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Engineering

Mesure rapide de la fluctuation du taux de répétition des cristaux de soliton dans un microrésonateur

Published: December 15, 2021 doi: 10.3791/60689
Automatic Translation
*1,2, *1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2
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

Summary

Ici, nous présentons un protocole pour générer des cristaux de soliton dans un résonateur à micro-anneaux emballé par papillon en utilisant une méthode d’accord thermique. De plus, les fluctuations du taux de répétition d’un cristal de soliton avec une seule vacance sont mesurées à l’aide d’une méthode d’auto-hétérodyne retardée.

Abstract

Les solitons temporels ont suscité un grand intérêt au cours des dernières décennies pour leur comportement dans un état stable, où la dispersion est équilibrée par la non-linéarité dans un milieu de Kerr de propagation. Le développement de solitons de Kerr dissipatifs (DKS) dans des microcavités à Q élevé entraîne une nouvelle source de solitton compacte à l’échelle de la puce. Lorsque les DKS servent d’impulsions femtosecondes, la fluctuation du taux de répétition peut être appliquée à la métrologie de très haute précision, à l’échantillonnage optique à grande vitesse, aux horloges optiques, etc. Dans cet article, la fluctuation rapide du taux de répétition des cristaux de soliton (SC), un état spécial des DKS où les solitons de type particule sont étroitement emballés et occupent pleinement un résonateur, est mesurée sur la base de la méthode bien connue de l’auto-hétérodyne retardé. Les SC sont générés à l’aide d’une méthode à contrôle thermique. La pompe est un laser fixe de fréquence avec une largeur de ligne de 100 Hz. Le temps intégral dans les mesures de fluctuation de fréquence est contrôlé par la longueur de la fibre de retard. Pour un SC avec une seule vacance, les fluctuations du taux de répétition sont respectivement d’environ 53,24 Hz dans les 10 μs et d’environ 509,32 Hz dans les 125 μs.

Introduction

Les DKS stables dans les microrésonateurs, où la dispersion de la cavité est équilibrée par la non-linéarité de Kerr, ainsi que le gain de Kerr et la dissipation de la cavité1,ont suscité un grand intérêt dans la communauté de la recherche scientifique pour leur taux de répétition ultra-élevé, leur taille compacte et leur faible coût2. Dans le domaine temporel, les DKS sont des trains d’impulsions stables qui ont été utilisés pour la mesure de télémétrie à grande vitesse3 et la spectroscopie moléculaire4. Dans le domaine des fréquences, les DKS ont une série de lignes de fréquence avec un espacement de fréquence égal qui conviennent aux systèmes de communication WDM (wavelength-division-multiplex)5,6,synthèse de fréquence optique7,8et génération de micro-ondes à très faible bruit9,10,etc. Le bruit de phase ou la largeur de ligne des lignes de peigne affecte directement les performances de ces systèmes d’application. Il a été prouvé que toutes les lignes de peigne ont une largeur de ligne similaire à celle de la pompe11. Par conséquent, l’utilisation d’un laser à largeur de ligne ultra-étroite comme pompe est une approche efficace pour améliorer les performances des DKS. Cependant, les pompes de la plupart des DKS signalés sont des lasers à diode à cavité externe (ECDL) à balayage de fréquence, qui souffrent d’un bruit relativement élevé et ont une large largeur de ligne de l’ordre de dizaines à des centaines de kHz. Comparés aux lasers accordables, les lasers à fréquence fixe ont moins de bruit, des largeurs de ligne plus étroites et un volume plus petit. Par exemple, les systèmes Menlo peuvent fournir des produits laser ultra-stables avec une largeur de ligne inférieure à 1 Hz. L’utilisation d’un laser fixe à fréquence telle qu’une pompe peut réduire considérablement le bruit des DKS générés. Récemment, des méthodes de réglage thermique basées sur un microchauffeur ou un refroidisseur thermoélectrique (TEC) ont été utilisées pour la génération de DKS12,13,14.

La stabilité du taux de répétition est un autre paramètre important des DKS. Généralement, les compteurs de fréquence sont utilisés pour caractériser la stabilité de fréquence des DKS dans un temps de porte, qui est généralement de l’ordre d’une microseconde à mille secondes15,16. Limités par la bande passante du photodétecteur et du compteur de fréquence, les modulateurs électro-optiques ou les lasers de référence sont généralement utilisés pour abaisser la fréquence détectée lorsque la gamme spectrale libre (FSR) des DKS est supérieure à 100 GHz. Cela augmente non seulement la complexité des systèmes de test, mais produit également des erreurs de mesure supplémentaires causées par la stabilité des sources RF ou des lasers de référence.

