Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att generera sotkristaller i en fjärilsförpackad mikroringresonator med en termisk trimmad metod. Vidare mäts repetitionshastighetsfluktuationerna hos en solitonkristall med en enda vakans med en fördröjd själv heterodynemetod.
Abstract
Temporala solitoner har lockat stort intresse under de senaste decennierna för sitt beteende i ett stabilt tillstånd, där spridningen balanseras av nonlinearity i ett förökning Kerr medium. Utvecklingen av dissipativa Kerr-solitoner (DKS) i hög-Q-mikrocavities driver en ny, kompakt, chip-skala solitonkälla. När DKS fungerar som femtosekundspulser kan repetitionshastighetsfluktuationerna tillämpas på ultrahög precisions metrologi, optisk provtagning med hög hastighet och optiska klockor etc. I detta dokument mäts den snabba repetitionshastigheten av solitonkristaller (SCs), ett speciellt tillstånd av DKS där partikelliknande solitoner är tätt packade och upptar en resonator, baserat på den välkända fördröjda själv heterodynemetoden. SCs genereras med en termisk styrd metod. Pumpen är en frekvens fast laser med en linjebredd på 100 Hz. Den integrerade tiden i frekvensfluktuationernas mätningar styrs av fördröjningsfiberns längd. För en SC med en enda vakans är repetitionshastighetsfluktuationerna ~ 53,24 Hz inom 10 μs respektive ~ 509,32 Hz inom 125 μs.
Introduction
De stadiga DKSs i mikroresonatorer, där kavitetsspridning balanseras av Kerr nonlinearity, liksom Kerr vinst och hålighet avledning1, har lockat stort intresse i det vetenskapliga forskarsamhället för deras ultrahöga repetitionshastighet, kompakt storlek och låg kostnad2. Inom tidsdomänen är DKS stabila pulståg som har använts för höghastighetsmätning3 och molekylär spektroskopi4. I frekvensdomänen har DKSs en serie frekvenslinjer med lika frekvensavstånd som är lämpliga för våglängdsdivision-multiplex (WDM) kommunikationssystem5,6, optisk frekvenssyntes7,8och ultralågt brus mikrovågsgenerering9,10, etc. Fasbruset eller linjebredden av kamlinjer påverkar direkt prestandan hos dessa applikationssystem. Det har bevisats att alla kamlinjer har en liknande linjebredd med pumpen11. Därför är det ett effektivt tillvägagångssätt att använda en ultrasmal linjebreddslaser som pump för att förbättra DKS:s prestanda. Pumparna i de flesta rapporterade DKS är dock frekvenssvepande externa kavitetsdiodlasrar (ECDLs), som lider av relativt högt brus och har en bred linjebredd i storleksordningen tiotals till hundratals kHz. Jämfört med tunable lasrar har fasta frekvenslasrar mindre brus, smalare linewidths och mindre volym. Till exempel kan Menlo-system tillhandahålla ultrastabila laserprodukter med en linjebredd på mindre än 1 Hz. Användning av en sådan frekvens fast laser som en pump kan avsevärt minska bullret från de genererade DKSS. Nyligen har mikrovärmare eller termoelektrisk kylare (TEC) -baserade termiska justeringsmetoder använts för DKSs generation12,13,14.
Repetitionshastighetsstabilitet är en annan viktig parameter för DKSs. I allmänhet används frekvensräknare för att karakterisera frekvensstabiliteten hos DKS inom en grindtid, som vanligtvis är i ordningen för en mikrosekund till tusen sekunder15,16. Begränsade av bandbredden hos fotodetektorn och frekvensräknaren används elektrooptiska modulatorer eller referenslasrar vanligtvis för att sänka den detekterade frekvensen när DKSS (Free-spectral-range) (FSR) är över 100 GHz. Detta ökar inte bara testsystemens komplexitet, utan ger också ytterligare mätfel som orsakas av stabiliteten hos RF-källor eller referenslasrar.
I detta dokument är en mikroringresonator (MRR) fjärilsförpackad med ett kommersiellt TEC-chip som används för att styra driftstemperaturen. Med hjälp av en frekvens fast laser med en linjebredd på 100 Hz som pump genereras solitonkristaller (SCs) stabilt genom att manuellt minska driftstemperaturen. dessa är speciella DKSs som helt kan fylla en resonator med kollektivt beställda ensembler av copropagating solitons17. Såvitt vi vet är detta den smalaste linjebreddspumpen i DKSs generationsexperiment. Psd-spektrumet (Power spectral density) för varje kamlinje mäts baserat på en fördröjd själv heterodyneinterferometer (DSHI). Genom att dra nytta av kamlinjernas ultrasnrsta linjebredd härleds repetitionshastigheten för solitonkristaller (SCs) från psd-kurvornas centrala frekvensdrift. För SC med en enda vakans erhöll vi en repetitionshastighetsinstabilitet på ~ 53,24 Hz inom 10 μs och ~ 509,32 Hz inom 125 μs.
