Summary
ここでは、熱調整法を用いて、バタフライパッケージマイクロリング共振器でソリトン結晶を生成するプロトコルを紹介する。また、単一の空孔を有するソリトン結晶の繰り返し速度変動は、遅延したセルフヘテロダイン法を用いて測定される。
Abstract
時間ソリトンは、伝播Kerr媒体における非線形性によって分散がバランスが取れている安定した状態での行動に対して、過去数十年で大きな関心を集めてきました。高Qマイクロキャビティにおける散逸性カーソリトン(DKS)の開発は、新しい、コンパクトなチップスケールのソリトン源を駆動します。DKSがフェムト秒パルスとして機能する場合、繰り返し速度の変動は超高精度計測、高速光サンプリング、光時計などに適用できます。本論文では、粒子状ソリトンがしっかりと詰め込まれ、共振器を完全に占有するDKSの特殊な状態であるソリトン結晶(SC)の急速な繰り返し速度変動を、よく知られた遅延自己ヘテロダイン法に基づいて測定する。SC は、熱制御方式を使用して生成されます。ポンプは100 Hzの線幅の周波数固定レーザーである。周波数変動測定の積分時間は、遅延ファイバの長さによって制御されます。1つの空室を有するSCの場合、繰り返しレート変動は10μs以内で~53.24 Hz、125μs以内で〜509.32Hzになります。
Introduction
キャビティ分散がカーの非線形性とカー利得と空洞散逸1によってバランスが取れているマイクロレソナレーターの安定したDKSは、超高い繰り返し率、コンパクトサイズ、および低コスト2で科学研究コミュニティに大きな関心を集めています。時間領域において、DKSは、高速測距測定3および分子分光4に使用されてきた安定したパルス列である。周波数領域では、DKSは波長分割多重(WDM)通信システム5、6、光周波数合成7、8、超低ノイズマイクロ波発生9、10などに適した、等しい周波数間隔を持つ一連の周波数線を有する。櫛線の位相ノイズまたは線幅は、これらのアプリケーションシステムの性能に直接影響します。すべての櫛線は、ポンプ11と同様の線幅を有することが証明されている。したがって、超狭線幅レーザーをポンプとして使用することは、DKSの性能を向上させるための効果的なアプローチです。しかし、ほとんどの報告されたDKSのポンプは、周波数スイープ外部キャビティダイオードレーザー(ECDLs)であり、比較的高いノイズに苦しみ、数十〜数百kHzの大きさの幅が広い。調整可能なレーザーと比較して、固定周波数レーザーは、より少ないノイズ、狭い線幅と小さなボリュームを持っています。例えば、Menloシステムは、1Hz未満の線幅を持つ超安定レーザー製品を提供することができます。ポンプとしてこのような周波数固定レーザーを使用すると、生成されたDKSsのノイズを大幅に低減することができます。
繰り返し速度の安定性は、DKSのもう一つの重要なパラメータです。一般に、周波数カウンタは、15秒、16秒のマイクロ秒の順序で、ゲート時間内のDKSの周波数安定性を特徴付けるために使用されます。光検出器と周波数カウンタの帯域幅によって制限され、電気光学変調器または参照レーザは、通常、DKSsの自由スペクトル範囲(FSR)が100GHzを超える場合に検出された周波数を下げるために使用されます。これにより、テストシステムの複雑さが増すだけでなく、RFソースやリファレンスレーザーの安定性に起因する測定誤差が増えます。
本論文では、マイクロリング共振器(MRR)とは、動作温度の制御に使用される商用TECチップを搭載したバタフライパッケージです。ライン幅100 Hzの周波数固定レーザーをポンプとして使用して、ソリトン結晶(SC)は手動で動作温度を下げることで安定して生成されます。これらは完全にコプロパパティングソリトン17の集合的に順序付けられたアンサンブルで共振器を埋めることができる特別なDKSです。私たちの知る限りでは、これはDKSs生成実験で最も狭い線幅ポンプです。すべてのコームラインのパワースペクトル密度(PSD)スペクトルは、遅延自己ヘテロダイン干渉計(DSHI)法に基づいて測定されます。コーム線の超狭い線幅の恩恵を受けると、ソリトン結晶(SC)の繰り返し速度の不安定性は、PSD曲線の中心周波数ドリフトに由来する。空室1個のSCでは、10μs以内で~53.24Hz、125μs以内で509.32Hz程度の反復率不安定性を得た。
プロトコルは、いくつかの主要な段階で構成されています: まず、MRRは、6軸結合ステージを使用して、ファイバアレイ(FA)と結合されます。MRRは、高インデックスのドープシリカガラスプラットフォーム18、19によって製造される。次いで、MRRを14ピンバタフライパッケージにパッケージ化し、実験の安定性を高めます。SCは、熱制御方式で生成されます。最後に、SCの繰り返しレート変動をDSHI法で測定します。
