[논문 리뷰] Automated turnkey microcomb for low-noise microwave synthesis

Kunpeng Jia, Xin-Wei Yi외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 18.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고 품질 인자(Q = 4.0 × 10⁹)를 가진 고체 섬유 패스파스파스터(Fabry-Perot) 공진기 기반의 작고 자동화된 턴키 마이크로콤 시스템을 제시한다. 이 시스템은 낮은 SWaP-C(공간·무게·전력 소비) 구조(85 mm × 90 mm × 25 mm) 내에서 거의 양자한계에 가까운 위상 잡음 성능을 달성한다. 직접 다이오드 펌프와 자가 주입 고정 기술을 사용하여, 1.7 GHz 반복 주파수에서 1 kHz에서 −106 dBc/Hz, 10 kHz에서 −148 dBc/Hz의 위상 잡음을 구현하며, 현장에 설치 가능한 저잡음 마이크로파 합성에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 마이크로파 응용을 위한 낮은 SWaP-C 마이크로콤 시스템에서의 기본적 잡음 한계를 극복하기 위해.
• 작고 자동화된 턴키 마이크로콤 설정에서 근접 양자한계 위상 잡음을 달성하기 위해.
• 최소한의 형상에서 안정적이고 저잡음 작동을 위한 직접 다이오드 펌프와 자가 주입 고정을 가능하게 하기 위해.
• 마이크로공진기 기반 광주파수 콤을 이용한 현장 설치 가능한 저잡음 마이크로파 합성의 실증을 위해.

제안 방법

• 저위상 잡음 성능을 확보하기 위해 핵심 마이크로공진기로 고품질 인자(Q = 4.0 × 10⁹)를 가진 섬유 패스파스터 공진기(FFPR)를 사용하였다.
• 펌프 레이저의 안정화와 펌프 잡음 기여도 감소를 위해 자가 주입 고정 기법을 구현하였다.
• 복잡한 외부 레이저 시스템이 필요 없도록 직접 다이오드 펌프를 적용하여 소형화와 안정성을 향상시켰다.
• 수동 조정 없이도 즉시 사용 가능한 기능을 구현하기 위해 자동 제어 시스템을 통합하였다.
• 공진기 설계와 피드백 제어를 통해 양자 잡음과 펌프 유도 잡음을 모두 최소화함으로써 저위상 잡음 성능을 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로콤 시스템은 낮은 SWaP-C 패키지 내에서 근접 양자한계 위상 잡음을 달성할 수 있는가?
• RQ2 자가 주입 고정과 직접 다이오드 펌프는 마이크로콤 시스템의 안정성 향상과 잡음 감소에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 자동화와 통합은 얼마나 높은 수준에서 현장 설치 가능한 마이크로콤 기반 마이크로파 합성 구현을 가능하게 하는가?
• RQ4 다양한 반복 주파수에서 턴키 마이크로콤의 구현 가능한 위상 잡음 성능는 어떠한가?

주요 결과

• 10.1 GHz 반복 주파수에서 100 Hz에서 −80 dBc/Hz, 1 kHz에서 −106 dBc/Hz의 위상 잡음을 달성하였다.
• 1.7 GHz 반복 주파수에서 100 Hz에서 −105 dBc/Hz, 1 kHz에서 −125 dBc/Hz, 10 kHz에서 −148 dBc/Hz의 위상 잡음을 달성하였다.
• 고 품질 인자 섬유 패스파스터 공진기(Q = 4.0 × 10⁹) 덕분에 양자한계에 가까운 작동이 가능해져 내재적 위상 잡음이 최소화되었다.
• 시스템은 직접 다이오드 펌프를 통해 완전히 자동화된 턴키 모드로 작동하며, 외부 레이저 안정화가 필요 없어졌다.
• 전체 시스템은 작고 컴act한 85 mm × 90 mm × 25 mm 크기로 수용되어, SWaP-C 기반 배치가 가능해졌다.