Schnelle Variation der Wiederholrate Messung von Solitonkristallen in einem Mikroresonator

Zusammenfassung

Hier stellen wir ein Protokoll zur Erzeugung von Solitonenkristallen in einem Schmetterlings-verpackten Mikroringresonator mit einer thermisch abgestimmten Methode vor. Ferner werden die Wiederholratenfluktuationen eines Solitonenkristalls mit einer einzelnen Vakanz mit einer verzögerten selbstheterodynen Methode gemessen.

Zusammenfassung

Temporale Solitonen haben in den letzten Jahrzehnten großes Interesse für ihr Verhalten in einem stationären Zustand geweckt, in dem die Dispersion durch die Nichtlinearität in einem sich ausbreitenden Kerr-Medium ausgeglichen wird. Die Entwicklung dissipativer Kerr-Solitonen (DKSs) in Hoch-Q-Mikrokavitäten treibt eine neuartige, kompakte Solitonenquelle im Chip-Maßstab an. Wenn DKS als Femtosekundenimpulse dienen, kann die Fluktuation der Wiederholrate auf ultrahochpräzise Messtechnik, optische Hochgeschwindigkeitsabtastung und optische Uhren usw. angewendet werden. In dieser Arbeit wird die schnelle Wiederholratenfluktuation von Solitonenkristallen (SCs), einem speziellen Zustand von DKSs, in dem partikelartige Solitonen dicht gepackt sind und einen Resonator vollständig besetzen, basierend auf der bekannten verzögerten selbstheterodynen Methode gemessen. Die SCs werden mit einer thermisch gesteuerten Methode erzeugt. Die Pumpe ist ein frequenzfixierter Laser mit einer Linienbreite von 100 Hz. Die integrale Zeit bei Frequenzschwankungsmessungen wird durch die Länge der Verzögerungsfaser gesteuert. Für einen SC mit einer einzigen Vakanz betragen die Fluktuationen der Wiederholrate ~ 53,24 Hz innerhalb von 10 μs bzw. ~ 509,32 Hz innerhalb von 125 μs.

Einleitung

Die stetigen DKSs in Mikroresonatoren, bei denen die Hohlraumdispersion durch Kerr-Nichtlinearität ausgeglichen wird, sowie die^{Kerr-Verstärkung}und die Hohlraumdissipation 1 haben in der wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft aufgrund ihrer ultrahohen Wiederholrate, kompakten Größe und niedrigen Kosten²großes Interesse geweckt. Im Zeitbereich sind DKS stabile Pulsfolgen, die für die Hochgeschwindigkeits-Entfernungsmessung³ und die Molekülspektroskopie⁴verwendet wurden. Im Frequenzbereich haben DKS eine Reihe von Frequenzleitungen mit gleichem Frequenzabstand, die für Wellenlängenteilungs-Multiplex (WDM) Kommunikationssysteme 5 ,^6,optische Frequenzsynthese^7,8und ultra-rauscharme Mikrowellenerzeugung 9^,10usw. geeignet sind. Das Phasenrauschen oder die Linienbreite von Kammlinien wirkt sich direkt auf die Leistung dieser Anwendungssysteme aus. Es ist erwiesen, dass alle Kammleitungen eine ähnliche Linienbreite wie die^{Pumpe 11}haben. Daher ist die Verwendung eines ultraschmalen Linienbreitenlasers als Pumpe ein effektiver Ansatz, um die Leistung von DKSs zu verbessern. Die Pumpen der meisten gemeldeten DKS sind jedoch frequenzfegernde externe Hohlraumdiodenlaser (ECDLs), die unter relativ hohem Rauschen leiden und eine breite Linienbreite in der Größenordnung von zehn bis hunderten von kHz aufweisen. Im Vergleich zu abstimmbaren Lasern haben Festfrequenzlaser weniger Rauschen, schmalere Linienbreiten und ein geringeres Volumen. Zum Beispiel können Menlo-Systeme ultrastabile Laserprodukte mit einer Linienbreite von weniger als 1 Hz liefern. Die Verwendung eines solchen frequenzfixierten Lasers als Pumpe kann das Rauschen der erzeugten DKSs erheblich reduzieren. In letzter Zeit wurden Mikrowärmer oder thermoelektrische Kühler (TEC) basierte thermische Abstimmungsmethoden für DKSs Generation^12,13,14verwendet .

