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Engineering

Medição rápida da flutuação da taxa de repetição de cristais de soliton em um microresonator

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

Aqui, apresentamos um protocolo para gerar cristais de soliton em um ressonador de micro-anéis embalado por borboletas usando um método térmico afinado. Além disso, as flutuações da taxa de repetição de um cristal de soliton com uma única vaga são medidas usando um método de auto-heterodyne atrasado.

Abstract

Os solitons temporais têm atraído grande interesse nas últimas décadas por seu comportamento em um estado estável, onde a dispersão é equilibrada pela não linearidade em um meio kerr de propagação. O desenvolvimento de solitons kerr dissipativos (DKSs) em microcavidades de alto Q impulsiona uma nova fonte de soliton, compacta e em escala de chip. Quando os DKSs servem como pulsos femtosegundos, a flutuação da taxa de repetição pode ser aplicada à metrologia de alta precisão, amostragem óptica de alta velocidade e relógios ópticos, etc. Neste artigo, a rápida flutuação da taxa de repetição dos cristais de soliton (SCs), um estado especial de DKSs onde os solitons semelhantes a partículas são firmemente embalados e ocupam plenamente um ressonador, é medido com base no conhecido método auto-heterodyne atrasado. Os SCs são gerados usando um método controlado térmico. A bomba é um laser fixo de frequência com uma largura de linha de 100 Hz. O tempo integral nas medições de flutuação de frequência é controlado pelo comprimento da fibra de atraso. Para um SC com uma única vaga, as flutuações da taxa de repetição são ~53,24 Hz dentro de 10 μs e ~509,32 Hz dentro de 125 μs, respectivamente.

Introduction

Os DKSs constantes em microresonadores, onde a dispersão da cavidade é equilibrada pela não linearidade de Kerr, bem como o ganho de Kerr e a dissipação da cavidade1,têm atraído grande interesse na comunidade de pesquisa científica por sua taxa de repetição ultra-alta, tamanho compacto e baixo custo2. No domínio do tempo, os DKSs são trens de pulso estáveis que têm sido usados para medição de alta velocidade3 e espectroscopia molecular4. No domínio de frequência, os DKSs possuem uma série de linhas de frequência com espaçamento de frequência igual que são adequados para sistemas de comunicação de divisão de comprimento de onda-multiplex (WDM)5,6, síntese de frequência óptica7,8, e ultra-baixa geração de ruído de micro-ondas9,10,etc. O ruído de fase ou largura de linha das linhas de pente afetam diretamente o desempenho desses sistemas de aplicação. Foi provado que todas as linhas de pente têm uma largura de linha semelhante com a bomba11. Portanto, usar um laser de largura de linha ultra-estreita como bomba é uma abordagem eficaz para melhorar o desempenho dos DKSs. No entanto, as bombas dos DKSs mais relatados são lasers de diodo de cavidade externa (ECDLs), que sofrem de ruído relativamente alto e têm uma ampla largura de linha na ordem de dezenas a centenas de kHz. Comparados com lasers tunable, lasers de frequência fixa têm menos ruído, larguras de linha mais estreitas e menor volume. Por exemplo, os sistemas Menlo podem fornecer produtos laser ultra-estáveis com uma largura de linha inferior a 1 Hz. O uso de um laser fixo de frequência como uma bomba pode reduzir significativamente o ruído dos DKSs gerados. Recentemente, métodos de ajuste térmico baseados em microheater ou termelétrico (TEC) têm sido usados para a geração DKSsgeração 12,13,14.

A estabilidade da taxa de repetição é outro parâmetro importante dos DKSs. Geralmente, os contadores de frequência são usados para caracterizar a estabilidade de frequência de DKSs dentro de um tempo de portão, que geralmente está na ordem de um microssegundo para mil segundos15,16. Limitados pela largura de banda do fotodetetor e contador de frequência, moduladores eletro-ópticos ou lasers de referência são tipicamente usados para diminuir a frequência detectada quando a faixa livre-espectral (FSR) dos DKSs é superior a 100 GHz. Isso não só aumenta a complexidade dos sistemas de teste, mas também produz erros adicionais de medição causados pela estabilidade das fontes de RF ou lasers de referência.

