이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.

방법 논문

마이크로레소네이터에서 솔리톤 크리스탈의 신속한 반복 속도 변동 측정

2.7K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/60689

⸱

2021년 12월 15일

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

여기서, 열 조정 방법을 사용하여 나비 포장 마이크로 링 공진기에서 솔리톤 결정을 생성하는 프로토콜을 제시합니다. 또한, 단일 공석을 갖는 솔리톤 결정의 반복속도 변동은 지연된 자가이테로다인 방법을 사용하여 측정된다.

초록

현세적 솔리톤은 전파 커 매체의 비선형성에 의해 분산이 균형을 이루는 안정된 상태에서의 행동에 대해 지난 수십 년 동안 큰 관심을 끌었습니다. 하이큐 마이크로캐비티에서 소멸된 커 솔리톤(DKS)의 개발은 새로운 컴팩트한 칩 스케일 솔리톤 소스를 유도합니다. DKS가 펨토초 펄스 역할을 할 때, 반복 속도 변동은 초고정밀 계측, 고속 광학 샘플링 및 광학 시계 등에 적용될 수 있습니다. 이 논문에서, 입자와 같은 솔리톤이 단단히 포장되고 완전히 공진을 점유하는 DKSs의 특수 상태인 솔리톤 결정(SC)의 급속한 반복 속도 변동은 잘 알려진 지연된 자가 이테로다인 방법에 따라 측정된다. SC는 열 제어 방법을 사용하여 생성됩니다. 펌프는 100Hz의 라인 폭을 가진 주파수 고정 레이저입니다. 주파수 변동 측정의 필수적인 시간은 지연 섬유의 길이에 의해 제어됩니다. 단일 공석이 있는 SC의 경우 반복 속도 변동은 각각 125μs 이내의 ~53.24Hz 및 ~509.32Hz이다.

서론

커의 비선형성뿐만 아니라 커 이득 및 캐비티 분산1에의해 캐비티 분산이 균형을 이루는 미세 공명기의 꾸준한 DKS는 초고반복율, 컴팩트한 크기 및 저비용2에대한 과학 연구 커뮤니티에 큰 관심을 끌고 있다. 시간 영역에서, DKS는 고속 범위 측정3 및 분자 분광법4에사용 된 안정적인 펄스 열차입니다. 주파수 영역에서, DKS는 파장-분열-멀티플렉스(WDM) 통신 시스템5,6,광학 주파수 합성7,8,초저잡음 마이크로파 생성9,10등에 적합한 주파수 간격이 동일한 주파수 간격을 가진 일련의 주파수 라인을 갖는다. 빗 선의 위상 노이즈 또는 라인 폭은 이러한 응용 프로그램 시스템의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 모든 빗 라인은펌프(11)와유사한 선폭을 갖는 것으로 입증되었습니다. 따라서 초좁은 라인폭 레이저를 펌프로 사용하는 것은 DKS의 성능을 향상시키는 효과적인 방법입니다. 그러나, 대부분의 보고된 DKS의 펌프는 상대적으로 높은 소음으로 고생하고 kHz의 수백의 순서에 넓은 라인 폭을 가지고 외부 캐비티 다이오드 레이저 (ECDL)를 청소 주파수입니다. 튜닝 가능한 레이저와 비교하여 고정 주파수 레이저는 소음이 적고 라인 폭이 좁으며 볼륨이 작습니다. 예를 들어, Menlo 시스템은 1Hz 미만의 라인폭을 갖는 초안정 레이저 제품을 제공할 수 있다. 이러한 주파수 고정 레이저를 펌프와 같은 주파수 고정 레이저를 사용하여 생성된 DKS의 소음을 현저히 감소시킬 수 있다.

반복 속도 안정성은 DKS의 또 다른 중요한 매개 변수입니다. 일반적으로 주파수 카운터는 일반적으로 천 초15,16까지마이크로초의 순서에 있는 게이트 시간 내에 DKS의 주파수 안정성을 특성화하는 데 사용된다. 광검출기 및 주파수 카운터의 대역폭에 의해 제한되는 전기 광학 변조기 또는 기준 레이저는 일반적으로 DKSs의 자유 스펙트럼 범위(FSR)가 100GHz 이상일 때 검출된 주파수를 낮추는 데 사용됩니다. 이는 테스트 시스템의 복잡성을 높일 뿐만 아니라 RF 소스 또는 참조 레이저의 안정성으로 인한 추가 측정 오류를 생성합니다.