Die Stabilität der Wiederholrate ist ein weiterer wichtiger Parameter von DKSs. Im Allgemeinen werden Frequenzzähler verwendet, um die Frequenzstabilität von DKSs innerhalb einer Gate-Zeit zu charakterisieren, die im Allgemeinen in der Größenordnung von einer Mikrosekunde bis zu tausend Sekunden^{15,16 liegt.} Begrenzt durch die Bandbreite des Photodetektors und des Frequenzzählers werden elektrooptische Modulatoren oder Referenzlaser typischerweise verwendet, um die detektierte Frequenz zu senken, wenn der freie Spektralbereich (FSR) des DKSs über 100 GHz liegt. Dies erhöht nicht nur die Komplexität von Testsystemen, sondern führt auch zu zusätzlichen Messfehlern, die durch die Stabilität von HF-Quellen oder Referenzlasern verursacht werden.

In diesem Artikel wird ein Mikroringresonator (MRR) mit einem kommerziellen TEC-Chip verpackt, der zur Steuerung der Betriebstemperatur verwendet wird. Mit einem frequenzfixierten Laser mit einer Linienbreite von 100 Hz als Pumpe werden Solitonenkristalle (SCs) stabil erzeugt, indem die Betriebstemperatur manuell gesenkt wird; dies sind spezielle DKSs, die einen Resonator vollständig mit kollektiv geordneten Ensembles von kopropagierenden Solitonen füllen können¹⁷. Nach unserem besten Wissen ist dies die Pumpe mit der schmalsten Linienbreite in DKSs-Erzeugungsexperimenten. Das PSD-Spektrum (Power Spectral Density) jeder Kammlinie wird auf der Grundlage einer verzögerten DSHI-Methode (Self-Heterodyne Interferometer) gemessen. Begünstigt durch die ultraschmale Linienbreite der Kammlinien wird die Repetitionsrateninstabilität von Solitonenkristallen (SCs) aus der zentralen Frequenzdrift der PSD-Kurven abgeleitet. Für den SC mit einer einzigen Vakanz erhielten wir eine Wiederholrateninstabilität von ~53,24 Hz innerhalb von 10 μs und ~509,32 Hz innerhalb von 125 μs.

Das Protokoll besteht aus mehreren Hauptstufen: Zunächst wird die MRR mit einem Fiber Array (FA) über eine sechsachsige Kopplungsstufe gekoppelt. Die MRR wird von einer hochindexierten Quarzglasplattform^18,19hergestellt. Dann wird der MRR in ein 14-poliges Schmetterlingspaket verpackt, was die Stabilität für die Experimente erhöht. SCs werden mit einer thermisch gesteuerten Methode erzeugt. Schließlich werden die Fluktuationen der Wiederholrate von SCs mit einer DSHI-Methode gemessen.

Protokoll

1. Optische Kopplung

1. Polieren Sie die Endfläche des MRR auf einer Schleifplatte mit 1,5 μm schleifenden Pulvern (Aluminiumoxid) gemischt mit Wasser für 5 min.
2. Fixieren Sie die MRR mit einer Chip-Halterung und platzieren Sie eine achtkanalige FA auf einer sechsachsigen Koppelstufe, die drei lineare Stufen mit einer Auflösung von 50 nm und drei Winkelstufen mit einer Auflösung von 0,003° umfasst. Die Patches der MRR und FA sind 250 μm.
3. Verwenden Sie einen 1.550 nm Laser als optische Quelle zur Echtzeitüberwachung des Kopplungswirkungsgrades. Stellen Sie die Position des FA vorsichtig ein, bis der Einschubverlust den Mindestwert erreicht, typischerweise weniger als 6 dB, was einem Kopplungsverlust von weniger als 3 dB pro Facette entspricht.
4. Verwenden Sie einen ultravioletten (UV) gekrümmten Klebstoff (Tabelle der Materialien), um die MRR und FA zu kleben. Legen Sie den Klebstoff auf die Seitenkante der Kontaktfläche, wodurch sichergestellt wird, dass sich kein Klebstoff auf dem optischen Pfad befindet.
5. Den UV-gekrümmten Klebstoff 150 s einer UV-Lampe aussetzen und in einer Kammer bei 120 °C länger als 1 h backen.

