Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Mikroresonatörde Soliton Kristallerinin Hızlı Tekrarlama Hızı Dalgalanma Ölçümü

2.7K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/60689

⸱

15 Aralık 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

Bu makalede

Özet

Burada, termal ayarlı bir yöntem kullanarak kelebekle paketlenmiş bir mikro halka rezonatörde soliton kristalleri üretmek için bir protokol sunuyoruz. Ayrıca, tek bir boş pozisyona sahip bir soliton kristalinin tekrarlama oranı dalgalanmaları gecikmiş bir kendi kendine heterodyne yöntemi kullanılarak ölçülür.

Özet

Zamansal solitonlar, son on yıllarda, dağılımın bir yayılma Kerr ortamındaki doğrusal olmayanlık ile dengelendiği istikrarlı bir durumdaki davranışları için büyük ilgi çekmiştir. Yüksek Q mikrokapilerde dissipatif Kerr solitonlarının (DKS) gelişimi yeni, kompakt, çip ölçekli bir soliton kaynağına neden olur. DKS'ler femtosaniye darbeler olarak hizmet ettiğinde, tekrarlama hızı dalgalanması ultra yüksek hassasiyetli metrolojiye, yüksek hızlı optik örneklemeye ve optik saatlere vb. Bu yazıda, parçacık benzeri solitonların sıkıca paketlendiği ve bir rezonatörün tamamen işgal edildiği özel bir DKS durumu olan soliton kristallerinin (SCs) hızlı tekrarlama hızı dalgalanması, iyi bilinen gecikmeli kendi kendine heterodyne yöntemine göre ölçülür. SBC'ler termal kontrollü bir yöntem kullanılarak oluşturulur. Pompa, 100 Hz'lik bir linewidth'e sahip frekans sabit bir lazerdir. Frekans dalgalanması ölçümlerindeki integral süre, gecikme lifinin uzunluğu ile kontrol edilir. Tek bir boş pozisyona sahip bir SC için, tekrarlama oranı dalgalanmaları sırasıyla 10 μs içinde ~53.24 Hz ve 125 μs içinde ~509.32 Hz'dir.

Giriş

Kavite dağılımının Kerr doğrusallığı ile dengelendiği mikroresonatörlerdeki sabit DKS'lerin yanı sıra Kerr kazancı ve kavite dağılımı1, ultra yüksek tekrarlama oranı, kompakt boyutu ve düşük maliyeti2için bilimsel araştırma topluluğunda büyük ilgi gördü. Zaman alanında, DKS'ler yüksek hızlı ölçüm3 ve moleküler spektroskopi4için kullanılan kararlı darbeli trenlerdir. Frekans alanında, DKS'ler dalga boyu bölmeli-multipleks (WDM) iletişim sistemleri 5 ,6, optik frekans sentezi 7,8ve ultra düşük gürültülü mikrodalga üretimi9,10, vb. Tarak hatlarının faz gürültüsü veya linewidth'i bu uygulama sistemlerinin performansını doğrudan etkiler. Tüm tarak hatlarının pompa11ile benzer bir hat genişliğine sahip olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle, pompa olarak ultra dar linewidth lazer kullanmak, DKS'lerin performansını artırmak için etkili bir yaklaşımdır. Bununla birlikte, bildirilen çoğu DKS'nin pompaları, nispeten yüksek gürültüden muzdarip olan ve onlarca ila yüzlerce kHz sırasına göre geniş bir çizgi genişliğine sahip olan frekans süpürme harici boşluk diyot lazerleridir (ECDL'ler). Ayarlanabilir lazerlerle karşılaştırıldığında, sabit frekanslı lazerler daha az gürültüye, daha dar çizgi tellerine ve daha küçük ses seviyesine sahiptir. Örneğin, Menlo sistemleri 1 Hz'den daha az bir linewidth ile ultra kararlı lazer ürünleri sağlayabilir. Pompa olarak böyle bir frekans sabit lazer kullanarak üretilen DKS'lerin gürültüsünü önemli ölçüde azaltabilir. Son zamanlarda, DKSs nesil12 , 13,14için mikro ısı kesici veya termoelektrik soğutucu(TEC)tabanlı termal ayar yöntemleri kullanılmıştır.

