[논문 리뷰] Exceeding octave tunable Terahertz waves with zepto-second level timing noise

Rubab Amin, J. M. Greenberg외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 15.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 섬유 브릴루아 캐비티를 통한 반도체 다이오드 레이저의 자기 주입 고정을 활용하여 놀라운 스펙트럼 순도를 가진 저비용·소형의 테라헤르츠 파장 가변 소스를 제시한다. 시스템은 0.3–0.5 THz 범위의 서브-테라헤르츠 파장에서 지플렉토세컨드 수준의 타이밍 잡음(10⁻²¹ s)을 달성하며, 최신의 마이크로레지오너 시스템을 뛰어넘고, 1.8 nm 이상의 파장 가변성을 제공하여 저잡음 응용 분야에 적합한 확장 가능한 랙 마운트형 플랫폼을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고성능 광믹싱 소스의 저비용·소형 대체재로서 뛰어난 스펙트럼 순도를 가진 테라헤르츠 파장을 개발하기 위해.
• 광믹싱에 사용되는 전통적인 협대역 레이저의 높은 비용과 제한된 가변성 문제를 자기 주입 고정 기술을 활용해 해결하기 위해.
• 초저잡음 응용을 위해 서브-테라헤르츠 파장 생성에서 1 지플렉토세컨드(10⁻²¹ s) 이하의 타이밍 잡음 수준을 달성하기 위해.
• 비싼 단일결정 레이저 대신 저비용 반도체 다이오드 레이저를 사용하여 광믹싱 기반 테라헤르츠 파장 생성에서 넓은 주파수 가변성(>1.8 nm)을 확보하기 위해.
• 실용적인 센서 및 통신 응용을 위한 실험실 수준 및 향후 칩 수준 광학 통합을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 두 반도체 다이오드 레이저가 섬유 브릴루아 캐비티에 자기 주입되어 위상이 안정화되고 타이밍 잡음이 감소한다.
• 캐비티는 자극된 브릴루아 산란을 통해 주파수 간격이 가변 가능한 두 개의 위상 고정 스토퍼 웨이브를 생성한다.
• 두 스토퍼 웨이브가 유니트래블링 커리어 광다이오드에서 혼합되어 0.3–0.5 THz 범위의 차주파수 테라헤르츠 파장을 생성한다.
• 자기 주입 고정은 레이저 주파수를 캐비티의 고-Q 공명에 고정시켜 위상 잡음을 감소시키고 스펙트럼 순도를 향상시킨다.
• 두 레이저가 동일한 캐비티를 공유하므로 정밀한 주파수 제어와 약 1.8 nm에 이르는 넓은 가변성 확보가 가능하다.
• 잡음 성능은 타이밍 잡음 측정을 통해 평가되었으며, 최종 테라헤르츠 출력에서 지플렉토세컨드 이하 수준의 잡음이 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 섬유 브릴루아 캐비티를 통한 저비용 다이오드 레이저의 자기 주입 고정이 1 지플렉토세컨드(10⁻²¹ s) 이하의 타이밍 잡음을 가진 서브-테라헤르츠 파장 생성에 성공할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템은 기존 광학 소스보다 넓은 주파수 가변성을 제공하면서도 초저잡음 위상 잡음을 유지할 수 있는가?
• RQ3 고성능 협대역 레이저를 저비용 다이오드 레이저로 대체함으로써 스펙트럼 순도를 손상시키지 않고 광믹싱 기반 테라헤르츠 파장 생성이 가능한가?
• RQ4 이 자기 주입 시스템의 성능은 최신의 분산 킬러 솔리톤 마이크로레지오너 시스템과 비교해 타이밍 잡음과 가변성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 이러한 접근법은 고성능과 소형화된 구조를 유지하면서 칩 수준 통합을 위한 스케일업이 가능한가?

주요 결과

• 시스템은 0.3 THz 및 0.5 THz에서 1 지플렉토세컨드(10⁻²¹ s) 이하의 타이밍 잡음 수준을 달성하여 초저잡음 소스의 새로운 기준을 설정한다.
• 생성된 서브-테라헤르츠 대역에서 주파수 가변성이 1.8 nm를 초과하여, 많은 기존 광학 소스보다 훨씬 넓다.
• 다이오드 레이저를 사용하고도 최신의 분산 킬러 솔리톤 마이크로레지오너 시스템을 뛰어넘는 위상 잡음 성능을 확보하였다.
• 섬유 브릴루아 캐비티를 통한 자기 주입 고정이 다이오드 레이저를 효과적으로 안정화하여 타이밍 잡음을 지플렉토세컨드 수준으로 감소시켰다.
• 전체 시스템은 랙 마운트형 실험실 수준의 크기로 압축되어 실용적 구현과 향후 칩 수준 통합을 가능하게 하였다.
• 저비용 구성 요소를 사용함으로써 고순도의 테라헤르츠 파장을 구현할 수 있었으며, 고비용 단일결정 레이저 소스에 대한 실현 가능한 대안을 제공한다.