[論文レビュー] All-optical frequency division on-chip using a single laser

Yun Zhao, Jae K. Jang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1つの連続波レーザーを用いて、マイクロレゾネータを用いた光パラメトリック発振器（OPO）とケラーバーブ・コンブマイクロレゾネータを組み合わせることで、受動的同期化と位相ノイズ低減を実現し、オンチップ全光的周波数分割を実証した。630倍の位相ノイズ低減が達成され、ラボグレードの原子時計に匹敵する性能を持つチップスケールのマイクロ波信号生成が可能になった。

ABSTRACT

The generation of spectrally pure high-frequency microwave signals is a critical functionality in fundamental and applied sciences, including metrology and communications. The development of optical frequency combs has enabled the powerful technique of optical frequency division (OFD) to produce microwave oscillations of the highest quality. The approaches for OFD demonstrated to date demand multiple lasers with space- and energy-consuming optical stabilization and electronic feedback components, resulting in device footprints incompatible with integration into a compact and robust photonic platform. Here, we demonstrate all-optical OFD on a single photonic chip driven with a single continuous-wave laser. We generate a dual-point frequency reference using the beat frequency of the signal and idler fields from a microresonator-based optical parametric oscillator (OPO), which achieves high phase stability due to the inherently strong signal-idler frequency correlations. We implement OFD by optically injecting the signal and idler fields from the OPO to a Kerr-comb microresonator on the same chip. We show that the two distinct dynamical states of Kerr cavities can be passively synchronized, allowing broadband frequency locking of the comb state, which transfers the stability of the OPO frequencies to the repetition rate of the Kerr comb. A 630-fold phase-noise reduction is observed when the Kerr comb is synchronized to the OPO, which represents the lowest noise generated on the silicon-nitride platform. Our work demonstrates a simple, effective approach for performing OFD and provides a pathway toward chip-scale devices that can generate microwave frequencies comparable to the purest tones produced in metrological laboratories. This technology can significantly boost the further development of data communications and microwave sensing.

研究の動機と目的

• スペクトル純度が高く、高周波数のマイクロ波信号を生成するコンactで統合されたフォトニクス・プラットフォームの開発を目的とする。
• 複数のレーザーと複雑な安定化システムを必要とする従来の光周波数分割（OFD）の限界を克服することを目的とする。
• 1枚のチップ上でのOPOとケラーバーブ・コンブ間の受動的でフィードバックフリーの同期化を実現することを目的とする。
• 1つの連続波レーザー・ポンプのみを用いて、マイクロ波生成における超低ノイズを達成することを目的とする。
• 通信およびセンシング分野における高性能マイクロ波源として、スケーラブルで、頑丈かつ統合可能なソリューションを提供することを目的とする。

提案手法

• 1つの連続波レーザーがシリコンナ nitride マイクロレゾネータをポンプし、光パラメトリック発振器（OPO）モードで動作させ、安定な光的基準として周波数相関を持つ信号-イジールペアを生成する。
• OPOから得られる信号およびイジール光が、ケラーソリトンモードで動作する2番目のマイクロレゾネータに光的に入射され、マイクロ波リピートレートを持つ周波数コンブが生成される。
• 内在的なダイナミカルカップリングを通じて、OPOとケラーバーブ・コンブ状態間の受動的同期化が達成され、電子フィードバックを用いない広帯域周波数ロックが可能になる。
• OPOの信号およびイジール光の間の強い周波数相関を活用して、ケラーバーブ・コンブのリピートレートへの位相安定性を転送する。
• 位相ノイズは遅延自己混合干渉法と位相ノイズアナライザーを用いて測定され、ノイズ抑制の正確な測定が可能になった。
• マイクロレゾネータ内の熱雑音は、校正済みのレーザー雑音注入を伴うホモダイン干渉計測定法を用いてモデル化および特徴付けられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1台の連続波レーザーのみを用いて、1枚のフォトニクス・チップ上で全光的周波数分割を達成できるか？
• RQ2 電子フィードバックを用いずに、OPOとケラーバーブ・コンブマイクロレゾネータ間の受動的同期化をどのように実現できるか？
• RQ3 1レーザー・オンチップ・OFDシステムを用いたマイクロ波生成で、どの程度の位相ノイズ低減が達成できるか？
• RQ4 OPOが生成する信号-イジールペアに内在する周波数相関を活用して、ケラーバーブ・コンブのリピートレートを安定化できるか？
• RQ5 統合マイクロレゾネータにおいて、熱的および熱屈折率雑音をどの程度低減できるか？

主な発見

• ケラーバーブ・コンブがOPOに同期された際、630倍の位相ノイズ低減が達成され、シリコンナ nitride プラットフォーム上で報告された最低ノイズレベルを記録した。
• 本システムは1台の連続波レーザーで動作し、複数のレーザーおよび複雑な安定化エレクトロニクスの必要性が排除された。
• 内在的なダイナミカルカップリングを通じて、OPOとケラーバーブ・コンブ状態間の受動的同期化が達成され、広帯域周波数ロックが可能になった。
• OPOは信号およびイジール光の混波信号を介して二重周波数基準を生成し、強い信号-イジール周波数相関のおかげで高い位相安定性を実現した。
• 熱雑音の特徴付けにより、波ガイドの形状を最適化することで熱屈折率雑音が抑制され、主要な光通信用波長帯で同一の共鳴エネルギーシフト係数が得られた。
• 実験的セットアップは、630 GHzの安定したマイクロ波信号生成を達成し、最先端の計測システムと同等の位相ノイズ性能を示した。