Быстрое измерение флуктуаций частоты повторения кристаллов солитона в микрорезонаторе
December 15th, 2021
Здесь мы представляем протокол для генерации кристаллов солитона в микрокольцевом резонаторе с бабочкой с использованием метода термической настройки. Далее флуктуации частоты повторения кристалла солитона с одной вакансией измеряют с помощью отсроченного самогетеродинного метода.
В последние годы диссипативный солитон Керра стал новым когерентным источником света в масштабе чипа, который привлек большое внимание за огромную ценность в исследованиях физики солитона и практическом применении. Диссипативный солитон Керра имеет высокую частоту повторений. Таким образом, измерение относительных параметров, особенно колебаний частоты повторения, является сложной задачей.
В своей работе мы придумываем способ его получить. Между тем, прочный пакет необходим для практического применения. Наш протокол обеспечивает эффективный метод для встроенной упаковки микрокольцевого резонатора, генерации солитона и измерения колебаний частоты повторения.
Для начала исправьте микрокольцевой резонатор с помощью чипового крепления. На шестиосевой соединительной ступени, которая включает в себя три линейные ступени с разрешением 50 нанометров и три угловые ступени с разрешением 0,003 градуса, размещают восьмиканальную волоконную решетку. Используйте 1 550-нанометровый лазер в качестве оптического источника для мониторинга эффективности связи в режиме реального времени.
Тщательно отрегулируйте положение волоконного массива. Измерьте входную и выходную мощность с помощью измерителя оптической мощности. Держите потерю вставки на минимальном значении, обычно менее шести децибел, соответствующем потере связи менее трех децибел на фасетку.
Используйте ультрафиолетовый изогнутый клей для склеивания микрокольцевого резонатора и волоконной решетки. Поместите клей на боковой край контактирующей поверхности, чтобы убедиться, что на оптическом пути нет клея. Подвергайте искривленный УФ-клей ультрафиолетовой лампе в течение 150 секунд и выпекайте в камере при температуре 120 градусов Цельсия в течение более одного часа.
Со-аглютинируйте чип теплового электрического охладителя размером 10,2 на 6,05 миллиметра с максимальной мощностью 3,9 Вт на опорную пластину стандартного 14-контактного пакета бабочки с использованием серебряного клея. Заойте два электрода термоэлектрического охладителя чипа на два штифта корпуса бабочки. Вставьте вольфрамовую пластину на поверхность чипа термоэлектрического охладителя с помощью серебряного клея.
Используйте вольфрамовую пластину в качестве теплоотвода, чтобы заполнить зазор между тепловым электрическим охладителем и микрокольцевым резонатором. Используйте волоконный усилитель, легированный эрбием, для усиления насоса для генерации микро-гребенков. Управляйте поляризационным состоянием насоса с помощью контроллера поляризации волокон.
Подключите все устройства с помощью одномодовых волокон. Зафиксируйте длину волны накачки лазера. При 1556,3 нанометрах вручную настройте рабочую температуру через внешний коммерческий термоэлектрический контроллер охладителя до температуры выше 66 градусов цельсия, что достаточно высоко, чтобы переместить резонанс микрокольцевого резонатора в верхнюю часть вольфрамовой пластины с использованием серебряного клея и закрепить косичку волоконного массива на выходной плате пакета бабочки на красной стороне насоса.
Мониторинг выходного оптического спектра с помощью анализатора оптического спектра. Обнаружение трассировки выходной мощности с помощью трехгигагерцового фотодетектора и запись с помощью осциллографа. Установите выход волоконного усилителя, легированного эрбием, на 34 децибел милливатта или реагируя на встроенную мощность 30,5 децибел милливатт, что обеспечивает достаточную мощность, связанную с микрокольцевым резонатором для генерации микро-гребня.
Установите термистор на два килома, соответствующих рабочей температуре 66 градусов Цельсия, затем медленно снижайте рабочую температуру, увеличивая заданное значение термистора. Настройте поляризацию насоса с помощью контроллера поляризации волокна до тех пор, пока шаг кристалла солитона не будет наблюдаться на падающем крае треугольного следа мощности передачи. Когда на анализаторе оптического спектра наблюдается пальмоподобный оптический спектр, прекратите снижение рабочей температуры.
Значение термистора в этих экспериментах составляло около 5,6 килом. Подключите сгенерированные кристаллы солитона к настраиваемому ленточному фильтру для извлечения отдельной гребенчатой линии. Установите полосу пропускания настраиваемого полосового фильтра на 0,1 нанометра.
Настройте его центральную длину волны на всю полосу C и L и установите наклон фильтра на 400 децибел на нанометр. Пара выбранной гребенчатой линии к асимметричному макету интерферометра Зендера. Используйте акустооптический модулятор для смещения оптической частоты в одном плече асимметричного интерферометра-интерферометра на 200 мегагерц.
Оптическое поле в другом рукаве задерживается сегментом оптических волокон в два километра и 25 километров. Подключите фотодиод для обнаружения выходного оптического сигнала и используйте анализатор электрического спектра для анализа спектра плотности мощности. Настройте центральную длину волны настраиваемого полосового проходного фильтра.
Измерьте спектральную плотность мощности каждой гребенчатой линии. Используя тот же метод, измеряют кривые спектральной плотности мощности кристаллов солитона с вакансией. Запишите полосу пропускания в три децибел кривой спектральной плотности мощности, и это войдет в нее по частям через программу Python.
