Hier presenteren we een protocol om solitonkristallen te genereren in een vlinder-verpakte micro-ring resonator met behulp van een thermisch afgestemde methode. Verder worden de herhalingssnelheidsfluctuaties van een solitonkristal met een enkele leegte gemeten met behulp van een vertraagde zelf-heterodyne methode.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Snelle herhalingssnelheid fluctuatiemeting van Solitonkristallen in een microresonator
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Temporale solitonen hebben de afgelopen decennia grote belangstelling getrokken voor hun gedrag in een steady state, waarbij de dispersie wordt gecompenseerd door de niet-lineariteit in een propagatie Kerr-medium. De ontwikkeling van dissipatieve Kerr-solitonen (DKS'en) in microcaviteiten met een hoog Q-gehalte drijft een nieuwe, compacte solitonbron op chipschaal aan. Wanneer DKS'en dienen als femtosecondepulsen, kan de herhalingssnelheidsfluctuatie worden toegepast op ultrahoge precisiemetrologie, optische bemonstering met hoge snelheid en optische klokken, enz. In dit artikel wordt de snelle herhalingssnelheidsfluctuatie van solitonkristallen (SC's), een speciale toestand van DKS'en waarbij deeltjesachtige solitonen dicht opeengepakt zijn en een resonator volledig bezetten, gemeten op basis van de bekende vertraagde zelf-heterodyne-methode. De SC's worden gegenereerd met behulp van een thermisch gecontroleerde methode. De pomp is een frequentie vaste laser met een lijnbreedte van 100 Hz. De integrale tijd in frequentiefluctuatiemetingen wordt geregeld door de lengte van de vertragingsvezel. Voor een SC met een enkele leegte zijn de herhalingsfrequentieschommelingen respectievelijk ~53,24 Hz binnen 10 μs en ~509,32 Hz binnen 125 μs.
Inleiding
De stabiele DKS'en in microresonators, waarbij de caviteitsdispersie wordt gecompenseerd door Kerr-niet-lineariteit, evenals de Kerr-versterking en holtedissipatie1, hebben grote belangstelling getrokken in de wetenschappelijke onderzoeksgemeenschap vanwege hun ultrahoge herhalingsfrequentie, compacte formaat en lage kosten2. In het tijdsdomein zijn DKS'en stabiele pulstreinen die zijn gebruikt voor hoge snelheidsmeting3 en moleculaire spectroscopie4. In het frequentiedomein hebben DKS'en een reeks frequentielijnen met gelijke frequentieafstanden die geschikt zijn voor golflengte-divisie-multiplex (WDM) communicatiesystemen5,6,optische frequentiesynthese7,8en ultra-lage ruis microgolfgeneratie9,10,enz. De faseruis of lijnbreedte van kamlijnen heeft direct invloed op de prestaties van deze toepassingssystemen. Het is bewezen dat alle kamlijnen een vergelijkbare lijnbreedte hebben met de pomp11. Daarom is het gebruik van een ultrasmalle lijnbreedtelaser als pomp een effectieve aanpak om de prestaties van DKS'en te verbeteren. De pompen van de meeste gerapporteerde DKS'en zijn echter frequency sweeping external cavity diode lasers (ECDL's), die last hebben van relatief hoge ruis en een brede lijnbreedte hebben in de orde van tientallen tot honderden kHz. In vergelijking met afstembare lasers hebben lasers met een vaste frequentie minder ruis, smallere lijnbreedten en een kleiner volume. Menlo-systemen kunnen bijvoorbeeld ultrastabiele laserproducten leveren met een lijnbreedte van minder dan 1 Hz. Het gebruik van een dergelijke frequentie vaste laser als een pomp kan het geluid van de gegenereerde DKS'en aanzienlijk verminderen. Onlangs zijn microheater- of thermo-elektrische koeler (TEC) -gebaseerde thermische tuningmethoden gebruikt voor DKSs generatie12,13,14.
