[論文レビュー] Automated turnkey microcomb for low-noise microwave synthesis

Kunpeng Jia, Xin-Wei Yi+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高Qファイバー・ファブリ・ペロー共振器（Q = 4.0 × 10⁹）を用いたコンactな自動制御可能で即時使用可能なマイクロコムシステムを提案する。このシステムは低SwaP-C型の筐体（85 mm × 90 mm × 25 mm）に収まり、1.7 GHz繰返し周波数で1 kHzで−106 dBc/Hz、10 kHzで−148 dBc/Hzの近似量子限界に近い位相ノイズを達成した。直接ダイオード励起と自己注入ロックを用いることで、安定で低ノイズな動作を実現し、現場に設置可能な低ノイズマイクロ波合成を可能にした。

ABSTRACT

Microresonator-based optical frequency comb (microcomb) has the potential to revolutionize the accuracy of frequency synthesizer in radar and communication applications. However, fundamental limit exists for low noise microcomb generation, especially in low size, weight, power and cost (SWaP-C) package. Here we resolve this limit, by the demonstration of an automated turnkey microcomb, operating close to its low quantum-limited phase noise, within a compact setup size of 85 mm * 90 mm * 25 mm. High quality factor fiber Fabry-Perot resonator (FFPR), with Q up to 4.0 * 10^9, is the key for both low quantum noise and pump noise limit, in the diode-pump case in a self-injection locking scheme. Low phase noise of -80 and -105 dBc/Hz at 100 Hz, -106 and -125 dBc/Hz at 1 kHz, -133 and -148 dBc/Hz at 10 kHz is achieved at 10.1 GHz and 1.7 GHz repetition frequencies, respectively. With the simultaneous automated turnkey, low-noise and direct-diode-pump capability, our microcomb is ready to be used as a low-noise frequency synthesizer with low SWaP-C and thus field deployability.

研究の動機と目的

• 実用的なマイクロ波応用を目的とした低SwaP-C型マイクロコムシステムにおける根本的なノイズ制限を克服すること。
• コンパクトで自動化・即時使用可能なマイクロコムセットアップで近似量子限界の位相ノイズを達成すること。
• 最小限の外形寸法で安定で低ノイズな動作を実現するため、直接ダイオード励起と自己注入ロックを組み合わせること。
• マイクロレゾネータを基盤とする光周波数コムを用いて、現場設置可能な低ノイズマイクロ波合成を実証すること。

提案手法

• 低位相ノイズを実現するために、高品質因子（Q = 4.0 × 10⁹）のファイバー・ファブリ・ペロー共振器（FFPR）をコアマイクロレゾネータとして採用した。
• ポンプレーザーの安定化とポンプノイズの低減を目的に、自己注入ロック方式を実装した。
• 外部レーザーシステムの不要を解消し、コンパクト性と安定性を向上させるために、直接ダイオード励起を採用した。
• 手動チューニングを不要とする即時使用可能動作を実現するため、自動制御システムを統合した。
• レゾネータ設計とフィードバック制御により、量子ノイズおよびポンプ誘発ノイズの両方を最小限に抑えることで、低位相ノイズを達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロコムシステムは、コンパクトで低SwaP-C型のパッケージ内において、近似量子限界の位相ノイズを達成できるか？
• RQ2 自己注入ロックと直接ダイオード励起は、マイクロコムシステムの安定性とノイズ低減にどのように寄与するか？
• RQ3 自動化と統合の度合いが、現場設置可能なマイクロコムベースのマイクロ波合成にどの程度寄与できるか？
• RQ4 異なる繰返し周波数における即時使用可能マイクロコムの実現可能な位相ノイズ性能はどの程度か？

主な発見

• 10.1 GHz繰返し周波数で、100 Hzで−80 dBc/Hz、1 kHzで−106 dBc/Hzの位相ノイズを達成した。
• 1.7 GHz繰返し周波数では、100 Hzで−105 dBc/Hz、1 kHzで−125 dBc/Hz、10 kHzで−148 dBc/Hzの位相ノイズを達成した。
• 高Qファイバー・ファブリ・ペロー共振器（Q = 4.0 × 10⁹）のおかげで、量子限界に近い動作が可能になり、内在的位相ノイズが最小限に抑えられた。
• システムは完全に自動化され、即時使用可能であり、外部レーザー安定化の必要がなかった。
• 全装置はコンパクトな85 mm × 90 mm × 25 mmの外形寸法に収まり、低SwaP-C型の展開が可能になった。