[논문 리뷰] Nanophotonic soliton-based microwave synthesizers

Junqiu Liu, Erwan Lucas외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 29.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 57인용 수 58

한 줄 요약

본 논문은 X대역과 K대역 마이크로파에서 작동하는 통합된 Si3N4 솔리톤 마이크로컴이 CMOS-호환 플랫폼에서 저잡음 마이크로파 합성 및 주입-락킹(repetition rates)을 가능하게 한다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 레이더, 통신 및 타이밍 응용을 위한 저잡음의 통합 마이크로파 소스 필요성에 대한 동기 제시.
• Si3N4 플랫폼에서 솔리톤 마이크로컴이 실용적인 펌프 전력으로 마이크로초반 repetition 속도에 도달할 수 있음을 보여주기.
• 칩 내 솔리톤 생성이 가능한 f_rep < 20 GHz를 가능하게 하는 저Q, 열 효과 등의 재료 및 제조 한계를 극복하기.
• 위상 잡음 및 안정화 전략을 특성화하여 전자식 마이크로파 소스에 접근하거나 이를 능가하기.
• 외부 마이크로파에 대한 솔리톤 주입-락킹을 시연하여 장기 안정성을 개선하기.

제안 방법

• Damascene 재유동 공정을 통해 초저 손실의 고-Q Si3N4 마이크로공진기를 제조.
• 스티칭 오류를 줄이고 균열 방지 스트레스 해소 패턴을 위해 딥-UV 스텝퍼 리소그래피로 패터닝.
• X- 및 K-대역 repetition rate에서 단일 솔리톤을 생성하기 위해 공진기를 작동시키고 스펙트럼(3-dB 대역폭, 칼럼 줄)을 측정.
• 주파수-빔 보정된 다이오드 레이저 분광법으로 분산 및 선폭 특성화.
• 빠른 포토검출기와 위상잡음 분석기로 솔리톤 위상 잡음을 측정하고, 공진기-펌프 DETuning 안정화 및 조용한 포인트 운용을 탐구.
• 외부 마이크로웨이브 소스로의 솔리톤 주입-락킹을 시연하여 스펙트럴 정화 및 코히런스 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합된 Si3N4 솔리톤 마이크로컴이 칩 내 레이저와 호환되는 저 펌프 전력으로 X- 및 K-대역의 마이크로파 repetition 속도에서 작동할 수 있는가?
• RQ2 광학 칩에서 솔리톤 기반 마이크로파 반송체의 위상 잡음 성능 및 안정화 전략은 어떤 수준인가?
• RQ3 주입-락킹으로 외부 마이크로파 신호에 의해 솔리톤 repetition 속도를 안정시키거나 규율할 수 있어 장기 안정성을 향상시키는가?
• RQ4 제조 선택(양자화 Q, 커플링, 분산)이 칩 규모 공진기에서 솔리톤 생성, 임계값 및 스펙트럴 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 저 repetition 속도 솔리톤을 이용한 밀집 WDM 채널 생성 및 시스템 단위 통합의 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• 19.6 GHz repetition rate에서 단일 솔리톤을 플랫폼 내 38 mW의 파워로 달성(입력 섬유 76 mW); 스펙트럼은 11.0 nm 3-dB 대역폭(적색 샘플 A)으로 나타남.
• 19.6 GHz에서 210 mW 입력 전력으로 26.9 nm 3-dB 대역폭 및 170개 콤 줄을 얻음(샘플 B).
• 9.78 GHz repetition rate에서 125 mW(샘플 C) 및 340 mW(샘플 D)로 단일 솔리톤 달성; 3-dB 대역폭은 각각 17.4 nm(139선) 및 25.8 nm(327선).
• 마이크로파 반송체의 측정 SSB 위상잡음: 1 kHz에서 약 −80 dBc/Hz, 10 kHz에서 −110 dBc/Hz, 100 kHz 오프셋에서 −130 dBc/Hz(Detuning 안정화 케이스).
• 저주파 드리프트를 줄이기 위한 cavity-pump detuning 안정화(offset PDH) 및 전력 안정화가 시연되었고, 약 439 MHz detuning에서의 조용한 포인트가 최적의 위상 잡음을 제공합니다.
• 외부 마이크로파 소스에 대한 솔리톤 주입-락킹이 약 <40 kHz의 락 범위를 달성하여 10 kHz 이상 오프셋에서의 스펙트럴 정화 및 f_rep의 f_inj 동기화를 가능하게 함.