首页 > 资讯 > 物理 > 正文
2024-01-07 21:30

基于全稳定谐振电光频率梳的集成波长计


下载原文档:

摘要。

光频梳为精确测量光频提供了有力的工具,在光谱学、光通信、光时钟等领域具有重要意义。梳线的频率稳定性决定了频率测量的精度,但高精度、低功耗和集成度之间的微妙相互作用仍有待优化。为此,我们在此展示了一种基于完全稳定电光梳的频率测量方案,其中泵浦激光频率和重复频率分别被原子跃迁和微波信号独立锁定。所演示的波长计的测量精度可达到亚khz级,并可进行多波长的平行测量。因此,我们的系统将本文报道的技术方案与先进的集成功能器件相结合,有望为芯片级频率精密测量和参考提供可行的解决方案。

介绍

激光频率的高分辨率测定在光谱学、计量学、通信等领域具有重要意义1,2,3,4,5,6,7。传统上,测量是使用光栅和基于干涉仪的光谱仪进行的,但最近这些测量是使用光学频率梳(OFCs)8,9进行的。然而,基于纤维梳的传统平台体积庞大,重复率低。在测量频率时,将重复率的不确定度放大N倍,转化为频率测量的不确定度,其中N为距离被测信号最近的梳线的相对模态数10,11。因此,降低频率测量不确定度的最直接方法是采用重复频率较高的OFC。

近年来,微加工技术的进步使得精确色散工程和超低传播损耗成为可能,导致积分耗散克尔孤子(DKSs)10,12,13,14,15,16,17,18的快速发展。与传统的光纤梳相比,DKSs的重复频率提高了数百或数千倍,可以有效降低频率测量的不确定度19,20。然而,完全频率稳定的DKS需要稳定重复频率(frep)以及载波-包络偏移频率(fceo)和泵浦频率(fp)中的一个,因为fp = nfrep + fceo。由于腔内复杂的非线性动力学,稳定这些参数具有挑战性,因为它们相互依赖且耦合在一起21。为了稳定这些关键参数,需要精确控制泵浦激光功率、泵浦激光频率和激光腔失谐来实现频率稳定。这通常涉及使用辅助光纤梳状系统和多个锁定环,这大大增加了系统集成的难度和复杂性2,3,22。

除了dks之外,最近出现了另一种基于电光(EO)调制产生片上OFCs的方法23,24,25,26,27,28。EO梳的重复频率由调制频率唯一地定义。传统上,EO梳是通过用一系列离散的相位和幅度调制器调制连续光来产生的。由于光只通过每个调制器一次,因此光频调制强度相对较弱,产生的光频梳的跨度通常只有几纳米30,31。得益于最近在绝缘体上铌酸锂(LNOI)平台(32,33,34,35,36,37,38,39)的技术进步,高质量因数(Q)片上铌酸锂(LN)微谐振器中的光可以多次循环并通过EO调制区域,从而显著提高了调制强度。级联边带生成过程有效地产生了许多具有调制频率间隔的梳状线,显著地扩展了EO梳的跨度。此外,eocomb的产生不需要泵浦阈值,复杂的触发或稳定方案,大大降低了对泵浦激光源和控制设备的要求。因此,EO梳子为芯片级频率精确测量提供了令人信服的替代方案。

在这里,我们展示了一个基于LNOI平台的高精度片上波长计。EO梳的重复频率约为19.5 GHz,梳的跨度约为40 nm。在周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的帮助下,87Rb的原子跃迁稳定了1560 nm左右的泵浦激光器。在这种完全稳定的EO梳的基础上,波长计的频率精度在次khz左右。与以前使用双梳技术的工作相比,这代表了三个数量级的改进。此外,我们同时测量了四个激光器的波长,证明了并行测量多个波长的能力。我们的工作表明,基于EO梳的波长计具有远远超过商用台式波长计的潜力,为未来芯片级频率精度测量提供了一条有竞争力的途径。

