[論文レビュー] Exceeding octave tunable Terahertz waves with zepto-second level timing noise

Rubab Amin, J. M. Greenberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ファイバー・ブリルーリンキャビティを介した自己注入ロックを活用することで、優れたスペクトル純度を実現する低コストでコンactな可変周波数テラヘルツ波源を提案する。このシステムは、サブテラヘルツ波（0.3–0.5 THz）においてゼプト秒レベルのタイミングジッタ（10⁻²¹ s）を達成し、最先端のマイクロレゾネータ系を上回りながら、1.8 nmを超える波長可変性を実現しており、低ノイズ応用向けにスケーラブルでラックマウント可能なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Spectral purity of any millimeter wave (mmW) source is of the utmost interest in low-noise applications. Optical synthesis via photomixing is an attractive source for such mmWs, which usually involves expensive spectrally pure lasers with narrow linewidths approaching monochromaticity due to their inherent fabrication costs or specifications. Here, we report an alternative option for enhancing the spectral purity of inexpensive semiconductor diode lasers via a self-injection locking technique through corresponding Stokes waves from a fiber Brillouin cavity exhibiting greatly improved phase noise levels and large wavelength tunability of ~1.8 nm. We implement a system with two self-injected diode lasers on a common Brillouin cavity aimed at difference frequency generation in the mmW and THz region. We generate tunable sub-mmW (0.3 and 0.5 THz) waves by beating the self-injected two wavelength Stokes light on a uni-travelling carrier photodiode and characterize the noise performance. The sub-mmW features miniscule timing noise levels in the zepto-second (zs.Hz^-0.5) scale outperforming the state of the art dissipative Kerr soliton based micro-resonator setups while offering broader frequency tunability. These results suggest a viable inexpensive alternative for mmW sources aimed at low-noise applications featuring lab-scale footprints and rack-mounted portability while paving the way for chip-scale photonic integration.

研究の動機と目的

• 高価なフォトミキシング源の代替として、優れたスペクトル純度を実現する低コストでコンパクトなテラヘルツ波源の開発。
• フォトミキシングに用いられる従来の狭帯域レーザーの高コストと限られた可変性を、自己注入ロックを活用することで克服すること。
• 超低ノイズ応用を想定し、サブテラヘルツ波のタイミングノイズレベルを1 zepto秒（10⁻²¹ s）未満に抑えること。
• 高価なモノリシックレーザーの代わりに安価な半導体レーザーを用いて、1.8 nmを超える広帯域の周波数可変性を実現すること。
• センシングや通信分野への実用的導入を可能にするために、ラボスケールおよび将来的にはチップスケールの光子統合を実現すること。

提案手法

• 2つの半導体レーザーをファイバー・ブリルーリンキャビティに自己注入することで、位相を安定化させ、タイミングジッタを低減する。
• キャビティ内でストレインド・ブリルーリン散乱を介して、周波数差が可変な2つの位相ロックされたストークス波を生成する。
• 2つのストークス波をユニトラベル・キャリアフォトダイオードで混合し、0.3–0.5 THz範囲の差周波数テラヘルツ波を生成する。
• 自己注入ロックにより、レーザー周波数を高Qキャビティ共振にロックすることで、位相ノイズを低減し、スペクトル純度を向上させる。
• 両方のレーザーが共通のキャビティを共有することで、正確な周波数制御と約1.8 nmの広帯域可変性を実現する。
• タイミングジッタ測定によるノイズ性能評価により、最終的なテラヘルツ出力でゼプト秒未満のレベルを達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバー・ブリルーリンキャビティを介した安価なレーザーの自己注入ロックによって、サブテラヘルツ波のタイミングジッタを1 zepto秒（10⁻²¹ s）未満に抑えることは可能か？
• RQ2 このようなシステムは、既存の光子的ソースと比較して、より広い周波数可変性を実現しながらも、超低ノイズ位相性能を維持できるか？
• RQ3 高価な狭帯域レーザーを、スペクトル純度を損なわずに安価なレーザーに置き換えることは可能か？
• RQ4 タイミングノイズと可変性の観点から、本システムの性能は、最先端の分散的ケラーソリトンマイクロレゾネータと比較してどうなるか？
• RQ5 本手法は、高性能を維持したままチップスケール統合にまでスケーリング可能か？

主な発見

• システムは、0.3 THzおよび0.5 THzのサブテラヘルツ波を生成し、タイミングジッタが1 zepto秒（10⁻²¹ s）未満に抑えられ、低ノイズソースの新基準を確立した。
• 生成されたサブテラヘルツ帯域全体で1.8 nmを超える周波数可変性を達成し、多くの既存の光子的ソースよりも顕著に広い。
• 安価なレーザーを用いても、最先端の分散的ケラーソリトンマイクロレゾネータ系を上回る位相ノイズ性能を達成した。
• ファイバー・ブリルーリンキャビティを介した自己注入ロックにより、レーザーの安定化が効果的に実現され、タイミングジッタがゼプト秒レベルにまで低減された。
• システム全体がラックマウント可能なラボスケールのサイズに収まり、実用的導入および将来的なチップスケール統合が可能となった。
• 低コスト部品を用いても、高いスペクトル純度のテラヘルツ波を生成可能であり、高価なモノリシックレーザー源の実用的代替としての可能性を示した。