Dans cet article, un résonateur à micro-anneaux (MRR) est emballé avec une puce TEC commerciale qui est utilisée pour contrôler la température de fonctionnement. En utilisant un laser fixe de fréquence avec une largeur de ligne de 100 Hz comme pompe, les cristaux de soliton (SC) sont générés de manière stable en diminuant manuellement la température de fonctionnement; ce sont des DKS spéciaux qui peuvent remplir complètement un résonateur avec des ensembles ordonnés collectivement de solitons copropagants17. À notre connaissance, il s’agit de la pompe à largeur de ligne la plus étroite dans les expériences de génération de DKS. Le spectre de densité spectrale de puissance (PSD) de chaque raie de peigne est mesuré sur la base d’une méthode d’interféromètre auto-hétérodyne retardé (DSHI). Bénéficiant de la largeur de ligne ultra-étroite des lignes de peigne, l’instabilité du taux de répétition des cristaux de soliton (SC) est dérivée de la dérive de fréquence centrale des courbes PSD. Pour le SC avec une seule vacance, nous avons obtenu une instabilité du taux de répétition de ~53,24 Hz dans les 10 μs et ~509,32 Hz dans les 125 μs.

Le protocole se compose de plusieurs étapes principales: Tout d’abord, le MRR est couplé à un réseau de fibres (FA) à l’aide d’un étage de couplage à six axes. Le MRR est fabriqué par une plate-forme en verre de silice dopée à indice élevé18,19. Ensuite, le MRR est emballé dans un boîtier papillon à 14 broches, ce qui augmente la stabilité pour les expériences. Les SC sont générés à l’aide d’une méthode à contrôle thermique. Enfin, les fluctuations du taux de répétition des SC sont mesurées par une méthode DSHI.

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Protocol

1. Couplage optique

  1. Polir la face d’extrémité du MRR sur une plaque de broyage à l’aide de poudres abrasives de 1,5 μm (oxyde d’aluminium) mélangées à de l’eau pendant 5 min.
  2. Fixez le MRR avec un luminaire à puce et placez un FA à huit canaux sur un étage de couplage à six axes, qui comprend trois étages linéaires d’une résolution de 50 nm et trois étages d’angle d’une résolution de 0,003 °. Les patchs du MRR et du FA sont de 250 μm.
  3. Utilisez un laser de 1 550 nm comme source optique pour la surveillance en temps réel de l’efficacité du couplage. Ajustez soigneusement la position du FA jusqu’à ce que la perte d’encart atteigne la valeur minimale, généralement inférieure à 6 dB, correspondant à une perte de couplage inférieure à 3 dB par facette.
  4. Utilisez un adhésif incurvé ultraviolet (UV) (Table des matériaux) pour coller le MRR et le FA. Placez l’adhésif sur le bord latéral de la surface de contact, ce qui garantit qu’il n’y a pas de colle sur le chemin optique.
  5. Exposez l’adhésif incurvé UV à une lampe UV pendant 150 s et faites cuire dans une chambre à 120 °C pendant plus de 1 h.

2. Emballage de l’appareil

  1. Conglutiner une puce TEC de 10,2 mm x 6,05 mm d’une puissance maximale de 3,9 W à la plaque de base d’un emballage papillon standard à 14 broches à l’aide de colle argentée. Soudez les deux électrodes de la puce TEC à deux broches de l’emballage papillon.
  2. Collez une plaque de tungstène de 5 mm × 5 mm × 1 mm à la surface de la puce TEC à l’aide de colle argentée. Utilisez la plaque de tungstène comme dissipateur de chaleur pour combler l’écart entre le TEC et le MRR.
  3. Collez le dispositif MRR sur le dessus de la plaque de tungstène à l’aide de colle argentée et fixez la queue de cochon du FA au port de sortie de l’emballage papillon.
  4. Collez une puce de thermistance à la surface de la puce TEC à l’aide de colle d’argent. Connectez une électrode de la thermistance à la surface supérieure de la puce TEC. Le fil lie l’autre électrode de la thermistance et la surface supérieure de la puce TEC à deux broches de l’emballage papillon à l’aide d’un fil d’or.
  5. Cuire l’appareil emballé à 100 °C pendant 1 h pour solidifier la colle argentée.
  6. Scellez l’emballage papillon. La figure 1 montre le périphérique emballé.

