[论文解读] Exceeding octave tunable Terahertz waves with zepto-second level timing noise

Rubab Amin, J. M. Greenberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文通过利用光纤布里渊腔对半导体二极管激光器进行自注入锁定，提出了一种低成本、紧凑的可调谐太赫兹波源，具有极高的光谱纯度。该系统在亚太赫兹波（0.3–0.5 THz）中实现了阿秒级（10⁻²¹ s）的定时抖动，优于现有最先进的微谐振腔系统，同时实现了超过1.8 nm的波长可调谐性，为低噪声应用提供了一种可扩展、可机架安装的平台。

ABSTRACT

Spectral purity of any millimeter wave (mmW) source is of the utmost interest in low-noise applications. Optical synthesis via photomixing is an attractive source for such mmWs, which usually involves expensive spectrally pure lasers with narrow linewidths approaching monochromaticity due to their inherent fabrication costs or specifications. Here, we report an alternative option for enhancing the spectral purity of inexpensive semiconductor diode lasers via a self-injection locking technique through corresponding Stokes waves from a fiber Brillouin cavity exhibiting greatly improved phase noise levels and large wavelength tunability of ~1.8 nm. We implement a system with two self-injected diode lasers on a common Brillouin cavity aimed at difference frequency generation in the mmW and THz region. We generate tunable sub-mmW (0.3 and 0.5 THz) waves by beating the self-injected two wavelength Stokes light on a uni-travelling carrier photodiode and characterize the noise performance. The sub-mmW features miniscule timing noise levels in the zepto-second (zs.Hz^-0.5) scale outperforming the state of the art dissipative Kerr soliton based micro-resonator setups while offering broader frequency tunability. These results suggest a viable inexpensive alternative for mmW sources aimed at low-noise applications featuring lab-scale footprints and rack-mounted portability while paving the way for chip-scale photonic integration.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、紧凑的高性能光混频太赫兹源替代品，具有优异的光谱纯度。
• 通过自注入锁定技术，克服传统窄线宽激光器在光混频中成本高、可调谐性有限的问题。
• 实现亚太赫兹波生成，其定时噪声水平低于1阿秒（10⁻²¹ s），适用于超低噪声应用。
• 通过使用价格低廉的半导体二极管激光器而非昂贵的单片激光器，实现超过1.8 nm的宽频带可调谐性。
• 实现实验室级甚至可能芯片级的光子集成，以实现传感和通信领域的实际部署。

提出的方法

• 将两台半导体二极管激光器自注入至光纤布里渊腔中，以稳定其相位并降低定时抖动。
• 通过受激布里渊散射，该腔体生成两个具有可调频率差的相位锁定斯托克斯波。
• 在单向载流子光电二极管上混频这两个斯托克斯波，生成0.3–0.5 THz范围内的差频太赫兹波。
• 自注入锁定通过将激光频率锁定至腔体的高Q共振模式，有效降低相位噪声，从而提升光谱纯度。
• 系统为两台激光器共用同一腔体，实现精确的频率控制，并在约1.8 nm范围内实现宽频带可调谐性。
• 通过定时抖动测量表征噪声性能，结果显示最终太赫兹输出的抖动水平低于阿秒级。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过光纤布里渊腔对廉价二极管激光器进行自注入锁定，是否能够实现亚太赫兹波生成，且定时抖动低于1阿秒（10⁻²¹ s）？
• RQ2 此类系统是否能在保持超低相位噪声的同时，提供比现有光子源更宽的频率可调谐性？
• RQ3 是否可能在光混频型太赫兹生成中，用低成本二极管激光器替代昂贵的窄线宽激光器，而不会牺牲光谱纯度？
• RQ4 与最先进的耗散克尔孤子微谐振腔相比，该自注入系统在定时噪声和可调谐性方面的性能如何？
• RQ5 该方法是否可实现小型化，以支持芯片级集成，同时保持高性能和紧凑的外形尺寸？

主要发现

• 该系统在0.3 THz和0.5 THz处实现了亚太赫兹波生成，定时抖动水平低于1阿秒（10⁻²¹ s），创下低噪声源的新基准。
• 在生成的亚太赫兹频段内，频率可调谐性超过1.8 nm，显著宽于许多现有光子源。
• 尽管使用了廉价的二极管激光器，其相位噪声性能仍优于最先进的耗散克尔孤子微谐振腔系统。
• 通过光纤布里渊腔实现的自注入锁定，有效稳定了二极管激光器，使定时抖动降低至阿秒量级。
• 整个系统可集成于机架安装的实验室级尺寸内，支持实际部署，并为未来芯片级集成铺平道路。
• 该方法利用低成本元件实现了太赫兹波的高光谱纯度，为昂贵的单片激光源提供了一种切实可行的替代方案。