Protokollet består av flera huvudsteg: För det första är MRR kopplad till en fibermatris (FA) med ett sexaxligt kopplingssteg. MRR tillverkas av en högindex dopad kiselglasplattform18,19. Sedan förpackas MRR i ett 14-stifts fjärilspaket, vilket ökar stabiliteten för experimenten. SCs genereras med en termiskt styrd metod. Slutligen mäts repetitionshastighetsfluktuationerna för SCs med en DSHI-metod.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Optisk koppling
- Polera MRR:s ändvända på en slipplatta med 1,5 μm slipande pulver (aluminiumoxid) blandat med vatten i 5 minuter.
- Fixera MRR med en spånfixtur och placera en åttakanalig FA på ett sexaxligt kopplingssteg, som innehåller tre linjära steg med en upplösning på 50 nm och tre vinkelsteg med en upplösning på 0,003°. Plåstren på MRR och FA är 250 μm.
- Använd en 1 550 nm laser som optisk källa för realtidsövervakning av kopplingseffektiviteten. Justera noggrant FA:s position tills den infällda förlusten når minimivärdet, vanligtvis mindre än 6 dB, vilket motsvarar en kopplingsförlust på mindre än 3 dB per aspekt.
- Använd ett ultraviolett (UV) böjt lim(Materialbord) för att limma MRR och FA. Placera limet på kontaktytans sidokant, vilket säkerställer att det inte finns något lim på den optiska banan.
- Exponera det UV-böjda bindemedlet mot en UV-lampa i 150 s och grädda i en kammare vid 120 °C i mer än 1 timme.
2. Enhetsförpackning
- Konglutera ett 10,2 mm x 6,05 mm TEC-chip med en maximal effekt på 3,9 W till basplattan på ett standard 14-stifts fjärilspaket med silverlim. Löd de två elektroderna i TEC-chipet till två stift i fjärilspaketet.
- Klistra in en 5 mm × 5 mm × 1 mm volframplatta till ytan av TEC-chipet med silverlim. Använd volframplattan som kylfläns för att fylla gapet mellan TEC och MRR.
- Klistra in MRR-enheten på toppen av volframplattan med silverlim och fixera FA: s pigtail till fjärilspaketets utmatningsport.
- Klistra in ett temistorchip på ytan av TEC-chipet med silverlim. Anslut en elektrod av thermistor till TEC-chipets övre yta. Tråden binder den andra elektroden i thermistor och TEC-chipets övre yta till två stift i fjärilspaketet med hjälp av guldtråd.
- Grädda den förpackade enheten vid 100 °C i 1 h för att stelna silverlimmet.
- Försegla fjärilspaketet. Bild 1 visar den förpackade enheten.
3. Generering av SCs
- Figur 2 visar hur experimenten har upprättats. Använd en erbiumdoppad fiberförstärkare (EDFA) för att öka pumpen för mikrokamgenerering. Styr pumpens polariseringstillstånd med hjälp av en fiberpolariseringsregulator (FPC). Anslut alla enheter med enlägesfibrer (SMF).
- Fixera pumplaserns våglängd till 1 556,3 nm. Justera drifttemperaturen manuellt genom en extern kommersiell TEC-styrenhet.
- Övervaka utdataoptiska spektrumet med en optisk spektrumanalysator. Upptäck uteffektspåret med en 3 GHz-fotodetektor och spela in med ett oscilloskop.
- Ställ in effekten av EDFA på 34 dBm, vilket motsvarar en effekt på 30,5 dBm (med tanke på kopplingsförlusten av MRR och FA, skär förlust av FPC), vilket säkerställer att det finns tillräckligt med kraft kopplad till MRR för mikrokamgenerering.
- Ställ in thermistor på 2 kΩ, vilket motsvarar en driftstemperatur på 66 °C. Minska sedan långsamt driftstemperaturen genom att ändra börsvärdet för thermistor. I dessa experiment, när thermistor var inställd på 5,8 kΩ, motsvarande 38 °C, passerade en resonans av MRR genom pumpen och en triangulär form effektspår registrerades.
- Finjustera polariseringen av pumpen med FPC tills ett SC-steg observeras vid den fallande kanten av den triangulära överföringseffektspåret. Figur 3 visar en typisk optisk överföringseffektspårning.
