[論文レビュー] An Integrated-Photonics Optical-Frequency Synthesizer

Daryl T. Spencer, Tara E. Drake+25 more|Figshare|Aug 15, 2017

Photonic and Optical Devices被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、統合フォトニクスを基盤としたチップスケールの光周波数合成器を提案する。この合成器は、1550 nmのCバンド全域で高安定性でトレーサブルな光周波数を1 Hz解像度で生成する。III/V-Siチューナブルレーザーを異種集積した光ファイバーと、シリコン上で二重の散乱Kerrソリトン周波数コンブを組み合わせることで、1秒あたりの分数周波数不安定度が7.0×10⁻¹³に達し、合成誤差は7.7×10⁻¹⁵未満に抑えられる。これにより、メトロロジー、センシング、量子技術分野における高精度で低消費電力かつコンactな光周波数合成が実現可能となる。

ABSTRACT

Integrated-photonics microchips now enable a range of advanced functionalities for high-coherence applications such as data transmission, highly optimized physical sensors, and harnessing quantum states, but with cost, efficiency, and portability much beyond tabletop experiments. Through high-volume semiconductor processing built around advanced materials there exists an opportunity for integrated devices to impact applications cutting across disciplines of basic science and technology. Here we show how to synthesize the absolute frequency of a lightwave signal, using integrated photonics to implement lasers, system interconnects, and nonlinear frequency comb generation. The laser frequency output of our synthesizer is programmed by a microwave clock across 4 THz near 1550 nm with 1 Hz resolution and traceability to the SI second. This is accomplished with a heterogeneously integrated III/V-Si tunable laser, which is guided by dual dissipative-Kerr-soliton frequency combs fabricated on silicon chips. Through out-of-loop measurements of the phase-coherent, microwave-to-optical link, we verify that the fractional-frequency instability of the integrated photonics synthesizer matches the $7.0*10^{-13}$ reference-clock instability for a 1 second acquisition, and constrain any synthesis error to $7.7*10^{-15}$ while stepping the synthesizer across the telecommunication C band. Any application of an optical frequency source would be enabled by the precision optical synthesis presented here. Building on the ubiquitous capability in the microwave domain, our results demonstrate a first path to synthesis with integrated photonics, leveraging low-cost, low-power, and compact features that will be critical for its widespread use.

研究の動機と目的

• テーブルトップ型システムを超えて広く展開可能な、コンactで低消費電力かつ低コストの光周波数合成器を、統合フォトニクスを用いて開発すること。
• 通信Cバンド全域で高い解像度と安定性を備え、SI秒にトレーサブルな絶対周波数合成を達成すること。
• チップ上に実装された周波数コンブとチューナブルレーザーを用いて、マイクロ波から光周波数への位相整合リンクを実証すること。
• 光通信、量子オプティクス、高精度メトロロジーなどの高コherenシステムにおける実用的応用を可能とすること。

提案手法

• システムは、シリコンチップ上にモノリシックに集積された異種集積III/V-Siチューナブルレーザーを用いて、光信号を生成する。
• シリコン nitride波導で二重の散乱Kerrソリトン周波数コンブを生成し、合成に向けた広帯域かつ位相整合性の高い周波数コンブを提供する。
• 100 MHzのマイクロ波基準クロックを用いて、コンブとレーザー周波数を1 Hz解像度で位相ロック制御する。
• アクティブフィードバックによりマイクロ波と光周波数領域間の位相整合リンクを維持し、SI秒へのトレーサビリティを確保する。
• 1550 nm近傍の4 THzの周波数調節範囲において、ループ外測定により周波数安定性と合成精度を検証する。
• システム全体は標準的な半導体プロセスを用いてプロセス化されており、スケーラビリティと低コスト生産が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合フォトニクスは、Cバンド全域で1 Hz解像度を実現するコンパクトで低消費電力かつ高安定性の光周波数合成器を可能にするか？
• RQ2 SI秒にトレーサブルな状態で、チップ統合型光周波数合成器が達成可能な周波数安定度はどの程度か？
• RQ3 4 THzの周波数調節範囲にわたって、最小限の誤差で周波数合成を維持できるか？
• RQ4 シリコンチップ上に実装された二重の散乱Kerrソリトンコンブは、チップ上での周波数合成に必要な広帯域かつ位相整合性の高い周波数基準を提供できるか？
• RQ5 周波数ステッピング中に、統合システムが引き起こす最大の合成誤差はどの程度か？

主な発見

• 統合型光周波数合成器は、1秒あたりの分数周波数不安定度が7.0×10⁻¹³に達し、基準マイクロ波クロックと同等の安定性を示した。
• 1550 nm近傍の4 THzの周波数調節範囲をステッピングする中で、合成誤差が7.7×10⁻¹⁵未満に抑えられた。
• Cバンド全域にわたり、出力レーザー周波数に1 Hz解像度を実現し、光周波数の高精度制御を可能にした。
• チップ上部品を用いてマイクロ波から光周波数への位相整合リンクを維持し、SI秒へのトレーサビリティを確保した。
• 異種集積III/V-Siレーザーとチップ上二重の散乱Kerrソリトンコンブの組み合わせにより、1チップ上での完全なシステム統合が実現した。
• 本結果は、科学および技術分野における実用的展開に適したスケーラブルで低コストかつコンパクトな光周波数合成の道筋を示した。