Herhalingsfrequentiestabiliteit is een andere belangrijke parameter van DKSs. Over het algemeen worden frequentietellers gebruikt om de frequentiestabiliteit van DKSs binnen een gate-tijd te karakteriseren, die over het algemeen in de orde van een microseconde tot duizend seconden15,16ligt. Beperkt door de bandbreedte van de fotodetector en de frequentieteller, worden elektro-optische modulatoren of referentielasers meestal gebruikt om de gedetecteerde frequentie te verlagen wanneer het vrije spectrale bereik (FSR) van de DKSs meer dan 100 GHz is. Dit verhoogt niet alleen de complexiteit van testsystemen, maar produceert ook extra meetfouten veroorzaakt door de stabiliteit van RF-bronnen of referentielasers.
In dit artikel is een micro-ring resonator (MRR) butterfly verpakt met een commerciële TEC-chip die wordt gebruikt om de bedrijfstemperatuur te regelen. Met behulp van een frequentie vaste laser met een lijnbreedte van 100 Hz als pomp, worden solitonkristallen (SC's) stabiel gegenereerd door handmatig de bedrijfstemperatuur te verlagen; dit zijn speciale DKS'en die een resonator volledig kunnen vullen met collectief geordende ensembles van copropagerende solitonen17. Voor zover wij weten is dit de smalste lijnbreedtepomp in DKSs generatie experimenten. Het spectrum van de spectrale vermogensdichtheid (PSD) van elke kamlijn wordt gemeten op basis van een vertraagde zelf-heterodyne interferometer (DSHI) methode. Profiterend van de ultrasmalle lijnbreedte van de kamlijnen, wordt de herhalingssnelheidsinstabiliteit van solitonkristallen (SC's) afgeleid van de centrale frequentiedrift van de PSD-curven. Voor de SC met een enkele leegte verkregen we een herhalingsfrequentie instabiliteit van ~53,24 Hz binnen 10 μs en ~509,32 Hz binnen 125 μs.
Het protocol bestaat uit verschillende hoofdfasen: Ten eerste wordt de MRR gekoppeld aan een fiber array (FA) met behulp van een zesassige koppelingsfase. De MRR wordt vervaardigd door een hoog-index gedopeerd silicaglasplatform18,19. Vervolgens wordt de MRR verpakt in een 14-pins vlinderpakket, wat de stabiliteit voor de experimenten verhoogt. SC's worden gegenereerd met behulp van een thermisch gecontroleerde methode. Ten slotte worden de herhalingssnelheidsfluctuaties van SC's gemeten met een DSHI-methode.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Optische koppeling
- Polijst het eindvlak van de MRR op een maalplaat met 1,5 μm schuurpoeders (aluminiumoxide) gemengd met water gedurende 5 minuten.
- Bevestig de MRR met een chipbevestiging en plaats een achtkanaals FA op een zesassige koppelingsfase, die drie lineaire trappen met een resolutie van 50 nm en drie hoektrappen met een resolutie van 0,003° omvat. De patches van de MRR en FA zijn 250 μm.
- Gebruik een 1.550 nm laser als optische bron voor real-time monitoring van de koppelingsefficiëntie. Pas de positie van de FA zorgvuldig aan totdat het inzetverlies de minimumwaarde bereikt, meestal minder dan 6 dB, wat overeenkomt met een koppelingsverlies van minder dan 3 dB per facet.
- Gebruik een ultraviolette (UV) gebogen lijm(Table of Materials)om de MRR en FA te lijmen. Plaats de lijm op de zijrand van het contactoppervlak, wat ervoor zorgt dat er geen lijm op het optische pad zit.
- Stel de UV-gebogen lijm gedurende 150 s bloot aan een UV-lamp en bak gedurende meer dan 1 uur in een kamer bij 120 °C.
