Qui, presentiamo un protocollo per generare cristalli di solitoni in un risonatore micro-anello confezionato a farfalla utilizzando un metodo termo sintonizzato. Inoltre, le fluttuazioni del tasso di ripetizione di un cristallo solitonico con un singolo posto vacante sono misurate utilizzando un metodo auto-eterodino ritardato.
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Articolo metodologico
Misurazione della fluttuazione del tasso di ripetizione rapida dei cristalli solitoni in un microrisonatore
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In questo articolo
Sommario
Abstract
I solitoni temporali hanno suscitato grande interesse negli ultimi decenni per il loro comportamento in uno stato stazionario, dove la dispersione è bilanciata dalla non linearità in un mezzo di Kerr di propagazione. Lo sviluppo di solitoni di Kerr dissipativi (DKSS) in microcavità ad alto Q guida una nuova sorgente di solitoni compatta su scala chip. Quando i DKS fungono da impulsi a femtosecondi, la fluttuazione del tasso di ripetizione può essere applicata alla metrologia ad altissima precisione, al campionamento ottico ad alta velocità e agli orologi ottici, ecc. In questo articolo, la rapida fluttuazione del tasso di ripetizione dei cristalli solitonici (SC), uno stato speciale dei DKS in cui i solitoni simili a particelle sono strettamente impacchettati e occupano completamente un risonatore, viene misurata sulla base del noto metodo auto-eterodina ritardato. Gli SC sono generati utilizzando un metodo a controllo termico. La pompa è un laser fisso a frequenza con una larghezza di linea di 100 Hz. Il tempo integrale nelle misurazioni della fluttuazione di frequenza è controllato dalla lunghezza della fibra ritardata. Per un SC con un singolo posto vacante, le fluttuazioni del tasso di ripetizione sono rispettivamente ~ 53,24 Hz entro 10 μs e ~ 509,32 Hz entro 125 μs.
Introduzione
I DKS costanti nei microrisonatori, dove la dispersione della cavità è bilanciata dalla non linearità di Kerr, così come il guadagno di Kerr e la dissipazione della cavità1,hanno attirato grande interesse nella comunità della ricerca scientifica per il loro altissimo tasso di ripetizione, dimensioni compatte e basso costo2. Nel dominio del tempo, i DKSS sono treni di impulsi stabili che sono stati utilizzati per la misurazione ad alta velocità3 e la spettroscopia molecolare4. Nel dominio della frequenza, i DKS hanno una serie di linee di frequenza con uguale spaziatura di frequenza che sono adatte per i sistemi di comunicazione wavelength-division-multiplex (WDM)5,6, sintesi ottica di frequenza7,8e generazione di microonde a bassissimo rumore9,10, ecc. Il rumore di fase o la larghezza di linea delle linee a pettine influisce direttamente sulle prestazioni di questi sistemi applicativi. È stato dimostrato che tutte le linee a pettine hanno una larghezza di linea simile con la pompa11. Pertanto, l'utilizzo di un laser a larghezza di linea ultra-stretta come pompa è un approccio efficace per migliorare le prestazioni dei DKS. Tuttavia, le pompe della maggior parte dei DKSS segnalati sono laser a diodi a cavità esterna (ECDL) a spazzamento di frequenza, che soffrono di rumore relativamente elevato e hanno un'ampia larghezza di linea dell'ordine di decine a centinaia di kHz. Rispetto ai laser sintonizzabili, i laser a frequenza fissa hanno meno rumore, larghezze di linea più strette e volume più piccolo. Ad esempio, i sistemi Menlo possono fornire prodotti laser ultrastabili con una larghezza di linea inferiore a 1 Hz. L'utilizzo di un laser fisso a frequenza tale come pompa può ridurre significativamente il rumore dei DKS generati. Recentemente, i metodi di sintonizzazione termica basati su microriscaldatori o raffreddatori termoelettrici (TEC) sono stati utilizzati metodi di sintonizzazione termica basati su DKSS12,13,14.