- Minska långsamt driftstemperaturen från ~66 °C och sluta när ett palmliknande optiskt spektrum observeras på den optiska spektrumanalysatorn. Värdet av thermistor var cirka 5,6 kΩ i dessa experiment. Figur 4A och figur 5B visar det optiska spektrat hos perfekta SCs respektive SCs med en enda ledig plats.
4. Mätning av repetitionshastighetsfluktuationer
- Anslut de genererade SCs till ett tunable bandpass-filter (TBPF) för att extrahera en enskild kamlinje. Ställ in TBPF:s passband på 0,1 nm. Dess centrala våglängd kan justeras över hela C- och L-bandet. Filterlutningen är 400 dB/nm.
- Koppla ihop den valda kamlinjen till en asymmetrisk Mach-Zehnder interferometer (AMZI). Den optiska frekvensen i en arm av AMZI flyttas med 200 MHz med hjälp av en acoustooptisk modulator (AOM). Det optiska fältet i den andra armen fördröjs av ett segment av optisk fiber. Fördröjningsfibrer på 2 km och 25 km används i dessa experiment.
- Detektera den optiska signalen med en fotodiod och analysera PSD-spektrumet med hjälp av en elektrisk spektrumanalysator.
- Justera TBPF:s centrala våglängd. Mät PSD:erna för varje kamlinje med den beskrivna metoden. Figur 4B,C visar PSD-spektrat för kamlinjerna S1 och S2 av perfekta SCs med 2 km respektive 25 km fördröjer optiska fibrer.
- Mät psd-kurvorna för SCs med en ledig plats med samma metod. Registrera 3 dB-bandbredden för PSD-kurvan och montera den linjärt bitvis enligt figur 5B,C. Repetitionshastighetsfluktuationer på ~53,24 Hz inom 10 μs och ~509,32 Hz inom 125 μs härleddes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 visar spår av överföringseffekt medan en resonansvärme justerades över pumpen. Det fanns ett uppenbart kraftsteg som indikerade generering av SCs. Steget hade liknande kraft jämfört med dess föregångare, den modulationella instabilitetskammen. Därför var genereringen av SCs inte justeringshastighetsberoende. SCs uppvisade en mängd olika stater, inklusive lediga platser (Schottky defekter), Frenkel defekter och överbyggnad12,17. Som exempel visar figur 4A en perfekt SC med 27 solitoner och figur 5A är en SC med en enda ledig plats.
Frekvensen av μkamlinjen är lika med
och frekvensfluktuationerna för μkamlinjen kan uttryckas som
Där μ är lägesnumret bort från pumpen, frep är repetitionshastigheten för SCs, och Δfpump och Δfrep är frekvensfluktuationerna för pumplasern respektive repetitionshastigheten för SCs. Därför förstärktes repetitionshastighetsfluktuationen för de SCs nästan μ gånger vid μfrekvenslinjen.
För perfekta SCs visar figur 4B,C det uppmätta PSD-spektrat för pumpen, S1 och S2, baserat på en 2 km respektive en 25 km fördröjningsfiber. De mest anmärkningsvärda egenskaperna hos PSD-kurvorna var de platta topparna, som orsakades av frekvensfluktuationerna inom fördröjningstiden. När fördröjningstiden var 10 μs var frekvensfluktuationerna för S1 och S2 2,08 kHz respektive 3,54 kHz. När fördröjningsfibern var 25 km var de uppmätta frekvensfluktuationerna för S1 och S2 14,31 kHz respektive 28,02 kHz.
Figur 5A visar det typiska optiska spektrumet av SC med en enda ledig plats. Det fanns 27 solitoner som cirkulerade i MRR. De uppmätta frekvensfluktuationerna för varje kamlinje ritades och visas i figur 5B,C. De bitvis linjära monteringslinjerna ritas i blå linjer som kan uttryckas som
De genomsnittliga sluttningarna av monteringslinjerna var cirka 53,24 Hz/FSR och 509,32 Hz/FSR, vilket representerar sc:s repetitionshastighetsfluktuationer inom de svarande fördröjningstiderna på 10 μs respektive 125 μs. De återstående frekvensfluktuationerna betraktades som frekvensfluktuationerna för pumplasern tillsammans med frekvensfluktuationerna för AOM:s drivna radiosignal.