이 논문에서 마이크로 링 공진기(MRR)는 작동 온도를 제어하는 데 사용되는 상업용 TEC 칩으로 포장된 나비입니다. 펌프로서 100Hz의 라인폭을 가진 주파수 고정 레이저를 사용하여 솔리톤 결정(SC)은 작동 온도를 수동으로 감소시킴으로써 안정적으로 생성됩니다. 이들은 완전히 공진을 채울 수있는 특별한 DKS입니다17공동 고독의 집단 주문 앙상블. 우리의 지식에, 이것은 DKS 세대 실험에서 가장 좁은 라인 폭 펌프입니다. 모든 빗라인의 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 스펙트럼은 지연된 자가 이테로다인 간섭계(DSHI) 방법에 기초하여 측정됩니다. 빗선의 매우 좁은 선폭의 이점을 통해 솔리톤 결정(SC)의 반복 속도 불안정성은 PSD 곡선의 중앙 주파수 드리프트로부터 파생됩니다. 단일 공석이 있는 SC의 경우 10μs 이내 ~53.24Hz의 반복속도 불안정성 및 125μs 내에서 ~509.32Hz의 반복률을 얻었습니다.

프로토콜은 여러 가지 주요 단계로 구성됩니다: 첫째, MRR은 6축 커플링 스테이지를 사용하여 파이버 어레이(FA)와 결합됩니다. MRR은 고지수 도핑 실리카 유리 플랫폼18,19에의해 제조된다. 그런 다음 MRR을 14핀 나비 패키지로 패키징하여 실험의 안정성을 높입니다. SC는 열 제어 방법을 사용하여 생성됩니다. 마지막으로, SC의 반복 속도 변동은 DSHI 방법으로 측정됩니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

1. 광학 커플링

  1. 1.5 μm 연마 분말 (알루미늄 산화물)을 사용하여 연삭 판에 MRR의 끝면을 5 분 동안 물과 혼합.
  2. MRR을 칩 고정장치로 수정하고 8채널 FA를 6축 커플링 스테이지에 배치할 수 있으며, 여기에는 해상도가 50nm이고 해상도가 0.003°인 3개의 선형 스테이지가 포함된 3개의 선형 스테이지가 포함됩니다. MRR 및 FA의 패치는 250 μm입니다.
  3. 1,550nm 레이저를 광학 소스로 사용하여 커플링 효율을 실시간으로 모니터링하십시오. 개시 손실이 최소 값에 도달할 때까지 신중하게 FA의 위치를 조정, 일반적으로 미만 6 dB, 패싯 당 3 dB 미만의 커플링 손실에 해당.
  4. 자외선(UV) 곡선접착제(재료표)를사용하여 MRR 및 FA를 접착제로 배치합니다.
  5. UV 곡선 접착제를 150s용 UV 램프에 노출시키고 120°C의 챔버에서 1시간 이상 굽습니다.

2. 장치 포장

  1. 10.2mm x 6.05mm TEC 칩을 최대 전력 3.9W의 기본 플레이트에 실버 접착제를 사용하여 표준 14핀 나비 패키지의 베이스 플레이트에 응축합니다. TEC 칩의 두 전극을 나비 패키지의 두 핀으로 솔더링합니다.
  2. 실버 접착제를 사용하여 5mm × 5mm × 1mm 텅스텐 플레이트를 TEC 칩 표면에 붙여 넣습니다. 텅스텐 플레이트를 방열판으로 사용하여 TEC와 MRR 사이의 간격을 채웁니다.
  3. MRR 장치를 은 접착제를 사용하여 텅스텐 플레이트 의 상단에 붙여 넣고 FA의 피그테일을 나비 패키지의 출력 포트에 고정합니다.
  4. 실버 접착제를 사용하여 TEC 칩 표면에 테미저 칩을 붙여 넣습니다. 테미저의 전극 을 TEC 칩의 상단 표면에 연결합니다. 와이어는 금 실을 사용하여 나비 패키지의 두 핀에 테미저와 TEC 칩의 상단 표면의 다른 전극을 결합합니다.
  5. 포장된 장치를 100°C에서 1h로 굽어 실버 접착제를 고화시게 합니다.
  6. 나비 패키지를 밀봉합니다. 그림 1은 포장된 장치를 보여줍니다.

