[論文レビュー] Microresonator-referenced soliton microcombs with zeptosecond-level timing noise

Xing Jin, Zhenyu Xie+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2024

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、MgF2とSi3N4のマイクロ共振器を参照するソリトン・マイクロコムを用いたコンパクトな光周波数分周システムを示し、マイクロ波においてzeptosecondレベルのタイミングノイズを達成する。

ABSTRACT

Optical frequency division relies on optical frequency combs to coherently translate ultra-stable optical frequency references to the microwave domain. This technology has enabled microwave synthesis with ultralow timing noise, but the required instruments are too bulky for real-world applications. Here, we develop a compact optical frequency division system using microresonator-based frequency references and comb generators. The soliton microcomb formed in an integrated Si$_3$N$_4$ microresonator is stabilized to two lasers referenced to an ultrahigh-$Q$ MgF$_2$ microresonator. Photodetection of the soliton pulse train produces 25 GHz microwaves with absolute phase noise of -141 dBc/Hz (547 zs Hz$^{-1/2}$) at 10 kHz offset frequency. The synthesized microwaves are tested as local oscillators in jammed communication channels, resulting in improved fidelity compared with those derived from electronic oscillators. Our work demonstrates unprecedented coherence in miniature microwave oscillators, providing key building blocks for next-generation timekeeping, navigation, and satellite communication systems.

研究の動機と目的

• 高容量で堅牢な通信とセンシングシステムのための低ノイズ・小型マイクロ波発振器の必要性を動機づける。
• MgF2およびSi3N4マイクロ共振器を用いた2点オプティカル周波数分周(OFD)方式を実証し、ソリトン・マイクロコムを安定化。
• タイミングノイズ性能を定量化し、電子局発振器に対する対干渉能力を比較。
• ナビゲーション、レーダー、宇宙通信などへの統合と応用の可能性を示す。

提案手法

• 高Q MgF2マイクロ共振器のモードへ2つのレーザーを安定化させ、共通モードのノイズ低減リファレンスを作成。
• Si3N4マイクロ共振器でソリトン・マイクロコムを生成し、リファレンスレーザーとビートさせてOFD誤差信号を得る。
• ビートノートを分周比へダウンコンバートし、位相ノイズを低減した安定化された繰り返し周波数を生む。
• 自由走行と固定化したソリトン・マイクロコムの相対周波数ノイズと位相ノイズを測定し、参照と比較。
• OFDベースLOを模擬ジャムドチャネルシナリオで使用して反干渉実験を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MgF2参照とSi3N4ソリトン・マイクロコムを用いた2点OFDで、ミニチュアマイクロ波発振器にzeptosecondレベルのタイミングノイズを実現できるか？
• RQ2 2つの安定化リファレンスレーザー間の共通モードノイズ除去が、分周されたマイクロ波信号の全体的なタイミングノイズをどのように改善するか？
• RQ3 ジャムドチャネルにおけるOFDベースLOの抗干渉性能は、高性能電子発振器と比べてどうか？
• RQ4 マイクロ共振器リファレンスとソリトン・マイクロコムに基づくミニaturized OFDシステムの実用的経路と統合展望は？

主な発見

• 2つの安定化リファレンスレーザーの相対周波数ノイズは、MgF2共振器に固定すると50 dB以上低減される。
• OFDはソリトン・マイクロコムのビートノート位相ノイズを10 Hz–10 kHzのオフセット範囲で40 dB以上低減し、1–10 kHzオフセットで-123 to -141 dBc/Hzを示す。
• 約200 kHzオフセット以上で繰り返し周波数ノイズはショットノイズ限界レベルの-152 dBc/Hzに収束する。
• 反干渉試験では、OFDベースLOが商用電子LOを約20 dBのSNR優位で上回り、10 kHzの信号分離時に優れ、64QAMデータで大規模ジャミング下でのEVMを低く抑える（4.38%対12.06%）。
• zeptosecondレベルのタイミングノイズと、100 Hzから10 kHzオフセット範囲でミニチュア光子マイクロ波発振器の中で最も低い絶対タイミングノイズを達成し、10 kHzオフセットで546 zs Hz^-1/2に達する。
• 他のミニチュア光子発振器と比較し、統合の展望と潜在的な消費者市場への影響を検討している。