Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

هنا، نقدم بروتوكول لتوليد بلورات سوليتون في جهاز رنين حلقة صغيرة معبأة الفراشة باستخدام طريقة ضبطها الحرارية. وعلاوة على ذلك، يتم قياس تقلبات معدل التكرار من الكريستال سوليتون مع شاغر واحد باستخدام طريقة تأخر الذاتي heterodyne.

Abstract

وقد اجتذبت solitons الزمنية اهتماما كبيرا في العقود الماضية لسلوكهم في حالة ثابتة، حيث يتم موازنة التشتت من قبل nonlinearity في انتشار كير المتوسطة. تطوير سوليتون كير التبدد (DKSs) في microcavities عالية Q يدفع رواية, المدمجة, رقاقة نطاق مصدر سوليتون. عندما تعمل DKSs كنبضات femtosecond ، يمكن تطبيق تقلبات معدل التكرار على القياس الدقيق فائقة الدقة ، وأخذ العينات البصرية عالية السرعة ، والساعات البصرية ، وما إلى ذلك. في هذه الورقة ، يتم قياس تذبذب معدل التكرار السريع لبلورات سوليتون (SCs) ، وهي حالة خاصة من DKSs حيث يتم تعبئة سوليتونات تشبه الجسيمات بإحكام وتحتل بشكل كامل جهاز الرنين ، استنادا إلى طريقة الهترودين المتأخرة المعروفة. يتم إنشاء SCs باستخدام طريقة يتم التحكم فيها حراريا. المضخة هي تردد ليزر ثابت مع خط من 100 هرتز. يتم التحكم في الوقت المتكامل في قياسات تقلبات التردد بطول ألياف التأخير. وبالنسبة إلى المحكمة العليا التي يوجد بها شاغر واحد، تبلغ تقلبات معدل التكرار 53.24 هرتز تقريبا في حدود 10 ميكرومترات و~509.32 هرتز في حدود 125 ميكرون على التوالي.

Introduction

وقد اجتذبت DKSs ثابت في microresonators ، حيث يتم موازنة تشتت تجويف من قبل كير nonlinearity ، فضلا عن كسب كير وتبديد تجويف1، اهتماما كبيرا في مجتمع البحث العلمي لمعدل التكرار عالية جدا ، والحجم الصغير ، وانخفاضتكلفة 2. في المجال الزمني، DKSs هي قطارات نبض مستقرة التي تم استخدامها لقياس المدى عالي السرعة3 والتنظير الطيفي الجزيئي4. في مجال التردد، DKSs لديها سلسلة من خطوط التردد مع تباعد التردد على قدم المساواة التي هي مناسبة لأنظمة الاتصالات الطول الموجي تقسيم متعدد (WDM)5،6، تركيب التردد البصري7،8، والضوضاء الفائقة الضوضاء الجيل9،10، الخ. تؤثر ضوضاء المرحلة أو خط خطوط المشط بشكل مباشر على أداء أنظمة التطبيقات هذه. وقد ثبت أن جميع خطوط المشط لديها خط مماثل مع مضخة11. لذلك ، فإن استخدام ليزر خط ضيق للغاية كمضخة هو نهج فعال لتحسين أداء DKSs. ومع ذلك ، فإن مضخات معظم DKSs المبلغ عنها هي تكرار تجتاح الليزر الصمام الثنائي تجويف الخارجية (ECDLs) ، والتي تعاني من ضوضاء عالية نسبيا ولها خط عريض على ترتيب عشرات إلى مئات كيلوهرتز. بالمقارنة مع الليزر غير القادر، فإن أشعة الليزر ذات التردد الثابت تحتوي على ضوضاء أقل وسويات خطوط أضيق وحجم أصغر. على سبيل المثال ، يمكن لأنظمة Menlo توفير منتجات ليزر فائقة الاستقرار مع خط أقل من 1 هرتز. باستخدام مثل هذا الليزر الثابت التردد كمضخة يمكن أن تقلل بشكل كبير من ضوضاء DKSs المتولدة. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام طرق الضبط الحراري القائمة على microheater أو thermoelectric cooler (TEC) لجيل DKSs12و13و14.

