本文介绍了一种利用热调谐方法在蝶形封装的微环谐振器中产生孤子晶体的实验方案。此外，采用延迟自外差方法测量了具有单个空位缺陷的孤子晶体的重复频率波动。
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本文内容
摘要
摘要
在过去几十年中，时间孤子因其在稳态下的行为而受到广泛关注，此时在传播的克尔介质中，色散被非线性效应所平衡。耗散型克尔孤子（DKS）在高Q值微腔中的发展推动了一类新型、紧凑、芯片级孤子光源的诞生。当DKS作为飞秒脉冲使用时，其重复频率的波动可用于超高精度计量、高速光采样和光学时钟等领域。本文基于经典的延迟自外差方法，测量了孤子晶体（SCs）——即DKS的一种特殊状态，其中类粒子孤子紧密排列并完全占据谐振腔——的快速重复频率波动。孤子晶体通过热调控方法产生，泵浦源为线宽100 Hz的频率固定激光器。频率波动测量中的积分时间由延迟光纤的长度控制。对于含有单个空位的孤子晶体，其重复频率波动在10 µs内约为53.24 Hz，在125 µs内约为509.32 Hz。
引言
微谐振腔中的稳态耗散克尔孤子（DKS），其腔色散由克尔非线性、克尔增益与腔耗散共同平衡1，因其超高的重复频率、紧凑的尺寸和低成本而在科研领域受到广泛关注2。在时域中，DKS表现为稳定的脉冲序列，已被用于高速测距3和分子光谱分析4。在频域中，DKS具有等间距的一系列频率线，适用于波分复用（WDM）通信系统5,6、光学频率合成7,8以及超低噪声微波产生9,10等应用。梳状谱线的相位噪声或线宽直接影响这些应用系统的性能。已有研究证明，所有梳状谱线的线宽与泵浦光相似11。因此，采用超窄线宽激光作为泵浦源是提升DKS性能的有效途径。然而，目前已报道的大多数DKS系统所使用的泵浦源为频率扫描式外腔二极管激光器（ECDL），其噪声相对较高，线宽通常在数十至数百kHz量级。相比可调谐激光器，固定频率激光器具有更低的噪声、更窄的线宽 以及更小的体积。例如，Menlo Systems公司可提供线宽小于1 Hz的超稳激光产品。采用此类固定频率激光作为泵浦源，可显著降低所生成DKS的噪声水平。近年来，基于微加热器或热电冷却器（TEC）的热调谐方法已被用于DKS的产生12,13,14。
重复频率稳定性是色散克尔孤子（DKS）的另一个重要参数。通常使用频率计数器在门控时间内表征DKS的频率稳定性，该门控时间一般在微秒至数千秒量级15,16。当DKS的自由光谱范围（FSR）超过100 GHz时，受限于光电探测器和频率计数器的带宽，通常需要使用电光调制器或参考激光器来降低检测频率。这不仅增加了测试系统的复杂性，还会因射频源或参考激光器的稳定性引入额外的测量误差。
本文中，微环谐振器（MRR）采用商用热电制冷芯片（TEC）进行蝶形封装，以控制其工作温度。使用线宽为100 Hz的固定频率激光器作为泵浦源，通过手动降低工作温度，稳定地生成了孤子晶体（SCs）；这些孤子晶体是一类特殊的耗散克尔孤子（DKSs），能够以共传播孤子的集体有序阵列完全填充谐振腔17。据我们所知，这是在DKSs产生实验中使用的线宽最窄的泵浦源。每个梳状谱线的功率谱密度（PSD）通过延时自外差干涉法（DSHI）进行测量。得益于梳状谱线的超窄线宽，孤子晶体（SCs）的重复频率不稳定性由PSD曲线的中心频率漂移推导得出。对于具有单个空位的孤子晶体，我们在10 µs内的重复频率不稳定性为约53.24 Hz，在125 µs内为约509.32 Hz。
该方案包含几个主要步骤：首先，使用六轴耦合平台将微环谐振器（MRR）与光纤阵列（FA）进行耦合。MRR采用高折射率掺杂二氧化硅玻璃平台制备18,19。随后，将MRR封装于14引脚蝶形封装中，以提高实验的稳定性。利用温度控制方法产生超连续谱（SC）。最后，采用数字单边带同相检测（DSHI）方法测量SC的重复频率波动。
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方案
