Summary
在这里，我们提出了一种使用热调谐方法在蝴蝶封装的微环谐振器中产生孤子晶体的协议。此外，使用延迟自外差法测量具有单个空位的孤子晶体的重复速率波动。
Abstract
在过去的几十年中，时间孤子因其在稳定状态下的行为而引起了极大的兴趣，其中色散由传播Kerr介质中的非线性度平衡。耗散Kerr孤子（DKS）在高Q微腔中的发展推动了一种新颖，紧凑，芯片级的孤子源。当DKS作为飞秒脉冲时，重复率波动可以应用于超高精度计量，高速光学采样和光学时钟等。本文基于众所周知的延迟自外差法测量了孤子晶体（SC）的快速重复速率波动，这是DKS的一种特殊状态，其中颗粒状孤子紧密堆积并完全占据谐振器。SC是使用热控制方法生成的。泵浦是一种频率固定激光器，线宽为100 Hz。频率波动测量中的积分时间由延迟光纤的长度控制。对于具有单个空位的SC，重复率波动分别为10 μs内的~53.24 Hz和125 μs内的~509.32 Hz。
Introduction
微谐振器中的稳定DKS，其中腔体色散由Kerr非线性度以及Kerr增益和空腔耗散1平衡，因其超高重复率，紧凑尺寸和低成本2引起了科学研究界的极大兴趣。在时域中，DKS是稳定的脉冲序列，已用于高速测距测量3和分子光谱学4。在频域中，DKS具有一系列具有相等频率间距的频率线，适用于波分复用（WDM）通信系统5、6、光频率合成7、8和超低噪声微波生成9、10等。梳状线的相位噪声或线宽直接影响这些应用系统的性能。已经证明，所有梳状线都与泵11具有相似的线宽。因此，使用超窄线宽激光器作为泵浦是提高DKS性能的有效方法。然而，大多数报道的DKS的泵浦是频率扫描外腔二极管激光器（ECDL），其噪声相对较高，并且具有数十至数百kHz的宽线宽。与可调谐激光器相比，定频激光器具有更低的噪声，更窄的线宽和更小的体积。例如，Menlo系统可以提供线宽小于1 Hz的超稳定激光产品，使用这种频率固定激光器作为泵可以显着降低生成的DKS的噪声。最近，基于微加热器或热电冷却器（TEC）的热调谐方法已用于DKS第12代，13代，14。
重复率稳定性是DKS的另一个重要参数。通常，频率计数器用于表征DKS在栅极时间内的频率稳定性，其数量级为15，16微秒至1000秒。受光电探测器和频率计数器带宽的限制，电光调制器或参考激光器通常用于在DKS的自由光谱范围（FSR）超过100 GHz时降低检测频率。这不仅增加了测试系统的复杂性，而且还会产生由RF源或参考激光器的稳定性引起的额外测量误差。
在本文中，微环形谐振器（MRR）采用用于控制工作温度的商用TEC芯片进行蝶形封装。使用线宽为100 Hz的频率固定激光器作为泵浦，通过手动降低工作温度稳定地产生孤子晶体（SC）;这些是特殊的DKS，可以完全填充谐振器，具有集体有序的共振孤子集合17。据我们所知，这是DKS发电实验中最窄的线宽泵。基于延迟自外差干涉仪（DSHI）方法测量每条梳状线的功率谱密度（PSD）光谱。得益于梳状线的超窄线宽，孤子晶体（SC）的重复率不稳定性来自PSD曲线的中心频率漂移。对于具有单个空位的SC，我们在10 μs内获得了~53.24 Hz的重复率不稳定性，在125 μs内获得了~509.32 Hz的重复率不稳定性。
该协议由几个主要阶段组成：首先，MRR使用六轴耦合级与光纤阵列（FA）耦合。所述MRR是由高折射率掺杂的二氧化硅玻璃平台18、19制备的。然后，将MRR封装成14引脚蝶形封装，这增加了实验的稳定性。SC是使用热控制方法生成的。最后，采用DSHI方法测量SC的重复率波动。
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Protocol
1. 光耦合
- 使用1.5μm研磨粉末（氧化铝）与水混合5分钟，在磨盘上抛光MRR的端面。
- 用芯片夹具固定MRR，并将八通道FA放置在六轴耦合级上，该级包括三个分辨率为50 nm的线性级和三个分辨率为0.003°的角度级。MRR和FA的贴片为250μm。
- 使用1，550 nm激光器作为光源，实时监测耦合效率。仔细调整FA的位置，直到插入损耗达到最小值，通常小于6 dB，对应于每个刻面小于3 dB的耦合损耗。
- 使用紫外线（UV）弯曲粘合剂（材料表）粘合MRR和FA.将粘合剂放在接触面的侧边缘，以确保光路上没有胶水。