ثبات معدل التكرار هو معلمة هامة أخرى من DKSs. عموما، وتستخدم عدادات التردد لتوصيف استقرار التردد من DKSs داخل وقت البوابة، والتي هي عموما على ترتيب ميكروثانية إلى ألف ثانية15،16. تستخدم عادة أجهزة التشكيل الكهربائي البصري أو الليزر المرجعي، التي يحدها عرض النطاق الترددي للمضاد الضوئي وعداد التردد، لخفض التردد المكتشف عندما يكون المدى الطيفي الحر (FSR) لل DKSs أكثر من 100 جيجاهرتز. وهذا لا يزيد من تعقيد أنظمة الاختبار فحسب، بل ينتج أيضا أخطاء قياس إضافية ناجمة عن استقرار مصادر التردد اللاسلكي أو الليزر المرجعي.

في هذه الورقة ، الرنين الحلقي الصغير (MRR) هو فراشة معبأة مع رقاقة TEC التجارية التي تستخدم للتحكم في درجة حرارة العملية. باستخدام تردد ليزر ثابت مع خطوي من 100 هرتز كمضخة، يتم إنشاء بلورات سوليتون (SCs) بشكل ثابت عن طريق خفض درجة حرارة التشغيل يدويا. هذه هي DKSs الخاصة التي يمكن أن تملأ تماما صدى مع فرق أمر جماعي من solitons copropagating17. على حد علمنا ، وهذا هو أضيق مضخة linewidth في تجارب الجيل DKSs. يتم قياس طيف كثافة الطاقة الطيفية (PSD) لكل خط مشط استنادا إلى طريقة مقياس التداخل الذاتي غير التقليدية المتأخر (DSHI). الاستفادة من خط ضيق جدا من خطوط المشط، وعدم استقرار معدل التكرار من بلورات سوليتون (SCs) مشتق من الانجراف التردد المركزي من منحنيات PSD. بالنسبة إلى SC التي لديها شاغر واحد، حصلنا على عدم استقرار معدل التكرار ~ 53.24 هرتز في غضون 10 ميكروس و ~ 509.32 هرتز في غضون 125 ميكرو ثانية.

يتكون البروتوكول من عدة مراحل رئيسية: أولا ، يقترن MRR بمجموعة ألياف (FA) باستخدام مرحلة اقتران من ستة محاور. يتم تلفيق MRR من قبل منصة زجاج السيليكا المخدرة عالية المؤشر18،19. ثم يتم حزم MRR في حزمة فراشة 14 دبوس ، مما يزيد من استقرار التجارب. يتم إنشاء SCs باستخدام طريقة يتم التحكم فيها حراريا. وأخيرا، تقاس تقلبات معدل التكرار في البلدان النامية بطريقة DSHI.

Protocol

1. اقتران بصري

  1. البولندية الوجه النهائي للMRR على لوحة طحن باستخدام مساحيق جلخ 1.5 ميكرومتر (أكسيد الألومنيوم) مختلطة مع الماء لمدة 5 دقائق.
  2. إصلاح MRR مع لاعبا اساسيا رقاقة ووضع الاتحاد الانجليزي ثماني قنوات على مرحلة اقتران ستة محاور، والذي يتضمن ثلاث مراحل خطية مع قرار من 50 نانومتر وثلاث مراحل زاوية مع قرار من 0.003 درجة. بقع من MRR وFA هي 250 ميكرومتر.
  3. استخدام ليزر 1550 نانومتر كمصدر بصري لرصد الوقت الحقيقي لكفاءة اقتران. ضبط بعناية موقف الاتحاد الانجليزي حتى الخسارة inset تصل إلى الحد الأدنى للقيمة، وعادة ما تكون أقل من 6 ديسيبل، المقابلة لخسارة اقتران أقل من 3 ديسيبل لكل جانب.
  4. استخدام الأشعة فوق البنفسجية (UV) لاصق منحني(جدول المواد)للصق MRR و FA. ضع لاصقة على الحافة الجانبية لسطح الاتصال، مما يضمن عدم وجود الغراء على المسار البصري.
  5. يعرض لاصق الأشعة فوق البنفسجية المنحني إلى مصباح الأشعة فوق البنفسجية لمدة 150 ثانية ويخبز في غرفة عند 120 درجة مئوية لأكثر من ساعة واحدة.