3. Génération de SC

  1. La figure 2 montre la configuration des expériences. Utilisez un amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) pour booster la pompe pour la génération de micro-peignes. Contrôlez l’état de polarisation de la pompe à l’aide d’un contrôleur de polarisation de fibre (FPC). Connectez tous les appareils à l’aide de fibres monomodes (SMF).
  2. Fixez la longueur d’onde du laser de la pompe à 1 556,3 nm. Réglez manuellement la température de fonctionnement via un contrôleur TEC commercial externe.
  3. Surveillez le spectre optique de sortie avec un analyseur de spectre optique. Détectez la trace de puissance de sortie avec un photodétecteur 3 GHz et enregistrez avec un oscilloscope.
  4. Réglez la sortie de l’EDFA à 34 dBm, ce qui correspond à une puissance sur puce de 30,5 dBm (compte tenu de la perte de couplage du MRR et du FA, perte d’insertion du FPC), ce qui garantit qu’il y a suffisamment de puissance couplée dans le MRR pour la génération de micro-peignes.
  5. Réglez la thermistance sur 2 kΩ, correspondant à une température de fonctionnement de 66 °C. Ensuite, diminuez lentement la température de fonctionnement en modifiant la valeur de consigne de la thermistance. Dans ces expériences, lorsque la thermistance a été réglée à 5,8 kΩ, correspondant à 38 °C, une résonance du MRR a traversé la pompe et une trace de puissance de forme triangulaire a été enregistrée.
  6. Réglez la polarisation de la pompe par le FPC jusqu’à ce qu’un pas SC soit observé au bord de chute de la trace de puissance de transmission triangulaire. La figure 3 montre une trace de puissance de transmission optique typique.
  7. Diminuez lentement la température de fonctionnement à partir de ~66 °C et arrêtez-vous lorsqu’un spectre optique en forme de paume est observé sur l’analyseur de spectre optique. La valeur de la thermistance était d’environ 5,6 kΩ dans ces expériences. La figure 4A et la figure 5B montrent les spectres optiques des SC et DESC parfaits avec une seule vacance, respectivement.

4. Mesure de la fluctuation du taux de répétition

  1. Connectez les SC générés à un filtre passe-bande accordable (TBPF) pour extraire une ligne de peigne individuelle. Définissez la bande passante du TBPF sur 0,1 nm. Sa longueur d’onde centrale peut être réglée sur toute la bande C et L. La pente du filtre est de 400 dB/nm.
  2. Couplez la ligne de peigne sélectionnée à un interféromètre asymétrique de Mach-Zehnder (AMZI). La fréquence optique dans un bras de l’AMZI est décalée de 200 MHz à l’aide d’un modulateur acousto-optique (AOM). Le champ optique dans l’autre bras est retardé par un segment de fibre optique. Des fibres de retard de 2 km et 25 km sont utilisées dans ces expériences.
  3. Détectez le signal optique de sortie avec une photodiode et analysez le spectre PSD à l’aide d’un analyseur de spectre électrique.
  4. Réglez la longueur d’onde centrale du TBPF. Mesurez les DSP de chaque ligne de peigne à l’aide de la méthode décrite. La figure 4B,C montre les spectres PSD pour les raies de peigne S1 et S2 des SC parfaits avec les fibres optiques à retard de 2 km et 25 km, respectivement.
  5. En utilisant la même méthode, mesurez les courbes PSD des SC avec un poste vacant. Enregistrez la bande passante de 3 dB de la courbe PSD et ajustez-la linéairement par morceaux, comme illustré à la figure 5B,C. Des fluctuations de taux de répétition d’environ 53,24 Hz dans les 10 μs et d’environ 509,32 Hz dans les 125 μs ont été dérivées.

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Representative Results

La figure 3 montre la trace de puissance de transmission pendant qu’une thermique de résonance a été réglée sur la pompe. Il y avait une étape de puissance évidente qui indiquait la génération de SC. L’étape avait une puissance similaire à celle de son précurseur, le peigne d’instabilité modulationnelle. Par conséquent, la génération de SC ne dépendait pas de la vitesse de réglage. Les SC présentaient une grande variété d’états, y compris des postes vacants (défauts de Schottky), des défauts de Frenkel et une superstructure12,17. À titre d’exemples, la figure 4A montre un SC parfait avec 27 solitons et la figure 5A est un SC avec un seul poste vacant.

La fréquence de la μème ligne de peigne est égale à

Equation 1

et la fluctuation de fréquence de la μligne de peigne peut être exprimée comme suit:

Equation 2

où μ est le numéro de mode éloigné de la pompe, frep est le taux de répétition des SC, et Δfpompe et Δfrep sont les fluctuations de fréquence du laser de la pompe et le taux de répétition des SC, respectivement. Par conséquent, la fluctuation du taux de répétition des SC a été presque amplifiée μ fois à la μligne de fréquence.