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Protocol
1. 光結合
- 1.5 μmの研磨粉(酸化アルミニウム)を水と5分間混合して、研磨板でMRRの端面を研磨します。
- チップフィクスチャでMRRを固定し、50 nmの3つのリニアステージと0.003°の解像度の3つの角度ステージを含む6軸結合ステージに8チャンネルFAを配置します。MRRおよびFAのパッチは250 μmである。
- カップリング効率のリアルタイム監視用の光学ソースとして1,550 nmレーザーを使用します。差し込み損失が最小値(通常は6dB未満)に達するまでFAの位置を慎重に調整し、ファセットあたり3dB未満の結合損失に対応します。
- 紫外線(UV)湾曲した接着剤(材料表)を使用してMRRとFAを接着します。
- UV湾曲した接着剤を150sのUVランプに露出させ、120°Cのチャンバーで1時間以上焼きます。
2. デバイスパッケージ
- 銀の接着剤を使用して標準的な14ピン蝶のパッケージのベースプレートに3.9 Wの最高出力の10.2 mm x 6.05 mm TECチップをコングルチネート。TECチップの2つの電極を蝶のパッケージの2つのピンにはんだ付けします。
- 銀の接着剤を使用してTECチップの表面に5mm×5mm×1mmタングステンプレートを貼り付けます。TECとMRRの間のギャップを埋めるためにヒートシンクとしてタングステンプレートを使用してください。
- 銀の接着剤を使用してタングステンプレートの上部にMRRデバイスを貼り付け、バタフライパッケージの出力ポートにFAのピグテールを固定します。
- 銀の接着剤を使用してTECチップの表面にサーミスタチップを貼り付けます。サーミスタの電極をTECチップの上面に接続します。ワイヤーは、サーミスタの他の電極とTECチップの上面を金糸を使用して蝶パッケージの2つのピンに接着します。
- パッケージ化した装置を100°Cで1時間焼き、銀の接着剤を固めます。
- バタフライパッケージをシールします。 図 1 は、パッケージ化されたデバイスを示しています。
3. SC の生成
- 図2 は、実験のセットアップを示しています。エルビウムドープファイバーアンプ(EDFA)を使用して、マイクロコーム生成用のポンプをブーストします。繊維偏光コントローラ(FPC)を使用してポンプの偏光状態を制御します。シングル モード ファイバ(SMF)を使用して、すべてのデバイスを接続します。
- ポンプレーザーの波長を1,556.3 nmに固定します。外部商用TECコントローラを使用して、手動で動作温度を調整します。
- 光スペクトルアナライザーで出力光スペクトルを監視します。3 GHz光検出器で出力電力トレースを検出し、オシロスコープで記録します。
- 30.5 dBmのオンチップパワーに対応する34 dBmにEDFAの出力を設定し(MRRとFAの結合損失を考慮すると、FPCの損失を挿入)、マイクロコーム生成のためのMRRに十分な電力が結合されていることを保証します。
- サーミスタを66°Cの動作温度に対応する2kΩに設定します。 その後、サーミスタの設定値を変更して、動作温度をゆっくりと下げます。これらの実験では、サーミスタを5.8kΩに設定した際、38°Cに対応し、MRRの一共鳴がポンプを通過し、三角形のパワートレースが記録された。
- SCステップが三角伝送電力トレースの下端で観察されるまで、FPCによるポンプの偏光を調整します。 図3 は典型的な光透過電力トレースを示す。
- 光スペクトルアナライザーで手のひら状の光学スペクトルが観測されると、動作温度を66°Cからゆっくり下げ、停止します。サーミスタの値は、これらの実験で約5.6kΩであった。 図4A および 図5B は、それぞれ単一の空孔を有する完全なSCおよびSCの光学スペクトルを示す。
4. 繰り返しレート変動測定
- 生成された SC をチューナブル バンドパス フィルタ (TBPF) に接続して、個々のコーム ラインを抽出します。TBPF のパスバンドを 0.1 nm に設定します。その中心波長は完全なCおよびLバンドの上で調整することができる。フィルターの傾きは400 dB/nmである。
- 選択したコームラインを非対称マッハ・ツェンダー干渉計(AMZI)に結合します。AMZIの1つの腕の光周波数は、アクロス視変調器(AOM)を使用して200 MHzずつシフトされます。他方のアームの光分野は、光ファイバのセグメントによって遅延される。2kmと25kmの遅延繊維を実験に使用します。
- フォトダイオードで出力光信号を検出し、電気スペクトルアナライザを使用してPSDスペクトルを解析します。