2. عبوة الجهاز

  1. Conglutinate رقاقة TEC 10.2 ملم × 6.05 ملم مع قوة قصوى قدرها 3.9 واط إلى لوحة الأساس من حزمة فراشة قياسية 14 دبوس باستخدام الغراء الفضي. لحام اثنين من الأقطاب الكهربائية من رقاقة TEC إلى اثنين من دبابيس من حزمة فراشة.
  2. الصق 5 مم × 5 مم × لوحة التنغستن عيار 1 ملم على سطح رقاقة TEC باستخدام الغراء الفضي. استخدام لوحة التنغستن كبالوعة الحرارة لملء الفجوة بين TEC وMRR.
  3. لصق الجهاز MRR إلى الجزء العلوي من لوحة التنغستن باستخدام الغراء الفضة وإصلاح ذيل الخنزير من الاتحاد الانجليزي لميناء الإخراج من حزمة فراشة.
  4. لصق رقاقة thermistor على سطح رقاقة TEC باستخدام الغراء الفضي. قم بتوصيل قطب كهربائي واحد من الثيرميستور بالسطح العلوي لشريحة TEC. سلك السندات القطب الآخر من thermistor والسطح العلوي من رقاقة TEC إلى اثنين من دبابيس من حزمة فراشة باستخدام خيط الذهب.
  5. خبز الجهاز المعبأ في 100 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لترسيخ الغراء الفضة.
  6. ختم حزمة فراشة. يظهر الشكل 1 الجهاز المعبأ.

3. الجيل SCs

  1. ويبين الشكل 2 إعداد التجارب. استخدم مكبر صوت الألياف المخدرة بالerbium (EDFA) لتعزيز المضخة لتوليد المشط الدقيق. التحكم في حالة الاستقطاب للمضخة باستخدام وحدة تحكم استقطاب الألياف (FPC). قم بتوصيل جميع الأجهزة باستخدام ألياف الوضع المفرد (SMF).
  2. إصلاح الطول الموجي لليزر مضخة في 1,556.3 نانومتر. ضبط درجة حرارة التشغيل يدويا من خلال وحدة تحكم TEC تجارية خارجية.
  3. مراقبة الطيف البصري الناتج مع محلل الطيف البصري. اكتشف أثر طاقة الإخراج باستخدام جهاز فوتودكتور 3 جيجاهرتز وسجل باستخدام منظار الذبذبات.
  4. تعيين إخراج EDFA إلى 34 ديسيبل، المقابلة لقوة على رقاقة من 30.5 ديسيبل (بالنظر إلى فقدان اقتران MRR وFA، إدراج فقدان FPC)، مما يضمن أن هناك ما يكفي من الطاقة مقرونة في MRR لتوليد مشط صغير.
  5. تعيين thermistor إلى 2 كيلوΩ، المقابلة لدرجة حرارة التشغيل من 66 درجة مئوية. ثم خفض درجة حرارة التشغيل ببطء عن طريق تغيير القيمة المحددة للثيرميستور. في هذه التجارب، عندما تم تعيين thermistor إلى 5.8 كيلوΩ، المقابلة ل38 درجة مئوية، تم تمرير صدى واحد من MRR من خلال المضخة وسجل أثر الطاقة شكل الثلاثي.
  6. ضبط الاستقطاب من المضخة من قبل لجنة حماية الصحفيين حتى لوحظ خطوة SC في الحافة المتساقطة من تتبع قوة الإرسال الثلاثي. ويبين الشكل 3 أثر نموذجي لقوة الإرسال البصري.
  7. خفض درجة حرارة العملية ببطء من ~ 66 درجة مئوية والتوقف عند رصد الطيف البصري مثل النخيل على محلل الطيف البصري. وكانت قيمة الثيرميستور حوالي 5.6 كيلو أوم في هذه التجارب. ويبين الشكل 4 ألف والشكل 5ب الأطياف البصرية لمركبات الكربون الهيدروفلورية ومركبات الكربون الهيدروفلورية المثالية التي يوجد بها شاغر واحد على التوالي.

