[논문 리뷰] All-optical frequency division on-chip using a single laser

Yun Zhao, Jae K. Jang외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 06.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 연속파 레이저를 사용하여 마이크로레지온기반 광학적 비율 발진기(OPO)와 케르-콤 마이크로레지온기를 활용해 온칩 전광학 주파수 분할을 구현하며, 수동 동기화 및 위상잡음 감소를 달성한다. 위상잡음은 630배 감소하였으며, 이는 실험실급 원자 시계 수준의 성능을 갖는 칩스케일 마이크로파 신호 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The generation of spectrally pure high-frequency microwave signals is a critical functionality in fundamental and applied sciences, including metrology and communications. The development of optical frequency combs has enabled the powerful technique of optical frequency division (OFD) to produce microwave oscillations of the highest quality. The approaches for OFD demonstrated to date demand multiple lasers with space- and energy-consuming optical stabilization and electronic feedback components, resulting in device footprints incompatible with integration into a compact and robust photonic platform. Here, we demonstrate all-optical OFD on a single photonic chip driven with a single continuous-wave laser. We generate a dual-point frequency reference using the beat frequency of the signal and idler fields from a microresonator-based optical parametric oscillator (OPO), which achieves high phase stability due to the inherently strong signal-idler frequency correlations. We implement OFD by optically injecting the signal and idler fields from the OPO to a Kerr-comb microresonator on the same chip. We show that the two distinct dynamical states of Kerr cavities can be passively synchronized, allowing broadband frequency locking of the comb state, which transfers the stability of the OPO frequencies to the repetition rate of the Kerr comb. A 630-fold phase-noise reduction is observed when the Kerr comb is synchronized to the OPO, which represents the lowest noise generated on the silicon-nitride platform. Our work demonstrates a simple, effective approach for performing OFD and provides a pathway toward chip-scale devices that can generate microwave frequencies comparable to the purest tones produced in metrological laboratories. This technology can significantly boost the further development of data communications and microwave sensing.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 순도가 높고 고주파 마이크로파 신호를 생성하기 위한 컴act하고 통합된 광학 플랫폼을 개발하기 위해.
• 다수의 레이저와 복잡한 안정화 시스템을 필요로 하는 전통적인 광학 주파수 분할(OFD)의 한계를 극복하기 위해.
• 단일 칩 내에서 OPO와 케르-콤 간 수동적이고 피드백이 없는 동기화를 가능하게 하기 위해.
• 단일 연속파 레이저 펌프만을 사용하여 초저위상잡음 마이크로파 생성을 달성하기 위해.
• 통신 및 센싱 분야에서 고성능 마이크로파 소스를 위한 확장 가능하고 견고하며 통합 가능한 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 카바이드 마이크로레지온기가 광학적 비율 발진기(OPO) 모드에서 작동하는 단일 연속파 레이저에 의해 펌프되며, 안정된 광학 기준으로서 주파수 관련 신호-이더 필드 쌍을 생성한다.
• OPO의 신호 및 이더 필드가 두 번째 마이크로레지온기(케르-솔리톤 모드에서 작동)로 광학적으로 주입되며, 마이크로파 반복 주파수를 갖는 주파수 콤을 생성한다.
• 자기적 역학적 결합을 통해 OPO와 케르-콤 상태 간의 수동 동기화를 달성하여 전자 피드백 없이 광역 주파수 락킹을 가능하게 한다.
• OPO의 신호 및 이더 필드 간 강한 주파수 상관관계를 활용하여 위상 안정성을 케르-콤의 반복 주파수로 전달한다.
• 지연된 자기혼합 측정 장치와 위상잡음 분석기를 사용하여 위상잡음 캐릭터라이제이션을 수행하여 잡음 감소를 정밀하게 측정한다.
• 열잡음은 캘리브레이션된 레이저 잡음 주입을 사용한 동위상 간섭 측정 장치를 통해 모델링하고 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 광학 칩에서 단일 연속파 레이저만을 사용하여 전광학 주파수 분할을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전자 피드백 없이 OPO와 케르-콤 마이크로레지온기 간의 수동 동기화를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 단일 레이저, 온칩 OFD 시스템을 사용할 경우 마이크로파 생성에서 어떤 정도의 위상잡음 감소를 달성할 수 있는가?
• RQ4 OPO가 생성한 신호-이더 쌍의 내재된 주파수 상관관계를 활용하여 케르-콤의 반복 주파수를 안정화할 수 있는가?
• RQ5 통합 마이크로레지온기에서 열 및 열광학적 잡음을 어느 정도 억제할 수 있으며, 초저잡음 작동을 위한 기반 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 케르-콤이 OPO에 동기화될 경우 위상잡음이 630배 감소하였으며, 이는 실리콘 카바이드 플랫폼에서 보고된 바 가장 낮은 잡음 수준이다.
• 시스템은 단일 연속파 레이저로 작동하여 다수의 레이저와 복잡한 안정화 전자장치의 필요성을 제거한다.
• 자기적 역학적 결합을 통해 OPO와 케르-콤 상태 간 수동 동기화가 달성되어 광역 주파수 락킹이 가능하다.
• OPO는 신호 및 이더 필드의 비트 신호를 통해 이중 주파수 기준을 생성하며, 강한 신호-이더 주파수 상관관계로 인해 고위상 안정성을 확보한다.
• 열잡음 특성 분석 결과, 설계된 웨이브가이드 기하구조가 열광학적 잡음을 억제하며, 주요 통신 파장에서 동일한 공진 주파수 이격 계수를 확보한다.
• 실험적 설정은 630 GHz에서 안정적인 마이크로파 신호 생성을 달성하였으며, 위상잡음 성능은 최첨단 메트로로지 시스템과 유사하다.