הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

מדידת תנודות קצב חזרה מהירה של גבישי סוליטון במיקרו-רזנטור

2.7K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/60689

⸱

15 בדצמבר 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics (XIOPM), Chinese Academy of Sciences (CAS), 2University of Chinese Academy of Sciences

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

כאן, אנו מציגים פרוטוקול ליצירת גבישי סוליטון בתהודה מיקרו-טבעתית ארוזה פרפר בשיטה מכווננת תרמית. יתר על כן, תנודות שיעור החזרה של גביש סוליטון עם משרה פנויה אחת נמדדות בשיטת הטרודין עצמית מתעכבת.

תקציר

סוליטונים זמניים משכו עניין רב בעשורים האחרונים להתנהגותם במצב יציב, שבו הפיזור מאוזן על ידי אי-ליניאריות במדיום קר התפשטות. הפיתוח של סוליטוני קר (DKSs) מתפוגגים במיקרו-קסביות עתירות Q מניע מקור סוליטון חדשני, קומפקטי בקנה מידה שבבי. כאשר DKSs משמשים פולסים femtosecond, תנודות קצב החזרה ניתן להחיל על מטרולוגיה דיוק ultrahigh, דגימה אופטית במהירות גבוהה, ושעונים אופטיים, וכו '. במאמר זה, תנודות קצב החזרה המהיר של גבישי סוליטון (SCs), מצב מיוחד של DKSs שבו סוליטונים דמויי חלקיקים ארוזים היטב ותופסים תהודה באופן מלא, נמדדת על סמך שיטת ההטרודין העצמית הידועה. המחשבים במעגלים נוצרים בשיטה מבוקרת תרמית. המשאבה היא לייזר קבוע בתדר עם קו של 100 הרץ. הזמן האינטגרלי במדידות תנודות תדירות נשלט על ידי אורך סיבי ההשהיה. עבור SC עם משרה פנויה אחת, תנודות קצב החזרה הן ~ 53.24 הרץ בתוך 10 μs ו ~ 509.32 הרץ בתוך 125 μs, בהתאמה.

מבוא

DKSs יציב microresonators, שבו פיזור החלל מאוזן על ידי אי-ליניאריות קר, כמו גם רווח Kerr ופיזור חלל1, משכו עניין רב בקהילת המחקר המדעי עבור שיעור החזרה הגבוה במיוחד שלהם, גודל קומפקטי, ועלות נמוכה2. בתחום הזמן, DKSs הם רכבות דופק יציבות ששימשו למדידה במהירות גבוהה3 וספקטרוסקופיהמולקולרית 4. בתחום התדרים, ל- DKSs יש סדרה של קווי תדרים עם מרווח תדרים שווה המתאימים למערכות תקשורת באורך גל-חטיבה-מולטיפלקס (WDM)5,6, סינתזת תדר אופטי7,8,ודור מיקרוגל רעש אולטרה נמוך9,10וכו '. רעש הפאזה או קו הקווים של קווי המסרק משפיעים ישירות על הביצועים של מערכות יישומים אלה. הוכח כי כל קווי המסרק יש קו דומה עם המשאבה11. לכן, שימוש בלייזר קו צר במיוחד כמשאבה היא גישה יעילה לשיפור הביצועים של DKSs. עם זאת, המשאבות של רוב DKSs שדווחו הם תדר גורף לייזרים דיודת חלל חיצוני (ECDLs), אשר סובלים רעש גבוה יחסית ויש להם קו רחב בסדר גודל של עשרות עד מאות kHz. בהשוואה ללייזרים טונה, לייזרים בתדר קבוע יש פחות רעש, קווי ים צרים יותר ונפח קטן יותר. לדוגמה, מערכות מנלו יכולות לספק מוצרי לייזר אולטרה-יציבים עם קו של פחות מ-1 הרץ. שימוש בלייזר קבוע בתדר כזה כמשאבה יכול להפחית באופן משמעותי את הרעש של ה- DKSs שנוצר. לאחרונה, נעשה שימוש בשיטות כוונון תרמי מבוסס מיקרו-מחה או תרמואלקטרי (TEC) עבור DKSs Generation12,13,14.