- 将UV弯曲的粘合剂暴露在UV灯下150秒，然后在120°C的腔室中烘烤超过1小时。
2. 设备包装
- 使用银胶将最大功率为 3.9 W 的 10.2 mm x 6.05 mm TEC 芯片凝聚到标准 14 引脚蝶形封装的底板上。将TEC芯片的两个电极焊接到蝶形封装的两个引脚上。
- 使用银胶将5 mm×5 mm×1 mm钨板粘贴到TEC芯片表面。使用钨板作为散热器来填充TEC和MRR之间的间隙。
- 使用银胶将MRR设备粘贴到钨板的顶部，并将FA的尾纤固定在蝶形封装的输出端口上。
- 使用银胶将热敏电阻芯片粘贴到TEC芯片的表面。将热敏电阻的一个电极连接到TEC芯片的顶部表面。使用金线将热敏电阻的另一个电极和TEC芯片的顶面引线粘合到蝶形封装的两个引脚上。
- 将包装好的设备在100°C烘烤1小时，使银胶固化。
- 密封蝴蝶包。 图 1 显示了打包的设备。
3. 在册种姓的产生
- 图2 显示了实验的设置。使用掺铒光纤放大器 （EDFA） 来增强泵的微梳生成。使用光纤偏振控制器（FPC）控制泵的极化状态。使用单模光纤 （SMF） 连接所有设备。
- 将泵浦激光器的波长固定在1，556.3 nm。通过外部商用TEC控制器手动调整工作温度。
- 使用光谱分析仪监控输出光谱。使用 3 GHz 光电探测器检测输出功率迹线，并使用示波器进行记录。
- 将EDFA的输出设置为34 dBm，对应30.5 dBm的片内功率（考虑MRR和FA的耦合损耗，FPC的插入损耗），这保证了有足够的功率耦合到MRR中，用于微梳的产生。
- 将热敏电阻设置为2 kΩ，对应于66°C的工作温度。 然后通过改变热敏电阻的设定值来缓慢降低工作温度。在这些实验中，当热敏电阻设置为5.8 kΩ，对应于38°C时，MRR的一个谐振通过泵并记录三角形功率迹线。
- 通过FPC调整泵的极化，直到在三角形传输功率迹线的下降沿观察到SC步长。 图3 显示了典型的光传输功率迹线。
- 将工作温度从~66°C缓慢降低，并在光谱分析仪上观察到手掌状光谱时停止。在这些实验中，热敏电阻的值约为5.6 kΩ。 图4A 和 图5B 分别显示了具有单个空位的完美在SC和SC的光学光谱。
4. 重复率波动测量
- 将生成的SC连接到可调谐带通滤波器（TBPF）以提取单个梳状线。将 TBPF 的通带设置为 0.1 nm。其中心波长可以在整个C和L波段上调谐。滤波器斜率为400 dB/nm。
- 将选定的梳状线耦合到不对称的马赫-曾德尔干涉仪（AMZI）。AMZI一臂中的光频率使用声光调制器（AOM）移动200 MHz。另一臂中的光场被一段光纤延迟。在这些实验中使用了2公里和25公里的延迟光纤。
- 使用光电二极管检测输出光信号，并使用电频谱分析仪分析PSD频谱。
- 调整 TBPF 的中心波长。使用所述方法测量每条梳状线的PSD。 图4B，C 分别显示了具有2 km和25 km延迟光纤的完美SC的梳状线S1和S2的PSD光谱。
- 使用相同的方法，测量具有空位的在位CS的PSD曲线。记录PSD曲线的3 dB带宽，并按分段线性拟合，如图5 B，C所示。得出了10 μs内~53.24 Hz和125 μs内~509.32 Hz的重复率波动。
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Representative Results
图3显示了在泵上调谐谐谐振热时的传输功率迹线。有一个明显的功率阶跃表明SC的产生。该步骤与其前体调制不稳定性梳相比具有相似的功率。因此，SC的生成不依赖于调谐速度。在册种姓表现出各种各样的状态，包括空缺（肖特基缺陷），弗伦克尔缺陷和上部结构12，17。例如，图4A显示了具有27个孤子的完美SC，图5A是具有单个空位的SC。
第μ梳线的频率等于
第μ梳线的频率波动可以表示为：
其中 μ 是远离泵浦的模式数 ，frep 是 SC 的重复率，Δf泵浦 和 Δfrep 分别是泵浦激光器的频率波动和 SC 的重复率。因此，SC的重复率波动在第μ条频率 线上几乎被放大了μ倍。
