[论文解读] All-optical frequency division on-chip using a single laser

Yun Zhao, Jae K. Jang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种基于单个连续泵浦激光器的片上全光频率分频技术，利用基于微谐振器的光学参量振荡器（OPO）与克尔梳微谐振器，实现了无源同步与相位噪声抑制。相位噪声降低了630倍，实现了芯片级微波生成，性能可与实验室级原子钟媲美。

ABSTRACT

The generation of spectrally pure high-frequency microwave signals is a critical functionality in fundamental and applied sciences, including metrology and communications. The development of optical frequency combs has enabled the powerful technique of optical frequency division (OFD) to produce microwave oscillations of the highest quality. The approaches for OFD demonstrated to date demand multiple lasers with space- and energy-consuming optical stabilization and electronic feedback components, resulting in device footprints incompatible with integration into a compact and robust photonic platform. Here, we demonstrate all-optical OFD on a single photonic chip driven with a single continuous-wave laser. We generate a dual-point frequency reference using the beat frequency of the signal and idler fields from a microresonator-based optical parametric oscillator (OPO), which achieves high phase stability due to the inherently strong signal-idler frequency correlations. We implement OFD by optically injecting the signal and idler fields from the OPO to a Kerr-comb microresonator on the same chip. We show that the two distinct dynamical states of Kerr cavities can be passively synchronized, allowing broadband frequency locking of the comb state, which transfers the stability of the OPO frequencies to the repetition rate of the Kerr comb. A 630-fold phase-noise reduction is observed when the Kerr comb is synchronized to the OPO, which represents the lowest noise generated on the silicon-nitride platform. Our work demonstrates a simple, effective approach for performing OFD and provides a pathway toward chip-scale devices that can generate microwave frequencies comparable to the purest tones produced in metrological laboratories. This technology can significantly boost the further development of data communications and microwave sensing.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、集成化的光子平台，用于生成光谱纯净、高频段的微波信号。
• 克服传统光学频率分频（OFD）技术依赖多个激光器和复杂稳定系统所带来的局限性。
• 实现在单片上OPO与克尔梳之间的无源、无反馈同步。
• 仅使用一个连续波激光泵浦，实现微波生成中的超低相位噪声。
• 展示一种可扩展、鲁棒且可集成的高性能微波源解决方案，适用于通信与传感领域。

提出的方法

• 一个连续波激光器泵浦硅氮化物微谐振器，使其工作在光学参量振荡器（OPO）模式下，生成具有频率关联的信号-闲频对，作为稳定的光学参考。
• OPO产生的信号与闲频场被光学注入到第二个工作在克尔孤子模式下的微谐振器中，生成具有微波重复频率的频率梳。
• 通过内在的动力学耦合实现OPO与克尔梳状态之间的无源同步，实现无需电子反馈的宽带频率锁定。
• 系统利用OPO信号与闲频场之间强烈的内在频率相关性，将相位稳定性传递至克尔梳的重复频率。
• 采用延迟自外差测量系统结合相位噪声分析仪表征相位噪声，实现噪声抑制的精确测量。
• 通过注入校准激光噪声的同频混频干涉测量系统，对微谐振器中的热噪声进行建模与表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用一个连续波激光器，在单个光子芯片上实现全光频率分频？
• RQ2 如何在无电子反馈的情况下实现OPO与克尔梳微谐振器之间的无源同步？
• RQ3 在仅使用单个激光器的片上OFD系统中，微波生成的相位噪声可降低至何种程度？
• RQ4 能否利用OPO生成的信号-闲频对之间的内在频率相关性，实现对克尔梳重复频率的稳定？
• RQ5 在集成微谐振器中，热噪声与热光折射噪声在多大程度上可被抑制，以实现超低噪声工作？

主要发现

• 当克尔梳与OPO同步时，相位噪声降低了630倍，这是在硅氮化物平台上报道的最低噪声水平。
• 系统仅使用一个连续波激光器运行，消除了对多个激光器和复杂稳定电子系统的需求。
• 通过内在动力学耦合实现OPO与克尔梳状态之间的无源同步，实现宽带频率锁定。
• OPO通过其信号与闲频场的拍频信号生成双点频率参考，由于信号-闲频频率的强相关性，提供了高相位稳定性。
• 热噪声表征结果表明，经过优化的波导几何结构可有效抑制热光折射噪声，且在关键通信波段波长下具有相同的共振频移系数。
• 实验系统实现了630 GHz稳定微波生成，相位噪声性能可与最先进的计量系统相媲美。