Tekrarlama oranı stabilitesi DKS'lerin bir diğer önemli parametresidir. Genellikle, frekans sayaçları, genellikle bir mikrosaniye ila bin saniye15,16sırasında olan bir kapı süresi içinde DKS'lerin frekans kararlılığını karakterize etmek için kullanılır. Fotodetector ve frekans sayacının bant genişliği ile sınırlı olan elektro optik modülatörler veya referans lazerler, DKS'lerin serbest spektral aralığı (FSR) 100 GHz'in üzerinde olduğunda algılanan frekansı düşürmek için kullanılır. Bu sadece test sistemlerinin karmaşıklığını artırmakla kalmaz, aynı zamanda RF kaynaklarının veya referans lazerlerin kararlılığından kaynaklanan ek ölçüm hataları da üretir.

Bu yazıda, bir mikro halka rezonatör (MRR), çalışma sıcaklığını kontrol etmek için kullanılan ticari bir TEC çipi ile paketlenmiş bir kelebektir. Pompa olarak 100 Hz'lik bir linewidth ile frekans sabit lazer kullanılarak, soliton kristalleri (SC' ler) çalışma sıcaklığının manuel olarak azaltılmasıyla sabit olarak üretilir; bunlar, bir rezonatörü topluca sıralanmış copropagating soliton toplulukları ile tamamen doldurabilen özelDKS'lerdir 17. En iyi bilgiye göre, bu DKSs üretim deneylerindeki en dar linewidth pompadır. Her tarak hattının güç spektral yoğunluğu (PSD) spektrumu, gecikmiş bir öz heterodyne interferometre (DSHI) yöntemine göre ölçülür. Tarak hatlarının ultra dar çizgi hattından yararlanan soliton kristallerinin (SC) tekrarlama hızı kararsızlığı, PSD eğrilerinin merkezi frekans kaymasından elde edilir. Tek bir boş pozisyona sahip SC için, 10 μs içinde ~53.24 Hz ve 125 μs içinde ~509.32 Hz tekrarlama oranı kararsızlığı elde ettik.

Protokol birkaç ana aşamadan oluşur: İlk olarak, MRR altı eksenli bir kavrama aşaması kullanılarak bir fiber dizi (FA) ile birleştirilmiştir. MRR, yüksek indeksli doptik silikas cam platformu18,19ile üretilmiştir. Daha sonra, MRR deneyler için stabiliteyi artıran 14 pinli bir kelebek paketine paketlenir. SBC'ler termal kontrollü bir yöntem kullanılarak oluşturulur. Son olarak, SBC'lerin tekrarlama oranı dalgalanmaları bir DSHI yöntemi ile ölçülür.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Optik kavrama

  1. MRR'nin son yüzünü 5 dakika boyunca suyla karıştırılmış 1,5 μm aşındırıcı tozlar (alüminyum oksit) kullanarak bir taşlama plakasında parlatın.
  2. MRR'yi bir talaş fikstürü ile sabitleyin ve 50 nm çözünürlüğe sahip üç doğrusal aşama ve 0,003° çözünürlüğe sahip üç açılı aşama içeren altı eksenli bir kavrama aşamasına sekiz kanallı bir FA yerleştirin. MRR ve FA'nın yamaları 250 μm'dir.
  3. Bağlantı verimliliğinin gerçek zamanlı izlenmesi için optik kaynak olarak 1.550 nm lazer kullanın. Başlangıç kaybı, genellikle 6 dB'den küçük olan ve faset başına 3 dB'den az bir bağlantı kaybına karşılık gelen minimum değere ulaşana kadar SK'nın konumunu dikkatlice ayarlayın.
  4. MRR ve FA'yı yapıştırmak için ultraviyole (UV) kavisli bir yapıştırıcı (Malzeme Tablosu)kullanın.
  5. UV kavisli yapıştırıcıyı 150 sn uv lambaya maruz koyun ve 120 °C'de bir odada 1 saatten fazla pişirin.