Figur 1. Fjäril förpackad MRR. a)Modell och (B)bild av fjärilsförpackningen MRR. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 2. Den experimentella inställningen av Kerr OFCs-generering och repetitionshastighetsfluktuationer mätning. Infälld visar det optiska spektrumet av en typisk SC med en enda ledig plats. En frekvens fast CW-laser med en linjebredd på 100 Hz användes som pump. En EDFA användes för att öka pumpen upp till 34 dBm. Frekvensfluktuationerna mättes med den fördröjda metoden själv heterodyne interferometer. CW = kontinuerlig våg; EDFA = erbiumdoppad fiberförstärkare; FPC = fiberpolariseringsregulator; TEC = termoelektrisk kylare; MRR = mikroringresonator; BPF = bandpassfilter; AOM = acoustooptisk modulator; PD = fotodiod; ESA = elektrisk spektrumanalysator. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 3. Optisk överföringseffektspår vid släppporten. Ett SC-steg som hade liknande kraft som föregångaren erhålls tydligt. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 4. Perfekt SC. (A) Uppmätt optiskt spektrum av en perfekt SC. Infälld visar de jämnt fördelade 27 solitonerna i MRR. (B)Uppmätta PSD-kurvor på pumpen, S1 och S2, med 2 km fördröjningsfiber. (C) Uppmätta PSD-kurvor för pumpen, S1 och S2, med den 25 km långa fördröjningsfibern. Den platta PSD-kurvan orsakades av kamlinjernas snabba frekvensfluktuationer. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 5. SC med en enda ledig tjänst. (A) Optiskt spektrum av SC med en enda ledig plats. Infälld visar solitonfördelningen i MRR. (B) Frekvensfluktuationer med 2 km fördröjningsfiber. Repetitionshastighetsfluktuationen var cirka 53,24 Hz inom 10 μs. Frekvensfluktuationerna som infördes av pumplaser- och mätsystemet var cirka 500 Hz. (C) Repetitionshastighetsfluktuationerna med en 25 km fördröjningsfiber var cirka 626 Hz inom 125 μs. Frekvensfluktuationerna som infördes av pumplaser- och mätsystemet var ca 1 kHz. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 6. Den etriska PSD:n för fotoströmmen när den optiska sammanhängande längden är större än den relativa fördröjningstiden. Den röda linjen visar inga centrala frekvensfluktuationer. Den blå linjen presenterar PSD med linjär central frekvensfluktuationer. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dkss på chip tillhandahåller nya kompakta sammanhängande optiska källor och uppvisar utmärkta applikationsmöjligheter inom optisk metrologi, molekylär spektroskopi och andra funktioner. För kommersiella applikationer är kompakta förpackade mikrokamkällor viktiga. Detta protokoll ger ett praktiskt tillvägagångssätt för att göra en förpackad mikrokam som drar nytta av den tillförlitliga, låga kopplingsförlustanslutningen mellan MRR och FA, samt en robust termiskt styrd DKS-genereringsmetod. Därför är våra experiment inte längre kopplingsfasberoende och uppvisar utmärkt miljöanpassning. Under tiden är pumpen en våglängds fast laser som kan användas med smalare linjebredder, producerar betydligt mindre ljud och är mycket mindre jämfört med tunable lasrar. Därför är protokollet ett lovande tillvägagångssätt för potentiella kommersiella tillämpningar av integrerade högpresterande DKSS-källor på chip.
Den största begränsningen för att erhålla en helt integrerad SCs-källa är den höga pumpeffekten, som behöver en EDFA. Nyligen har DKSs realiserats på SiN MRR med mycket låg pumpeffekt. Därför tror vi att praktiska fullt integrerade DKS-källor kommer att tillverkas inom en snar framtid.
Upprepningshastighetens stabilitet är en av de viktigaste parametrarna för att utvärdera ofcs prestanda. I allmänhet mäts repetitionshastighetens stabilitet med hjälp av en frekvensräknare. Repetitionshastigheten för mikrokammar är dock vanligtvis i ordningen tiotals GHz till THz, vilket är ur bandbredden för frekvensräknare och fotodetektorer. Därför används indirekta metoder, såsom en referenslaserkälla eller en modulator, vanligtvis för mätning av repetitionshastighetsstabilitet, vilket ökar mätsystemets komplexitet. Vårt protokoll ger ett DSHI-baserat mätschema för repetitionshastighetsfluktuationer, där högfrekventa komponenter och ultrastabila referenskällor är onödiga. Systemet har ingen övre begränsning av repetitionsfrekvensen. Vårt system mäter den ackumulerade frekvensfluktuationen under fördröjningstiden, medan frekvensräknaren testar medelvärdet i en porttid. Därför kompletterar vårt system frekvensräknarebaserade stabilitetsmätningssystem för repetitionshastighet.
