Name: rapid repetition rate fluctuation measurement of soliton crystals in a microresonator
Uploaded: 2021-12-15T13:00:00
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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)。

1. 光結合
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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?...

<ol>
	<li>Herr, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temporal+solitons+in+optical+microresonators.">Temporal solitons in optical microresonators.</a> Nature Photonics. 8, 145-152 (2014).</li><li>Li, J., Lee, H., Chen, T., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-pump-power,+low-phase-noise,+and+microwave+to+millimeter-wave+repetition+rate+operation+in+microcombs.">Low-pump-power, low-phase-noise, and microwave to millimeter-wave repetition rate operation in microcombs.</a> Physical Review Letters. 109, 1-5 (2012).</li><li>Trocha, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+optical+ranging+using+microresonator+soliton+frequency+combs.">Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs.</a> Science. 359, 887-891 (2018).</li><li>Myoung-Gyun, S., Qi-Fan, Y., Ki Youl, Y., Xu, Y., Kerry, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microresonator+soliton+dual-comb+spectroscopy.">Microresonator soliton dual-comb spectroscopy.</a> Science. 354, 600-603 (2016).</li><li>Marin-Palomo, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microresonator-based+solitons+for+massively+parallel+coherent+optical+communications.">Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications.</a> Nature. 546, 274-279 (2017).</li><li>Fang-Xiang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+key+distribution+with+dissipative+Kerr+soliton+generated+by+on-chip+microresonators.">Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators.</a> arXiv. , (2018).</li><li>Spencer, D. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optical-frequency+synthesizer+using+integrated+photonics.">An optical-frequency synthesizer using integrated photonics.</a> Nature. 557, 81-85 (2018).</li><li>Del'Haye, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase-coherent+microwave-to-optical+link+with+a+self-referenced+microcomb.">Phase-coherent microwave-to-optical link with a self-referenced microcomb.</a> Nature Photonics. 10, 516-520 (2016).</li><li>Huang, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+broadband+chip-scale+optical+frequency+synthesizer+at+2.7x10-16+relative+uncertainty.">A broadband chip-scale optical frequency synthesizer at 2.7x10-16 relative uncertainty.</a> Science Advance. 2, 1501489 (2016).</li><li>Liang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+spectral+purity+Kerr+frequency+comb+radio+frequency+photonic+oscillator.">High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator.</a> Nature Communications. 6, 7957 (2015).</li><li>Liao, P. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dependence+of+a+microresonator+Kerr+frequency+comb+on+the+pump+linewidth.">Dependence of a microresonator Kerr frequency comb on the pump linewidth.</a> Optics Letters. 42, 779-782 (2017).</li><li>Wang, W. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+soliton+crystals+in+a+thermally+controlled+microresonator.">Robust soliton crystals in a thermally controlled microresonator.</a> Optics Letters. 43, 2002-2005 (2018).</li><li>Chaitanya, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermally+controlled+comb+generation+and+soliton+modelocking+in+microresonators.">Thermally controlled comb generation and soliton modelocking in microresonators.</a> Optics Letters. 41, 2565-2568 (2016).</li><li>Lu, Z. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deterministic+generation+and+switching+of+dissipative+Kerr+soliton+in+a+thermally+controlled+micro-resonator.">Deterministic generation and switching of dissipative Kerr soliton in a thermally controlled micro-resonator.</a> AIP Advances. 9, 025314 (2019).</li><li>Jost, J. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Counting+the+Cycles+of+Light+using+a+Self-Referenced+Optical+Microresonator.">Counting the Cycles of Light using a Self-Referenced Optical Microresonator.</a> Optica. 2, 706-711 (2014).</li><li>Brasch, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-referenced+photonic+chip+soliton+Kerr+frequency+comb.">Self-referenced photonic chip soliton Kerr frequency comb.</a> Light: Science &amp; Applications. 6, 16202-16206 (2017).</li><li>Cole, D. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soliton+crystals+in+Kerr+resonators.">Soliton crystals in Kerr resonators.</a> Nature Photonics. 11, 671-676 (2017).</li><li>Little, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+VLSI+photonics+platform.">A VLSI photonics platform.</a> Conference on Optical Fiber Communication. 86, 444-445 (2003).</li><li>Wang, W. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual-pump+kerr+micro-cavity+optical+frequency+comb+with+varying+FSR+spacing.">Dual-pump kerr micro-cavity optical frequency comb with varying FSR spacing.</a> Scientific Report. 6, 28501 (2016).</li><li>Kessler, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+sub-40-m+Hz-linewidth+laser+based+on+a+silicon+single-crystal+optical+cavity.">A sub-40-m Hz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity.</a> Nature Photonics. 6, 687-692 (2012).</li></ol>

