[论文解读] An Integrated-Photonics Optical-Frequency Synthesizer

Daryl T. Spencer, Tara E. Drake+25 more|Figshare|Aug 15, 2017

Photonic and Optical Devices被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于集成光子学的芯片级光频合成器，可在1550 nm C波段内生成高度稳定、可溯源的光频，频率分辨率达1 Hz。通过将异质外延集成的III/V-Si可调谐激光器与硅基双非线性克尔孤子频率梳相结合，该系统在1秒时实现分数频率不稳定度为7.0×10⁻¹³，合成误差低于7.7×10⁻¹⁵，实现了面向计量学、传感和量子技术应用的精确、低功耗、紧凑型光频合成。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于集成光子学的紧凑、低功耗且成本低廉的光频合成器，以实现超越台面系统的广泛应用。
• 在通信C波段内实现可溯源至国际单位制秒的绝对频率合成，具备高分辨率和高稳定性。
• 通过片上频率梳和可调谐激光器，实现微波到光频域的相位相干连接。
• 实现高相干系统（如光通信、量子光学和精密计量）的实际应用。

提出的方法

• 系统采用在硅芯片上单片集成的异质外延III/V-Si可调谐激光器，用于生成光信号。
• 在氮化硅波导上生成双非线性克尔孤子频率梳，以提供宽带、相干的频率梳用于合成。
• 使用100 MHz的微波参考时钟，通过相位锁定梳和控制激光频率，实现1 Hz分辨率。
• 通过主动反馈保持微波与光频域之间的相位相干连接，确保可溯源至国际单位制秒。
• 通过环外测量验证了在1550 nm附近4 THz调谐范围内频率稳定性和合成精度。
• 整个系统采用标准半导体工艺制造，具备可扩展性和低成本生产能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 集成光子学能否在C波段内实现紧凑、低功耗且高度稳定的光频合成器，频率分辨率达1 Hz？
• RQ2 当可溯源至国际单位制秒时，芯片集成光频合成器可实现的频率稳定度是多少？
• RQ3 在4 THz调谐范围内，合成器能以多高精度保持频率合成，且误差最小？
• RQ4 硅芯片上的双非线性克尔孤子梳能否为片上合成提供必要的宽带、相干频率参考？
• RQ5 在频率跳变过程中，集成系统引入的最大合成误差是多少？

主要发现

• 该集成光频合成器在1秒时实现7.0×10⁻¹³的分数频率不稳定度，与参考微波时钟的稳定性相当。
• 在1550 nm附近4 THz调谐范围内频率跳变时，系统表现出小于7.7×10⁻¹⁵的合成误差。
• 该合成器在C波段内实现1 Hz的激光频率输出分辨率，可实现对光频的精确控制。
• 通过片上组件保持微波到光频的相位相干连接，确保可溯源至国际单位制秒。
• 采用异质外延集成的III/V-Si激光器和片上双非线性克尔孤子梳，实现了全系统在单芯片上的集成。
• 结果表明，该方案为光学频率合成提供了一条可扩展、低成本且紧凑的路径，适用于科学与技术领域的实际部署。