יציבות שיעור החזרה היא פרמטר חשוב נוסף של DKSs. בדרך כלל, מוני תדר משמשים כדי לאפיין את יציבות התדר של DKSs בתוך זמן שער, אשר בדרך כלל על סדר של מיקרו שנייה לאלף שניות15,16. מוגבל על ידי רוחב הפס של photodetector ומונה תדרים, אפננים אלקטרו-אופטיים או לייזרי ייחוס משמשים בדרך כלל כדי להוריד את התדירות שזוהתה כאשר טווח הספקטרלי החופשי (FSR) של DKSs הוא מעל 100 GHz. זה לא רק מגביר את המורכבות של מערכות בדיקה, אלא גם מייצר שגיאות מדידה נוספות הנגרמות על ידי יציבות של מקורות RF או לייזרים התייחסות.

במאמר זה, מהדהד מיקרו-טבעת (MRR) הוא פרפר ארוז עם שבב TEC מסחרי המשמש לשליטה בטמפרטורת הפעולה. באמצעות לייזר קבוע תדר עם linewidth של 100 הרץ כמשאבה, גבישי סוליטון (SCs) נוצרים ביציבות על ידי הפחתת טמפרטורת ההפעלה באופן ידני; אלה הם DKSs מיוחדים שיכולים למלא לחלוטין מהדהד עם הרכבים מסודרים יחד של סוליטונים copropagating17. למיטב ידיעתנו, זוהי משאבת הקווים הצרה ביותר בניסויי דור DKSs. ספקטרום צפיפות הספקטרלית של צריכת החשמל (PSD) של כל קו מסרק נמדד על בסיס שיטת אינטרפרומטר הטרודין עצמית מושהית (DSHI). בהינתן קו אולטרה-צר של קווי המסרק, חוסר היציבות של גבישי סוליטון (SCs) נגזר מנדידת התדרים המרכזית של עקומות PSD. עבור SC עם משרה פנויה אחת, השגנו חוסר יציבות קצב חזרה של ~ 53.24 הרץ בתוך 10 μs ו ~ 509.32 הרץ בתוך 125 μs.

הפרוטוקול מורכב ממספר שלבים עיקריים: ראשית, MRR מצמיד מערך סיבים (FA) באמצעות שלב צימוד בן שישה צירים. MRR הוא מפוברק על ידי פלטפורמת זכוכית סיליקה מסוממת אינדקס גבוה18,19. לאחר מכן, MRR ארוז לתוך חבילת פרפר 14 פינים, אשר מגביר את היציבות עבור הניסויים. מחשבים מבוססים נוצרים בשיטה מבוקרת תרמית. לבסוף, תנודות קצב החזרה של SCs נמדדות בשיטת DSHI.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. צימוד אופטי

  1. ללטש את פני הקצה של MRR על צלחת שחיקה באמצעות 1.5 מיקרומטר אבקות שוחקות (תחמוצת אלומיניום) מעורבב עם מים במשך 5 דקות.
  2. תקן את MRR עם גוף שבב והצב FA בן שמונה ערוצים בשלב צימוד בן שישה צירים, הכולל שלושה שלבים ליניאריים ברזולוציה של 50 ננומטר ושלושה שלבי זווית ברזולוציה של 0.003°. הטלאים של MRR ו- FA הם 250 מיקרומטר.
  3. השתמש בלייזר 1,550 ננומטר כמקור אופטי לניטור בזמן אמת של יעילות הצימוד. התאם בזהירות את המיקום של ה- FA עד שהפסד ההאצה יגיע לערך המינימלי, בדרך כלל פחות מ- 6 dB, המתאים לאובדן צימוד של פחות מ- 3 dB להיבט.
  4. השתמש בדבק מעוקל אולטרה סגול (UV)(Table of Materials) כדי להדביק את MRR ו- FA. הנח את הדבק בקצה הצד של משטח המגע, המבטיח כי אין דבק בנתיב האופטי.
  5. לחשוף את דבק מעוקל UV למנורת UV במשך 150 s ואופים בתא ב 120 °C (50 °F) במשך יותר מ 1 שעה.