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?...

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。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1421px;" width="1421">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:299px;">6-axis coupling stage</td>
			<td style="width:323px;">Suruga Seiki</td>
			<td style="width:161px;">KXC620G 
			KGW060</td>
			<td style="width:639px;">Contains 3 linear motorized translation states and 3 angular motorized rotational stages. 
			Linear state: Minimum stepping: 0.05 &#956;m; Travel: 20mm; Max.speed: 25mm/s; Repeatability: +/-0.3 &#956;m; Rotational stage:Travel: &#177;8&#176;; Resolution/pulse: 0.003 degree; Repeatability:&#177;0.005&#176;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Abrasive powder</td>
			<td style="width:323px;">Shenyang Kejing Auto-Instrument Co., LTD</td>
			<td>2980002</td>
			<td>Silicon carbide, granularity: 1.5 &#956;m</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:299px;">Glue 3410</td>
			<td style="width:323px;">Electronic Materials Incorporated</td>
			<td style="width:161px;">Optocast 3410</td>
			<td style="width:639px;">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.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:299px;">High-index doped silica glass</td>
			<td style="width:323px;">Home-made</td>
			<td style="width:161px;">-</td>
			<td style="width:639px;">The MRR is fabricated by a high index doped silica glass platform. The waveguide section is 2&#215;3 &#956;m and radius is 592.1 &#956;m, corresponding to FSR of 49 GHz.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Pump laser</td>
			<td style="width:323px;">NKT Photonics</td>
			<td style="width:161px;">E15</td>
			<td style="width:639px;">It is a continuous wave fiber laser with linewidth of 100 Hz.</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:299px;">Ultrastable Laser</td>
			<td style="width:323px;">Menlosystems</td>
			<td style="width:161px;">ORS</td>
			<td>State-of-the-art linewidth (&#60;1Hz) and stability (&#60;2 x 10-15 Hz)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

rapid repetition rate fluctuation measurement of soliton crystals in a microresonator

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。

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</su...

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Rapid Repetition Rate Fluctuation Measurement of Soliton Crystals in a Microresonator

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。

マイクロレゾナレーターにおけるソリトン結晶の迅速反復率変動測定

Temporal solitons have attracted great interest in the past decades for their behavior in a steady state, where the dispersion is balanced by the ...