4. قياس تقلب معدل التكرار

  1. قم بتوصيل SCs المنشأة بمرشح ممر شريطي غير قادر (TBPF) لاستخراج خط مشط فردي. تعيين النطاق من TBPF إلى 0.1 نانومتر. يمكن ضبط الطول الموجي المركزي على النطاق C و L الكامل. ميل التصفية هو 400 ديسيبل / نانومتر.
  2. قم بأزواج خط المشط المحدد بمقياس التداخل ماخ-زيندر غير المتماثل (AMZI). يتم تحويل التردد البصري في ذراع واحدة من AMZI بمقدار 200 ميغاهرتز باستخدام معامل acousto-optic (AOM). يتم تأخير المجال البصري في الذراع الأخرى من قبل جزء من الألياف البصرية. وتستخدم ألياف تأخير 2 كم و 25 كم في هذه التجارب.
  3. اكتشف إشارة الإخراج البصرية باستخدام ثنائي ضوئي وحلل طيف PSD باستخدام محلل الطيف الكهربائي.
  4. ضبط الطول الموجي المركزي ل TBPF. قياس PSDs من كل خط مشط باستخدام الطريقة الموصوفة. الشكل 4B, C يظهر أطياف PSD لمشط خطوط S1 و S2 من SCs الكمال مع 2 كم و 25 كم تأخير الألياف البصرية, على التوالي.
  5. وباستخدام نفس الطريقة، قم بقياس منحنيات شعبة القطاع الخاص في البلدان النامية التي يوجد بها شاغر. سجل عرض النطاق الترددي 3 ديسيبل من منحنى PSD وتناسب خطيا قطعة كما هو مبين في الشكل 5B، C. واشتقت تقلبات معدل التكرار التي كانت 53.24 هرتز تقريبا في حدود 10 ميكرومترات و~509.32 هرتز في حدود 125 ميكرون.

النتائج

يظهر الشكل 3 أثر طاقة الإرسال بينما تم ضبط حراري الرنين عبر المضخة. وكانت هناك خطوة واضحة في مجال الطاقة تشير إلى توليد الشركات الخاصة. وكان قوة مماثلة للخطوة مقارنة مع سلائفها، ومشط عدم الاستقرار التشكيلي. لذلك، لم يكن الجيل من SCs ضبط السرعة التابعة. عرضت الشركات الخاصة مجم...

Discussion

توفر DKSs المدمجة على رقاقة مصادر بصرية متماسكة مدمجة جديدة وتظهر آفاق تطبيق ممتازة في القياس البصري ، والتنظير الطيفي الجزيئي ، وغيرها من الوظائف. بالنسبة للتطبيقات التجارية، تعتبر مصادر المشط الصغير المدمجة المعبأة ضرورية. يوفر هذا البروتوكول نهجا عمليا لجعل مشط صغير معبأ يستفيد من اتصا...

Disclosures

ويعلن أصحاب البلاغ أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgements

وقد دعم هذا العمل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (منحة 62075238، 61675231) وبرنامج البحوث ذات الأولوية الاستراتيجية للأكاديمية الصينية للعلوم (المنحة رقم 1000/1999). XDB24030600).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
6-axis coupling stageSuruga SeikiKXC620G
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 powderShenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD2980002Silicon carbide, granularity: 1.5 μm
Glue 3410Electronic Materials IncorporatedOptocast 3410Optocast 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 glassHome-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 laserNKT PhotonicsE15It is a continuous wave fiber laser with linewidth of 100 Hz.
Ultrastable LaserMenlosystemsORSState-of-the-art linewidth (<1Hz) and stability (<2 x 10-15 Hz)

References

  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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

178

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved