Ici, nous présentons un protocole pour générer des cristaux de soliton dans un résonateur à micro-anneaux emballé par papillon en utilisant une méthode d’accord thermique. De plus, les fluctuations du taux de répétition d’un cristal de soliton avec une seule vacance sont mesurées à l’aide d’une méthode d’auto-hétérodyne retardée.
Un abonnement JoVE est requis pour visualiser ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre période d'essai gratuite.
Article de méthode
Mesure rapide de la fluctuation du taux de répétition des cristaux de soliton dans un microrésonateur
* These authors contributed equally
Dans cet article
Résumé
Résumé
Les solitons temporels ont suscité un grand intérêt au cours des dernières décennies pour leur comportement dans un état stable, où la dispersion est équilibrée par la non-linéarité dans un milieu de Kerr de propagation. Le développement de solitons de Kerr dissipatifs (DKS) dans des microcavités à Q élevé entraîne une nouvelle source de solitton compacte à l’échelle de la puce. Lorsque les DKS servent d’impulsions femtosecondes, la fluctuation du taux de répétition peut être appliquée à la métrologie de très haute précision, à l’échantillonnage optique à grande vitesse, aux horloges optiques, etc. Dans cet article, la fluctuation rapide du taux de répétition des cristaux de soliton (SC), un état spécial des DKS où les solitons de type particule sont étroitement emballés et occupent pleinement un résonateur, est mesurée sur la base de la méthode bien connue de l’auto-hétérodyne retardé. Les SC sont générés à l’aide d’une méthode à contrôle thermique. La pompe est un laser fixe de fréquence avec une largeur de ligne de 100 Hz. Le temps intégral dans les mesures de fluctuation de fréquence est contrôlé par la longueur de la fibre de retard. Pour un SC avec une seule vacance, les fluctuations du taux de répétition sont respectivement d’environ 53,24 Hz dans les 10 μs et d’environ 509,32 Hz dans les 125 μs.
Introduction
Les DKS stables dans les microrésonateurs, où la dispersion de la cavité est équilibrée par la non-linéarité de Kerr, ainsi que le gain de Kerr et la dissipation de la cavité1,ont suscité un grand intérêt dans la communauté de la recherche scientifique pour leur taux de répétition ultra-élevé, leur taille compacte et leur faible coût2. Dans le domaine temporel, les DKS sont des trains d’impulsions stables qui ont été utilisés pour la mesure de télémétrie à grande vitesse3 et la spectroscopie moléculaire4. Dans le domaine des fréquences, les DKS ont une série de lignes de fréquence avec un espacement de fréquence égal qui conviennent aux systèmes de communication WDM (wavelength-division-multiplex)5,6,synthèse de fréquence optique7,8et génération de micro-ondes à très faible bruit9,10,etc. Le bruit de phase ou la largeur de ligne des lignes de peigne affecte directement les performances de ces systèmes d’application. Il a été prouvé que toutes les lignes de peigne ont une largeur de ligne similaire à celle de la pompe11. Par conséquent, l’utilisation d’un laser à largeur de ligne ultra-étroite comme pompe est une approche efficace pour améliorer les performances des DKS. Cependant, les pompes de la plupart des DKS signalés sont des lasers à diode à cavité externe (ECDL) à balayage de fréquence, qui souffrent d’un bruit relativement élevé et ont une large largeur de ligne de l’ordre de dizaines à des centaines de kHz. Comparés aux lasers accordables, les lasers à fréquence fixe ont moins de bruit, des largeurs de ligne plus étroites et un volume plus petit. Par exemple, les systèmes Menlo peuvent fournir des produits laser ultra-stables avec une largeur de ligne inférieure à 1 Hz. L’utilisation d’un laser fixe à fréquence telle qu’une pompe peut réduire considérablement le bruit des DKS générés. Récemment, des méthodes de réglage thermique basées sur un microchauffeur ou un refroidisseur thermoélectrique (TEC) ont été utilisées pour la génération de DKS12,13,14.
La stabilité du taux de répétition est un autre paramètre important des DKS. Généralement, les compteurs de fréquence sont utilisés pour caractériser la stabilité de fréquence des DKS dans un temps de porte, qui est généralement de l’ordre d’une microseconde à mille secondes15,16. Limités par la bande passante du photodétecteur et du compteur de fréquence, les modulateurs électro-optiques ou les lasers de référence sont généralement utilisés pour abaisser la fréquence détectée lorsque la gamme spectrale libre (FSR) des DKS est supérieure à 100 GHz. Cela augmente non seulement la complexité des systèmes de test, mais produit également des erreurs de mesure supplémentaires causées par la stabilité des sources RF ou des lasers de référence.