На этом рисунке показаны трансмиссионные силовые агрегаты, в то время как резонансная температура была настроена по всему насосу. Был очевидный силовой шаг, который указывал на генерацию кристаллов солитона. Здесь показан идеальный кристалл солитона с 27 солитонами, а также кристалл солитона с одной вакансией.
Идеальные кристаллы солитона на основе двухкилометрового и 25-километрового волокна задержки наблюдались с кривыми спектральной плотности мощности, имеющими плоские вершины, которые были вызваны колебаниями частоты во время задержки. Типичный оптический спектр кристаллов солитона, основанный на двухкилометровом и 25-километровом волокне задержки, был оснащен по частям линейными линиями, нанесенными синим цветом. Таким образом, микро-кольцевой резонатор на кристалле упакован в ячейку бабочки и предложен метод тепловой настройки, генерирующий кристалл солитона.
Наконец, мы используем метод замедленного самогетеродина для достижения измерения флуктуации частоты повторения.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
Эта статья представляет протокол для генерации солитонных кристаллов в микрокольцевом резонаторе с бабочкой с использованием теплового туннелированного метода. Она также измеряет флуктуации частоты повторения солитонного кристалла с одним вакансией с использованием задержанного самогомогенного метода.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Фотоника
- Нелинейная оптика
- Оптические резонаторы
Предпосылки
- Диссипативные керровские солитоны становятся источниками когерентного света в масштабе чипа.
- Они имеют высокую частоту повторения, что представляет собой задачу в измерении относительных параметров.
- Эффективная упаковка является ключевой для практических приложений.
- Это исследование посвящено методам генерации и измерения солитонов.
Цель исследования
- Разработать метод для генерации солитонных кристаллов.
- Точно измерить флуктуации частоты повторения.
- Предоставить надежное решение упаковки для микрокольцевых резонаторов.
Использованные методы
- Термический метод туннелирования для генерации солитонов.
- Задержанный самогомогенный метод для измерения флуктуаций частоты повторения.
- Протокол для микрокольцевого резонатора с бабочкой.
- Экспериментальная установка для тестирования солитонных кристаллов.
Основные результаты
- Успешная генерация солитонных кристаллов в микрокольцевом резонаторе.
- Демонстрируется измерение флуктуаций частоты повторения.
- Валидирован надежный метод упаковки для практических приложений.
- Получены представления о динамика солитонных кристаллов с одиночными вакансиями.
Выводы
- Разработанный протокол улучшает понимание динамики солитонов.
- Он предоставляет основу для будущих исследований в области физики солитонов.
- Методы могут быть применены к различным оптическим системам.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
This work enables precise measurement of repetition rate fluctuations in soliton crystals, a key parameter for assessing the stability and coherence of chip-scale optical sources. Such measurements support the development of reliable photonic systems for metrology, sensing, and optical communications where timing jitter and frequency noise impact system performance. The protocol provides a scalable approach to characterize soliton-based light sources, facilitating their integration into discovery and translational workflows requiring high-repetition-rate, low-noise optical signals.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of nonlinear optical dynamics in microresonator systems, supporting mechanistic understanding of soliton formation and stability.
- Operational Value: Provides a standardized method to quantify repetition rate fluctuations, allowing comparative evaluation of soliton states under controlled thermal tuning.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of soliton crystals as reproducible optical signal sources for downstream photonic assays requiring stable pulse trains.
- Operational Value: Enables assay readiness through delayed self-heterodyne measurement of repetition rate noise, a critical quality attribute for optical coherence.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports translational continuity by linking soliton generation protocols to measurable performance metrics relevant for device validation.
- Operational Value: Offers a pathway to assess risk-adjusted advancement of photonic components based on fluctuation thresholds derived from delay-fiber measurements.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the photonic discovery continuum by enabling soliton generation, followed by fluctuation analysis, to inform decisions on source suitability for applications in precision metrology and optical sampling.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding soliton crystal formation and vacancy-induced dynamics through measurable repetition rate outputs.
- Screening: Delivers quantitative fluctuation data (e.g., ~53.24 Hz within 10 µs and ~509.32 Hz within 125 µs) to rank soliton states by stability.
- Analytics: Provides power spectral density measurements from delayed self-heterodyne interferometry, enabling noise floor assessment and jitter quantification.
- Translational Research: Connects benchtop soliton generation to application-ready performance via fluctuation thresholds relevant for optical clock and metrology use cases.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable packaging and measurement protocol for micro-ring resonators, reducing redevelopment effort across photonic platform evaluations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in soliton source performance by quantifying repetition rate fluctuations under defined conditions.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized thermal tuning and delayed self-heterodyne measurement across soliton crystal variants.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for photonic component integration by linking fluctuation metrics to application-specific timing requirements.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of soliton-based technologies based on measured noise characteristics and scalability of the packaging approach.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photonics, nonlinear optics, and precision optical alignment for fiber-to-chip coupling.
- Depends on instrumentation including tunable lasers, erbium-doped fiber amplifiers, polarization controllers, and electrical spectrum analyzers.
- Necessitates cross-team standardization between photonic design, packaging, and measurement teams to ensure consistent soliton generation and fluctuation readouts.
- Involves adaptation considerations for different resonator geometries and delay fiber lengths when transferring the method to alternative microcavity platforms.
- Practical limitations include sensitivity to thermal drift and polarization state, which must be stabilized to maintain soliton crystal integrity during measurement.