2. Verpakking van het apparaat
- Conpliceer een 10,2 mm x 6,05 mm TEC-chip met een maximaal vermogen van 3,9 W aan de basisplaat van een standaard 14-pins vlinderpakket met zilverlijm. Soldeer de twee elektroden van de TEC-chip op twee pinnen van het vlinderpakket.
- Plak met zilverlijm een 5 mm × 5 mm × 1 mm wolfraamplaat op het oppervlak van de TEC-chip. Gebruik de wolfraamplaat als koellichaam om de opening tussen de TEC en MRR te vullen.
- Plak het MRR-apparaat met zilverlijm op de bovenkant van de wolfraamplaat en bevestig de pigtail van de FA aan de uitvoerpoort van het vlinderpakket.
- Plak een thermistorchip op het oppervlak van de TEC-chip met zilverlijm. Sluit één elektrode van de thermistor aan op het bovenoppervlak van de TEC-chip. Draad bindt de andere elektrode van de thermistor en het bovenoppervlak van de TEC-chip met behulp van gouddraad aan twee pinnen van het vlinderpakket.
- Bak het verpakte apparaat gedurende 1 uur op 100 °C om de zilverlijm te stollen.
- Verzegel het vlinderpakket. Figuur 1 toont het verpakte apparaat.
3. Sc's genereren
- Figuur 2 toont de opzet van de experimenten. Gebruik een erbium-gedopeerde vezelversterker (EDFA) om de pomp te versterken voor het genereren van microkammen. Regel de polarisatietoestand van de pomp met behulp van een fiber polarisatieregelaar (FPC). Sluit alle apparaten aan met behulp van single mode fibers (SMF).
- Stel de golflengte van de pomplaser vast op 1.556,3 nm. Stem de bedrijfstemperatuur handmatig af via een externe commerciële TEC-controller.
- Bewaak het optische uitgangsspectrum met een optische spectrumanalysator. Detecteer het uitgangsvermogensspoor met een 3 GHz fotodetector en neem op met een oscilloscoop.
- Stel de output van de EDFA in op 34 dBm, wat overeenkomt met een on-chip vermogen van 30,5 dBm (gezien het koppelingsverlies van de MRR en FA, insertverlies van de FPC), wat ervoor zorgt dat er voldoende vermogen is gekoppeld aan de MRR voor microkamgeneratie.
- Stel de thermistor in op 2 kΩ, wat overeenkomt met een bedrijfstemperatuur van 66 °C. Verlaag vervolgens langzaam de bedrijfstemperatuur door de ingestelde waarde van de thermistor te wijzigen. In deze experimenten, toen de thermistor was ingesteld op 5,8 kΩ, wat overeenkomt met 38 °C, ging één resonantie van de MRR door de pomp en werd een driehoekig vormvermogensspoor geregistreerd.
- Stem de polarisatie van de pomp af door de FPC totdat een SC-stap wordt waargenomen aan de vallende rand van het driehoekige zendvermogensspoor. Figuur 3 toont een typisch optisch zendvermogensspoor.
- Verlaag de bedrijfstemperatuur langzaam van ~ 66 °C en stop wanneer een handpalmachtig optisch spectrum wordt waargenomen op de optische spectrumanalysator. De waarde van de thermistor was ongeveer 5,6 kΩ in deze experimenten. Figuur 4A en figuur 5B tonen de optische spectra van respectievelijk perfecte SC's en SC's met een enkele leegte.
4. Herhalingssnelheid fluctuatiemeting
- Sluit de gegenereerde SC's aan op een afstembaar bandpassfilter (TBPF) om een afzonderlijke kamlijn te extraheren. Stel de passband van de TBPF in op 0,1 nm. De centrale golflengte kan worden afgestemd over de volledige C- en L-band. De filterhelling is 400 dB/nm.
