[논문 리뷰] An Integrated-Photonics Optical-Frequency Synthesizer

Daryl T. Spencer, Tara E. Drake외 25명|Figshare|2017. 08. 15.

Photonic and Optical Devices인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 통합 광학 기반의 칩스케일 광주파수 합성기 시스템을 제시하며, 1550 nm C밴드에서 1 Hz 해상도로 매우 안정적이고 추적 가능한 광주파수를 생성한다. 실리콘 기반의 이방성 통합 III/V-Si 테이블 레이저와 실리콘 나노와이드에서 생성된 이중 소산성-커르솔리톤 주파수 콤을 조합함으로써, 시스템은 1초 기준으로 분수 주파수 불안정도 7.0×10⁻¹³을 달성하고 합성 오차는 7.7×10⁻¹⁵ 이하로 유지한다. 이는 정밀하고 저전력, 소형의 광주파수 합성을 가능하게 하여 계측, 센서 및 양자 기술 분야에 응용할 수 있다.

ABSTRACT

Integrated-photonics microchips now enable a range of advanced functionalities for high-coherence applications such as data transmission, highly optimized physical sensors, and harnessing quantum states, but with cost, efficiency, and portability much beyond tabletop experiments. Through high-volume semiconductor processing built around advanced materials there exists an opportunity for integrated devices to impact applications cutting across disciplines of basic science and technology. Here we show how to synthesize the absolute frequency of a lightwave signal, using integrated photonics to implement lasers, system interconnects, and nonlinear frequency comb generation. The laser frequency output of our synthesizer is programmed by a microwave clock across 4 THz near 1550 nm with 1 Hz resolution and traceability to the SI second. This is accomplished with a heterogeneously integrated III/V-Si tunable laser, which is guided by dual dissipative-Kerr-soliton frequency combs fabricated on silicon chips. Through out-of-loop measurements of the phase-coherent, microwave-to-optical link, we verify that the fractional-frequency instability of the integrated photonics synthesizer matches the $7.0*10^{-13}$ reference-clock instability for a 1 second acquisition, and constrain any synthesis error to $7.7*10^{-15}$ while stepping the synthesizer across the telecommunication C band. Any application of an optical frequency source would be enabled by the precision optical synthesis presented here. Building on the ubiquitous capability in the microwave domain, our results demonstrate a first path to synthesis with integrated photonics, leveraging low-cost, low-power, and compact features that will be critical for its widespread use.

연구 동기 및 목표

• 탁자 위 시스템을 초월해 광범위하게 배포 가능한 통합 광학 기반의 소형, 저전력, 저비용 광주파수 합성기를 개발하기 위해.
• 통신 C밴드 전역에서 고해상도 및 고안정도로 SI 초에 추적 가능한 절대 주파수 합성을 달성하기 위해.
• 칩 내 주파수 콤과 테이블 레이저를 이용해 마이크로파에서 광주파수로의 위상일관성 있는 연결을 구현하기 위해.
• 광통신, 양자 광학, 정밀 계측과 같은 고위상일관성 시스템의 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 실리콘 칩에 일체형으로 통합된 이방성 통합 III/V-Si 테이블 레이저를 사용하여 광신호를 생성한다.
• 실리콘 카바이드 웨이브가이드에서 이중 소산성-커르솔리톤 주파수 콤을 생성하여 합성에 사용할 광역대, 위상일관성 있는 주파수 콤을 제공한다.
• 100 MHz 마이크로파 기준 시계를 사용하여 콤과 레이저 주파수를 1 Hz 해상도로 위상锁定한다.
• 활성 피드백을 통해 마이크로파 및 광주파수 영역 간의 위상일관성 연결을 유지함으로써 SI 초에 대한 추적성을 확보한다.
• 1550 nm 근처 4 THz의 주파수 조정 범위에서 주파수 안정도와 합성 정확도를 검증하기 위해 루프 외 측정을 실시한다.
• 전체 시스템은 표준 반도체 공정을 사용하여 제작되어 확장성과 저비용 생산이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 광학 기반 기술이 C밴드 전역에서 1 Hz 해상도로 소형, 저전력, 고안정성 광주파수 합성기를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 SI 초에 추적 가능한 칩 통합 광주파수 합성기의 주파수 안정도는 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ3 최대 4 THz의 주파수 조정 범위에서 합성기가 최소한의 오차로 주파수 합성을 얼마나 정확하게 유지할 수 있는가?
• RQ4 실리콘 칩에 구현된 이중 소산성-커르솔리톤 콤이 칩 내 합성에 필요한 광역대, 위상일관성 있는 주파수 기준을 제공할 수 있는가?
• RQ5 주파수 스텝 중에 통합 시스템이 유발하는 최대 합성 오차는 얼마인가?

주요 결과

• 통합 광주파수 합성기는 1초 기준으로 분수 주파수 불안정도 7.0×10⁻¹³을 달성하여 기준 마이크로파 시계의 안정도와 동일하다.
• 1550 nm 근처 4 THz 주파수 조정 범위를 스텝하면서도 합성 오차가 7.7×10⁻¹⁵ 이하로 유지된다.
• C밴드 전역에서 레이저 주파수 출력에 대해 1 Hz 해상도를 제공하여 광주파수의 정밀 제어가 가능하다.
• 칩 내 구성 요소를 통해 마이크로파에서 광주파수로의 위상일관성 있는 주파수 연결을 유지함으로써 SI 초에 대한 추적성이 보장된다.
• 이방성 통합 III/V-Si 레이저와 칩 내 이중 소산성-커르솔리톤 주파수 콤의 사용으로 단일 칩에 전체 시스템 통합이 가능해졌다.
• 결과적으로 과학 및 기술 분야의 실제 응용에 적합한 확장 가능하고 저비용이며 소형의 광주파수 합성 경로를 입증하였다.