[論文レビュー] Nanophotonic soliton-based microwave synthesizers

Junqiu Liu, Erwan Lucas+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 57被引用数 58

ひとこと要約

本論文は、XバンドおよびKバンドのマイクロ波で動作する統合型 Si3N4 ソリトン・マイクロコムを実証し、CMOS互換プラットフォーム上での低雑音マイクロ波合成と注入拘束同期周波数を実現する。

ABSTRACT

Microwave photonic technologies, which upshift the carrier into the optical domain to facilitate the generation and processing of ultrawide-band electronic signals at vastly reduced fractional bandwidths, have the potential to achieve superior performance compared to conventional electronics for targeted functions. For microwave photonic applications such as filters, coherent radars, subnoise detection, optical communications and low-noise microwave generation, frequency combs are key building blocks. By virtue of soliton microcombs, frequency combs can now be built using CMOS compatible photonic integrated circuits, operated with low power and noise, and have already been employed in system-level demonstrations. Yet, currently developed photonic integrated microcombs all operate with repetition rates significantly beyond those that conventional electronics can detect and process, compounding their use in microwave photonics. Here we demonstrate integrated soliton microcombs operating in two widely employed microwave bands, X- and K-band. These devices can produce more than 300 comb lines within the 3-dB-bandwidth, and generate microwave signals featuring phase noise levels below 105 dBc/Hz (140 dBc/Hz) at 10 kHz (1 MHz) offset frequency, comparable to modern electronic microwave synthesizers. In addition, the soliton pulse stream can be injection-locked to a microwave signal, enabling actuator-free repetition rate stabilization, tuning and microwave spectral purification, at power levels compatible with silicon-based lasers (<150 mW). Our results establish photonic integrated soliton microcombs as viable integrated low-noise microwave synthesizers. Further, the low repetition rates are critical for future dense WDM channel generation schemes, and can significantly reduce the system complexity of photonic integrated frequency synthesizers and atomic clocks.

研究の動機と目的

• レーダー、通信、タイミングアプリケーション向けの低雑音で統合されたマイクロ波源の必要性を動機づける。
• Si3N4プラットフォーム上のソリトン・マイクロコムが実用的なポンプ電力でマイクロ波再発周波数に到達できることを示す。
• 低Q、熱効果といった材料・製造の限界を克服し、f_rep < 20 GHzでのオンチップソリトン発生を実現する。
• 位相雑音と安定化戦略を特徴づけ、電子的マイクロ波源に近づくまたはそれを上回る性能を狙う。
• 外部マイクロ波へのソリトン注入拘束を実証し、長期安定性を向上させる。

提案手法

• ダマスケーニン再流動法を用いて高QのSi3N4マイクロ共振器を製造し、超低損失を達成する。
• ディープUVステッパーリソグラフィーでパターンを形成し、ステッチング誤差と亀裂防止のストレス解放パターンを最小化する。
• 共振器を動作させてX-バンドおよびK-バンドの再発周波数で単一ソリトンを生成し、スペクトル（3-dB帯域幅、コム線）を測定する。
• 周波数コム支援ダイオードレーザー分光法を用いて分散と線幅を特徴づける。
• 高速フォト検出器と位相雑音アナライザを用いてソリトンの位相雑音を測定し、キャビティ・ポンプデタuning安定化とクワイエットポイント動作を探る。
• 外部マイクロ波源へのソリトン注入拘束を実証し、スペクトル純度とコヒーレンスを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合型 Si3N4 ソリトン・マイクロコムは、チップ上のレーザーと組み合わせて低ポンプ電力でX-およびK-bandのマイクロ波再発周波数を動作させられるか。
• RQ2 ファ tunn? （注：原文の研究質問はそのまま訳すと意味が崩れる可能性があるため、適切に直します）

主な発見

• 19.6 GHz再発周波数の単一ソリトンをチップ上電力38 mWで達成（入力ファイバー76 mW）。スペクトルは11.0 nmの3-dB帯域幅を示す（赤サンプルA）。
• 入力電力210 mWで19.6 GHzの単一ソリトン、3-dB帯域幅26.9 nm、コム線170本（サンプルB）。
• 9.78 GHz再発の単一ソリトンを125 mW（サンプルC）および340 mW（サンプルD）で達成。3-dB帯域幅は17.4 nm（139本）、25.8 nm（327本）。
• マイクロ波搬送波のSSB位相雑音を測定：1 kHzで約−80 dBc/Hz、10 kHzで−110 dBc/Hz、100 kHzオフセットで−130 dBc/Hz（デタuningを安定化したケース）。
• キャビティ-ポンプデタuning安定化（オフセットPDH）と電力安定化を実証し、低周波ドリフトを低減。約439 MHzデタuningの静かな点が最良の位相雑音をもたらす。
• 外部マイクロ波源へのソリトン注入拘束はおおよそ<40 kHzのロックレンジを達成し、約10 kHzオフセット以上でスペクトル純化を可能にし、f_repをf_injに同期させた。