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方法論記事

マイクロレゾナレーターにおけるソリトン結晶の迅速反復率変動測定

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DOI:

10.3791/60689

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2021年12月15日

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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

この記事について

サマリー

ここでは、熱調整法を用いて、バタフライパッケージマイクロリング共振器でソリトン結晶を生成するプロトコルを紹介する。また、単一の空孔を有するソリトン結晶の繰り返し速度変動は、遅延したセルフヘテロダイン法を用いて測定される。

要約

時間ソリトンは、伝播Kerr媒体における非線形性によって分散がバランスが取れている安定した状態での行動に対して、過去数十年で大きな関心を集めてきました。高Qマイクロキャビティにおける散逸性カーソリトン(DKS)の開発は、新しい、コンパクトなチップスケールのソリトン源を駆動します。DKSがフェムト秒パルスとして機能する場合、繰り返し速度の変動は超高精度計測、高速光サンプリング、光時計などに適用できます。本論文では、粒子状ソリトンがしっかりと詰め込まれ、共振器を完全に占有するDKSの特殊な状態であるソリトン結晶(SC)の急速な繰り返し速度変動を、よく知られた遅延自己ヘテロダイン法に基づいて測定する。SC は、熱制御方式を使用して生成されます。ポンプは100 Hzの線幅の周波数固定レーザーである。周波数変動測定の積分時間は、遅延ファイバの長さによって制御されます。1つの空室を有するSCの場合、繰り返しレート変動は10μs以内で~53.24 Hz、125μs以内で〜509.32Hzになります。

概要

キャビティ分散がカーの非線形性とカー利得と空洞散逸1によってバランスが取れているマイクロレソナレーターの安定したDKSは、超高い繰り返し率、コンパクトサイズ、および低コスト2で科学研究コミュニティに大きな関心を集めています。時間領域において、DKSは、高速測距測定3および分子分光4に使用されてきた安定したパルス列である。周波数領域では、DKSは波長分割多重(WDM)通信システム5、6、光周波数合成7、8、超低ノイズマイクロ波発生9、10などに適した、等しい周波数間隔を持つ一連の周波数線を有する。櫛線の位相ノイズまたは線幅は、これらのアプリケーションシステムの性能に直接影響します。すべての櫛線は、ポンプ11と同様の線幅を有することが証明されている。したがって、超狭線幅レーザーをポンプとして使用することは、DKSの性能を向上させるための効果的なアプローチです。しかし、ほとんどの報告されたDKSのポンプは、周波数スイープ外部キャビティダイオードレーザー(ECDLs)であり、比較的高いノイズに苦しみ、数十〜数百kHzの大きさの幅が広い。調整可能なレーザーと比較して、固定周波数レーザーは、より少ないノイズ、狭い線幅と小さなボリュームを持っています。例えば、Menloシステムは、1Hz未満の線幅を持つ超安定レーザー製品を提供することができます。ポンプとしてこのような周波数固定レーザーを使用すると、生成されたDKSsのノイズを大幅に低減することができます。

繰り返し速度の安定性は、DKSのもう一つの重要なパラメータです。一般に、周波数カウンタは、15秒、16秒のマイクロ秒の順序で、ゲート時間内のDKSの周波数安定性を特徴付けるために使用されます。光検出器と周波数カウンタの帯域幅によって制限され、電気光学変調器または参照レーザは、通常、DKSsの自由スペクトル範囲(FSR)が100GHzを超える場合に検出された周波数を下げるために使用されます。これにより、テストシステムの複雑さが増すだけでなく、RFソースやリファレンスレーザーの安定性に起因する測定誤差が増えます。

本論文では、マイクロリング共振器(MRR)とは、動作温度の制御に使用される商用TECチップを搭載したバタフライパッケージです。ライン幅100 Hzの周波数固定レーザーをポンプとして使用して、ソリトン結晶(SC)は手動で動作温度を下げることで安定して生成されます。これらは完全にコプロパパティングソリトン17の集合的に順序付けられたアンサンブルで共振器を埋めることができる特別なDKSです。私たちの知る限りでは、これはDKSs生成実験で最も狭い線幅ポンプです。すべてのコームラインのパワースペクトル密度(PSD)スペクトルは、遅延自己ヘテロダイン干渉計(DSHI)法に基づいて測定されます。コーム線の超狭い線幅の恩恵を受けると、ソリトン結晶(SC)の繰り返し速度の不安定性は、PSD曲線の中心周波数ドリフトに由来する。空室1個のSCでは、10μs以内で~53.24Hz、125μs以内で509.32Hz程度の反復率不安定性を得た。