La stabilità del tasso di ripetizione è un altro parametro importante dei DKS. Generalmente, i contatori di frequenza sono usati per caratterizzare la stabilità di frequenza dei DKS all'interno di un tempo di gate, che è generalmente dell'ordine di un microsecondo a mille secondi15,16. Limitati dalla larghezza di banda del fotorivelatore e del contatore di frequenza, i modulatori elettro-ottici o i laser di riferimento vengono in genere utilizzati per abbassare la frequenza rilevata quando la gamma spettrale libera (FSR) dei DKS È superiore a 100 GHz. Ciò non solo aumenta la complessità dei sistemi di test, ma produce anche ulteriori errori di misurazione causati dalla stabilità delle sorgenti RF o dei laser di riferimento.
In questo documento, un risonatore micro-anello (MRR) è confezionato a farfalla con un chip TEC commerciale che viene utilizzato per controllare la temperatura di funzionamento. Utilizzando un laser fisso a frequenza con una larghezza di linea di 100 Hz come pompa, i cristalli solitoni (SC) vengono generati stabilmente diminuendo manualmente la temperatura di esercizio; questi sono DKS speciali che possono riempire completamente un risonatore con insiemi ordinati collettivamente di solitoni copropagating17. Per quanto ne sappiamo, questa è la pompa a larghezza di linea più stretta negli esperimenti di generazione DKSS. Lo spettro della densità spettrale di potenza (PSD) di ogni linea a pettine viene misurato in base a un metodo di interferometro auto-eterodina ritardato (DSHI). Beneficiando della larghezza di linea ultra-stretta delle linee a pettine, l'instabilità del tasso di ripetizione dei cristalli solitonici (SC) deriva dalla deriva della frequenza centrale delle curve PSD. Per l'SC con un singolo posto vacante, abbiamo ottenuto un'instabilità del tasso di ripetizione di ~ 53,24 Hz entro 10 μs e ~ 509,32 Hz entro 125 μs.
Il protocollo è costituito da diverse fasi principali: in primo luogo, l'MRR è accoppiato con un array di fibre (FA) utilizzando uno stadio di accoppiamento a sei assi. L'MRR è fabbricato da una piattaforma di vetro di silice drogato ad alto indice18,19. Quindi, l'MRR viene confezionato in un pacchetto a farfalla a 14 pin, che aumenta la stabilità per gli esperimenti. Gli SC sono generati utilizzando un metodo a controllo termico. Infine, le fluttuazioni del tasso di ripetizione delle SC sono misurate con un metodo DSHI.
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Protocollo
1. Accoppiamento ottico
- Lucidare la faccia finale dell'MRR su una piastra di macinazione utilizzando polveri abrasive da 1,5 μm (ossido di alluminio) mescolate con acqua per 5 minuti.
- Fissare l'MRR con un dispositivo di fissaggio a chip e posizionare un FA a otto canali su uno stadio di accoppiamento a sei assi, che comprende tre stadi lineari con una risoluzione di 50 nm e tre stadi angolari con una risoluzione di 0,003 °. Le patch di MRR e FA sono 250 μm.
- Utilizzare un laser a 1.550 nm come sorgente ottica per il monitoraggio in tempo reale dell'efficienza di accoppiamento. Regolare attentamente la posizione del FA fino a quando la perdita di inserto raggiunge il valore minimo, in genere inferiore a 6 dB, corrispondente a una perdita di accoppiamento inferiore a 3 dB per sfaccettatura.
- Utilizzare un adesivo curvo ultravioletto (UV) (Table of Materials) per incollare MRR e FA. Posizionare l'adesivo sul bordo laterale della superficie di contatto, in modo da garantire che non vi sia colla sul percorso ottico.
- Esporre l'adesivo curvo UV a una lampada UV per 150 s e cuocere in una camera a 120 °C per più di 1 ora.