结果

原理图及器件制作

高精度波长计的原理图如图1a所示。将泵浦激光器耦合到微环谐振腔中,当驱动射频(RF)与微环的自由频谱范围(FSR)匹配时,产生EO梳状波。如图1b所示,梳状线的频率可以表示为fμ = fp + μfrep,其中μ为相对于泵浦共振模态的模数。Frep是重复频率,以铷脉泽参考频率为参考,fp是泵浦激光的频率,以原子跃迁为稳定。在这里,fμ可以完全确定并用作可靠的频率参考。当目标激光器与稳定的EO梳相结合时,得到跳动信号Δf,目标激光器的频率可以表示为fm = fp + μfrep±Δf−Ω,其中Ω为声光调制器(AOM)的调制频率。因此,frep的位移引起Δf的一个μ因子的位移。通过测量Δf随frep变化的位移,我们可以得到μ的绝对值,为∣μ∣=∣∂Δf/∂frep∣。在我们的实验中,通过改变AOM的调制频率可以降低调频。然后,通过跳动信号的漂移,推导出Δf前的符号和相对模态数μ,从而确定fm20。如果Δf随着fm的减小而增大,则Δf前的符号为负。否则,Δf前面的符号为正。此外,如果Δf前面的符号与∂Δf/∂frep的符号不同,则μ的符号为正。相反,μ的符号是负的。

图1:波长计的原理图和工作原理。
figure 1

a芯片级波长计电路原理图。利用稳定泵浦激光器在铌酸锂(LN)谐振腔中产生电光梳状结构。将目标激光器与稳定的电磁梳相结合,验证了电磁梳在频率测量中的性能。b .波长计的工作原理。通过检测目标激光器与相邻梳线之间的拍频(Δf),分析相邻梳线的相对模数μ与Δf前的符号,得到目标激光器的频率fm = fp + μfrep±Δf。c LN微环谐振器的光学显微照片。S(G)为信号(地)电极。

用于产生EO梳的装置是由商用x切割600纳米LNOI晶圆(NANOLN)制造的。晶圆由600 nm厚的x切割LN、2 μm厚的湿氧化二氧化硅(SiO2)和500 μm厚的硅组成。采用电子束光刻技术对器件进行氢硅氧烷(HSQ)抗蚀剂的刻蚀。随着图案的发展,LN薄膜在电感耦合等离子体(ICP)蚀刻器中通过氩离子基反应离子蚀刻部分蚀刻,形成330 nm深度的梯形波导截面,剩余的板为270 nm。然后用缓冲HF溶液和RCA1清洗液清洗器件。微波电极是用激光直接书写的,金属(15nm的铬,300nm的金)是用热蒸发和双层剥离工艺转移的。最后,对芯片的表面进行切块,以实现良好的光纤到芯片的光耦合。我们的设备的光学显微照片如图1c所示。空气包层LN微环谐振器的顶宽为1.4 μm,侧壁角约为60°,FSR约为19.5 GHz。在通信频带中,光纤到芯片的耦合损耗约为每面6db。

实验设置和EO梳特性

我们用图2a所示的设置进行实验。泵浦激光(Toptica CTL 1550)的一部分通过PPLN倍频并通过原子气池获得饱和吸收光谱。然后,通过庞德-德雷弗-霍尔(PDH)锁定,将倍频激光锁定在原子跃迁线上。当泵浦激光器稳定后,通过外部温度控制调谐LN腔内约1560.48 nm的基本TE模式,使其与锁定泵浦激光器的频率相匹配。实验中使用的谐振模式线宽约为149 MHz,对应的负载Q为1.29 × 106。采用与微谐振器FSR匹配的19.503 GHz左右的射频信号驱动微波电极。在1540 ~ 1580 nm范围内生成跨度为40 nm的EO梳子,如图2b所示。片上泵浦功率为2mw,射频驱动功率为33dbm。图2c显示了检测到的19.503 GHz射频信号的电谱,对应于EO梳的重复频率。通过调整射频信号的调制频率并记录相应的重复频率,可以看到重复频率和调制频率完全相同,如图2d所示,这表明重复频率完全由射频调制信号决定23,24。