Neste artigo, um ressonador de micro-anéis (MRR) é embalado por borboletas com um chip TEC comercial que é usado para controlar a temperatura de operação. Usando um laser fixo de frequência com uma largura de linha de 100 Hz como bomba, cristais de soliton (SCs) são gerados com estaca por diminuição manual da temperatura de operação; estes são DKSs especiais que podem encher completamente um ressonador com conjuntos ordenados coletivamente de solitons copropagantes17. Pelo que sabemos, esta é a bomba de largura de linha mais estreita nos experimentos de geração DKSs. O espectro de densidade espectral de poder (PSD) de cada linha de pente é medido com base em um método de interferômetro auto-heterodyne atrasado (DSHI). Beneficiando-se da largura de linha ultra-estreita das linhas de pente, a instabilidade da taxa de repetição dos cristais de soliton (SCs) é derivada da deriva de frequência central das curvas PSD. Para o SC com uma única vaga, obtivemos uma instabilidade de taxa de repetição de ~53,24 Hz dentro de 10 μs e ~509,32 Hz dentro de 125 μs.

O protocolo consiste em vários estágios principais: Primeiro, o MRR é acoplado a uma matriz de fibras (FA) usando um estágio de acoplamento de seis eixos. O MRR é fabricado por uma plataforma de vidro de sílica dopada de alto índice18,19. Em seguida, o MRR é embalado em um pacote de borboleta de 14 pinos, o que aumenta a estabilidade para os experimentos. Os SCs são gerados usando um método controlado por térmicas. Finalmente, as flutuações da taxa de repetição das SCs são medidas por um método DSHI.

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Protocol

1. Acoplamento óptico

  1. Polir a face final do MRR em uma placa de moagem usando 1,5 μm de pó abrasivo (óxido de alumínio) misturado com água por 5 min.
  2. Corrija o MRR com uma luminária de chip e coloque uma FA de oito canais em um estágio de acoplamento de seis eixos, que inclui três estágios lineares com resolução de 50 nm e três estágios angulares com resolução de 0,003°. As manchas do MRR e fa são de 250 μm.
  3. Use um laser de 1.550 nm como fonte óptica para monitoramento em tempo real da eficiência do acoplamento. Ajuste cuidadosamente a posição da FA até que a perda de entrada atinja o valor mínimo, tipicamente inferior a 6 dB, correspondendo a uma perda de acoplamento inferior a 3 dB por faceta.
  4. Use um adesivo curvo ultravioleta (UV)(Tabela de Materiais) para colar o MRR e fa. Coloque o adesivo na borda lateral da superfície de contato, o que garante que não haja cola no caminho óptico.
  5. Exponha o adesivo curvo UV a uma lâmpada UV por 150 s e asse em uma câmara a 120 °C por mais de 1h.

2. Embalagem do dispositivo

  1. Conglutinar um chip TEC de 10,2 mm x 6,05 mm com potência máxima de 3,9 W para a placa base de um pacote de borboleta padrão de 14 pinos usando cola prateada. Soldar os dois eletrodos do chip TEC para dois pinos do pacote borboleta.
  2. Cole uma placa de 5 mm × 5 mm × tungstênio de 1 mm na superfície do chip TEC usando cola prateada. Use a placa de tungstênio como um dissipador de calor para preencher a lacuna entre a TEC e a MRR.
  3. Cole o dispositivo MRR na parte superior da placa de tungstênio usando cola prateada e fixar a trança da FA na porta de saída do pacote borboleta.
  4. Cole um chip de ormistor na superfície do chip TEC usando cola prateada. Conecte um eletrodo do ormistor à superfície superior do chip TEC. Ligue o outro eletrodo do ormistor e a superfície superior do chip TEC a dois pinos do pacote borboleta usando rosca dourada.
  5. Asse o dispositivo embalado a 100 °C por 1h para solidificar a cola prateada.
  6. Sele o pacote de borboletas. A Figura 1 mostra o dispositivo embalado.