Pour les SC parfaits, la figure 4B,C montre les spectres PSD mesurés pour la pompe, S1 et S2, basés sur une fibre de retard de 2 km et 25 km, respectivement. Les caractéristiques les plus notables des courbes PSD étaient les sommets plats, qui ont été causés par la fluctuation de fréquence dans le temps de retard. Lorsque le temps de retard était de 10 μs, les fluctuations de fréquence de S1 et S2 étaient de 2,08 kHz et 3,54 kHz, respectivement. Lorsque la fibre de retard était de 25 km, les fluctuations de fréquence mesurées de S1 et S2 étaient de 14,31 kHz et 28,02 kHz, respectivement.

La figure 5A montre le spectre optique typique de SC avec un seul poste vacant. Il y avait 27 solitons circulant dans le MRR. Les fluctuations de fréquence mesurées de chaque ligne de peigne ont été tracées et sont illustrées à la figure 5B,C. Les lignes d’ajustement linéaires par morceaux sont tracées en lignes bleues qui peuvent être exprimées sous la forme de

Equation 3
Equation 4

Les pentes moyennes des lignes de raccord étaient d’environ 53,24 Hz/FSR et 509,32 Hz/FSR, ce qui représente les fluctuations du taux de répétition du SC dans les temps de retard de réponse de 10 μs et 125 μs, respectivement. Les fluctuations de fréquence résiduelles ont été considérées comme la fluctuation de fréquence du laser de la pompe avec la fluctuation de fréquence du signal radio entraîné de l’AOM.

Figure 1
Graphique 1. MRR emballé papillon. (A) Modèle et (B) image du papillon emballé MRR. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Graphique 2. La configuration expérimentale de la génération d’OFC Kerr et de la mesure de la fluctuation du taux de répétition. L’encart montre le spectre optique d’un SC typique avec une seule vacance. Un laser CW à fréquence fixe avec une largeur de ligne de 100 Hz a été utilisé comme pompe. Un EDFA a été utilisé pour booster la pompe jusqu’à 34 dBm. La fluctuation de fréquence a été mesurée par la méthode de l’interféromètre auto-hétérodyne retardé. CW = onde continue; EDFA = amplificateur à fibre dopée à l’erbium; FPC = contrôleur de polarisation de fibre; TEC = refroidisseur thermoélectrique; MRR = résonateur à micro-anneaux; BPF = filtre passe-bande; AOM = modulateur acousto-optique; = photodiode; ESA = analyseur de spectre électrique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Graphique 3. Trace de puissance de transmission optique au port de chute. Une étape SC qui avait un pouvoir similaire à celui de son précurseur est clairement obtenue. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Graphique 4. PARFAIT SC. (A) Spectre optique mesuré d’un SC parfait. L’encart montre les 27 solitons uniformément répartis dans le MRR. (B) Courbes PSD mesurées de la pompe, S1 et S2, avec la fibre de retard de 2 km. (C) Courbes PSD mesurées de la pompe, S1 et S2, avec la fibre de retard de 25 km. La courbe PSD à sommet plat a été causée par la fluctuation rapide de la fréquence des lignes de peigne. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Graphique 5. SC avec un seul poste vacant. (A) Spectre optique de SC avec un seul poste vacant. L’encart montre la distribution du soliton dans le MRR. (B) Fluctuations de fréquence avec la fibre de retard de 2 km. La fluctuation du taux de répétition était d’environ 53,24 Hz dans les 10 μs. La fluctuation de fréquence introduite par le laser à pompe et le système de mesure était d’environ 500 Hz. (C) La fluctuation du taux de répétition avec une fibre de retard de 25 km était d’environ 626 Hz dans les 125 μs. La fluctuation de fréquence introduite par le laser à pompe et le système de mesure était d’environ 1 kHz. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Graphique 6. PSD théorique du photocourant lorsque la longueur de cohérence optique est supérieure au temps de retard relatif. La ligne rouge ne montre aucune fluctuation de fréquence centrale. La ligne bleue présente le PSD avec une fluctuation linéaire de fréquence centrale. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Les DKS sur puce fournissent de nouvelles sources optiques compactes et cohérentes et présentent d’excellentes perspectives d’application en métrologie optique, en spectroscopie moléculaire et dans d’autres fonctions. Pour les applications commerciales, les sources de microcombres compactes emballées sont essentielles. Ce protocole fournit une approche pratique pour fabriquer un micro-peigne emballé qui bénéficie de la connexion fiable et à faible perte de couplage entre le MRR et le FA, ainsi que d’une méthode de génération DKS robuste à contrôle thermique. Par conséquent, nos expériences ne dépendent plus du stade de couplage et présentent une excellente adaptation environnementale. Pendant ce temps, la pompe est un laser fixe de longueur d’onde qui peut fonctionner avec des largeurs de ligne plus étroites, produit beaucoup moins de bruit et est beaucoup plus petit que les lasers accordables. Par conséquent, le protocole est une approche prometteuse pour les applications commerciales potentielles de sources DKS intégrées haute performance sur puce.