Pumplaserns linjebredd är avgörande för ett DSHI-baserat mätschema för repetitionshastighetsfluktuationer. När ett optiskt fält
mäts med ett DSHI-schema kan fotoströmmens PSD-spektrum uttryckas som
där E0 respektive ω0är amplitud respektive vinkelfrekvens. φt) är det optiska fältets inledande fas. α är effektförhållandet för de två interferensarmarna; I0 är den optiska indataintensiteten; τd och τc är den relativa fördröjningstiden respektive den sammanhängande tiden för det optiska fältet. och Ω är AOM:s frekvensförskjutning. När τc är större än τdkommer PSD att vara överlappningen av en slagsignal och en Dirac-funktion, som visas i figur 6 (röd linje). Med tanke på laserns frekvensfluktuationer kan dock det optiska fältet uttryckas som
där Δω är vinkelfrekvensfluktuationen. För DSHI läggs ytterligare ett frekvensskift till. Figur 6 (blå linje) visar det beräknade PSD-spektrumet, där den optiska frekvensen ändras linjärt 10 kHz under fördröjningstiden. Däremot, när τc är mindre än τd, kommer Dirac-funktionen att vara försumbar, och vårt system kan inte längre mäta upprepningshastighetsfluktuationerna hos DKSs. Vårt schema är inte lämpligt för DKS som genereras med hjälp av en pumplaser med en linjebredd i tiotals kHz. Lyckligtvis har en laser med en linjebredd på mindre än 1 Hz kommersialiserats, och låsta laser med fast frekvens med en linjebredd på mindre än 40 mHz har gjorts20. Därför ger vårt system en enkel snabb repetitionshastighetsinstabilitetsmätningsmetod för utvärdering av mikrokamprestanda i framtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) och det strategiska prioriterade forskningsprogrammet för Chinese Academy of 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) |
References
- Herr, T., et al. Temporal solitons in optical microresonators. Nature Photonics. 8, 145-152 (2014).
- Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. Low-pump-power, low-phase-noise, and microwave to millimeter-wave repetition rate operation in microcombs. Physical Review Letters. 109, 1-5 (2012).
- Trocha, P., et al. Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs. Science. 359, 887-891 (2018).
- Myoung-Gyun, S., Qi-Fan, Y., Ki Youl, Y., Xu, Y., Kerry, L. V. Microresonator soliton dual-comb spectroscopy. Science. 354, 600-603 (2016).
- Marin-Palomo, P., et al. Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications. Nature. 546, 274-279 (2017).
- Fang-Xiang, W., et al. Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators. arXiv. , (2018).
- Spencer, D. T., et al. An optical-frequency synthesizer using integrated photonics. Nature. 557, 81-85 (2018).
- Del'Haye, P., et al. Phase-coherent microwave-to-optical link with a self-referenced microcomb. Nature Photonics. 10, 516-520 (2016).
- Huang, S. W., et al. A broadband chip-scale optical frequency synthesizer at 2.7x10-16 relative uncertainty. Science Advance. 2, 1501489 (2016).
- Liang, W., et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator. Nature Communications. 6, 7957 (2015).
- Liao, P. C., et al. Dependence of a microresonator Kerr frequency comb on the pump linewidth. Optics Letters. 42, 779-782 (2017).
- Wang, W. Q. Robust soliton crystals in a thermally controlled microresonator. Optics Letters. 43, 2002-2005 (2018).
- Chaitanya, J., et al. Thermally controlled comb generation and soliton modelocking in microresonators. Optics Letters. 41, 2565-2568 (2016).
- Lu, Z. Z., et al. Deterministic generation and switching of dissipative Kerr soliton in a thermally controlled micro-resonator. AIP Advances. 9, 025314 (2019).
- Jost, J. D., et al. Counting the Cycles of Light using a Self-Referenced Optical Microresonator. Optica. 2, 706-711 (2014).
- Brasch, V., et al. Self-referenced photonic chip soliton Kerr frequency comb. Light: Science & Applications. 6, 16202-16206 (2017).
- Cole, D. C., et al. Soliton crystals in Kerr resonators. Nature Photonics. 11, 671-676 (2017).
- Little, B. E. A VLSI photonics platform. Conference on Optical Fiber Communication. 86, 444-445 (2003).
- Wang, W. Q., et al. Dual-pump kerr micro-cavity optical frequency comb with varying FSR spacing. Scientific Report. 6, 28501 (2016).
- Kessler, T., et al. A sub-40-m Hz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity. Nature Photonics. 6, 687-692 (2012).