3. Geração de SCs

  1. A Figura 2 mostra a configuração dos experimentos. Use um amplificador de fibra dotado de erbium (EDFA) para impulsionar a bomba para a geração de micro-pente. Controle o estado de polarização da bomba usando um controlador de polarização de fibra (FPC). Conecte todos os dispositivos usando fibras de modo único (SMF).
  2. Fixar o comprimento de onda do laser da bomba a 1.556,3 nm. Ajuste manualmente a temperatura de operação através de um controlador TEC comercial externo.
  3. Monitore o espectro óptico de saída com um analisador de espectro óptico. Detecte o traço de energia de saída com um fotodetector de 3 GHz e grave com um osciloscópio.
  4. Defina a saída do EDFA para 34 dBm, correspondente a uma potência on-chip de 30,5 dBm (considerando a perda de acoplamento do MRR e FA, inserção da perda do FPC), o que garante que haja energia suficiente acoplada à R MRR para geração de micro-pente.
  5. Coloque o estermistor em 2 kΩ, correspondendo a uma temperatura de operação de 66 °C. Em seguida, diminua lentamente a temperatura de operação alterando o valor definido do avaliador. Nestes experimentos, quando o ormistor foi definido para 5,8 kΩ, correspondendo a 38 °C, uma ressonância do MRR passou pela bomba e um traço de potência de forma triangular foi registrado.
  6. Sintonize a polarização da bomba pelo FPC até que um passo sc seja observado na borda caindo do traço de energia de transmissão triangular. A Figura 3 mostra um traço típico de energia de transmissão óptica.
  7. Diminua lentamente a temperatura de operação de ~66 °C e pare quando um espectro óptico semelhante à palma da mão for observado no analisador de espectro óptico. O valor do avaliador foi de cerca de 5,6 kΩ nesses experimentos. As Figuras 4A e Figura 5B mostram os espectros ópticos de SCs e SCs perfeitos com uma única vaga, respectivamente.

4. Medição da flutuação da taxa de repetição

  1. Conecte os SCs gerados a um filtro de bandpass tunable (TBPF) para extrair uma linha de pente individual. Defina a banda de passagem do TBPF para 0,1 nm. Seu comprimento de onda central pode ser sintonizado ao longo de toda a banda C e L. A inclinação do filtro é de 400 dB/nm.
  2. Junte a linha de pente selecionada a um interferômetro assimétrico Mach-Zehnder (AMZI). A frequência óptica em um braço do AMZI é deslocada por 200 MHz usando um modulador acousto-óptico (AOM). O campo óptico no outro braço é atrasado por um segmento de fibra óptica. Fibras de atraso de 2 km e 25 km são utilizadas nesses experimentos.
  3. Detecte o sinal óptico de saída com um fotodiodo e analise o espectro PSD usando um analisador de espectro elétrico.
  4. Sintonize o comprimento de onda central do TBPF. Meça os PSDs de cada linha de pente usando o método descrito. A Figura 4B,C mostra o espectro PSD para pentes das linhas S1 e S2 dos SCs perfeitos com as fibras ópticas de 2 km e 25 km de atraso, respectivamente.
  5. Utilizando o mesmo método, meça as curvas PSD das SCs com uma vaga. Registre a largura de banda de 3 dB da curva PSD e encaixe linearmente em pedaços, como mostrado na Figura 5B,C. Foram derivadas flutuações de taxa de repetição de ~53,24 Hz dentro de 10 μs e ~509,32 Hz dentro de 125 μs.

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Representative Results

A Figura 3 mostra o traço de energia de transmissão enquanto uma ressonância térmica estava sintonizada em toda a bomba. Havia um passo óbvio de poder que indicava a geração de SCs. A etapa tinha potência semelhante em relação ao seu precursor, o pente de instabilidade modulacional. Portanto, a geração de SCs não era dependente de velocidade de ajuste. Os SCs apresentaram uma grande variedade de estados, incluindo vagas (defeitos de Schottky), defeitos de Frenkel e superestrutura12,17. Como exemplos, a Figura 4A mostra um SC perfeito com 27 solitons e a Figura 5A é uma SC com uma única vaga.