2. Imballaggio del dispositivo
- Conglutinare un chip TEC da 10,2 mm x 6,05 mm con una potenza massima di 3,9 W alla piastra di base di un contenitore standard a farfalla a 14 pin utilizzando colla argentata. Saldare i due elettrodi del chip TEC a due pin del pacchetto farfalla.
- Incollare una piastra di tungsteno da 5 mm × 5 mm × 1 mm sulla superficie del chip TEC utilizzando colla d'argento. Utilizzare la piastra di tungsteno come dissipatore di calore per colmare il divario tra TEC e MRR.
- Incollare il dispositivo MRR nella parte superiore della piastra di tungsteno utilizzando colla argentata e fissare la coda di maiale della FA alla porta di uscita del pacchetto a farfalla.
- Incollare un chip termistore sulla superficie del chip TEC usando colla d'argento. Collegare un elettrodo del termistore alla superficie superiore del chip TEC. Il filo lega l'altro elettrodo del termistore e la superficie superiore del chip TEC a due perni del pacchetto farfalla usando filo d'oro.
- Cuocere il dispositivo confezionato a 100 °C per 1 ora per solidificare la colla d'argento.
- Sigillare il pacchetto farfalla. La Figura 1 mostra il dispositivo in pacchetto.
3. Generazione sc
- La Figura 2 mostra la configurazione degli esperimenti. Utilizzare un amplificatore in fibra drogato con erbio (EDFA) per potenziare la pompa per la generazione di microcomb. Controllare lo stato di polarizzazione della pompa utilizzando un controller di polarizzazione a fibra (FPC). Collegare tutti i dispositivi utilizzando fibre monomodali (SMF).
- Fissare la lunghezza d'onda del laser della pompa a 1.556,3 nm. Regolare manualmente la temperatura di funzionamento tramite un controller TEC commerciale esterno.
- Monitorare lo spettro ottico in uscita con un analizzatore di spettro ottico. Rileva la traccia di potenza in uscita con un fotorivelatore a 3 GHz e registra con un oscilloscopio.
- Impostare l'uscita dell'EDFA a 34 dBm, corrispondente a una potenza su chip di 30,5 dBm (considerando la perdita di accoppiamento dell'MRR e della FA, perdita di inserto dell'FPC), che garantisce che ci sia abbastanza potenza accoppiata nell'MRR per la generazione di microcomb.
- Impostare il termistore su 2 kΩ, corrispondente a una temperatura di esercizio di 66 °C. Quindi diminuire lentamente la temperatura di funzionamento modificando il valore impostato del termistore. In questi esperimenti, quando il termistore è stato impostato su 5,8 kΩ, corrispondenti a 38 °C, una risonanza della MRR è passata attraverso la pompa ed è stata registrata una traccia di potenza di forma triangolare.
- Regolare la polarizzazione della pompa da parte dell'FPC fino a quando non si osserva un passo SC sul bordo di caduta della traccia di potenza di trasmissione triangolare. La Figura 3 mostra una tipica traccia di potenza di trasmissione ottica.
- Ridurre lentamente la temperatura di funzionamento da ~ 66 °C e fermarsi quando si osserva uno spettro ottico simile a un palmo sull'analizzatore di spettro ottico. Il valore del termistore era di circa 5,6 kΩ in questi esperimenti. La Figura 4A e la Figura 5B mostrano rispettivamente gli spettri ottici di SC e SC perfetti con un singolo posto vacante.
4. Misurazione della fluttuazione del tasso di ripetizione
- Collegare gli SC generati a un filtro passa-banda sintonizzabile (TBPF) per estrarre una singola linea di pettine. Impostare la banda passante del TBPF su 0,1 nm. La sua lunghezza d'onda centrale può essere sintonizzata sull'intera banda C e L. La pendenza del filtro è di 400 dB/nm.