2. אריזות מכשירים

  1. חבר שבב TEC בגודל 10.2 מ"מ x 6.05 מ"מ בהספק מרבי של 3.9 ואט עד לוחית הבסיס של חבילת פרפר סטנדרטית בת 14 פינים באמצעות דבק כסף. הלחמה את שתי האלקטרודות של שבב TEC לשתי סיכות של חבילת הפרפר.
  2. הדבק צלחת טונגסטן 5 מ"מ × 5 מ"מ × צלחת טונגסטן 1 מ"מ על פני השטח של שבב TEC באמצעות דבק כסף. השתמש בצלחת טונגסטן ככיור חום כדי למלא את הפער בין TEC ו- MRR.
  3. הדבק את התקן MRR לחלק העליון של צלחת טונגסטן באמצעות דבק כסף ולתקן את הצמה של FA ליציאת הפלט של חבילת הפרפר.
  4. הדבק שבב תרמיסטור על פני השטח של שבב TEC באמצעות דבק כסף. חבר אלקטרודה אחת של תרמיסטור למשטח העליון של שבב TEC. חוט לקשר את האלקטרודה האחרת של תרמיסטור ואת פני השטח העליון של שבב TEC לשני סיכות של חבילת הפרפר באמצעות חוט זהב.
  5. אופים את המכשיר הארוז ב 100 °C במשך 1 שעה כדי לחזק את דבק הכסף.
  6. לאטום את חבילת הפרפרים. איור 1 מציג את ההתקן הארוז.

3. דור SCs

  1. איור 2 מראה את הגדרת הניסויים. השתמש במגבר סיבים מסומם ארביום (EDFA) כדי להגביר את המשאבה לייצור מיקרו מסרק. שלוט במצב הקיטוב של המשאבה באמצעות בקר קיטוב סיבים (FPC). חבר את כל ההתקנים באמצעות סיבים במצב יחיד (SMF).
  2. תקן את אורך הגל של לייזר המשאבה ב-1,556.3 ננומטר. כוונן באופן ידני את טמפרטורת הפעולה באמצעות בקר TEC מסחרי חיצוני.
  3. נטר את הספקטרום האופטי של הפלט באמצעות מנתח ספקטרום אופטי. זהה את מעקב צריכת החשמל של הפלט באמצעות פוטו-דטקטור של 3 GHz והקלט באמצעות אוסצילוסקופ.
  4. הגדר את התפוקה של EDFA ל- 34 dBm, המתאים לכוח על שבב של 30.5 dBm (בהתחשב באובדן צימוד של MRR ו- FA, הכנס אובדן של FPC), המבטיח כי יש מספיק כוח יחד לתוך MRR לייצור מיקרו מסרק.
  5. הגדר אתrmistor ל 2 kΩ, המתאים טמפרטורת הפעלה של 66 °C (66 °F). לאחר מכן להקטין לאט את טמפרטורת ההפעלה על ידי שינוי הערך שנקבע של thermistor. בניסויים אלה, כאשר התרמיסטור הוגדר ל 5.8 kΩ, המקביל 38 °C (38 °F), תהודה אחת של MRR עברה דרך המשאבה ועקבות כוח צורה משולשת נרשמה.
  6. כוונן את הקיטוב של המשאבה על ידי FPC עד שלב SC נצפה בקצה הנופל של עקבות כוח השידור המשולש. איור 3 מציג מעקב אחר כוח שידור אופטי טיפוסי.
  7. לאט לאט להקטין את טמפרטורת הפעולה מ ~ 66 °C (66 °F) ולעצור כאשר ספקטרום אופטי דמוי כף יד הוא ציין על מנתח ספקטרום אופטי. הערך של התרמיסטור היה סביב 5.6 kΩ בניסויים אלה. איור 4A ואיור 5B מציגים את הספקטרום האופטי של מחשבים אישיים ומחשבים אישיים עם מקום פנוי יחיד, בהתאמה.