2. Cihaz ambalajı

  1. Maksimum 3,9 W güce sahip 10,2 mm x 6,05 mm TEC çipi gümüş yapıştırıcı kullanarak standart bir 14 pimli kelebek paketinin taban plakasına yapıştırın. TEC çipinin iki elektrodunun kelebek paketinin iki pimine lehimlenmesi.
  2. Gümüş yapıştırıcı kullanarak TEC çipinin yüzeyine 5 mm × 5 mm × 1 mm tungsten plaka yapıştırın. TEC ve MRR arasındaki boşluğu doldurmak için tungsten plakasını ısı emici olarak kullanın.
  3. MRR cihazını gümüş tutkal kullanarak tungsten plakasının üstüne yapıştırın ve FA'nın at kuyruğunu kelebek paketinin çıkış portine sabitleyin.
  4. Gümüş tutkal kullanarak TEC çipinin yüzeyine bir sürmüş çip yapıştırın. Bir elektrot TEC çipinin üst yüzeyine sürmüş. Thermistor'un diğer elektrod'unun ve TEC çipinin üst yüzeyinin altın iplik kullanarak kelebek paketinin iki pimine tel bağlayın.
  5. Gümüş yapıştırıcıyı katılaştırmak için paketlenmiş cihazı 100 °C'de 1 saat pişirin.
  6. Kelebek paketini mühürle. Şekil 1 paketlenmiş cihazı gösterir.

3. SCS üretimi

  1. Şekil 2, deneylerin kurulumünü gösterir. Mikro tarak üretimi için pompayı artırmak için erbiyum kubbeli fiber amplifikatör (EDFA) kullanın. Fiber polarizasyon kontrolörü (FPC) kullanarak pompanın polarizasyon durumunu kontrol edin. Tek mod fiberler (SMF) kullanarak tüm cihazları bağlayın.
  2. Pompa lazerinin dalga boyunun 1,556,3 nm olarak sabitlenerek sabitlenin. Çalışma sıcaklığını harici bir ticari TEC denetleyicisi aracılığıyla manuel olarak ayarlayın.
  3. Çıkış optik spektrumu optik spektrum analizörü ile izleyin. Çıkış gücü izini 3 GHz fotodetektörle algılayın ve osiloskopla kaydedin.
  4. EDFA'nın çıkışını 34 dBm olarak ayarlayın, 30,5 dBm yonga üzerinde güce karşılık gelir (MRR ve FA'nın bağlantı kaybı göz önüne alındığında, FPC'nin bağlantı kaybı) mikro tarak üretimi için MRR'ye yeterli güç birleştirilmiş olmasını sağlar.
  5. Thermistor'u 66 °C çalışma sıcaklığına karşılık gelen 2 kΩ'a ayarlayın. Ardından, thermistor'un ayarlanan değerini değiştirerek çalışma sıcaklığını yavaşça azaltın. Bu deneylerde, thermistor 38 °C'ye karşılık gelen 5,8 kΩ olarak ayarlandığında, MRR'nin bir rezonansı pompadan geçti ve üçgen şekil güç izi kaydedildi.
  6. Üçgen iletim güç izinin düşen kenarında bir SC adımı gözlemlenene kadar pompanın FPC tarafından polarizasyonunu ayarlayın. Şekil 3 tipik bir optik iletim güç izini göstermektedir.
  7. Çalışma sıcaklığını ~66 °C'den yavaşça düşürin ve optik spektrum analizöründe avuç içi benzeri bir optik spektrum gözlendiğinde durun. Bu deneylerde thermistor'un değeri 5.6 kΩ civarındaydı. Şekil 4A ve Şekil 5B, sırasıyla tek bir boş pozisyona sahip mükemmel SC'lerin ve SBC'lerin optik spektrumunu göstermektedir.