- TBPFの中心波長を調整します。記載された方法を使用して、すべての櫛線のPSDを測定します。 図4B,Cは、2km と25kmの遅延光ファイバを備えた完璧なSCのコームラインS1とS2のPSDスペクトルをそれぞれ示しています。
- 同じ方法を使用して、空孔のある SC の PSD カーブを測定します。PSD曲線の3dB帯域幅を記録し、 図5B,Cに示すように、それを断片的に直線的に合わせます。10 μs以内の~53.24 Hzの繰り返し速度変動と125μs以内の~509.32 Hzの繰り返し速度変動が導出された。
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Representative Results
図3は、ポンプ全体で共振熱を調整しながら、送電電力トレースを示しています。SC の生成を示す明らかな電源ステップがありました。このステップは、その前駆体である変調不安定性の櫛と比較して同様の力を有していた。そのため、SC の生成は速度の調整に依存しませんでした。SCは、欠員(ショットキー欠陥)、フレンケル欠陥、および上部構造12、17を含む多種多様な状態を示した。例として、図4Aは27ソリトンを備えた完璧なSCを示し、図5Aは単一の欠員を有するSCである。
μ番目 のコーム線の周波数は次の値に等しい
μ番目 の櫛線の周波数変動は次のように表現できます。
ここでμは、ポンプから離れたモード番号、frepはSCの繰り返し速度、ΔfポンプとΔfrepは、それぞれポンプレーザーの周波数変動とSCの繰り返し速度です。したがって、SCの繰り返し速度変動は、μ第1の周波数線でμ回ほぼ増幅された。
完全な SC の場合、 図 4B,C は、それぞれ 2 km および 25 km の遅延ファイバに基づいて、ポンプ S1 と S2 の測定済み PSD スペクトルを示しています。PSD曲線の最も顕著な特徴は、遅延時間内の周波数変動によって引き起こされた平坦なトップでした。遅延時間が10μsの場合、S1とS2の周波数変動はそれぞれ2.08kHzと3.54kHzでした。遅延ファイバが25kmであった場合、S1とS2の周波数変動の測定はそれぞれ14.31kHzと28.02kHzであった。
図5A は、単一の空孔を有するSCの代表的な光学スペクトルを示す。MRRには27のソリトンが循環していた。各櫛線の測定された周波数変動をプロットし、 図5B,Cに示す。区分的な線形継手線は青い線でプロットされ、次のように表現できます。
フィッティングラインの平均傾斜角は約53.24 Hz/FSRと509.32 Hz/FSRで、それぞれ10 μsと125μsの応答遅延時間内のSCの繰り返し速度変動を表しています。残存周波数変動は、AOMの駆動無線信号の周波数変動と共にポンプレーザーの周波数変動と見なされた。
図 1.バタフライパッケージMRR.(A)モデルと(B)バタフライパッケージMRRの画像。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2.Kerr OFCsの生成と繰り返しレート変動測定の実験的設定。 差し込み値は、単一の空孔を有する1つの典型的なSCの光学スペクトルを示す。ライン幅100Hzの周波数固定CWレーザーをポンプとして使用しました。EDFAは34 dBmまでポンプを高めるために使用された。周波数変動は、遅延自己ヘテロダイン干渉計法により測定した。CW = 連続波EDFA = エルビウムドープファイバーアンプ;FPC = 繊維偏光コントローラ;TEC = 熱電冷却器;MRR = マイクロリング共振器;BPF = バンドパスフィルタ;AOM = アクース視変調器;PD = フォトダイオード;ESA = 電気スペクトルアナライザ。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3.ドロップポートでの光伝送電力トレース。 前駆体と同様のパワーを持つSCステップが明らかに得られる。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4.パーフェクトSC。(A) 完全なSCの光学スペクトルを測定した。インセットは、MRR中に均一に分布した27ソリトンを示す。(B)2kmの遅延ファイバを有するポンプS1とS2のPSD曲線を測定した。(C)25 kmの遅延ファイバを有するポンプS1とS2のPSD曲線を測定した。フラットトップPSD曲線は、櫛線の急激な周波数変動によって引き起こされました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 5.単一の空室を持つSC。(A) 単一の空孔を有するSCの光学スペクトル。インセットは、MRRにおけるソリトン分布を示す。(B)2 km の遅延ファイバによる周波数変動。繰り返しレート変動は10μs以内で約53.24Hzであった。ポンプレーザーと測定システムで導入された周波数変動は約500Hz(C)25kmの遅延ファイバを用いた繰り返し速度変動は、125μs以内で約626Hzであった。ポンプレーザーと測定システムで導入された周波数変動は約1kHzであった。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 6.光コヒーレント長さが相対遅延時間よりも大きい場合の光電流の理論PSD。 赤い線は中心周波数変動を示さない。青い線は線形中央周波数変動を有するPSDを示す。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