プロトコルは、いくつかの主要な段階で構成されています: まず、MRRは、6軸結合ステージを使用して、ファイバアレイ(FA)と結合されます。MRRは、高インデックスのドープシリカガラスプラットフォーム18、19によって製造される。次いで、MRRを14ピンバタフライパッケージにパッケージ化し、実験の安定性を高めます。SCは、熱制御方式で生成されます。最後に、SCの繰り返しレート変動をDSHI法で測定します。

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プロトコル

1. 光結合

  1. 1.5 μmの研磨粉(酸化アルミニウム)を水と5分間混合して、研磨板でMRRの端面を研磨します。
  2. チップフィクスチャでMRRを固定し、50 nmの3つのリニアステージと0.003°の解像度の3つの角度ステージを含む6軸結合ステージに8チャンネルFAを配置します。MRRおよびFAのパッチは250 μmである。
  3. カップリング効率のリアルタイム監視用の光学ソースとして1,550 nmレーザーを使用します。差し込み損失が最小値(通常は6dB未満)に達するまでFAの位置を慎重に調整し、ファセットあたり3dB未満の結合損失に対応します。
  4. 紫外線(UV)湾曲した接着剤(材料表)を使用してMRRとFAを接着します。
  5. UV湾曲した接着剤を150sのUVランプに露出させ、120°Cのチャンバーで1時間以上焼きます。

2. デバイスパッケージ

  1. 銀の接着剤を使用して標準的な14ピン蝶のパッケージのベースプレートに3.9 Wの最高出力の10.2 mm x 6.05 mm TECチップをコングルチネート。TECチップの2つの電極を蝶のパッケージの2つのピンにはんだ付けします。
  2. 銀の接着剤を使用してTECチップの表面に5mm×5mm×1mmタングステンプレートを貼り付けます。TECとMRRの間のギャップを埋めるためにヒートシンクとしてタングステンプレートを使用してください。
  3. 銀の接着剤を使用してタングステンプレートの上部にMRRデバイスを貼り付け、バタフライパッケージの出力ポートにFAのピグテールを固定します。
  4. 銀の接着剤を使用してTECチップの表面にサーミスタチップを貼り付けます。サーミスタの電極をTECチップの上面に接続します。ワイヤーは、サーミスタの他の電極とTECチップの上面を金糸を使用して蝶パッケージの2つのピンに接着します。
  5. パッケージ化した装置を100°Cで1時間焼き、銀の接着剤を固めます。
  6. バタフライパッケージをシールします。 図 1 は、パッケージ化されたデバイスを示しています。

3. SC の生成

  1. 図2 は、実験のセットアップを示しています。エルビウムドープファイバーアンプ(EDFA)を使用して、マイクロコーム生成用のポンプをブーストします。繊維偏光コントローラ(FPC)を使用してポンプの偏光状態を制御します。シングル モード ファイバ(SMF)を使用して、すべてのデバイスを接続します。
  2. ポンプレーザーの波長を1,556.3 nmに固定します。外部商用TECコントローラを使用して、手動で動作温度を調整します。
  3. 光スペクトルアナライザーで出力光スペクトルを監視します。3 GHz光検出器で出力電力トレースを検出し、オシロスコープで記録します。
  4. 30.5 dBmのオンチップパワーに対応する34 dBmにEDFAの出力を設定し(MRRとFAの結合損失を考慮すると、FPCの損失を挿入)、マイクロコーム生成のためのMRRに十分な電力が結合されていることを保証します。
  5. サーミスタを66°Cの動作温度に対応する2kΩに設定します。 その後、サーミスタの設定値を変更して、動作温度をゆっくりと下げます。これらの実験では、サーミスタを5.8kΩに設定した際、38°Cに対応し、MRRの一共鳴がポンプを通過し、三角形のパワートレースが記録された。
  6. SCステップが三角伝送電力トレースの下端で観察されるまで、FPCによるポンプの偏光を調整します。 図3 は典型的な光透過電力トレースを示す。
  7. 光スペクトルアナライザーで手のひら状の光学スペクトルが観測されると、動作温度を66°Cからゆっくり下げ、停止します。サーミスタの値は、これらの実験で約5.6kΩであった。 図4A および 図5B は、それぞれ単一の空孔を有する完全なSCおよびSCの光学スペクトルを示す。