2. Geräteverpackung

1. Kleben Sie einen 10,2 mm x 6,05 mm GROßEN TEC-Chip mit einer maximalen Leistung von 3,9 W mit Silberkleber auf die Grundplatte eines Standard-14-poligen Butterfly-Gehäuses. Löten Sie die beiden Elektroden des TEC-Chips an zwei Pins des Butterfly-Gehäuses.
2. Kleben Sie eine 5 mm × 5 mm × 1 mm Wolframplatte mit Silberkleber auf die Oberfläche des TEC-Chips. Verwenden Sie die Wolframplatte als Kühlkörper, um die Lücke zwischen TEC und MRR zu schließen.
3. Kleben Sie das MRR-Gerät mit Silberkleber an die Oberseite der Wolframplatte und befestigen Sie den Pigtail des FA am Ausgangsanschluss des Schmetterlingspakets.
4. Kleben Sie einen Thermistor-Chip mit Silberkleber auf die Oberfläche des TEC-Chips. Verbinden Sie eine Elektrode des Thermistors mit der Oberseite des TEC-Chips. Verbinden Sie die andere Elektrode des Thermistors und die Oberseite des TEC-Chips mit Goldgewinde mit zwei Pins des Schmetterlingspakets.
5. Backen Sie das verpackte Gerät bei 100 °C für 1 h, um den Silberkleber zu erstarren.
6. Verschließen Sie das Schmetterlingspaket. Abbildung 1 zeigt das verpackte Gerät.

3. Generierung von SCs

1. Abbildung 2 zeigt den Aufbau der Experimente. Verwenden Sie einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA), um die Pumpe für die Mikrokammerzeugung zu verstärken. Steuern Sie den Polarisationszustand der Pumpe mit einem Faserpolarisationsregler (FPC). Verbinden Sie alle Geräte über Singlemode-Fasern (SMF).
2. Fixieren Sie die Wellenlänge des Pumplasers auf 1.556,3 nm. Manuelles Einstellen der Betriebstemperatur über einen externen kommerziellen TEC-Controller.
3. Überwachen Sie das optische Ausgangsspektrum mit einem optischen Spektrumanalysator. Erfassen Sie die Ausgangsleistungsspur mit einem 3-GHz-Photodetektor und nehmen Sie sie mit einem Oszilloskop auf.
4. Stellen Sie den Ausgang des EDFA auf 34 dBm ein, was einer On-Chip-Leistung von 30,5 dBm entspricht (unter Berücksichtigung der Kopplungsdämpfung von MRR und FA, Insert-Verlust des FPC), wodurch sichergestellt wird, dass genügend Leistung in den MRR für die Mikrokammerzeugung eingekoppelt ist.
5. Stellen Sie den Thermistor auf 2 kΩ, was einer Betriebstemperatur von 66 °C entspricht. Verringern Sie dann langsam die Betriebstemperatur, indem Sie den eingestellten Wert des Thermistors ändern. In diesen Experimenten, wenn der Thermistor auf 5,8 kΩ eingestellt wurde, was 38 ° C entspricht, ging eine Resonanz der MRR durch die Pumpe und eine dreieckige Leistungsspur wurde aufgezeichnet.
6. Stimmen Sie die Polarisation der Pumpe durch den FPC ab, bis ein SC-Schritt an der fallenden Kante der dreieckigen Sendeleistungsspur beobachtet wird. Abbildung 3 zeigt eine typische optische Transmissionsleistungsspur.
7. Verringern Sie langsam die Betriebstemperatur von ~ 66 ° C und stoppen Sie, wenn ein handflächenartiges optisches Spektrum auf dem optischen Spektrumanalysator beobachtet wird. Der Wert des Thermistors lag in diesen Experimenten bei etwa 5,6 kΩ. Abbildung 4A und Abbildung 5B zeigen die optischen Spektren perfekter SCs bzw. SCs mit einer einzigen Vakanz.