1. 光学耦合
- 使用1.5 μm的研磨粉（氧化铝）与水混合，在研磨板上对MRR端面进行抛光，持续5分钟。
- 将MRR固定在芯片夹具上，并将八通道FA放置在六轴耦合平台上，该平台包含分辨率为50 nm的三个线性位移台和分辨率为0.003°的三个角度调节台。MRR与FA的接触面尺寸均为250 μm。
- 采用1,550 nm激光器作为光源，实时监测耦合效率。仔细调节FA的位置，直至插入损耗达到最小值，通常小于6 dB，对应每个端面的耦合损耗低于3 dB。
- 使用紫外（UV）曲面胶粘剂（材料表）将MRR与FA粘接。将胶粘剂涂于接触面的侧边缘，以确保光路中无胶体残留。
- 将紫外曲面胶粘剂置于紫外灯下照射150秒，并在120 °C的烘箱中固化超过1小时。
2. 装置封装
- 使用银胶将最大功率为 3.9 W、尺寸为 10.2 mm × 6.05 mm 的 TEC 芯片与标准 14 引脚蝶形封装的底座粘合。将 TEC 芯片的两个电极焊接到蝶形封装的两个引脚上。
- 使用银胶将一块 5 mm × 5 mm × 1 mm 的钨板粘贴到 TEC 芯片表面。利用钨板作为散热片，填充 TEC 与 MRR 之间的间隙。
- 使用银胶将 MRR 器件粘贴至钨板顶部，并将 FA 的尾纤固定在蝶形封装的输出端口。
- 使用银胶将一个热敏电阻芯片粘贴到 TEC 芯片表面。将热敏电阻的一个电极连接到 TEC 芯片的上表面。使用金线将热敏电阻的另一个电极和 TEC 芯片的上表面分别引线键合至蝶形封装的两个引脚。
- 将封装好的器件在 100 °C 下烘烤 1 小时，以固化银胶。
- 密封蝶形封装。图 1 显示了封装后的器件。
3. SCs 的生成
- 图2展示了实验装置。使用掺铒光纤放大器（EDFA）增强泵浦光以产生微梳。利用光纤偏振控制器（FPC）调节泵浦光的偏振态。使用单模光纤（SMF）连接所有器件。
- 将泵浦激光器的波长固定在1,556.3 nm。通过外部商用TEC控制器手动调节工作温度。
- 使用光谱分析仪监测输出光谱。利用3 GHz光电探测器检测输出功率轨迹，并用示波器记录。
- 将EDFA的输出设为34 dBm，对应芯片上的功率为30.5 dBm（考虑微环谐振器（MRR）和光纤阵列（FA）的耦合损耗以及FPC的插入损耗），以确保有足够功率耦合进入MRR以实现微梳生成。
- 将热敏电阻设为2 kΩ，对应工作温度为66 °C。然后通过改变热敏电阻的设定值缓慢降低工作温度。在本实验中，当热敏电阻设为5.8 kΩ（对应38 °C）时，MRR的一个谐振峰扫过泵浦光波长，记录到三角形的功率轨迹。
- 通过FPC调节泵浦光的偏振态，直到在三角形透射功率轨迹的下降沿观察到超连续谱（SC）台阶。图3显示了一条典型的光透射功率轨迹。
- 从约66 °C缓慢降低工作温度，当在光谱分析仪上观察到手掌状光谱时停止降温。本实验中热敏电阻的值约为5.6 kΩ。图4A和图5B分别展示了完整超连续谱（SC）和具有单个空缺的超连续谱的光谱。
4. 重复频率波动测量
- 将生成的光频梳（SC）连接到可调谐带通滤波器（TBPF），以提取单个梳状谱线。将TBPF的通带设置为0.1 nm，其中心波长可在整个C波段和L波段范围内调谐，滤波器斜率为400 dB/nm。
- 将选定的梳状谱线耦合至非对称马赫-曾德尔干涉仪（AMZI）。在AMZI的一个臂中，使用声光调制器（AOM）将光频率偏移200 MHz；在另一臂中，通过一段光纤对光场进行延迟。本实验中采用的延迟光纤长度分别为2 km和25 km。
- 使用光电探测器检测输出光信号，并利用电谱分析仪分析其功率谱密度（PSD）谱。
- 调谐TBPF的中心波长，采用上述方法测量每个梳状谱线的PSD。图4B,C分别展示了在使用2 km和25 km延迟光纤时，理想SC的S1和S2梳状谱线的PSD谱。