La principale limite à l’obtention d’une source SC entièrement intégrée est la puissance élevée de la pompe, qui nécessite un EDFA. Récemment, des DKS ont été réalisés sur SiN MRR avec une très faible puissance de pompe. Par conséquent, nous pensons que des sources DKS pratiques entièrement intégrées seront créées dans un proche avenir.

La stabilité du taux de répétition est l’un des paramètres les plus importants pour évaluer les performances des OFC. Généralement, la stabilité du taux de répétition est mesurée à l’aide d’un compteur de fréquence. Cependant, les taux de répétition des micro-peignes sont généralement de l’ordre de dizaines de GHz à THz, ce qui est hors de la bande passante des compteurs de fréquence et des photodétecteurs. Par conséquent, des méthodes indirectes, telles qu’une source laser de référence ou un modulateur, sont généralement utilisées pour mesurer la stabilité du taux de répétition, ce qui augmente la complexité du système de mesure. Notre protocole fournit un schéma de mesure de fluctuation du taux de répétition basé sur DSHI, où les composants haute fréquence et les sources de référence ultra-stables ne sont pas nécessaires. Le système n’a pas de limite de taux de répétition supérieure. Notre système mesure la fluctuation de fréquence accumulée pendant le temps de retard, tandis que la méthode basée sur un compteur de fréquence teste la valeur moyenne dans un temps de porte. Par conséquent, notre système est complémentaire aux systèmes de mesure de la stabilité du taux de répétition basés sur un compteur de fréquence.

La largeur de ligne du laser de la pompe est essentielle pour un schéma de mesure de fluctuation du taux de répétition basé sur DSHI. Lorsqu’un champ optique

Equation 5

est mesuré par un schéma DSHI, le spectre PSD du photocourant peut être exprimé comme suit :

Equation 6

où E0 et ω0sont respectivement l’amplitude et la fréquence angulaire ; φ(t) est la phase initiale du champ optique; α est le rapport de puissance des deux bras d’interférence; I0 est l’intensité optique d’entrée; τd et τc sont respectivement le temps de retard relatif et le temps de cohérence du champ optique; et Ω est le décalage de fréquence de l’AOM. Lorsque τc est supérieur à τd, la DSP sera le chevauchement d’un signal battant et d’une fonction de Dirac, comme le montre la figure 6 (ligne rouge). Cependant, compte tenu de la fluctuation de fréquence des lasers, le champ optique peut être exprimé comme suit :

Equation 7

où Δω est la fluctuation de fréquence angulaire. Pour DSHI, un décalage de fréquence supplémentaire est ajouté. La figure 6 (ligne bleue) montre le spectre PSD calculé, où la fréquence optique est modifiée linéairement de 10 kHz pendant le temps de retard. En revanche, lorsque τc est inférieur à τd, la fonction de Dirac sera négligeable, et notre schéma ne peut plus mesurer la fluctuation du taux de répétition des DKS. Notre schéma n’est pas adapté aux DKS générés à l’aide d’un laser à pompe avec une largeur de ligne de l’ordre de dizaines de kHz. Heureusement, un laser avec une largeur de ligne inférieure à 1 Hz a été commercialisé, et des lasers à fréquence fixe verrouillés avec une largeur de ligne inférieure à 40 mHz ont été fabriqués20. Par conséquent, notre système fournit une méthode simple de mesure rapide de l’instabilité du taux de répétition pour l’évaluation des performances des microcombres à l’avenir.

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Disclosures

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) et le Strategic Priority Research Program de l’Académie chinoise des sciences (Grant No. 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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Ingénierie Numéro 178 Photonique Optique intégrée Peigne de fréquence optique Fluctuation du taux de répétition
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Xie, P., Wang, X., Wang, W., Zhang, W., Lu, Z., Wang, Y., Zhao, W. Rapid Repetition Rate Fluctuation Measurement of Soliton Crystals in a Microresonator. J. Vis. Exp. (178), e60689, doi:10.3791/60689 (2021).

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