4. 繰り返しレート変動測定

  1. 生成された SC をチューナブル バンドパス フィルタ (TBPF) に接続して、個々のコーム ラインを抽出します。TBPF のパスバンドを 0.1 nm に設定します。その中心波長は完全なCおよびLバンドの上で調整することができる。フィルターの傾きは400 dB/nmである。
  2. 選択したコームラインを非対称マッハ・ツェンダー干渉計(AMZI)に結合します。AMZIの1つの腕の光周波数は、アクロス視変調器(AOM)を使用して200 MHzずつシフトされます。他方のアームの光分野は、光ファイバのセグメントによって遅延される。2kmと25kmの遅延繊維を実験に使用します。
  3. フォトダイオードで出力光信号を検出し、電気スペクトルアナライザを使用してPSDスペクトルを解析します。
  4. TBPFの中心波長を調整します。記載された方法を使用して、すべての櫛線のPSDを測定します。 図4B,Cは、2km と25kmの遅延光ファイバを備えた完璧なSCのコームラインS1とS2のPSDスペクトルをそれぞれ示しています。
  5. 同じ方法を使用して、空孔のある SC の PSD カーブを測定します。PSD曲線の3dB帯域幅を記録し、 図5B,Cに示すように、それを断片的に直線的に合わせます。10 μs以内の~53.24 Hzの繰り返し速度変動と125μs以内の~509.32 Hzの繰り返し速度変動が導出された。

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結果

図3は、ポンプ全体で共振熱を調整しながら、送電電力トレースを示しています。SC の生成を示す明らかな電源ステップがありました。このステップは、その前駆体である変調不安定性の櫛と比較して同様の力を有していた。そのため、SC の生成は速度の調整に依存しませんでした。SCは、欠員(ショットキー欠陥)、フレンケル欠陥、および上部構造12、17を含む多種多様な状態を示した。例として、図4Aは27ソリトンを備えた完璧なSCを示し、図5Aは単一の欠員を有するSCである。

μ番目 のコーム線の周波数は次の値に等しい

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ディスカッション

オンチップDKSは、新しいコンパクトなコヒーレント光ソースを提供し、光計測、分子分光法、およびその他の機能において優れた応用見通しを示します。商用アプリケーションでは、コンパクトパッケージ化されたマイクロコームソースが不可欠です。このプロトコルは、MRRとFAの間の信頼性の高い、低結合損失接続、ならびに堅牢な熱制御DKS生成方法の恩恵を受けるパッケージ化されたマイクロコームを作るための実用的なアプローチを提供する。そのため、我々の実験は結合段階依存性がなくなり、優れた環境適応を示す。一方、ポンプは、より狭い線幅で動作することができ、大幅に少ないノイズを生成し、調整可能なレーザーに比べてはるかに小さい波長固定レーザーです。したがって、このプロトコルは、高性能オンチップDKSソースの潜在的な商用アプリケーションに対する有望なアプローチです。

完全に統合されたSC電源を得るための主な制限は、EDFAを必要とする高いポンプパワーです。近年、DKSは非常に低いポンプパワーでSiN MRR上で実現されています。したがって、我々は、実用的な完全に統合されたDKSソースは、近い将来に作られると信じ...

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開示事項

著者らは、競合する財政的利益はないと宣言している。

謝辞

この研究は、中国国立自然科学財団(NSFC)(61675231グラント62075238)と中国科学アカデミーの戦略的優先研究プログラム(グラントNo.XDB24030600)。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
6軸カップリングステージ駿河精機KXC620G
KGW060		3つのリニア電動トランスレーションステートと3つの角度電動回転ステージが含まれています.
リニアステート:最小ステッピング:0.05 μm;トラベル:20mm;最大速度:25mm / s;繰り返し精度:+/- 0.3 μm;回転ステージ:トラベル:±8°C;;分解能/パルス:0.003度;再現性:±0.005°C;
研磨剤瀋陽Kejing Auto-Instrument Co., Ltd2980002炭化ケイ素、粒度: 1.5 μm
Glue 3410Electronic Materials IncorporatedOptocast 3410Optocast 3410は、光電子アセンブリに適した紫外線と熱硬化型のエポキシ樹脂です。320-380nmのU.V.光にさらされると急速に硬化します。
高指数ドープシリカガラス自家製-MRRは、高指数ドープシリカガラスプラットフォームによって製造されています。導波路セクションは2倍です。3 μmと半径は592.1μm、49 GHz の FSR に対応します。
ポンプレーザーNKT PhotonicsE15線幅100Hzの連続波ファイバーレーザーです。
超安定レーザーMenlosystemsORS最先端の線幅 (<1Hz)と安定性(<2 x 10-15 Hz)
粉末

参考文献

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