4. Messung der Fluktuation der Wiederholrate

1. Schließen Sie die generierten SCs an einen abstimmbaren Bandpassfilter (TBPF) an, um eine einzelne Kammleitung zu extrahieren. Legen Sie das Passband des TBPF auf 0,1 nm fest. Seine zentrale Wellenlänge kann über das gesamte C- und L-Band abgestimmt werden. Die Filterneigung beträgt 400 dB/nm.
2. Koppeln Sie die ausgewählte Kammlinie mit einem asymmetrischen Mach-Zehnder-Interferometer (AMZI). Die optische Frequenz in einem Arm des AMZI wird mit einem akusto-optischen Modulator (AOM) um 200 MHz verschoben. Das optische Feld im anderen Arm wird durch ein Segment der optischen Faser verzögert. In diesen Experimenten werden Verzögerungsfasern von 2 km und 25 km verwendet.
3. Erfassen Sie das optische Ausgangssignal mit einer Fotodiode und analysieren Sie das PSD-Spektrum mit einem elektrischen Spektrumanalysator.
4. Stimmen Sie die zentrale Wellenlänge des TBPF ab. Messen Sie die PSDs jeder Kammlinie mit der beschriebenen Methode. Abbildung 4B,C zeigt die PSD-Spektren für die Kammlinien S1 und S2 der perfekten SCs mit den 2 km bzw. 25 km Verzögerungswellenleitern.
5. Messen Sie mit der gleichen Methode die PSD-Kurven von SCs mit einer Vakanz. Zeichnen Sie die Bandbreite der PSD-Kurve von 3 dB auf und passen Sie sie linear stückweise an, wie in Abbildung 5B, Cgezeigt. Es wurden Wiederholratenschwankungen von ~53,24 Hz innerhalb von 10 μs und ~509,32 Hz innerhalb von 125 μs abgeleitet.

Ergebnisse

Abbildung 3 zeigt die Transmissionsleistungsspur, während eine Resonanzthermie über die Pumpe abgestimmt wurde. Es gab einen offensichtlichen Leistungsschritt, der die Erzeugung von SCs anzeigte. Der Schritt hatte eine ähnliche Leistung wie sein Vorläufer, der modulationale Instabilitätskamm. Daher war die Generierung von SCs nicht von der Tuninggeschwindigkeit abhängig. Die SCs wiesen eine Vielzahl von Zuständen auf, darunter Leerstände (Schottky-Defekte), Frenkel-Defekte und Überbau

Diskussion

On-Chip-DKS bieten neuartige kompakte kohärente optische Quellen und weisen hervorragende Anwendungsaussichten in der optischen Messtechnik, Molekülspektroskopie und anderen Funktionen auf. Für kommerzielle Anwendungen sind kompakt verpackte Mikrokammquellen unerlässlich. Dieses Protokoll bietet einen praktischen Ansatz zur Herstellung eines verpackten Mikrokamms, der von der zuverlässigen, verlustarmen Verbindung zwischen MRR und FA sowie einer robusten thermisch gesteuerten DKS-Erzeugungsmethode profitiert. Daher sind ...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
6-Achsen-Kupplungstisch	Suruga Seiki	KXC620G KGW060	Enthält 3 lineare motorisierte Verschiebezustände und 3 motorisierte Winkeldrehtische. Linearer Zustand: Minimale Schrittweite: 0,05 μ m; Federweg: 20mm; Max. Geschwindigkeit: 25 mm / s; Wiederholgenauigkeit: +/-0,3 μ m; Rotationsstufe:Verfahrweg: ± 8&Grad;; Auflösung/Impuls: 0,003 Grad; Wiederholbarkeit:± 0,005 Grad
Schleifpulver	Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD	2980002	Siliziumkarbid, Körnung: 1,5 μ m
Glue 3410	Electronic Materials Incorporated	Optocast 3410	Optocast 3410 ist ein ultraviolettes Licht und wärmehärtendes Epoxidharz, das für die optoelektronische Montage geeignet ist. Es härtet schnell aus, wenn es UV-Licht im Bereich von 320-380 nm ausgesetzt wird.
Hochgradig dotiertes Quarzglas	Hausgemacht-Das		MRR wird durch eine hochgradig dotierte Quarzglasplattform hergestellt. Die Hohlleitersektion ist 2&fach; 3 μ m und der Radius beträgt 592,1 μ m, entsprechend FSR von 49 GHz.
Pumplaser	NKT Photonics	E15	Es handelt sich um einen Dauerstrich-Faserlaser mit einer Linienbreite von 100 Hz.
Ultrastabiler Laser	Menlosystems	ORS	Modernste Linienbreite (< 1Hz) und Stabilität (< 2 x 10-15 Hz)