Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Szybki pomiar fluktuacji szybkości powtarzania kryształów solitonu w mikrorezonatorze

2.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60689

⸱

15 grudnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół generowania kryształów solitonu w mikro-pierścieniowym rezonatorze z motylkami przy użyciu metody dostrojonej termicznie. Ponadto fluktuacje szybkości powtarzania kryształu solitonu z pojedynczym wakatem są mierzone za pomocą metody opóźnionej autoheterodyny.

Streszczenie

Solitony czasowe cieszyły się dużym zainteresowaniem w ostatnich dziesięcioleciach ze względu na ich zachowanie w stanie ustalonym, gdzie dyspersja jest równoważona przez nieliniowość w ośrodku propagacji Kerra. Rozwój dyssypatywnych solitonów Kerra (DKS) w mikrownękach o wysokiej jakości Q napędza nowe, kompaktowe źródło solitonów w skali chipowej. Gdy DKS służą jako impulsy femtosekundowe, fluktuacja częstotliwości powtarzania może być stosowana do ultraprecyzyjnej metrologii, szybkiego próbkowania optycznego, zegarów optycznych itp. W niniejszej pracy zmierzono szybką fluktuację szybkości powtarzania kryształów solitonu (SC), specjalnego stanu DKS, w którym solitony podobne do cząstek są ciasno upakowane i całkowicie zajmują rezonator, w oparciu o dobrze znaną metodę opóźnionej autoheterodyny. SC są generowane metodą kontrolowaną termicznie. Pompa jest laserem o stałej częstotliwości i szerokości linii 100 Hz. Całkowy czas w pomiarach fluktuacji częstotliwości jest kontrolowany przez długość włókna opóźniającego. W przypadku SC z pojedynczym wakatem wahania częstotliwości powtarzania wynoszą odpowiednio ~53,24 Hz w ciągu 10 μs i ~509,32 Hz w ciągu 125 μs.

Wprowadzenie

Stałe DKS w mikrorezonatorach, gdzie dyspersja wnęki jest równoważona przez nieliniowość Kerra, a także wzmocnienie Kerra i rozpraszanie wnęki1, wzbudziły duże zainteresowanie w środowisku naukowym ze względu na ich ultra-wysoką częstotliwość powtarzania, kompaktowy rozmiar i niski koszt2. W dziedzinie czasu DKS-y są stabilnymi ciągami impulsów, które zostały użyte do szybkiego pomiaru zakresu3 i spektroskopia molekularna4. W dziedzinie częstotliwości DKS mają szereg linii częstotliwości o równych odstępach częstotliwości, które są odpowiednie dla systemów komunikacyjnych WDM (Wavelength-Division-Multiplex) 5,6, optical frequency synthesis7,8, oraz ultra-low noise microwave generation9,10itd. Szum fazowy lub szerokość linii grzebieniowych ma bezpośredni wpływ na wydajność tych systemów aplikacyjnych. Udowodniono, że wszystkie linie grzebieniowe mają podobną szerokość linii z pump11. Dlatego użycie lasera o ultrawąskiej szerokości linii jako pompy jest skutecznym podejściem do poprawy wydajności DKS. Jednak pompy większości zgłoszonych DKS to lasery diodowe z zewnętrzną wnęką (ECDL), które cierpią z powodu stosunkowo wysokiego szumu i mają szeroką szerokość linii rzędu dziesiątek do setek kHz. W porównaniu z laserami przestrajalnymi, lasery o stałej częstotliwości mają mniej szumów, węższe szerokości linii i mniejszą objętość. Na przykład systemy Menlo mogą dostarczać ultrastabilne produkty laserowe o szerokości linii mniejszej niż 1 Hz. Użycie lasera o stałej częstotliwości jako pompy może znacznie zmniejszyć szum generowanych DKS. Ostatnio do generowania DKS zastosowano metody dostrajania termicznego oparte na mikrogrzejnikach lub chłodnicach termoelektrycznych (TEC)12,13,14.