4. מדידת תנודות בקצב החזרה

  1. חבר את המחשבים המהירים שנוצרו למסנן bandpass (TBPF) כדי לחלץ קו מסרק בודד. הגדר את פס הגישה של TBPF ל- 0.1 ננומטר. אורך הגל המרכזי שלו יכול להיות מכוון מעל הלהקה המלאה C ו- L. שיפוע המסנן הוא 400 dB/nm.
  2. זוג קו המסרק שנבחר לאינטרפרומטר אסימטרי Mach-Zehnder (AMZI). התדר האופטי בזרוע אחת של AMZI מועבר על ידי 200 MHz באמצעות אפנון acousto-אופטי (AOM). השדה האופטי בזרוע השנייה מתעכב על ידי קטע של סיב אופטי. ניסויים אלה משמשים סיבים מעכבים של 2 ק"מ ו-25 ק"מ.
  3. לזהות את האות האופטי פלט עם photodiode ולנתח את ספקטרום PSD באמצעות מנתח ספקטרום חשמלי.
  4. כוונן את אורך הגל המרכזי של TBPF. מדדו את ה-PSDs של כל קו מסרק בשיטה המתוארת. איור 4B,C מציג את ספקטרום PSD עבור קווי מסרק S1 ו- S2 של מחשבים SCs מושלמים עם סיבים אופטיים עיכוב 2 ק"מ ו -25 ק"מ, בהתאמה.
  5. באמצעות אותה שיטה, למדוד את עקומות PSD של SCs עם מקום פנוי. הקלט את רוחב הפס של 3 dB של עקומת PSD והתאים אותו באופן ליניארי בצורה חלקה כפי שמוצג באיור 5B,C. תנודות קצב החזרה של ~ 53.24 הרץ בתוך 10 μs ו ~ 509.32 הרץ בתוך 125 μs נגזרו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

איור 3 מראה את עקבות כוח השידור בזמן שהתהודה התרמית הייתה מכוונת על פני המשאבה. היה צעד כוח ברור שהצביע על דור ה-SCs. לשלב היה כוח דומה בהשוואה למבשר שלו, מסרק חוסר היציבות האפנון. לכן, הדור של SCs לא היה כוונון מהירות תלויה. ה- SCs הציגו מגוון רחב של מדינות, כולל משרות פנויות (פגמים שוטקיים), פגמים פרנקל, ומבנה-על12,17. כדוגמאות, איור 4A מציג SC מושלם עם 27 סוליטונים ואיור 5A

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

DKSs על השבב מספקים מקורות אופטיים קוהרנטיים קומפקטיים חדשניים ומציגים סיכויי יישום מצוינים במטרולוגיה אופטית, ספקטרוסקופיה מולקולרית ופונקציות אחרות. עבור יישומים מסחריים, מקורות מיקרו-מסרק ארוזים קומפקטיים הם חיוניים. פרוטוקול זה מספק גישה מעשית ליצירת מיקרו-מסרק ארוז הנהנה מחיבור אובדן צימוד אמין ונמוך בין MRR ל- FA, כמו גם משיטת ייצור DKS חזקה הנשלטת תרמית. לכן, הניסויים שלנו כבר לא תלויים בשלב צימוד ומציגים הסתגלות סביבתית מצוינת. בינתיים, המשאבה היא לייזר קבוע אורך גל שניתן להפעיל עם linewidths צר, מייצר הרבה פחות ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (NSFC) (גרנט 62075238, 61675231) ותוכנית המחקר בעדיפות אסטרטגית של האקדמיה הסינית למדעים (Grant No. XDB24030600).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
שלב צימוד 6 ציריםSuruga SeikiKXC620G
KGW060		מכיל 3 מצבי תרגום ממונעים ליניאריים ו-3 שלבי סיבוב ממונעים זוויתיים.
מצב ליניארי: צעד מינימלי: 0.05 μ m; נסיעה: 20 מ"מ; מקסימום מהירות: 25 מ"מ לשנייה; יכולת חזרה: +/- 0.3 μ m; שלב סיבובי: נסיעה: ± 8°; רזולוציה/דופק: 0.003 מעלות; יכולת חזרה:± 0.005°
אבקת שוחקיםשניאנג קג'ינג אוטומטי-מכשיר ושות', בע"מ2980002סיליקון קרביד, גרגיריות: 1.5 μ m
Glue 3410חומרים אלקטרוניים משולביםOptocast 3410Optocast 3410 הוא אפוקסי קל אולטרה סגול וריפוי בחום המתאים להרכבה אופטו-אלקטרונית. הוא נרפא במהירות כאשר הוא נחשף לאור UV ב-320-380 ננומטר.
זכוכית סיליקה מסוממת באינדקס גבוהתוצרתבית-ה-MRR מיוצר על ידי פלטפורמת זכוכית סיליקה מסוממת באינדקס גבוה. קטע מוליך הגל הוא 2&; 3 μ m ורדיוס הוא 592.1 μ m, המתאים ל-FSR של 49 ג'יגה הרץ.
משאבה לייזרNKT PhotonicsE15זהו לייזר סיבי גל רציף עם רוחב קו של 100 הרץ.
מערכותלייזר אולטרה-יציבותORSרוחב קו מתקדם (< 1Hz) ויציבות (< 2 x 10-15 הרץ)