Dans cet article, un résonateur à micro-anneaux (MRR) est emballé avec une puce TEC commerciale qui est utilisée pour contrôler la température de fonctionnement. En utilisant un laser fixe de fréquence avec une largeur de ligne de 100 Hz comme pompe, les cristaux de soliton (SC) sont générés de manière stable en diminuant manuellement la température de fonctionnement; ce sont des DKS spéciaux qui peuvent remplir complètement un résonateur avec des ensembles ordonnés collectivement de solitons copropagants17. À notre connaissance, il s’agit de la pompe à largeur de ligne la plus étroite dans les expériences de génération de DKS. Le spectre de densité spectrale de puissance (PSD) de chaque raie de peigne est mesuré sur la base d’une méthode d’interféromètre auto-hétérodyne retardé (DSHI). Bénéficiant de la largeur de ligne ultra-étroite des lignes de peigne, l’instabilité du taux de répétition des cristaux de soliton (SC) est dérivée de la dérive de fréquence centrale des courbes PSD. Pour le SC avec une seule vacance, nous avons obtenu une instabilité du taux de répétition de ~53,24 Hz dans les 10 μs et ~509,32 Hz dans les 125 μs.
Le protocole se compose de plusieurs étapes principales: Tout d’abord, le MRR est couplé à un réseau de fibres (FA) à l’aide d’un étage de couplage à six axes. Le MRR est fabriqué par une plate-forme en verre de silice dopée à indice élevé18,19. Ensuite, le MRR est emballé dans un boîtier papillon à 14 broches, ce qui augmente la stabilité pour les expériences. Les SC sont générés à l’aide d’une méthode à contrôle thermique. Enfin, les fluctuations du taux de répétition des SC sont mesurées par une méthode DSHI.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Protocole
1. Couplage optique
- Polir la face d’extrémité du MRR sur une plaque de broyage à l’aide de poudres abrasives de 1,5 μm (oxyde d’aluminium) mélangées à de l’eau pendant 5 min.
- Fixez le MRR avec un luminaire à puce et placez un FA à huit canaux sur un étage de couplage à six axes, qui comprend trois étages linéaires d’une résolution de 50 nm et trois étages d’angle d’une résolution de 0,003 °. Les patchs du MRR et du FA sont de 250 μm.
- Utilisez un laser de 1 550 nm comme source optique pour la surveillance en temps réel de l’efficacité du couplage. Ajustez soigneusement la position du FA jusqu’à ce que la perte d’encart atteigne la valeur minimale, généralement inférieure à 6 dB, correspondant à une perte de couplage inférieure à 3 dB par facette.
- Utilisez un adhésif incurvé ultraviolet (UV) (Table des matériaux) pour coller le MRR et le FA. Placez l’adhésif sur le bord latéral de la surface de contact, ce qui garantit qu’il n’y a pas de colle sur le chemin optique.
- Exposez l’adhésif incurvé UV à une lampe UV pendant 150 s et faites cuire dans une chambre à 120 °C pendant plus de 1 h.
2. Emballage de l’appareil
- Conglutiner une puce TEC de 10,2 mm x 6,05 mm d’une puissance maximale de 3,9 W à la plaque de base d’un emballage papillon standard à 14 broches à l’aide de colle argentée. Soudez les deux électrodes de la puce TEC à deux broches de l’emballage papillon.
- Collez une plaque de tungstène de 5 mm × 5 mm × 1 mm à la surface de la puce TEC à l’aide de colle argentée. Utilisez la plaque de tungstène comme dissipateur de chaleur pour combler l’écart entre le TEC et le MRR.
- Collez le dispositif MRR sur le dessus de la plaque de tungstène à l’aide de colle argentée et fixez la queue de cochon du FA au port de sortie de l’emballage papillon.
- Collez une puce de thermistance à la surface de la puce TEC à l’aide de colle d’argent. Connectez une électrode de la thermistance à la surface supérieure de la puce TEC. Le fil lie l’autre électrode de la thermistance et la surface supérieure de la puce TEC à deux broches de l’emballage papillon à l’aide d’un fil d’or.
- Cuire l’appareil emballé à 100 °C pendant 1 h pour solidifier la colle argentée.
- Scellez l’emballage papillon. La figure 1 montre le périphérique emballé.
3. Génération de SC
- La figure 2 montre la configuration des expériences. Utilisez un amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) pour booster la pompe pour la génération de micro-peignes. Contrôlez l’état de polarisation de la pompe à l’aide d’un contrôleur de polarisation de fibre (FPC). Connectez tous les appareils à l’aide de fibres monomodes (SMF).
- Fixez la longueur d’onde du laser de la pompe à 1 556,3 nm. Réglez manuellement la température de fonctionnement via un contrôleur TEC commercial externe.
- Surveillez le spectre optique de sortie avec un analyseur de spectre optique. Détectez la trace de puissance de sortie avec un photodétecteur 3 GHz et enregistrez avec un oscilloscope.
- Réglez la sortie de l’EDFA à 34 dBm, ce qui correspond à une puissance sur puce de 30,5 dBm (compte tenu de la perte de couplage du MRR et du FA, perte d’insertion du FPC), ce qui garantit qu’il y a suffisamment de puissance couplée dans le MRR pour la génération de micro-peignes.
- Réglez la thermistance sur 2 kΩ, correspondant à une température de fonctionnement de 66 °C. Ensuite, diminuez lentement la température de fonctionnement en modifiant la valeur de consigne de la thermistance. Dans ces expériences, lorsque la thermistance a été réglée à 5,8 kΩ, correspondant à 38 °C, une résonance du MRR a traversé la pompe et une trace de puissance de forme triangulaire a été enregistrée.
