 kHz y 28,02 kHz, respectivamente.
La Figura 5A muestra el espectro óptico típico de SC con una sola vacante. Había 27 solitones circulando en el MRR. Las fluctuaciones de frecuencia medidas de cada línea de peine se trazaron y se muestran en la Figura 5B, C. Las líneas de ajuste lineal por piezas se trazan en líneas azules que se pueden expresar como
Las pendientes medias de las líneas de montaje fueron de aproximadamente 53,24 Hz/FSR y 509,32 Hz/FSR, que representan las fluctuaciones de la tasa de repetición del SC dentro de los tiempos de retardo de respuesta de 10 μs y 125 μs, respectivamente. Las fluctuaciones de frecuencia residuales se consideraron como la fluctuación de frecuencia del láser de la bomba junto con la fluctuación de frecuencia de la señal de radio impulsada de la AOM.
Figura 1. MRR empaquetado de mariposa. (A) Modelo y (B) imagen de la mariposa mrr empaquetada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. La configuración experimental de la generación de OFC de Kerr y la medición de la fluctuación de la tasa de repetición. El recuadro muestra el espectro óptico de un SC típico con una sola vacante. Se utilizó un láser CW de frecuencia fija con un ancho de línea de 100 Hz como bomba. Se utilizó un EDFA para aumentar la bomba hasta 34 dBm. La fluctuación de frecuencia se midió mediante el método de interferómetro autoheterodino retardado. CW = onda continua; EDFA = amplificador de fibra dopada con erbio; FPC = controlador de polarización de fibra; TEC = enfriador termoeléctrico; MRR = resonador de microanillos; BPF = filtro de paso de banda; AOM = modulador acústico-óptico; PD = fotodiodo; ESA = analizador de espectro eléctrico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Seguimiento de la potencia de transmisión óptica en el puerto de caída. Se obtiene claramente un paso SC que tenía un poder similar a su precursor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. PERFECTO SC. (A) Espectro óptico medido de un SC perfecto. El recuadro muestra los 27 solitones distribuidos uniformemente en el MRR. (B) Curvas PSD medidas de la bomba, S1 y S2, con la fibra de retardo de 2 km. (C) Curvas PSD medidas de la bomba, S1 y S2, con la fibra de retardo de 25 km. La curva PSD de tapa plana fue causada por la rápida fluctuación de frecuencia de las líneas de peine. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. SC con una sola vacante. (A) Espectro óptico de SC con una sola vacante. El recuadro muestra la distribución del solitón en el MRR. (B) Fluctuaciones de frecuencia con la fibra de retardo de 2 km. La fluctuación de la tasa de repetición fue de aproximadamente 53,24 Hz dentro de 10 μs. La fluctuación de frecuencia introducida por el láser de la bomba y el sistema de medición fue de aproximadamente 500 Hz. (C) La fluctuación de la tasa de repetición con una fibra de retardo de 25 km fue de aproximadamente 626 Hz dentro de 125 μs. La fluctuación de frecuencia introducida por el láser de la bomba y el sistema de medición fue de aproximadamente 1 kHz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. PSD teórico de la fotocorriente cuando la longitud óptica coherente es mayor que el tiempo de retardo relativo. La línea roja no muestra ninguna fluctuación de frecuencia central. La línea azul presenta la PSD con fluctuación lineal de frecuencia central. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Los SK en chip proporcionan nuevas fuentes ópticas compactas y coherentes y exhiben excelentes perspectivas de aplicación en metrología óptica, espectroscopia molecular y otras funciones. Para aplicaciones comerciales, las fuentes compactas de micropeine empaquetado son esenciales. Este protocolo proporciona un enfoque práctico para hacer un micropeine empaquetado que se beneficia de la conexión confiable y de baja pérdida de acoplamiento entre el MRR y el FA, así como de un robusto método de generación DKS controlado térmicamente. Por lo tanto, nuestros experimentos ya no dependen de la etapa de acoplamiento y exhiben una excelente adaptación ambiental. Mientras tanto, la bomba es un láser fijo de longitud de onda que se puede operar con anchos de línea más estrechos, produce significativamente menos ruido y es mucho más pequeño en comparación con los láseres sintonizables. Por lo tanto, el protocolo es un enfoque prometedor para las posibles aplicaciones comerciales de fuentes integradas de DKS en chip de alto rendimiento.