对于完美的SC， 图4B，C 分别基于2 km和25 km延迟光纤显示了泵S1和S2的PSD光谱。PSD曲线最显著的特征是平坦的顶部，这是由延迟时间内的频率波动引起的。延迟时间为10 μs时，S1和S2的频率波动分别为2.08 kHz和3.54 kHz。当延迟光纤为25 km时，S1和S2的频率波动分别为14.31 kHz和28.02 kHz。
图5A 显示了具有单个空位的SC的典型光谱。MRR中流传着27个孤子。绘制了每条梳状线的实测频率波动图，如图 5B，C所示。分段线性拟合线以蓝色线绘制，可表示为
拟合线的平均斜率约为53.24 Hz/FSR和509.32 Hz/FSR，分别代表了SC在10 μs和125 μs响应延迟时间内的重复速率波动。残余频率波动被视为泵浦激光器的频率波动以及AOM驱动无线电信号的频率波动。
图 1.蝴蝶包装 MRR。（A）模型和（B）蝴蝶包装的MRR图片。请点击此处查看此图的放大版本。
图 2.Kerr OFCs生成和重复率波动测量的实验设置。 插图显示了具有单个空位的典型 SC 的光谱。使用线宽为100 Hz的频率固定连续激光器作为泵。使用EDFA将泵提升到34 dBm。采用延迟自外差干涉仪方法测量频率波动。CW = 连续波;EDFA = 掺铒光纤放大器;FPC = 光纤偏振控制器;TEC = 热电冷却器;MRR = 微环谐振器;BPF = 带通滤波器;AOM = 声光调制器;PD = 光电二极管;ESA = 电气频谱分析仪。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 3.丢弃端口处的光传输功率迹线。 显然获得了与其前体具有相似功率的SC步骤。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 4.完美的SC。（A）测得的光谱是完美的SC。插图显示了 MRR 中均匀分布的 27 个孤子。（B）测量泵的PSD曲线，S1和S2，具有2公里延迟光纤。（C）测量泵的PSD曲线，S1和S2，具有25公里延迟光纤。平顶PSD曲线是由梳状线的快速频率波动引起的。请点击此处查看此图的放大版本。
图 5.SC有一个空缺。（A）具有单空位的SC光谱。插图显示了 MRR 中的孤子分布。（B）频率波动随2公里延迟光纤。重复率波动在10 μs内约为53.24 Hz。泵浦激光器和测量系统引入的频率波动约为500 Hz，（C）25 km延迟光纤的重复率波动在125 μs内约为626 Hz。泵浦激光器和测量系统引入的频率波动约为1 kHz。请点击此处查看此图的放大版本。
图 6.光相干长度大于相对延迟时间时光电流的理论PSD。 红线不显示中心频率波动。蓝线表示PSD具有线性中心频率波动。 请点击此处查看此图的放大版本。
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Discussion
片上DKS提供新型紧凑相干光源，在光学计量、分子光谱等功能方面具有良好的应用前景。对于商业应用，紧凑封装的微梳源至关重要。该协议提供了一种实用的方法来制造封装的微梳，该微梳受益于MRR和FA之间可靠，低耦合损耗的连接，以及强大的热控制DKS生成方法。因此，我们的实验不再依赖于耦合阶段，并表现出优异的环境适应性。同时，泵浦是一种波长固定激光器，可以使用更窄的线宽操作，产生的噪声明显更小，并且与可调谐激光器相比要小得多。因此，该协议是集成高性能片上DKS源的潜在商业应用的一种有前途的方法。
获得完全集成的SC源的主要限制是高泵功率，这需要EDFA。最近，在泵功率非常低的SiN MRR上实现了DKS。因此，我们相信在不久的将来将制作出实用的完全集成的DKS源。
重复率的稳定性是评价OFC性能的最重要参数之一。通常，重复率稳定性是使用频率计数器测量的。然而，微梳的重复率通常在数十GHz到太赫兹的量级上，这超出了频率计数器和光电探测器的带宽。因此，通常使用间接方法，例如参考激光源或调制器，用于重复率稳定性测量，这增加了测量系统的复杂性。我们的协议提供了基于DSHI的重复率波动测量方案，其中不需要高频分量和超稳定的参考源。系统没有重复率上限限制。我们的系统测量延迟时间内的累积频率波动，而基于频率计数器的方法则测试栅极时间内的平均值。因此，我们的方案是对基于频率计数器的重复率稳定性测量系统的补充。
泵浦激光器的线宽对于基于DSHI的重复率波动测量方案至关重要。当光场