图2:实验设置和电光(EO)梳性能。
figure 2

a实验装置示意图。通过周期性极化的铌酸锂(PPLN)倍频器将泵浦激光频率锁定在87Rb的原子跃迁线上。EO梳的驱动射频信号来自铷时钟参考射频源。PBS:偏振分束器,AOM:声光调制器,PD:光电探测器,ESA:电子频谱分析仪。b观测梳的典型光谱。片上泵浦功率为2mw,驱动射频功率为33dbm。c微波信号频率为19.503 GHz的频谱对应于EO梳的重复频率。d测量的重复率与调制频率的关系。这两个频率相同,说明重复频率完全由调制频率决定。

稳定的特性

为了表征完全稳定EO梳的频率稳定性,我们进一步测试了重复频率、泵浦光和梳线的Allan偏差。如图3a所示,由于铷原子钟提供了优异的稳定性,在1 s的测量时间内,重复频率的频率稳定性达到0.4 Hz。此外,长期稳定性提高,在1024秒的测量时间内可达到9 mHz。为了表征泵浦激光器的稳定性,我们引入了另一种激光器,该激光器参考了87Rb通过另一个铷电池的相同原子跃迁。单激光器的艾伦偏差可由两个激光器的拍频的艾伦偏差除以得到。图3b显示了泵浦激光器的频率稳定性,锁定到原子跃迁后,频率稳定性也得到了显著提高。在1 s测量时间内的稳定性从解锁(自由运行)状态下的30 kHz提高到锁定状态下的0.9 kHz,比重复率提高了约3个数量级。因此,梳状线的频率稳定性主要取决于泵浦激光器的频率稳定性,在我们的实验中,泵浦激光器的频率稳定性最大值为120左右。

图3:波长计的性能。
figure 3

a EO梳重复率的艾伦偏差。在1 s的测量时间内,重复频率的频率稳定性达到0.4 Hz。b未锁定状态(绿色空心圆圈)和锁定状态(蓝色实心圆圈)的泵浦激光频率Allan偏差。在1 s的测量时间内,频率稳定性从30 kHz提高到0.9 kHz。单梳线(μ = 50)(红色空心圆)与ULE腔参考激光器(黑色空心圆)的Allan偏差。在1 s的测量时间内,锁定梳线的频率稳定度达到0.9 kHz,在512 s的测量时间内稳定度达到0.2 kHz,频率测量精度达到亚kHz级。误差条代表68%的置信区间。

为了获得梳线的Allan偏差,我们引入了参考激光器,参考腔的精细度为1000,线宽为1.5 MHz。通过测量梳线(μ = 50)与参考激光器之间拍频的Allan偏差,去除参考激光器(图3b中黑色空心圆)的Allan偏差,得到梳线(图3b中红色空心圆)的Allan偏差。可以看出,梳线的艾伦偏差与泵浦激光器的艾伦偏差几乎相同,并且重复率的艾伦偏差的影响极小。因此,其他梳线的Allan偏差可以以类似的水平推导出来,表明了kHz级的频率测量精度(1 s测量时间为0.9 kHz)。对于较长的测量时间,在512秒的测量时间内稳定性可达到0.2 kHz,相应的测量精度可达到亚kHz级。

波长计的操作

为了演示高精度波长计的工作过程和性能,我们发射了4个目标激光器,并在此基础上同时测量了它们的波长。这些目标激光器被锁定到参考腔(精细度为1000,线宽为1.5 MHz)。一个目标激光器工作在1552 nm左右,另外三个目标激光器是包含两个边带的调制激光器,由电光相位调制器激光器产生,在1564 nm左右。这些目标激光器与光纤分束器相结合,并与完全稳定的EO梳混合用于波长测量。梳状线与目标激光器之间的跳动信号使用带宽为12.5 GHz的光电探测器进行检测,并记录在实时频谱分析仪(罗德与施瓦茨,FSVR)上。图4显示了四个探头激光器和相邻梳线之间的拍音在20秒内的实时演变。最初,AOM的调制频率从100 MHz切换到90 MHz,导致Δf相应移位。随后,重复频率frep从19.5005 GHz逐渐调谐到19.5025 GHz,跨越2 MHz。如图4框中所示,当重复频率变化时,Δf的变化幅度为- 49.95 MHz,对应斜率为- 49.95 MHz/2 MHz = - 24.98。因此,整数μ的绝对值可确定为∣μ∣= 25。根据Δf的行为,我们可以推断出Δf前面的符号是负的,μ = - 25。因此,该目标激光的精确频率可以通过原子跃迁、μ、frep和Δf来确定。对于图4所示的其他目标激光器,我们可以通过相同的分析过程确定其精确频率。波长计的精度取决于原子跃迁,如前所述,原子跃迁在1s时约为1khz。所演示的高精度波长计能够并行测量多个波长。