- Réglez la polarisation de la pompe par le FPC jusqu’à ce qu’un pas SC soit observé au bord de chute de la trace de puissance de transmission triangulaire. La figure 3 montre une trace de puissance de transmission optique typique.
- Diminuez lentement la température de fonctionnement à partir de ~66 °C et arrêtez-vous lorsqu’un spectre optique en forme de paume est observé sur l’analyseur de spectre optique. La valeur de la thermistance était d’environ 5,6 kΩ dans ces expériences. La figure 4A et la figure 5B montrent les spectres optiques des SC et DESC parfaits avec une seule vacance, respectivement.
4. Mesure de la fluctuation du taux de répétition
- Connectez les SC générés à un filtre passe-bande accordable (TBPF) pour extraire une ligne de peigne individuelle. Définissez la bande passante du TBPF sur 0,1 nm. Sa longueur d’onde centrale peut être réglée sur toute la bande C et L. La pente du filtre est de 400 dB/nm.
- Couplez la ligne de peigne sélectionnée à un interféromètre asymétrique de Mach-Zehnder (AMZI). La fréquence optique dans un bras de l’AMZI est décalée de 200 MHz à l’aide d’un modulateur acousto-optique (AOM). Le champ optique dans l’autre bras est retardé par un segment de fibre optique. Des fibres de retard de 2 km et 25 km sont utilisées dans ces expériences.
- Détectez le signal optique de sortie avec une photodiode et analysez le spectre PSD à l’aide d’un analyseur de spectre électrique.
- Réglez la longueur d’onde centrale du TBPF. Mesurez les DSP de chaque ligne de peigne à l’aide de la méthode décrite. La figure 4B,C montre les spectres PSD pour les raies de peigne S1 et S2 des SC parfaits avec les fibres optiques à retard de 2 km et 25 km, respectivement.
- En utilisant la même méthode, mesurez les courbes PSD des SC avec un poste vacant. Enregistrez la bande passante de 3 dB de la courbe PSD et ajustez-la linéairement par morceaux, comme illustré à la figure 5B,C. Des fluctuations de taux de répétition d’environ 53,24 Hz dans les 10 μs et d’environ 509,32 Hz dans les 125 μs ont été dérivées.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Résultats
La figure 3 montre la trace de puissance de transmission pendant qu’une thermique de résonance a été réglée sur la pompe. Il y avait une étape de puissance évidente qui indiquait la génération de SC. L’étape avait une puissance similaire à celle de son précurseur, le peigne d’instabilité modulationnelle. Par conséquent, la génération de SC ne dépendait pas de la vitesse de réglage. Les SC présentaient une grande variété d’états, y compris des postes vacants (défauts de Schottky), des défauts...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Discussion
Les DKS sur puce fournissent de nouvelles sources optiques compactes et cohérentes et présentent d’excellentes perspectives d’application en métrologie optique, en spectroscopie moléculaire et dans d’autres fonctions. Pour les applications commerciales, les sources de microcombres compactes emballées sont essentielles. Ce protocole fournit une approche pratique pour fabriquer un micro-peigne emballé qui bénéficie de la connexion fiable et à faible perte de couplage entre le MRR et le FA, ainsi que d’une méthode de généra...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Déclarations de divulgation
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) et le Strategic Priority Research Program de l’Académie chinoise des sciences (Grant No. XDB24030600).
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Étage d’accouplement 6 axes | Suruga Seiki | KXC620G KGW060 | Contient 3 états de translation motorisés linéaires et 3 étages de rotation motorisés angulaires. État linéaire : Pas minimum : 0,05 &mu ; m; Débattement : 20 mm ; Vitesse maximale : 25 mm/s ; Répétabilité : +/-0,3 &mu ; m; Étape de rotation :Déplacement : ± ; 8° ;; Résolution/impulsion : 0,003 degré ; Répétabilité :± ; 0,005° ; |
| Poudre abrasive | Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD 2980002 Carbure de | silicium, granularité : 1,5 &mu ; m | |
| Glue 3410 | Electronic Materials Incorporated | Optocast 3410 | L’Optocast 3410 est un époxy durcissable à la lumière ultraviolette et à la chaleur adapté à l’assemblage opto-électronique. Il durcit rapidement lorsqu’il est exposé à la lumière UV dans les 320-380 nm. |
| Verre de silice dopé à indice élevé | Fait | maison-Le | MRR est fabriqué par une plate-forme de verre de silice dopé à indice élevé. La section du guide d’ondes est de 2× ; 3 &mu ; m et rayon est de 592,1 &mu ; m, correspondant à un FSR de 49 GHz. |
| Laser à pompe | NKT Photonics | E15 | Il s’agit d’un laser à fibre à ondes continues avec une largeur de raie de 100 Hz. |
| Laser ultrastable | Menlosystems | ORS | Largeur de raie de pointe (< 1Hz) et la stabilité (< 2 x 10-15 Hz) |
Références
- 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 2.7x10-16 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).
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Réimpressions et autorisations