4. Tekrarlama oranı dalgalanma ölçümü

  1. Oluşturulan IC'leri, tek bir tarak hattını ayıklamak için ayarlanabilir bir bandpass filtresine (TBPF) bağlayın. TBPF'nin geçiş bandını 0,1 nm olarak ayarlayın. Merkezi dalga boyu tam C ve L bandı üzerinden ayarlanabilir. Filtre eğimi 400 dB/nm'dir.
  2. Seçilen tarak hattını asimetrik bir Mach-Zehnder interferometresine (AMZI) bir araya getirmek. AMZI'nin bir kolundaki optik frekans, bir acousto-optik modülatör (AOM) kullanılarak 200 MHz kaydırılır. Diğer koldaki optik alan, optik fiberin bir parçası tarafından geciktirilir. Bu deneylerde 2 km ve 25 km gecikme lifleri kullanılmaktadır.
  3. Çıkış optik sinyalini bir fotodiyotla algılayın ve bir elektrik spektrum analizörü kullanarak PSD spektrumu analiz edin.
  4. TBPF'nin merkezi dalga boylarını ayarlayın. Açıklanan yöntemi kullanarak her tarak hattının PSD'lerini ölçün. Şekil 4B,C, sırasıyla 2 km ve 25 km gecikmeli optik fiberlere sahip mükemmel SC'lerin S1 ve S2 tarak hatları için PSD spektrumunu göstermektedir.
  5. Aynı yöntemi kullanarak, boş bir boşlukla SBC'lerin PSD eğrilerini ölçün. PSD eğrisinin 3 dB bant genişliğini kaydedin ve Şekil 5B,C'degösterildiği gibi doğrusal olarak parça parça sığdırın. 10 μs içinde ~53.24 Hz ve 125 μs içinde ~509.32 Hz tekrarlama hızı dalgalanmaları türetilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Şekil 3, pompa boyunca bir rezonans termali ayarlanırken iletim gücü izini gösterir. SBC'lerin neslini gösteren bariz bir güç adımı vardı. Adım, öncüsü modülasyonel dengesizlik tarağı ile karşılaştırıldığında benzer güce sahipti. Bu nedenle, IC'lerin üretimi hıza bağlı olarak ayar yapmıyordu. SBC'ler boş pozisyonlar (Schottky kusurları), Frenkel kusurları ve üstyapı12,17dahil olmak üzere çok çeşitli devletler sergiledi. Örnek olarak,...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Çip üzerinde DKS'ler yeni kompakt tutarlı optik kaynaklar sağlar ve optik metroloji, moleküler spektroskopi ve diğer işlevlerde mükemmel uygulama beklentileri sergiler. Ticari uygulamalar için kompakt ambalajlı mikro tarak kaynakları gereklidir. Bu protokol, MRR ve FA arasındaki güvenilir, düşük kavrama kaybı bağlantısının yanı sıra sağlam bir termal kontrollü DKS üretim yönteminden yararlanan paketlenmiş bir mikro tarak yapmak için pratik bir yaklaşım sağlar. Bu nedenle, deneylerimiz artık sahneye bağlı olarak birleşmez...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar rakip finansal çıkarları olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (NSFC) (Grant 62075238, 61675231) ve Çin Bilimler Akademisi Stratejik Öncelikli Araştırma Programı (Grant No. XDB24030600).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
6 eksenli bağlantı aşamasıSuruga SeikiKXC620G
KGW060		3 doğrusal motorlu öteleme durumu ve 3 açısal motorlu dönme aşaması içerir.
Doğrusal durum: Minimum adımlama: 0,05 μ m; Seyahat: 20mm; hız: 25 mm / sn; Tekrarlanabilirlik: +/- 0.3 μ m; Dönme aşaması: Seyahat: ± 8&derece;; Çözünürlük / nabız: 0.003 derece; Tekrarlanabilirlik:± 0.005&derece;
Aşındırıcı tozShenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD2980002Silisyum karbür, taneciklik: 1.5 & mu; m
Glue 3410Elektronik Malzemeler Anonim ŞirketiOptocast 3410Optocast 3410, opto-elektronik montaja uygun, ultraviyole, ışık ve ısıyla sertleştirilebilen bir epoksidir. 320-380 nm'de UV ışığına maruz kaldığında hızla kürlenir.
Yüksek indeksli katkılı silika camEvyapımı-MRR, yüksek indeksli katkılı silika cam platform ile üretilmiştir. Dalga kılavuzu bölümü 2 kez; 3 μ m ve yarıçap 592.1 &mu'dur; m, 49 GHz'lik FSR'ye karşılık gelir.
Pompa lazeriNKT PhotonicsE15100 Hz çizgi genişliğine sahip sürekli dalga fiber lazerdir.
Ultra Kararlı LazerMenlosystemsORSSon teknoloji çizgi genişliği (< 1Hz) ve kararlılık (< 2 x 10-15 Hz)