图4:演示多波长测量的说明。
figure 4

在波长计工作过程中,目标激光器与梳状线之间的拍频实时演化。首先,将AOM的调制频率从100 MHz切换到90 MHz。然后,频率在10秒内从19.5005 GHz调谐到19.5025 GHz。


目录

摘要。
介绍
结果
结论
方法
数据可用性
代码的可用性
参考文献。
致谢。
作者信息
道德声明
同行评审

补充信息





#####

结论

综上所述,我们成功地演示了一种频率测量精度在亚khz级的片上波长计。由于电磁梳的产生机制,泵浦激光的频率和重复频率可以分别通过倍频后锁定原子跃迁和原子参考射频源驱动电极来稳定。这消除了对系统额外参考激光器和f−2f自参考技术的需要,在技术和设备上提供了相当大的简化。多波长同步测量在实时光谱分析、大容量光通信测试等领域具有重要的应用价值。它可以减轻光谱学中与时分测量相关的固有异步性,并实现多通道波长的快速精确测量。基于全稳定EO梳的系统允许多个波长的并行测量,测量精度可以达到亚khz电平,具有足够的集成时间。

在这里,系统的测量精度主要受到泵浦激光器频率稳定性的限制。为了提高系统的性能,可以进一步优化泵浦激光器的频率稳定性,例如将泵浦激光器锁定在原子跃迁和参考腔中42。此外,通过增加微谐振器的Q和使用耦合谐振器结构,也可以提高EO梳的跨度和转换效率25,32。特别是,基于微谐振器的dks提供更宽的带宽43,44。结合dks和EO梳各自的优点,可以大大拓宽波长计的波长探测范围。此外,我们系统中的组件,如倍频器和移频器,也有望集成3,15,45,46,47,48,49。这些可预见的发展为紧凑、低成本和宽带频率精度测量提供了一条有前途的途径。

方法

稳定和校准

梳线的频率由fμ = fp + μfrep决定,这意味着振荡梳的稳定涉及到泵浦激光器的稳定频率和重复频率。我们采用PDH稳频技术将泵浦激光器(Toptica CTL 1550)的频率锁定在87Rb (fatom = 384.2281152033(77) THz)50的D2跃迁上。使用的Rb电池是纯电池,其温度设置为室温。泵浦激光的频率通过PPLN波导倍增,PPLN的温度采用比例-积分-导数(PID)伺服控制。通过提供反馈来控制泵浦激光器的电流和PZT电压,精确地参考原子跃迁的倍泵浦激光频率。然后,我们可以得到fp = fatom/2 = 192.1140576017(39)太赫兹。

EO梳的重复频率由射频信号(罗德和施瓦茨,SMB 100A)唯一确定,该信号与铷时钟同步,并使用微波放大器进行放大。使用fm = fp + μfrep±Δf−Ω计算目标激光的绝对频率,其中frep由射频信号定义,Δf使用实时频谱分析仪(罗德与施瓦茨,FSVR)测量,该分析仪与相同的铷时钟同步。为了验证射频信号和频率之间的关系,我们分别使用相位噪声分析仪(罗德与施瓦茨,FSWP)测量了它们的相位噪声。结果如图5所示,证实射频信号的相位噪声与重复率处于同一水平。根据μ = - 25和负Δf,我们推导出一个目标激光的绝对频率为191.6258278847(39)THz。目标激光器的其他频率也可以用同样的方法进行校准。

图5:重复率和射频源的相位噪声测量。
figure 5

射频源的相位噪声(黑色曲线)与重复率(红色曲线)处于同一水平。

补充信息

同行评议文件