- Accoppiare la linea del pettine selezionata a un interferometro Mach-Zehnder asimmetrico (AMZI). La frequenza ottica in un braccio dell'AMZI viene spostata di 200 MHz utilizzando un modulatore acusto-ottico (AOM). Il campo ottico nell'altro braccio è ritardato da un segmento di fibra ottica. In questi esperimenti vengono utilizzate fibre di ritardo di 2 km e 25 km.
- Rileva il segnale ottico di uscita con un fotodiodo e analizza lo spettro PSD utilizzando un analizzatore di spettro elettrico.
- Sintonizzare la lunghezza d'onda centrale del TBPF. Misurare i PSD di ogni linea di pettine utilizzando il metodo descritto. La figura 4B,C mostra gli spettri PSD per le linee a pettine S1 e S2 di SC perfetti con le fibre ottiche ritardate di 2 km e 25 km, rispettivamente.
- Utilizzando lo stesso metodo, misurare le curve PSD degli SC con un posto vacante. Registrare la larghezza di banda di 3 dB della curva PSD e adattarla linearmente in modo frammentario, come mostrato nella Figura 5B,C. Sono state derivate fluttuazioni del tasso di ripetizione di ~ 53,24 Hz entro 10 μs e ~ 509,32 Hz entro 125 μs.
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Risultati
La Figura 3 mostra la traccia della potenza di trasmissione mentre una risonanza termica è stata sintonizzata attraverso la pompa. C'era un ovvio passo di potenza che indicava la generazione di SC. Il gradino aveva una potenza simile rispetto al suo precursore, il pettine di instabilità modulazionale. Pertanto, la generazione di SC non dipendeva dalla velocità di regolazione. Gli SC mostravano una grande varietà di stati, tra cui posti vacanti (difetti di Schottky), difetti di Frenkel e sovr...
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Discussione
I DKS su chip forniscono nuove sorgenti ottiche compatte coerenti e mostrano eccellenti prospettive applicative in metrologia ottica, spettroscopia molecolare e altre funzioni. Per le applicazioni commerciali, le sorgenti a microcomb confezionate compatte sono essenziali. Questo protocollo fornisce un approccio pratico per realizzare un microcomb confezionato che beneficia della connessione affidabile e a bassa perdita di accoppiamento tra MRR e FA, nonché di un robusto metodo di generazione DKS a controllo termico. Pert...
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Dichiarazioni
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) e dal Programma di ricerca prioritaria strategica dell'Accademia cinese delle scienze (Grant No. XDB24030600).
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Stadio di accoppiamento a 6 assi | Suruga Seiki | KXC620G KGW060 | Contiene 3 stati di traslazione motorizzati lineari e 3 stadi di rotazione motorizzati angolari. Stato lineare: Passo minimo: 0,05 μ m; Corsa: 20 mm; Velocità massima: 25 mm / s; Ripetibilità: +/-0,3 μ m; Stadio di rotazione:Corsa: ± 8°; Risoluzione/impulso: 0,003 gradi; Ripetibilità:± 0,005° |
| Polvere abrasiva | Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD | 2980002 | Carburo di silicio, granularità: 1,5 μ m |
| Colla 3410 | Materiali elettronici incorporati | Optocast 3410 | Optocast 3410 è una resina epossidica polimerizzabile a raggi ultravioletti e termopolimerizzabile adatta per l'assemblaggio optoelettronico. Polimerizza rapidamente se esposto alla luce U.V. nell'ordine di 320-380 nm. |
| Vetro di silice drogato ad alto indice | Fatto | casa-L'MRR è fabbricato da una piattaforma di vetro di silice drogato ad alto indice. La sezione della guida d'onda è 2&volte; 3 μ m e il raggio è 592,1 μ m, corrispondente a FSR di 49 GHz. | |
| Laser a pompa | NKT Photonics | E15 | È un laser a fibra a onda continua con larghezza di linea di 100 Hz. |
| Laser ultrastabile | Menlosystems | ORS | Larghezza di linea all'avanguardia (< 1Hz) e stabilità (< 2 x 10-15 Hz) |
Riferimenti
- 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).
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