A frequência da linha depente μ é igual a

Equation 1

e a flutuação de frequência da linha depente μ pode ser expressa como:

Equation 2

onde μ é o número de modo longe da bomba, frep é a taxa de repetição dos SCs, e Δfbomba e Δfrep são as flutuações de frequência do laser da bomba e a taxa de repetição dos SCs, respectivamente. Portanto, a flutuação da taxa de repetição dos SCs foi quase ampliada μ vezes na linha defrequência μ.

Para SCs perfeitos, a Figura 4B,C mostra os espectros PSD medidos para a bomba, S1 e S2, baseados em uma fibra de 2 km e 25 km de atraso, respectivamente. As características mais notáveis das curvas DO PSD foram as topos planas, que foram causadas pela flutuação de frequência dentro do tempo de atraso. Quando o tempo de atraso foi de 10 μs, as flutuações de frequência de S1 e S2 foram de 2,08 kHz e 3,54 kHz, respectivamente. Quando a fibra de atraso foi de 25 km, as flutuações de frequência medidas de S1 e S2 foram de 14,31 kHz e 28,02 kHz, respectivamente.

A Figura 5A mostra o espectro óptico típico de SC com uma única vaga. Havia 27 solitons circulando na RMR. As flutuações de frequência medidas de cada linha de pente foram traçadas e são mostradas na Figura 5B,C. As linhas de montagem lineares são plotadas em linhas azuis que podem ser expressas como

Equation 3
Equation 4

As inclinações médias das linhas de montagem foram de cerca de 53,24 Hz/FSR e 509,32 Hz/FSR, que representam as flutuações da taxa de repetição da SC dentro dos tempos de atraso de resposta de 10 μs e 125 μs, respectivamente. As flutuações de frequência residual foram consideradas como a flutuação de frequência do laser da bomba juntamente com a flutuação de frequência do sinal de rádio acionado do AOM.

Figure 1
Figura 1. MrR embalado borboleta. (A) Modelo e (B) foto da borboleta embalada MRR. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2. A configuração experimental da medição de flutuação da geração e da taxa de repetição do Kerr OFCs. O inset mostra o espectro óptico de um SC típico com uma única vaga. Um laser CW fixo de frequência com uma largura de linha de 100 Hz foi usado como bomba. Um EDFA foi usado para aumentar a bomba até 34 dBm. A flutuação de frequência foi medida pelo método de interferômetro auto-heterodyne atrasado. CW = onda contínua; EDFA = amplificador de fibra dopado por erbium; FPC = controlador de polarização de fibras; TEC = refrigerador termoelétrico; MRR = ressonador de microanéis; BPF = filtro de bandpass; AOM = modulador acousto-óptico; PD = fotodiodo; ESA = analisador de espectro elétrico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3. Traço de energia de transmissão óptica na porta de queda. Um passo sc que tinha poder semelhante ao seu precursor é claramente obtido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4. Perfeito SC. (A) Espectro óptico medido de um SC perfeito. O inset mostra os 27 solitons distribuídos uniformemente na MrR. (B) Mediu as curvas PSD da bomba, S1 e S2, com a fibra de 2 km de atraso. (C) Mediu as curvas PSD da bomba, S1 e S2, com a fibra de 25 km de atraso. A curva PSD de topo plano foi causada pela rápida flutuação de frequência das linhas do pente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5. SC com uma única vaga. (A) Espectro óptico de SC com uma única vaga. O inset mostra a distribuição de soliton no MRR. (B) Flutuações de frequência com a fibra de 2 km de atraso. A flutuação da taxa de repetição foi de cerca de 53,24 Hz dentro de 10 μs. A flutuação de frequência introduzida pelo laser da bomba e sistema de medição foi de cerca de 500 Hz. (C) A flutuação da taxa de repetição com uma fibra de atraso de 25 km foi de cerca de 626 Hz dentro de 125 μs. A flutuação de frequência introduzida pelo laser da bomba e sistema de medição foi de cerca de 1 kHz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6. PSD teórico da fotocorrente quando o comprimento óptico coerente é maior do que o tempo de atraso relativo. A linha vermelha não mostra flutuação de frequência central. A linha azul apresenta o PSD com flutuação linear de frequência central. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Os DKSs on-chip fornecem novas fontes ópticas compactas coerentes e exibem excelentes perspectivas de aplicação em metrologia óptica, espectroscopia molecular e outras funções. Para aplicações comerciais, fontes compactas de micro-pente embaladas são essenciais. Este protocolo fornece uma abordagem prática para fazer um microcodíb pente embalado que se beneficie da conexão confiável e de baixa perda de acoplamento entre o MRR e o FA, bem como um robusto método de geração DKS controlado por térmicas. Portanto, nossos experimentos não são mais dependentes de estágios de acoplamento e exibem excelente adaptação ambiental. Enquanto isso, a bomba é um laser fixo de comprimento de onda que pode ser operado com larguras de linha mais estreitas, produz significativamente menos ruído, e é muito menor em comparação com lasers tunable. Portanto, o protocolo é uma abordagem promissora para potenciais aplicações comerciais de fontes integradas de DKSs de alto desempenho.

