[论文解读] Automated turnkey microcomb for low-noise microwave synthesis

Kunpeng Jia, Xin-Wei Yi+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于高Q值光纤法布里-珀罗谐振器（Q = 4.0 × 10⁹）的紧凑、自动化、即插即用微梳系统，在低SWaP-C体积（85 mm × 90 mm × 25 mm）内实现了接近量子极限的相位噪声。通过直接二极管泵浦的自注入锁定技术，系统在1.7 GHz重复频率下，1 kHz处相位噪声为−106 dBc/Hz，10 kHz处为−148 dBc/Hz，实现了可现场部署的低噪声微波合成。

ABSTRACT

Microresonator-based optical frequency comb (microcomb) has the potential to revolutionize the accuracy of frequency synthesizer in radar and communication applications. However, fundamental limit exists for low noise microcomb generation, especially in low size, weight, power and cost (SWaP-C) package. Here we resolve this limit, by the demonstration of an automated turnkey microcomb, operating close to its low quantum-limited phase noise, within a compact setup size of 85 mm * 90 mm * 25 mm. High quality factor fiber Fabry-Perot resonator (FFPR), with Q up to 4.0 * 10^9, is the key for both low quantum noise and pump noise limit, in the diode-pump case in a self-injection locking scheme. Low phase noise of -80 and -105 dBc/Hz at 100 Hz, -106 and -125 dBc/Hz at 1 kHz, -133 and -148 dBc/Hz at 10 kHz is achieved at 10.1 GHz and 1.7 GHz repetition frequencies, respectively. With the simultaneous automated turnkey, low-noise and direct-diode-pump capability, our microcomb is ready to be used as a low-noise frequency synthesizer with low SWaP-C and thus field deployability.

研究动机与目标

• 为克服低SWaP-C微梳系统在实际微波应用中固有的噪声限制。
• 在紧凑、自动化、即插即用的微梳系统中实现接近量子极限的相位噪声。
• 通过自注入锁定与直接二极管泵浦实现稳定、低噪声运行，同时保持最小化外形尺寸。
• 展示基于微谐振器的光频梳实现可现场部署的低噪声微波合成。

提出的方法

• 采用高Q值（Q = 4.0 × 10⁹）光纤法布里-珀罗谐振器（FFPR）作为核心微谐振器，以实现低相位噪声。
• 实施自注入锁定方案以稳定泵浦激光器，降低泵浦噪声贡献。
• 采用直接二极管泵浦以消除对外部复杂激光系统的依赖，提升紧凑性与稳定性。
• 集成自动化控制系统，实现无需人工调节的即插即用操作。
• 通过谐振器设计与反馈控制最小化量子噪声与泵浦诱导噪声，实现低相位噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 微梳系统是否能在紧凑、低SWaP-C封装中实现接近量子极限的相位噪声？
• RQ2 自注入锁定与直接二极管泵浦在多大程度上可提升微梳系统的稳定性并降低噪声？
• RQ3 自动化与集成在多大程度上可实现可现场部署的微梳基微波合成？
• RQ4 即插即用微梳在不同重复频率下的可实现相位噪声性能如何？

主要发现

• 在10.1 GHz重复频率下，系统在100 Hz处相位噪声为−80 dBc/Hz，在1 kHz处为−106 dBc/Hz。
• 在1.7 GHz重复频率下，系统在100 Hz处相位噪声为−105 dBc/Hz，在1 kHz处为−125 dBc/Hz，在10 kHz处为−148 dBc/Hz。
• 高Q值光纤法布里-珀罗谐振器（Q = 4.0 × 10⁹）使系统运行接近量子极限，最小化本征相位噪声。
• 系统采用完全自动化、即插即用模式，通过直接二极管泵浦运行，无需外部激光稳定。
• 整个系统布局紧凑，仅占85 mm × 90 mm × 25 mm体积，支持低SWaP-C部署。