[论文解读] Integrated turnkey soliton microcombs operated at CMOS frequencies

Boqiang Shen, Lin Chang+15 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Nov 6, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 44被引用 70

一句话总结

该论文展示了与泵浦激光器集成的孤子微梳的关键一站式产生，在蝴蝶封装中实现 CMOS 兼容的重复频率（15–40 GHz）且无需外部控制电路。

ABSTRACT

While soliton microcombs offer the potential for integration of powerful frequency metrology and precision spectroscopy systems, their operation requires complex startup and feedback protocols that necessitate difficult-to-integrate optical and electrical components. Moreover, CMOS-rate microcombs, required in nearly all comb systems, have resisted integration because of their power requirements. Here, a regime for turnkey operation of soliton microcombs co-integrated with a pump laser is demonstrated and theoretically explained. Significantly, a new operating point is shown to appear from which solitons are generated through binary turn-on and turn-off of the pump laser, thereby eliminating all photonic/electronic control circuitry. These features are combined with high-Q $Si_3N_4$ resonators to fully integrate into a butterfly package microcombs with CMOS frequencies as low as 15 GHz, offering compelling advantages for high-volume production.

研究动机与目标

• 激发可扩展光子系统中孤子微梳集成的挑战。
• 展示一种一站式孤子产生 regime，消除复杂的调谐和外部控制电路。
• 在高 Q 的 Si3N4 谐振器上实现 CMOS 兼容的重复率（15–40 GHz）。
• 在未隔离运行时，展示对温度和环境干扰的鲁棒性。

提出的方法

• 在蝴蝶封装中将高Q Si3N4 微共振腔与 DFB 泵浦激光器集成。
• 利用来自谐振腔的散射回馈将信号注入泵浦激光腔，省去光隔离的需要。
• 开发耦合孤子场、背向散射场和激光场的非线性动力学模型（S1–S7）。
• 推导出一个转折点工作区，在泵浦的二进制开启下形成孤子，该点由失谐与腔内功率的交叉决定（Eq. S1–S6）。
• 提供在 40 GHz、20 GHz 和 15 GHz 重复率下的一站式孤子产生的实验演示（Fig. 3）。
• 评估开机成功概率相对于回馈相位，以显示可重复的关键一站式操作（Fig. 4）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在泵浦激光器获得反馈驱动的情况下，孤子微梳是否可以无需主动光电控制而实现一站式产生？
• RQ2 非线性反馈所创建的新工作点如何实现孤子锁模的开启？
• RQ3 在高Q Si3N4 谐振器的泵浦激光–微腔集成封装中，CMOS 频率工作（15–40 GHz）是否可行？
• RQ4 一站式孤子产生对温度和环境波动的鲁棒性如何？
• RQ5 对可扩展、低功耗、芯片级频率梳源的实际意义是什么？

主要发现

• 由于非线性背向散射，出现了一个新的关键一站式工作点，使仅需打开泵浦激光即可产生孤子。
• 展示了 40 GHz、20 GHz 和 15 GHz 的重复率，且实现了 CMOS 兼容的集成。
• 观测到的光谱显示单孤子与多孤子态，以及在重复率下的相应电学拍频。
• 背向散射回馈将激光频率噪声降低约 30 dB，与自由运行的 DFB 激光相比，达到超越最先进集成激光器的性能。
• 一站式操作在实验室条件下持续数小时也很稳健，且无需外部反馈控制或光隔离。
• 在蝴蝶封装中将高Q Si3N4 谐振腔集成的 DFB 激光器使芯片到芯片的泵浦在具有挑战性的重复率（≤40 GHz）下成为可能。