La principal limitación para obtener una fuente de SC totalmente integrada es la alta potencia de la bomba, que necesita un EDFA. Recientemente, los DKS se han realizado en SiN MRR con una potencia de bomba muy baja. Por lo tanto, creemos que las fuentes prácticas de DKS totalmente integradas se fabricarán en un futuro próximo.
La estabilidad de la tasa de repetición es uno de los parámetros más importantes para evaluar el rendimiento de los OFC. Generalmente, la estabilidad de la tasa de repetición se mide utilizando un contador de frecuencia. Sin embargo, las tasas de repetición de los micropeines suelen ser del orden de decenas de GHz a THz, lo que está fuera del ancho de banda de los contadores de frecuencia y fotodetectores. Por lo tanto, los métodos indirectos, como una fuente láser de referencia o un modulador, se utilizan generalmente para la medición de la estabilidad de la tasa de repetición, lo que aumenta la complejidad del sistema de medición. Nuestro protocolo proporciona un esquema de medición de fluctuación de la tasa de repetición basado en DSHI, donde los componentes de alta frecuencia y las fuentes de referencia ultraestables son innecesarios. El sistema no tiene una limitación superior de la tasa de repetición. Nuestro sistema mide la fluctuación de frecuencia acumulada durante el tiempo de retardo, mientras que el método basado en contadores de frecuencias prueba el valor promedio en un tiempo de puerta. Por lo tanto, nuestro esquema es complementario a los sistemas de medición de estabilidad de la tasa de repetición basados en el contador de frecuencias.
El ancho de línea del láser de la bomba es esencial para un esquema de medición de fluctuación de la tasa de repetición basado en DSHI. Cuando un campo óptico
se mide mediante un esquema DSHI, el espectro PSD de la fotocorriente se puede expresar como:
donde E0 y ω0son la amplitud y la frecuencia angular, respectivamente; φ(t) es la fase inicial del campo óptico; α es la relación de potencia de los dos brazos de interferencia; I0 es la intensidad óptica de entrada; τd y τc son el tiempo de retardo relativo y el tiempo coherente del campo óptico, respectivamente; y Ω es el cambio de frecuencia de la OMA. Cuando τc es mayor que τd, la DSP será la superposición de una señal de latido y una función de Dirac, como se muestra en la Figura 6 (línea roja). Sin embargo, teniendo en cuenta la fluctuación de frecuencia de los láseres, el campo óptico se puede expresar como
donde Δω es la fluctuación de frecuencia angular. Para DSHI, se agrega un cambio de frecuencia adicional. La figura 6 (línea azul) muestra el espectro PSD calculado, donde la frecuencia óptica se cambia linealmente 10 kHz durante el tiempo de retardo. Por el contrario, cuando τc es menor que τd,la función de Dirac será insignificante, y nuestro esquema ya no puede medir la fluctuación de la tasa de repetición de los DKS. Nuestro esquema no es adecuado para los DKS generados utilizando un láser de bomba con un ancho de línea del orden de decenas de kHz. Afortunadamente, se ha comercializado un láser con un ancho de línea de menos de 1 Hz, y se han hecho láseres de frecuencia fija bloqueados con un ancho de línea de menos de40mHz. Por lo tanto, nuestro esquema proporciona un método simple de medición de inestabilidad de tasa de repetición rápida para la evaluación del rendimiento del micropeine en el futuro.
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Disclosures
Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) y el Programa de Investigación Estratégica Prioritaria de la Academia china de Ciencias (Grant No. XDB24030600).
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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