3. SC 생성

  1. 그림 2는 실험의 설정을 보여 주어. erbium 도핑 섬유 앰프(EDFA)를 사용하여 마이크로 콤 생성을 위한 펌프를 강화합니다. 섬유 편광 컨트롤러(FPC)를 사용하여 펌프의 편광 상태를 제어합니다. 단일 모드 섬유(SMF)를 사용하여 모든 장치를 연결합니다.
  2. 펌프 레이저의 파장을 1,556.3 nm에서 수정합니다. 외부 상용 TEC 컨트롤러를 통해 작동 온도를 수동으로 조정합니다.
  3. 광학 스펙트럼 분석기로 출력 광학 스펙트럼을 모니터링합니다. 3GHz 광검출기로 출력 전력 추적을 감지하고 오실로스코프로 기록합니다.
  4. EDFA의 출력을 34dBm으로 설정하여 30.5dBm의 온칩 전력(MRR 및 FA의 결합 손실 고려, FPC의 삽입 손실 고려)을 설정하여 마이크로 빗 생성을 위해 MRR에 충분한 전력이 결합되도록 합니다.
  5. 66°C의 작동 온도에 해당하는 2kΩ으로 저미터를 설정합니다. 그런 다음 저미터의 설정 값을 변경하여 작동 온도를 천천히 감소시면 됩니다. 이러한 실험에서, 테미터가 5.8kΩ으로 설정되었을 때, 38°C에 대응하는 MRR의 하나의 공진이 펌프를 통과하고 삼각형 형상 전력 추적을 기록하였다.
  6. 삼각형 변속기 동력 추적의 낙하 가장자리에서 SC 단계가 관찰될 때까지 FPC에 의한 펌프의 편광을 조정한다. 도 3은 일반적인 광변전기 동력 추적을 나타낸다.
  7. -66°C에서 동작 온도를 천천히 감소시키고 광학 스펙트럼 분석기에서 손바닥과 같은 광학 스펙트럼이 관찰되면 중지합니다. 이 실험에서 테미터의 가치는 약 5.6 kΩ이었다. 도 4A 및 도 5B는 각각 단일 공석을 가진 완벽한 SC 및 SC의 광학 스펙트럼을 보여줍니다.

4. 반복 속도 변동 측정

  1. 생성된 SC를 TTPF(조정 가능한 밴드패스 필터)에 연결하여 개별 빗 라인을 추출합니다. TBPF의 패스밴드를 0.1nm로 설정합니다. 중앙 파장의 중앙 파장을 전체 C 및 L 밴드위에 조정할 수 있습니다. 필터 경사는 400 dB/nm입니다.
  2. 선택한 빗선을 비대칭 마하-젠더 간섭계(AMZI)에 결합합니다. AMZI의 한 쪽 팔의 광학 주파수는 아쿠스토 옵틱 변조기(AOM)를 사용하여 200MHz로 이동합니다. 다른 팔의 광장은 광섬유 의 세그먼트에 의해 지연된다. 이 실험에는 2km와 25km의 지연 섬유가 사용됩니다.
  3. 광다이오드로 출력 광학 신호를 감지하고 전기 스펙트럼 분석기를 사용하여 PSD 스펙트럼을 분석합니다.
  4. TBPF의 중앙 파장을 조정합니다. 설명된 방법을 사용하여 모든 빗 선의 PSD를 측정합니다. 도 4B, C는 각각 2km 및 25km 지연 광섬유와 완벽한 SC의 빗 라인 S1 및 S2에 대한 PSD 스펙트럼을 보여줍니다.
  5. 동일한 방법을 사용하여 공석이 있는 SC의 PSD 곡선을 측정합니다. PSD 곡선의 3dB 대역폭을 기록하고 그림 5B, C에표시된 대로 선형으로 맞습니다. 10 μs 내에서 ~53.24Hz의 반복 속도 변동과 125 μs 이내의 ~509.32Hz의 반복 속도 변동이 도출되었다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

도 3은 펌프 전체에 공진 열이 조정된 동안 변속기 추적을 나타낸다. SC의 생성을 나타내는 명백한 전력 단계가 있었습니다. 이 단계는 전구체, 변조 불안정 빗과 비교하여 비슷한 힘을 가지고 있었습니다. 따라서 SC의 생성은 속도에 따라 조정되지 않았습니다. SC는 공석(쇼트키 결함), 프렌켈 결함, 상부 구조12,17등 다양한 주를 전시했다. 예를 들어, 도 4A는 27솔리톤과 그림 5A가 단일 공석을 가진 SC인 완벽한 SC를 나타낸다.