- Koppel de geselecteerde kamlijn aan een asymmetrische Mach-Zehnder interferometer (AMZI). De optische frequentie in één arm van de AMZI wordt met 200 MHz verschoven met behulp van een acousto-optische modulator (AOM). Het optische veld in de andere arm wordt vertraagd door een segment van optische vezels. In deze experimenten worden vertragingsvezels van 2 km en 25 km gebruikt.
- Detecteer het optische uitgangssignaal met een fotodiode en analyseer het PSD-spectrum met behulp van een elektrische spectrumanalysator.
- Stem de centrale golflengte van de TBPF af. Meet de PSD's van elke kamlijn met behulp van de beschreven methode. Figuur 4B,C toont de PSD spectra voor kamlijnen S1 en S2 van perfecte SC's met respectievelijk de 2 km en 25 km vertraging optische vezels.
- Meet met dezelfde methode de PSD-curven van SC's met een vacature. Noteer de 3 dB-bandbreedte van de PSD-curve en pas deze stuklings lineair aan zoals weergegeven in figuur 5B,C. Herhalingsfrequentiefluctuaties van ~53,24 Hz binnen 10 μs en ~509,32 Hz binnen 125 μs werden afgeleid.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 3 toont het zendvermogensspoor terwijl een resonantiethermie over de pomp werd afgestemd. Er was een voor de hand liggende vermogensstap die de generatie van SC's aangaf. De stap had een vergelijkbare kracht in vergelijking met zijn voorloper, de modulatie-instabiliteitskam. Daarom was de generatie SC's niet afhankelijk van de stemsnelheid. De SC's vertoonden een grote verscheidenheid aan toestanden, waaronder vacatures (Schottky-defecten), Frenkel-defecten en bovenbouw
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
On-chip DKS'en bieden nieuwe compacte coherente optische bronnen en vertonen uitstekende toepassingsvooruitzichten in optische metrologie, moleculaire spectroscopie en andere functies. Voor commerciële toepassingen zijn compacte verpakte microkambronnen essentieel. Dit protocol biedt een praktische aanpak om een verpakte microkam te maken die profiteert van de betrouwbare, lage koppelingsverliesverbinding tussen de MRR en FA, evenals een robuuste thermisch gecontroleerde DKS-opwekkingsmethode. Daarom zijn onze experiment...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) en het Strategic Priority Research Program van de Chinese Academy of Sciences (Grant No. XDB24030600).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 6-axis koppelingsfase | Suruga Seiki | KXC620G KGW060 | Bevat 3 lineaire gemotoriseerde translatietoestanden en 3 hoekige gemotoriseerde rotatiefasen. Lineaire toestand: Minimum stappen: 0,05 μm; Afstand: 20mm; Max.snelheid: 25mm/s; Herhaalbaarheid: +/-0,3 μm; Rotatiefase:Afstand: ±8°; Resolutie/puls: 0,003 graad; Herhaalbaarheid:±0,005° |
| Slijtpoeder | Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD | 2980002 | Siliciumcarbide, korrelgrootte: 1,5 μm |
| Lijm 3410 | Electronic Materials Incorporated | Optocast 3410 | Optocast 3410 is een ultra-violette licht- en hitte-hardende epoxy die geschikt is voor opto-elektronische assemblage. Het hardt snel uit wanneer het wordt blootgesteld aan U.V. licht in de 320-380 nm. |
| Hoog-index gedopte silicaglas | Zelfgemaakt | - | De MRR is gemaakt van een hoog-index gedopte silicaglas platform. Het golfgeleidergedeelte is 2×3 μm en de straal is 592,1 μm, wat overeenkomt met een FSR van 49 GHz. |
| Pomplaser | NKT Photonics | E15 | Het is een continue golfvezellaser met een lijnbreedte van 100 Hz. |
| Ultrastabiele laser | Menlosystems | ORS | State-of-the-art lijnbreedte (<1Hz) en stabiliteit (<2 x 10-15 Hz) |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