近年、散逸性カーソリトンは、ソリトン物理学研究や実用化において大きな価値を高めている、新しいチップスケールのコヒーレント光源となっています。散逸カーソリトンは、高い繰り返し率を有する。したがって、相対パラメータ、特に繰り返しレートの変動を測定することは困難です。私たちの仕事では、それを得る方法を見つけ出します。一方、実用的なアプリケーションには堅牢なパッケージが必要です。当社のプロトコルは、オンチップマイクロリング共振器の包装、ソリトン発生、繰り返しレート変動の測定に効果的な方法を提供します。まず、マイクロリング共振器をチップフィクスチャで固定します。50ナノメートルの3つの線形段階と0.003度の解像度の3つの角度の段階を含む6軸の結合段階では、8つのチャネルファイバーアレイを配置します。1,550ナノメートルレーザーを光学ソースとして使用し、カップリング効率のリアルタイム監視を行います。ファイバーアレイの位置を慎重に調整します。光パワーメーターで入力電力と出力電力を測定します。差し込み損失は最小値(通常は6デシベル未満)に保ち、ファセットあたり3デシベル未満の結合損失に対応します。紫外線湾曲した接着剤を使用して、マイクロリング共振器とファイバーアレイを接着します。接触面の側面に接着剤を置き、光路に接着剤がないことを確認します。UV湾曲した接着剤をUVランプに150秒間露出させ、120°Cのチャンバーで1時間以上焼きます。Co agglutinatatatは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ワットの最高電力で10.2ミリメートル6.05ミリメートル熱電気クーラーチップ。熱電クーラーチップの2つの電極を蝶パッケージの2ピンにソーターします。銀の接着剤を使用して、熱電気クーラーチップの表面にタングステンプレートを貼り付けます。熱電気冷却器とマイクロリング共振器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。エルビウムドープファイバーアンプを使用して、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固定します。1556.3ナノメートルでは、手動で外部の商用熱電冷却器コントローラを介して動作温度を66°C以上に調整し、マイクロリング共振器の共鳴を銀の接着剤を使用してタングステンプレートの上部に移動し、ファイバーアレイのピグテールをバタフライパッケージの出力ボードに固定します。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ギガヘルツのフォトディテクタ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。エルビウムドープファイバーアンプの出力を34デシベルミリワットに設定するか、30.5デシベルミリワットのオンチップパワーに応答して、マイクロコーム生成のためのマイクロリング共振器に十分な電力が結合されていることを保証します。サーミスタを摂氏66度の動作温度に対応する2キロhmsに設定し、サーミスタの設定値を大きくして動作温度をゆっくりと下げます。繊維偏光コントローラによりポンプの偏光を調整し、ソリトン結晶のステップが三角送電電力トレースの下端で観察されるまで調整する。光スペクトルアナライザーで手のひらのような光スペクトルが観測されると、動作温度の低下を止める。サーミスタの価値は、これらの実験では5.6キロムで約でした。生成されたソリトン結晶を調整可能なバンドパスフィルターに接続して、個々の櫛のラインを抽出します。調整可能なバンドパスフィルタのパスバンドを0.1ナノメートルに設定します。フルCおよびLバンドの上に中心波長を調整し、フィルターの傾きをナノメートル当たり400デシベルに設定します。選択した櫛線のカップルを非対称モックZehnder干渉計に結合する。アクロス視変調器を使用して、非対称モックセンダ干渉計の片腕の光周波数を200メガヘルツずくようにシフトします。もう一方のアームの光学フィールドは、2キロメートルと25キロメートルの光ファイバーのセグメントによって遅れています。フォトダイオードを取り付けて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電力スペクトル密度スペクトルを解析します。調整可能なバンドパスフィルタの中心波長を調整します。すべてのコームラインの電力スペクトル密度を測定します。同じ方法を使用して、空孔を有するソリトン結晶のパワースペクトル密度曲線を測定する。パワースペクトル密度曲線の3デシベル帯域幅を記録し、Pythonプログラムを通じてあなたのフィット感を入力します。この図は、ポンプ全体で共鳴熱が調整されている間の送電パワートレインを示しています。ソリトン結晶の生成を示す明らかなパワーステップがありました。27ソリトンの完璧なソリトンクリスタルと、単一の空室を持つソリトンクリスタルを示しています。2キロメートルと25キロメートルの遅延繊維に基づく完璧なソリトン結晶は、遅延時間内の周波数変動によって引き起こされた平らなトップを有する電力スペクトル密度曲線で観察された。2キロメートルと25キロメートルの遅延繊維に基づくソリトン結晶の典型的な光学スペクトルは、青色でプロットされた線形線でピース状に取り付けられました。要約すると、オンチップマイクロリング共振器をバタフライセルに詰め込み、熱調整法がソリトン結晶を生成する提案を行う。最後に、繰り返し速度変動の測定を実現するために遅延自己ヘテロダイン法を用います。

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