Stabilność częstotliwości powtarzania to kolejny ważny parametr DKS-ów. Ogólnie rzecz biorąc, liczniki częstotliwości są używane do charakteryzowania stabilności częstotliwości DKS w czasie bramki, który zwykle jest rzędu mikrosekundy do tysiąca sekund15,16. Ograniczone przez szerokość pasma fotodetektora i licznika częstotliwości, modulatory elektrooptyczne lub lasery referencyjne są zwykle używane do obniżania wykrywanej częstotliwości, gdy swobodny zakres spektralny (FSR) DKS wynosi ponad 100 GHz. To nie tylko zwiększa złożoność systemów testowych, ale także generuje dodatkowe błędy pomiarowe spowodowane stabilnością źródeł RF lub laserów referencyjnych.

W tym artykule, rezonator mikropierścieniowy (MRR) jest wyposażony w komercyjny chip TEC, który służy do kontrolowania temperatury pracy. Wykorzystując jako pompę laser o stałej częstotliwości i szerokości linii 100 Hz, kryształy solitonu (SC) są stabilnie generowane przez ręczne obniżanie temperatury roboczej; są to specjalne DKS-y, które mogą całkowicie wypełnić rezonator kolektywnie uporządkowanymi zespołami współpropagujących solitonów17. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, jest to najwęższa pompa o szerokości linii w eksperymentach generacji DKS. Widmo gęstości widmowej mocy (PSD) każdej linii grzebieniowej jest mierzone w oparciu o metodę opóźnionego interferometru samoheterodynowego (DSHI). Korzystając z ultrawąskiej szerokości linii grzebieniowej, niestabilność szybkości powtarzania kryształów solitonu (SC) wynika z centralnego dryfu częstotliwości krzywych PSD. Dla SC z pojedynczym wakancją uzyskaliśmy niestabilność częstotliwości powtarzania na poziomie ~53,24 Hz w ciągu 10 μs i ~509,32 Hz w ciągu 125 μs.

Protokół składa się z kilku głównych etapów: Po pierwsze, MRR jest sprzężony z matrycą światłowodową (FA) za pomocą sześcioosiowego etapu sprzęgającego. MRR jest wytwarzany przez platformę ze szkła krzemionkowego domieszkowanego o wysokim indeksie18,19. Następnie MRR jest pakowany w 14-pinową obudowę motylkową, co zwiększa stabilność eksperymentów. SC są generowane metodą kontrolowaną termicznie. Wreszcie, fluktuacje częstotliwości powtarzania SC są mierzone metodą DSHI.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Sprzężenie optyczne

  1. Wypoleruj powierzchnię czołową MRR na płycie szlifierskiej za pomocą proszków ściernych 1,5 μm (tlenek glinu) zmieszanych z wodą przez 5 minut.
  2. Zamocuj MRR za pomocą uchwytu chipowego i umieść ośmiokanałowy FA na sześcioosiowym stopniu sprzęgającym, który obejmuje trzy stopnie liniowe o rozdzielczości 50 nm i trzy stopnie kątowe o rozdzielczości 0,003°. Łaty MRR i FA mają wielkość 250 μm.
  3. Użyj lasera 1 550 nm jako źródła optycznego do monitorowania wydajności sprzężenia w czasie rzeczywistym. Ostrożnie dostosuj położenie FA, aż tłumienie na wstawce osiągnie minimalną wartość, zwykle mniejszą niż 6 dB, co odpowiada tłumieniu sprzężenia mniejszym niż 3 dB na fasetę.
  4. Użyj zakrzywionego kleju w ultrafiolecie (UV) (Tabela materiałów), aby przykleić MRR i FA. Umieść klej na bocznej krawędzi powierzchni styku, co zapewni, że na ścieżce optycznej nie będzie kleju.
  5. Klej z zakrzywieniem UV należy wystawić na działanie lampy UV przez 150 s i piec w komorze w temperaturze 120 °C przez ponad 1 godzinę.

2. Pakowanie urządzeń

  1. Sklej chip TEC o wymiarach 10,2 mm x 6,05 mm o maksymalnej mocy 3,9 W do płyty bazowej standardowej 14-pinowej obudowy motylkowej za pomocą srebrnego kleju. dwie elektrody układu TEC do dwóch pinów pakietu motylkowego.
  2. Wklej płytkę wolframową o średnicy 5 mm × 5 mm × 1 mm do powierzchni chipa TEC za pomocą srebrnego kleju. Użyj płytki wolframowej jako radiatora, aby wypełnić lukę między TEC a MRR.
  3. Wklej urządzenie MRR do górnej części płytki wolframowej za pomocą srebrnego kleju i przymocuj warkocz FA do portu wyjściowego pakietu motylkowego.
  4. Wklej chip termistora do powierzchni chipa TEC za pomocą srebrnego kleju. Podłącz jedną elektrodę termistora do górnej powierzchni układu TEC. Podłącz drutem drugą elektrodę termistora i górną powierzchnię układu TEC do dwóch pinów pakietu motylkowego za pomocą złotej nici.
  5. Piecz zapakowane urządzenie w temperaturze 100 °C przez 1 godzinę w celu zestalenia srebrnego kleju.
  6. Zapieczętuj pakiet motylkowy. Rysunek 1 przedstawia urządzenie w pakiecie.

3. Generowanie SC

  1. Rysunek 2 pokazuje konfigurację eksperymentów. Użyj wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego erbem (EDFA), aby wzmocnić pompę w celu generowania mikrogrzebienia. Kontroluj stan polaryzacji pompy za pomocą światłowodowego regulatora polaryzacji (FPC). Połącz wszystkie urządzenia za pomocą światłowodów jednomodowych (SMF).
  2. Ustal długość fali lasera pompy na 1 556.3 nm. Ręcznie dostosuj temperaturę pracy za pomocą zewnętrznego komercyjnego sterownika TEC.
  3. Monitoruj wyjściowe widmo optyczne za pomocą analizatora widma optycznego. Wykryj ślad mocy wyjściowej za pomocą fotodetektora 3 GHz i zarejestruj za pomocą oscyloskopu.
  4. Ustaw wyjście EDFA na 34 dBm, co odpowiada mocy na chipie 30,5 dBm (biorąc pod uwagę straty sprzężenia MRR i FA, tłumienie wtrąceniowe FPC), co zapewnia wystarczającą moc sprzężoną z MRR do generowania mikrogrzebienia.
  5. Ustawić termistor na 2 kΩ, co odpowiada temperaturze roboczej 66 °C. Następnie powoli zmniejszaj temperaturę roboczą, zmieniając ustawioną wartość termistora. W tych eksperymentach, gdy termistor był ustawiony na 5,8 kΩ, co odpowiada 38 °C, jeden rezonans MRR przeszedł przez pompę i zarejestrowano trójkątny ślad mocy.
  6. Dostosuj polaryzację pompy za pomocą FPC, aż do momentu zaobserwowania kroku SC na krawędzi opadającej trójkątnego toru mocy transmisyjnej. Rysunek 3 pokazuje typowy ślad mocy transmisji optycznej.
  7. Powoli zmniejszaj temperaturę pracy od ~66 °C i zatrzymaj się, gdy na optycznym analizatorze widma zostanie zaobserwowane widmo optyczne podobne do dłoni. Wartość termistora wynosiła w tych eksperymentach około 5,6 kΩ. Rysunek 4A i Rysunek 5B pokazuje widma optyczne idealnych SC i SC odpowiednio dla jednego wolnego miejsca.

4. Pomiar fluktuacji częstotliwości powtarzania

  1. Podłącz wygenerowane SC do przestrajalnego filtra pasmowoprzepustowego (TBPF), aby wyodrębnić pojedynczą linię grzebieniową. Ustaw pasmo przepustowe TBPF na 0,1 nm. Jego centralna długość fali może być dostrojona w pełnym paśmie C i L. Nachylenie filtra wynosi 400 dB/nm.
  2. Sprzęgnij wybraną linię grzebieniową z asymetrycznym interferometrem Macha-Zehndera (AMZI). Częstotliwość optyczna w jednym ramieniu AMZI jest przesunięta o 200 MHz za pomocą modulatora akustyczno-optycznego (AOM). Pole optyczne w drugim ramieniu jest opóźnione przez odcinek światłowodu. W eksperymentach tych stosuje się włókna opóźniające o długości 2 km i 25 km.
  3. Wykryj wyjściowy sygnał optyczny za pomocą fotodiody i przeanalizuj widmo PSD za pomocą elektrycznego analizatora widma.
  4. Dostosuj centralną długość fali TBPF. Zmierz PSD każdej linii grzebieniowej przy użyciu opisanej metody. Rysunek 4B,C pokazuje widma PSD dla linii grzebieniowych S1 i S2 doskonałych SC ze światłowodami o opóźnieniu odpowiednio 2 km i 25 km.
  5. Korzystając z tej samej metody, zmierz krzywe PSD SC z wakatem. Zapisz szerokość pasma 3 dB krzywej PSD i dopasuj ją liniowo kawałkowo, jak pokazano na Rysunek 5B,C. Wyprowadzono wahania częstotliwości powtarzania ~53,24 Hz w ciągu 10 μs i ~509,32 Hz w ciągu 125 μs.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 3 przedstawia przebieg mocy transmisji podczas strojenia rezonansu termicznego w obszarze pompy. Widoczny był wyraźny skok mocy, który wskazywał na generację SC. Skok ten miał podobną moc w porównaniu do swojego prekursora, grzebienia niestabilności modulacyjnej. Zatem generacja SC nie była zależna od prędkości strojenia. SC wykazywały dużą różnorodność stanów, w tym wakansje (defekty Schottky’ego), defekty Frenkla oraz nadstrukturę12,

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Zintegrowane układowo DKS stanowią nowatorskie, kompaktowe koherentne źródła optyczne i wykazują doskonałe perspektywy zastosowań w metrologii optycznej, spektroskopii molekularnej oraz innych funkcjach. W przypadku zastosowań komercyjnych niezbędne są kompaktowe, obudowane źródła mikrogrzebieni. Niniejszy protokół przedstawia praktyczne podejście do wykonania obudowanego mikrogrzebienia, który korzysta z niezawodnego połączenia o niskich stratach sprzęgania pomiędzy MRR a FA, a także z odpornej metody generowania DKS z ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) oraz Strategiczny Priorytetowy Program Badawczy Chińskiej Akademii Nauk (Grant No. XDB24030600).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
6-osiowy stopień sprzęganiaSuruga SeikiKXC620G
KGW060		Zawiera 3 liniowe zmotoryzowane stany translacji i 3 kątowe zmotoryzowane stopnie obrotowe.
Stan liniowy: Minimalny krok: 0,05 μ m; Skok: 20mm; Maksymalna prędkość: 25 mm / s; Powtarzalność: +/-0,3 μ m; Etap obrotowy:Podróż: ± 8&; Rozdzielczość/impuls: 0,003 stopnia; Powtarzalność:± 0,005&stopni;
Proszek ściernyShenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD2980002węglik krzemu, ziarnistość: 1,5 μ m
Klej 3410Electronic Materials IncorporatedOptocast 3410Optocast 3410 to żywica epoksydowa utwardzana światłem ultrafioletowym i termicznym, odpowiednia do montażu optoelektronicznego. Szybko utwardza się pod wpływem światła UV w zakresie 320-380 nm.
Szkło krzemionkowe domieszkowane o wysokim indeksiedomowej roboty-MRR jest wytwarzany przez platformę ze szkła krzemionkowego domieszkowanego o wysokim indeksie. Sekcja falowodu wynosi 2 i razy; 3 μ m i promień wynosi 592,1 Μ m, co odpowiada FSR 49 GHz.
Laser pompowyNKT PhotonicsE15Jest to laser światłowodowy o fali ciągłej o szerokości linii 100 Hz.
Ultrastabilny laserMenlosystemsORSNajnowocześniejsza szerokość linii (< 1 Hz) i stabilność (< 2 x 10-15 Hz)

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

metoda opóźnionej autoheterodynyrezonator pierścieniowydyssypatywne solitony Kerrametoda kontroli termicznejanalizator widma optycznegoanalizator widma elektrycznegokontroler polaryzacji włóknawzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem
Szybki pomiar fluktuacji szybkości powtarzania kryształów solitonu w mikrorezonatorze
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.