オンチップDKSは、新しいコンパクトなコヒーレント光ソースを提供し、光計測、分子分光法、およびその他の機能において優れた応用見通しを示します。商用アプリケーションでは、コンパクトパッケージ化されたマイクロコームソースが不可欠です。このプロトコルは、MRRとFAの間の信頼性の高い、低結合損失接続、ならびに堅牢な熱制御DKS生成方法の恩恵を受けるパッケージ化されたマイクロコームを作るための実用的なアプローチを提供する。そのため、我々の実験は結合段階依存性がなくなり、優れた環境適応を示す。一方、ポンプは、より狭い線幅で動作することができ、大幅に少ないノイズを生成し、調整可能なレーザーに比べてはるかに小さい波長固定レーザーです。したがって、このプロトコルは、高性能オンチップDKSソースの潜在的な商用アプリケーションに対する有望なアプローチです。
完全に統合されたSC電源を得るための主な制限は、EDFAを必要とする高いポンプパワーです。近年、DKSは非常に低いポンプパワーでSiN MRR上で実現されています。したがって、我々は、実用的な完全に統合されたDKSソースは、近い将来に作られると信じています。
繰り返し速度の安定性は、OFCの性能を評価するための最も重要なパラメータの1つです。一般的に、繰返し速度安定性は、周波数カウンタを用いて測定される。しかし、マイクロコームの繰り返し速度は、通常、周波数カウンタと光検出器の帯域幅から数十 GHz から THz の順に行われます。したがって、参照レーザ光源やモジュレーターなどの間接法は、通常、繰り返し速度安定性測定に使用され、測定システムの複雑さが増します。当社のプロトコルは、高周波成分や超安定基準源が不要なDSHIベースの繰り返し速度変動測定スキームを提供します。システムには、繰り返しレートの上限はありません。遅延時間の間に累積周波数変動を測定し、周波数カウンターベースの方法ではゲート時間の平均値をテストします。したがって、我々のスキームは、周波数カウンターベースの繰り返し速度安定性測定システムを補完する。
ポンプレーザーの線幅は、DSHIベースの繰り返し速度変動測定スキームに不可欠です。光フィールド
DSHIスキームによって測定され、光電流のPSDスペクトルは次のように表現することができます。
E0とω0はそれぞれ振幅と角周波数です。φ(t) は、光学フィールドの初期フェーズです。αは、2つの干渉アームのパワー比です。I0は入力光強度です。τdとτcは、それぞれ光フィールドの相対遅延時間とコヒーレント時間です。Ωは AOM の周波数シフトです。τcがτdより大きい場合、PSD は、図 6 (赤線) に示すように、拍動信号と Dirac 関数の重なりになります。しかし、レーザーの周波数変動を考慮すると、光学フィールドは次のように表現できます。
ここでΔωは角周波数変動です。DSHI の場合は、周波数シフトが追加されます。図6(青線)は、遅延時間中に光周波数が10kHzに直線的に変化する計算されたPSDスペクトルを示す。これに対し、τcがτdより小さい場合、Dirac関数は無視でき、このスキームはDKSの繰り返しレート変動を測定できなくなりました。当社のスキームは、数十kHzのライン幅を持つポンプレーザーを使用して生成されたDKSには適していません。幸い、ライン幅が1Hz未満のレーザーが製品化され、40mHz未満の固定周波数レーザーが20個作られた。したがって、我々のスキームは、マイクロコーム性能評価の将来の単純な反復率不安定性測定方法を提供する。
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Disclosures
著者らは、競合する財政的利益はないと宣言している。
Acknowledgments
この研究は、中国国立自然科学財団(NSFC)(61675231グラント62075238)と中国科学アカデミーの戦略的優先研究プログラム(グラント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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