[论文解读] Nanophotonic soliton-based microwave synthesizers

Junqiu Liu, Erwan Lucas+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 57被引用 58

一句话总结

该论文演示了在 X 频段和 K 频段微波中工作的整合 Si3N4 孤子微梳，能够在 CMOS 兼容的平台上实现低噪声微波合成和注入锁定的重复率。

ABSTRACT

Microwave photonic technologies, which upshift the carrier into the optical domain to facilitate the generation and processing of ultrawide-band electronic signals at vastly reduced fractional bandwidths, have the potential to achieve superior performance compared to conventional electronics for targeted functions. For microwave photonic applications such as filters, coherent radars, subnoise detection, optical communications and low-noise microwave generation, frequency combs are key building blocks. By virtue of soliton microcombs, frequency combs can now be built using CMOS compatible photonic integrated circuits, operated with low power and noise, and have already been employed in system-level demonstrations. Yet, currently developed photonic integrated microcombs all operate with repetition rates significantly beyond those that conventional electronics can detect and process, compounding their use in microwave photonics. Here we demonstrate integrated soliton microcombs operating in two widely employed microwave bands, X- and K-band. These devices can produce more than 300 comb lines within the 3-dB-bandwidth, and generate microwave signals featuring phase noise levels below 105 dBc/Hz (140 dBc/Hz) at 10 kHz (1 MHz) offset frequency, comparable to modern electronic microwave synthesizers. In addition, the soliton pulse stream can be injection-locked to a microwave signal, enabling actuator-free repetition rate stabilization, tuning and microwave spectral purification, at power levels compatible with silicon-based lasers (<150 mW). Our results establish photonic integrated soliton microcombs as viable integrated low-noise microwave synthesizers. Further, the low repetition rates are critical for future dense WDM channel generation schemes, and can significantly reduce the system complexity of photonic integrated frequency synthesizers and atomic clocks.

研究动机与目标

• 为雷达、通信和定时应用提供低噪声、集成微波源的需求提供动机。
• 表明在 Si3N4 平台上的孤子微梳可在实际泵浦功率下达到微波重复率。
• 克服材料与制造限制（低 Q、热效应），使 on-chip 孤子产生在 f_rep < 20 GHz。
• 表征相位噪声与稳定化策略，以接近或超过电子微波源。
• 展示孤子对外部微波的注入锁定，以提高长期稳定性。

提出的方法

• 采用 Damascene 回流工艺制造高 Q 的 Si3N4 微共振腔，以实现超低损耗。
• 采用深紫外步进光刻来降低拼接误差，并采用防裂应力释放图案。
• 操作谐振腔在 X-和 K-band 重复率下产生单孤子并测量光谱（3-dB带宽、梳线）。
• 通过频率梳辅助的二极管激光光谱法表征色散和线宽。
• 用快探测器和相位噪声分析仪测量孤子相位噪声；探索腔–泵失谐稳定化和安静点工作。
• 证明孤子对外部微波源的注入锁定，以评估光谱净化与相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低泵浦功率且与片上激光器兼容的情况下，集成的 Si3N4 孤子微梳是否能在微波 X- 波段和 K-波段的重复率下工作？
• RQ2 在光子芯片上，基于孤子的微波载波可实现的相位噪声性能与稳定化策略是什么？
• RQ3 是否可以通过对外部微波信号的注入锁定来稳定/约束孤子重复率，以改善长期稳定性？
• RQ4 制造选择（Q、耦合、色散）如何影响片上尺度谐振腔中的孤子产生、阈值和光谱特性？
• RQ5 利用低重复率孤子实现密集的 WDM 通道生成以及系统级集成的潜力在哪里？

主要发现

• 在 19.6 GHz 重复率下实现单孤子，片上功率为 38 mW（输入光纤功率 76 mW）；光谱显示 11.0 nm 的 3-dB 带宽（红色样品 A）。
• 在 19.6 GHz，输入功率 210 mW 时，得到 26.9 nm 的 3-dB 带宽和 170 条梳线（样本 B）。
• 在 9.78 GHz 重复率下，分别用 125 mW（样本 C）和 340 mW（样本 D）实现单孤子；3-dB 带宽为 17.4 nm（139 行）和 25.8 nm（327 行）。
• 微波载波的单边带相位噪声测量：在 1 kHz 处约 −80 dBc/Hz，10 kHz 处 −110 dBc/Hz，100 kHz 偏移处 −130 dBc/Hz（失谐稳定的情况）。
• 展示腔–泵失谐稳定化（偏移 PDH）与功率稳定化以减小低频漂移；在约 439 MHz 的失谐处的安静点可获得最佳相位噪声。
• 孤子对外部微波源的注入锁定实现了大约 <40 kHz 的锁定范围，能够在约 10 kHz 偏移以上实现光谱净化，并将 f_rep 同步到 f_inj。