μ빗선의 주파수는

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

온칩 DKS는 새로운 컴팩트한 일관된 광학 소스를 제공하며 광학 계측, 분자 분광법 및 기타 기능에서 우수한 응용 전망을 제공합니다. 상용 애플리케이션의 경우 컴팩트한 포장 된 마이크로 콤 소스가 필수적입니다. 이 프로토콜은 MRR과 FA 간의 신뢰할 수 있고 낮은 커플링 손실 연결과 견고한 열 제어 DKS 생성 방법의 이점을 제공하는 패키지마이크로 콤을 만드는 실용적인 방법을 제공합니다. 따라서, 우리의 실험은 더 이상 결합 단계에 의존하고 우수한 환경 적응을 나타낸다. 한편, 펌프는 더 좁은 라인폭으로 작동할 수 있는 파장 고정 레이저로, 소음이 현저히 적으며, 튜닝 가능한 레이저에 비해 훨씬 작습니다. 따라서 이 프로토콜은 통합 된 고성능 온칩 DKS 소스의 잠재적 상용 응용 프로그램에 대한 유망한 접근 방식입니다.

완전히 통합된 SC 소스를 획득하는 데 있어 가장 큰 한계는 EDFA가 필요한 높은 펌프 전력입니다. 최근 SiN MRR에서 펌프 전력이 매우 낮은 DKS가 실...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

저자는 경쟁적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

감사의 글

이 작품은 중국 국립 자연 과학 재단 (NSFC) (그랜트 62075238, 61675231)와 중국 과학 아카데미의 전략적 우선 순위 연구 프로그램 (그랜트 번호)에 의해 지원되었다. XDB4030600).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
6 축 커플 링 스테이지Suruga SeikiKXC620G
KGW060		3 개의 선형 전동 변환 상태와 3 개의 각도 전동 회전 단계를 포함합니다 .
선형 상태 : 최소 스테핑 : 0.05 μ; m; 여행: 20mm; 최대 속도: 25mm/s; 반복성: +/-0.3 μ m; 회전 스테이지:여행: ± 8°; 분해능/펄스: 0.003도; 반복성:± 0.005°
연마 분말Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD2980002실리콘 카바이드, 입도 : 1.5 μ m
Glue 3410Electronic Materials IncorporatedOptocast 3410 Optocast3410은 광전자 조립에 적합한 자외선 및 열 경화 에폭시입니다. 320-380nm에서 UV 광에 노출되면 빠르게 경화됩니다.
고굴절률 도핑된 실리카 유리집에서 만든MRR은 고굴절률 도핑된 실리카 유리 플랫폼으로 제작됩니다. 도파관 섹션은 2×입니다. 3 &뮤; m이고 반경은 592.1 &mu입니다. m, 49GHz의 FSR에 해당합니다.
펌프 레이저NKT PhotonicsE15선폭이 100Hz인 연속파 파이버 레이저입니다.
초안정 레이저MenlosystemsORS최첨단 선폭 (< 1Hz) 및 안정성(< 2 x 10-15Hz)

참고문헌

  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).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

더 많은 논문 탐색

지연 자기-헤테로다인 방식마이크로 링 공진기소산 커 Kerr 솔리톤열 제어 방식광학 스펙트럼 분석기전기 스펙트럼 분석기광섬유 편광 제어기에르븀 첨가 광섬유 증폭기
마이크로레소네이터에서 솔리톤 크리스탈의 신속한 반복 속도 변동 측정
문의하기
도서관에 추천하기

개인정보 처리방침

이용 약관

정책

저작권 © 2026 MyJoVE Corporation. 모든 권리 보유.