[논문 리뷰] Integrated turnkey soliton microcombs operated at CMOS frequencies

Boqiang Shen, Lin Chang외 15명|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|2019. 11. 06.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 44인용 수 70

한 줄 요약

논문은 펌프 레이저와 통합된 솔리톤 마이크로콤의 턴키 생성 방법을 보여주고, 외부 제어 회로 없이 CMOS 호환 반복 속도(15–40 GHz)와 butterfly 패키지에서 달성한다.

ABSTRACT

While soliton microcombs offer the potential for integration of powerful frequency metrology and precision spectroscopy systems, their operation requires complex startup and feedback protocols that necessitate difficult-to-integrate optical and electrical components. Moreover, CMOS-rate microcombs, required in nearly all comb systems, have resisted integration because of their power requirements. Here, a regime for turnkey operation of soliton microcombs co-integrated with a pump laser is demonstrated and theoretically explained. Significantly, a new operating point is shown to appear from which solitons are generated through binary turn-on and turn-off of the pump laser, thereby eliminating all photonic/electronic control circuitry. These features are combined with high-Q $Si_3N_4$ resonators to fully integrate into a butterfly package microcombs with CMOS frequencies as low as 15 GHz, offering compelling advantages for high-volume production.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 광자 시스템을 위한 솔리톤 마이크로콤의 통합 도전에 동기를 부여한다.
• 복잡한 조정 및 외부 제어 회로를 제거하는 턴키 솔리톤 생성 레짐을 시연한다.
• 고-Q Si3N4 공진기에 의해 CMOS-호환 반복 속도(15–40 GHz)를 달성한다.
• 단독 작동에서 온도 및 환경 교란에 대한 강건성을 보여준다.

제안 방법

• 고-Q Si3N4 마이크로공진기를 butterfly 패키지에서 DFB 펌프 레이저와 통합한다.
• 광격리를 필요 없게 하도록 공진기에서의 역산란 피드백을 펌프 레이저 공동으로 주입한다.
• 솔리톤 장(field), 역산란된 장, 레이저 장(S1–S7)을 결합하는 비선형 동적 모델을 개발한다.
• 펌프의 이진 시동으로 솔리톤이 형성되는 전환점 작동 레짐을 도출하며, 이는 디튠링과 공동내 전력의 교차점에 의해 지배된다(Eq. S1–S6).
• 40 GHz, 20 GHz, 15 GHz 반복 속도에 걸친 턴키 솔리톤 생성의 실험적 시연을 제공한다(Fig. 3).
• 피드백 위상에 따른 시동 성공 확률을 평가하여 재현 가능한 턴키 작동을 보인다(Fig. 4).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펌프 레이저로의 피드백에 의해 구동될 때, 활성 광학/전자 제어 없이도 솔리톤 마이크로콤을 턴키로 생성할 수 있는가?
• RQ2 비선형 피드백에 의해 솔리톤 모드 락킹의 시동을 가능하게 하는 새로운 작동점은 무엇인가?
• RQ3 통합된 펌프 레이저-마이크로공진기 패키지에서 CMOS 주파수 작동(15–40 GHz)이 실현 가능한가?
• RQ4 Turnkey 솔리톤 생성은 온도 및 환경 변화에 대해 얼마나 강건한가?
• RQ5 확장 가능한 저전력 칩 스케일 주파수콤 소스에 대한 실용적 함의는 무엇인가?

주요 결과

• 비선형 역산란으로 인해 새로운 턴키 작동점이 나타나며, 펌프 레이저를 단순히 켜는 것으로 솔리톤 생성이 가능하다.
• 40 GHz, 20 GHz, 15 GHz 반복 속도가 CMOS-호환 통합으로 시연된다.
• 관찰된 광 스펙트럼은 반복 속도에서 단일 및 다중 솔리톤 상태와 대응하는 전기적 비트노트를 보여준다.
• 역산란 피드백은 자유발진 DFB 레이저에 비해 레이저 주파수 노이즈를 약 30 dB 감소시키며, 최첨단 통합 레이저를 능가하는 성능을 달성한다.
• 턴키 작동은 실험실 조건에서 수 시간 동안 강건하며 외부 피드백 제어나 광격리가 필요 없다.
• 고-Q Si3N4 공진기와 butterfly 패키지로 통합된 DFB 레이저는 도전적인 반복 속도(≤40 GHz)에서 칩 간 펌핑을 가능하게 한다.