מקורות

  1. Herr, T., et al. Temporal solitons in optical microresonators. Nature Photonics. 8, 145-152 (2014).
  2. 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).
  3. Trocha, P., et al. Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs. Science. 359, 887-891 (2018).
  4. Myoung-Gyun, S., Qi-Fan, Y., Ki Youl, Y., Xu, Y., Kerry, L. V. Microresonator soliton dual-comb spectroscopy. Science. 354, 600-603 (2016).
  5. Marin-Palomo, P., et al. Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications. Nature. 546, 274-279 (2017).
  6. Fang-Xiang, W., et al. Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators. arXiv. , (2018).
  7. Spencer, D. T., et al. An optical-frequency synthesizer using integrated photonics. Nature. 557, 81-85 (2018).
  8. Del'Haye, P., et al. Phase-coherent microwave-to-optical link with a self-referenced microcomb. Nature Photonics. 10, 516-520 (2016).
  9. Huang, S. W., et al. A broadband chip-scale optical frequency synthesizer at 2.7x10-16 relative uncertainty. Science Advance. 2, 1501489(2016).
  10. Liang, W., et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator. Nature Communications. 6, 7957(2015).
  11. Liao, P. C., et al. Dependence of a microresonator Kerr frequency comb on the pump linewidth. Optics Letters. 42, 779-782 (2017).
  12. Wang, W. Q. Robust soliton crystals in a thermally controlled microresonator. Optics Letters. 43, 2002-2005 (2018).
  13. Chaitanya, J., et al. Thermally controlled comb generation and soliton modelocking in microresonators. Optics Letters. 41, 2565-2568 (2016).
  14. Lu, Z. Z., et al. Deterministic generation and switching of dissipative Kerr soliton in a thermally controlled micro-resonator. AIP Advances. 9, 025314(2019).
  15. Jost, J. D., et al. Counting the Cycles of Light using a Self-Referenced Optical Microresonator. Optica. 2, 706-711 (2014).
  16. Brasch, V., et al. Self-referenced photonic chip soliton Kerr frequency comb. Light: Science & Applications. 6, 16202-16206 (2017).
  17. Cole, D. C., et al. Soliton crystals in Kerr resonators. Nature Photonics. 11, 671-676 (2017).
  18. Little, B. E. A VLSI photonics platform. Conference on Optical Fiber Communication. 86, 444-445 (2003).
  19. Wang, W. Q., et al. Dual-pump kerr micro-cavity optical frequency comb with varying FSR spacing. Scientific Report. 6, 28501(2016).
  20. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

שיטת סלף-הטרודין מושההרזונטור חלקי טבעתיסוליטוני קר דיסיפטיבייםשיטת בקרה תרמיתמנתח ספקטרום אופטימנתח ספקטרום חשמליבקר קיטוב סיביםמגבר סיבים מועשר בארביום
מדידת תנודות קצב חזרה מהירה של גבישי סוליטון במיקרו-רזנטור
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.