通过DSHI方案测量，光电流的PSD光谱可以表示为：
其中E0和ω 0分别是振幅和角频率;φ（t）是光场的初始相;α是两个干扰臂的功率比;I0为输入光强;τd和τc分别是光场的相对延迟时间和相干时间;Ω是AOM的频率偏移。当τc大于τ d时，PSD将是跳动信号和狄拉克函数的重叠，如图6所示（红线）。但是，考虑到激光器的频率波动，光场可以表示为
其中 Δω 是角频率波动。对于 DSHI，添加了一个额外的频移。图6（蓝线）显示了计算出的PSD频谱，其中光学频率在延迟时间内线性变化10 kHz。相反，当τc小于τ d时，狄拉克函数可以忽略不计，我们的方案不能再测量DKS的重复率波动。我们的方案不适用于使用线宽为数十kHz的泵浦激光器生成的DKS。幸运的是，线宽小于1 Hz的激光器已经商业化，线宽小于40 mHz的锁定固定频率激光器已经制成20。因此，我们的方案为今后的微梳性能评价提供了一种简单的快速重复率不稳定性测量方法。
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Disclosures
作者声明他们没有相互竞争的经济利益。
Acknowledgments
本研究由国家自然科学基金（NSFC）（61675231 62075238）和中国科学院战略重点研究计划（批准号：国家自然科学基金）资助。XDB24030600）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 6-axis coupling stage | Suruga Seiki | KXC620G KGW060 |
Contains 3 linear motorized translation states and 3 angular motorized rotational stages. Linear state: Minimum stepping: 0.05 μm; Travel: 20mm; Max.speed: 25mm/s; Repeatability: +/-0.3 μm; Rotational stage:Travel: ±8°; Resolution/pulse: 0.003 degree; Repeatability:±0.005° |
| Abrasive powder | Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD | 2980002 | Silicon carbide, granularity: 1.5 μm |
| Glue 3410 | Electronic Materials Incorporated | Optocast 3410 | Optocast 3410 is an ultra violet light and heat curable epoxy suitable for opto-electronic assembly. It cures rapidly when exposed to U.V. light in the 320-380 nm. |
| High-index doped silica glass | Home-made | - | The MRR is fabricated by a high index doped silica glass platform. The waveguide section is 2×3 μm and radius is 592.1 μm, corresponding to FSR of 49 GHz. |
| Pump laser | NKT Photonics | E15 | It is a continuous wave fiber laser with linewidth of 100 Hz. |
| Ultrastable Laser | Menlosystems | ORS | State-of-the-art linewidth (<1Hz) and stability (<2 x 10-15 Hz) |
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