Kaynaklar

  1. Herr, T., et al. Temporal solitons in optical microresonators. Nature Photonics. 8, 145-152 (2014).
  2. 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).
  3. Trocha, P., et al. Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs. Science. 359, 887-891 (2018).
  4. Myoung-Gyun, S., Qi-Fan, Y., Ki Youl, Y., Xu, Y., Kerry, L. V. Microresonator soliton dual-comb spectroscopy. Science. 354, 600-603 (2016).
  5. Marin-Palomo, P., et al. Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications. Nature. 546, 274-279 (2017).
  6. Fang-Xiang, W., et al. Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators. arXiv. , (2018).
  7. Spencer, D. T., et al. An optical-frequency synthesizer using integrated photonics. Nature. 557, 81-85 (2018).
  8. Del'Haye, P., et al. Phase-coherent microwave-to-optical link with a self-referenced microcomb. Nature Photonics. 10, 516-520 (2016).
  9. Huang, S. W., et al. A broadband chip-scale optical frequency synthesizer at 2.7x10-16 relative uncertainty. Science Advance. 2, 1501489(2016).
  10. Liang, W., et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator. Nature Communications. 6, 7957(2015).
  11. Liao, P. C., et al. Dependence of a microresonator Kerr frequency comb on the pump linewidth. Optics Letters. 42, 779-782 (2017).
  12. Wang, W. Q. Robust soliton crystals in a thermally controlled microresonator. Optics Letters. 43, 2002-2005 (2018).
  13. Chaitanya, J., et al. Thermally controlled comb generation and soliton modelocking in microresonators. Optics Letters. 41, 2565-2568 (2016).
  14. Lu, Z. Z., et al. Deterministic generation and switching of dissipative Kerr soliton in a thermally controlled micro-resonator. AIP Advances. 9, 025314(2019).
  15. Jost, J. D., et al. Counting the Cycles of Light using a Self-Referenced Optical Microresonator. Optica. 2, 706-711 (2014).
  16. Brasch, V., et al. Self-referenced photonic chip soliton Kerr frequency comb. Light: Science & Applications. 6, 16202-16206 (2017).
  17. Cole, D. C., et al. Soliton crystals in Kerr resonators. Nature Photonics. 11, 671-676 (2017).
  18. Little, B. E. A VLSI photonics platform. Conference on Optical Fiber Communication. 86, 444-445 (2003).
  19. Wang, W. Q., et al. Dual-pump kerr micro-cavity optical frequency comb with varying FSR spacing. Scientific Report. 6, 28501(2016).
  20. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

Gecikmeli Öz-Heterodin YöntemiMikro-Halka RezonatörDisipatif Kerr SolitonlarıTermal Kontrol YöntemiOptik Spektrum AnalizörüElektriksel Spektrum AnalizörüFiber Polarizasyon DenetleyicisiErbiyum Katkılı Fiber Amplifikatör
Mikroresonatörde Soliton Kristallerinin Hızlı Tekrarlama Hızı Dalgalanma Ölçümü
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.