- 采用相同方法测量存在缺失谱线的SC的PSD曲线。记录PSD曲线的3 dB带宽，并对其进行分段线性拟合，如图5B,C所示。由此得到在10 µs时间尺度内的重复频率波动约为53.24 Hz，在125 µs时间尺度内约为509.32 Hz。
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结果
图3展示了在将共振热调谐通过泵浦时的透射功率轨迹。存在一个明显的功率阶跃，表明了孤子晶体（SCs）的产生。该阶跃的功率与其前驱体——调制不稳定性光频梳——的功率相似。因此，孤子晶体的产生与调谐速度无关。孤子晶体表现出多种多样的状态，包括空位（肖特基缺陷）、弗伦克尔缺陷以及超结构12,17。例如，图4A展示了一个包含27个孤子的完美孤子晶体，而图5A则是一个具有单个空位的孤子晶体。
第 µth 个梳状谱线的频率等于
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讨论
片上 DKS 提供了一种新型紧凑型相干光学光源，在光频测量、分子光谱学及其他功能中展现出优异的应用前景。对于商业应用而言，紧凑封装的微腔光梳光源至关重要。本方案提供了一种实用的封装微腔光梳制备方法，该方法得益于微环谐振器（MRR）与光纤阵列（FA）之间可靠且低耦合损耗的连接，以及一种稳定的热控 DKS 生成技术。因此，实验过程不再依赖于耦合调节阶段，并表现出优异的环境适应性。同时，泵浦光源采用波长固定的激光器，相较于可调谐激光器，其线宽更窄、噪声显著更低且体积更小。因此，该方案为集成高性能片上 DKS 光源的潜在商业化应用提供了一条极具前景的技术路径。
获得完全集成的孤子晶体（SCs）光源的主要限制在于所需的高泵浦功率，这需要使用掺铒光纤放大器（EDFA）。最近，已在氮化硅微环谐振腔（SiN MRR）上实现了仅需极低泵浦功率的耗散克尔孤子（DKSs）。因此，我们相信实用的完全集成的DKS光源将在不久的将来得以实现。
重复频率的稳定性是评估光频梳（OFC）性能最重要的参数之一。通常，重复频率稳定性使用频率计数器进行测量。然而，微...
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（NSFC）（项目编号 62075238、61675231）和 中国科学院战略性先导科技专项（项目编号 XDB24030600）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 六轴耦合平台 | Suruga Seiki | KXC620G KGW060 | 包含3个线性电动平移台和3个角度电动旋转台。 线性平移台：最小步进：0.05 μm；行程：20 mm；最大速度：25 mm/s；重复性：±0.3 μm；旋转台：行程：±8°；分辨率/脉冲：0.003 度；重复性：±0.005° |
| 研磨粉 | 沈阳科晶自动化仪器有限公司 | 2980002 | 碳化硅，粒径：1.5 μm |
| 胶水 3410 | Electronic Materials Incorporated | Optocast 3410 | Optocast 3410 是一种可紫外光和热固化的环氧树脂，适用于光电子器件组装。在320–380 nm波长的紫外光照射下可快速固化。 |
| 高折射率掺杂石英玻璃 | 自制 | - | 微环谐振器（MRR）采用高折射率掺杂石英玻璃平台制备。波导截面尺寸为2×3 μm，半径为592.1 μm，对应自由光谱范围（FSR）为49 GHz。 |
| 泵浦激光器 | NKT Photonics | E15 | 这是一种线宽为100 Hz的连续波光纤激光器。 |
| 超稳激光器 | Menlosystems | ORS | 具有先进水平的线宽（<1 Hz）和稳定性（<2 × 10-15 Hz） |
参考文献
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重印与许可