A principal limitação para a obtenção de uma fonte de SCs totalmente integrada é a alta potência da bomba, que precisa de um EDFA. Recentemente, dKSs foram realizados no SiN MRR com potência de bomba muito baixa. Portanto, acreditamos que fontes DKS praticamente integradas serão feitas em um futuro próximo.

A estabilidade da taxa de repetição é um dos parâmetros mais importantes para avaliar o desempenho dos OFCs. Geralmente, a estabilidade da taxa de repetição é medida usando um contador de frequência. No entanto, as taxas de repetição de micro-pentes são tipicamente na ordem de dezenas de GHz para THz, que está fora da largura de banda de contadores de frequência e fotodetetores. Portanto, métodos indiretos, como uma fonte laser de referência ou um modulador, são geralmente usados para a medição da estabilidade da taxa de repetição, o que aumenta a complexidade do sistema de medição. Nosso protocolo fornece um esquema de medição de flutuação da taxa de repetição baseada em DSHI, onde componentes de alta frequência e fontes de referência ultra-estáveis são desnecessários. O sistema não tem uma limitação de taxa de repetição superior. Nosso sistema mede a flutuação de frequência acumulada durante o tempo de atraso, enquanto o método de contra-base de frequência testa o valor médio em um tempo de portão. Portanto, nosso esquema é complementar aos sistemas de medição de estabilidade da taxa de repetição de frequência.

A largura de linha do laser da bomba é essencial para um esquema de medição de flutuação da taxa de repetição baseada em DSHI. Quando um campo óptico

Equation 5

é medido por um esquema DSHI, o espectro PSD da fotocorrente pode ser expresso como:

Equation 6

onde E0 e ω0são a amplitude e a frequência angular, respectivamente; φéa fase inicial do campo óptico; α é a razão de poder dos dois braços de interferência; I0 é a intensidade óptica de entrada; τd e τc são o tempo de atraso relativo e o tempo coerente do campo óptico, respectivamente; e Ω é a mudança de frequência do AOM. Quando o τc for maior que o τd,o PSD será a sobreposição de um sinal de batida e uma função Dirac, como mostrado na Figura 6 (linha vermelha). No entanto, considerando a flutuação de frequência dos lasers, o campo óptico pode ser expresso como

Equation 7

onde Δω é a flutuação de frequência angular. Para dshi, uma mudança de frequência adicional é adicionada. A Figura 6 (linha azul) mostra o espectro PSD calculado, onde a frequência óptica é alterada linearmente 10 kHz durante o tempo de atraso. Em contraste, quando τc é menor que τd, a função Dirac será insignificante, e nosso esquema não pode mais medir a flutuação da taxa de repetição de DKSs. Nosso esquema não é adequado para os DKSs gerados usando um laser de bomba com uma largura de linha na ordem de dezenas de kHz. Felizmente, um laser com largura de linha de menos de 1 Hz foi comercializado, e lasers de frequência fixa bloqueados com uma largura de linha de menos de 40 mHz foram feitos20. Portanto, nosso esquema fornece um método simples de medição de instabilidade de taxa de repetição rápida para avaliação de desempenho de micro-pente no futuro.

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Disclosures

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) e pelo Programa de Pesquisa Estratégica Prioritária da Academia Chinesa de Ciências (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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Engenharia Questão 178 Fotônica Óptica Integrada Pente de Frequência Óptica Flutuação da Taxa de Repetição
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