集成鈮酸鋰環(huán)形諧振腔中的電誘導絕熱頻率轉換

  論文題目：Electrically induced adiabatic frequency conversion in an integrated lithium niobate ring resonator

  作 者：Maragathaeswari B., Hudhaifah Ibn Saleem, and Viswas Sadasivan

  完成單位：羅切斯特大學

  論文導讀

  在激光腔外改變光的頻率對于集成光子學平臺至關重要，尤其是當片上光源的光頻率是固定值或者頻率難以進行精確調(diào)諧的時候。傳統(tǒng)GHz級別的片上頻率轉換在連續(xù)調(diào)整偏移頻率方面存在諸多局限性，為了實現(xiàn)連續(xù)的片上光學頻率轉換，來自美國羅切斯特大學的研究人員對集成鈮酸鋰環(huán)形諧振器進行電調(diào)諧以誘導絕熱頻率轉換，文章以“Electrically induced adiabatic frequency conversion in an integrated lithium niobate ring resonator”發(fā)表在Optics Letters上，該項工作通過調(diào)整RF控制的電壓實現(xiàn)了高達14.3 GHz的頻率轉換，對需要連續(xù)頻率調(diào)諧的光子應用具有重要意義。

  研究背景

  當片上光源的光頻率是一個固定值或無法進行精確調(diào)諧的時候，在激光腔外改變光波的頻率對于集成光子學平臺來說意義非凡。例如，來自量子點和色心的單個單光子源具有GHz的不均勻頻譜展寬，這使用這些光源來構建量子芯片比較困難。除此之外，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(FMCW)也要求在工作時對光頻率進行連續(xù)調(diào)頻。所有這些應用都需要一種穩(wěn)定的片上方法來在激光腔外連續(xù)地調(diào)整光的頻率。利用電光效應、聲光效應和光譜剪切可以實現(xiàn)多個 GHz 的頻率轉換，然而，這些方法在連續(xù)調(diào)整偏移頻率時具有局限性。基于傳統(tǒng)電光相位調(diào)制的頻率轉換會產(chǎn)生額外的邊帶，本質上無法達到高轉換效率。基于鈮酸鋰平臺中的電光調(diào)制的移頻器實現(xiàn)高效和高達數(shù)百 GHz 的頻移，但在該設備中，頻移被限制為耦合諧振器雙峰分裂寬度的整數(shù)倍，這在器件制造期間是固定的，并限制了設備的可調(diào)諧性。此外，聲光移頻器的頻移范圍受制于插指換能器和布拉格角，光機械單光子移頻器中的光譜剪切需要光子到達時間和 RF 信號同步，實現(xiàn)困難。相對而言，絕熱頻率轉換(AFC)是一種很有前途的連續(xù)頻移方案。在AFC中，光激發(fā)諧振腔光模式，然后調(diào)制諧振腔的折射率以在光子壽命內(nèi)移動其諧振頻率，可以實現(xiàn)較為高效的連續(xù)頻移。該文章就是利用AFC的原理在集成鈮酸鋰環(huán)形諧振腔中實現(xiàn)了電誘導絕熱頻率轉換。

  技術實現(xiàn)

  在這篇文章中，作者展示了絕緣體上鈮酸鋰lithium niobate on insulator(LNOI)集成光子平臺中的電誘導絕熱頻率轉換。鈮酸鋰具有顯著的電光效應，可以利用電信號對其折射率進行瞬時、無損的調(diào)制。LNOI平臺可實現(xiàn)光子壽命為 4 ns (Q～107)的高質量因子諧振器。此外，LNOI平臺的高折射率差不僅可以大大減少設備的尺寸，還可以大幅度提高電光效率。在我們的設備中，光的頻率偏移不是在制造時設置的，而是可以在后期通過RF的振幅進行調(diào)整的。

  圖1 (a) AFC器件示意圖。波導層由直波導和環(huán)形諧振器組成。側電極沿鈮酸鋰的晶體 z 軸產(chǎn)生電場。(b) 總線波導的基本 TE 模式的橫截面。(c) 測量光譜。(d) 放大 1551.75 nm 處的共振峰。FWHM由在共振的最大值和最小值之間的中點計算。

  [圖片來源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  作者通過在 4 GHz 的頻率處使用 6.5 V 的RF控制驅動環(huán)形諧振器，得到了輸出光 11 GHz的頻移。為了測量AFC，首先，將可調(diào)諧激光器頻率設置為 1551.7490 nm 的環(huán)形共振點之一;然后，使用增益可調(diào)調(diào)制器驅動器來放大由 40 GHz 模式發(fā)生器生成的 RF 控制 [圖 2(a)]。通過偏置三通電路，結合來自源表 (Keithley) 的直流電壓來補償來自調(diào)制器驅動器的直流偏移。RF 控制通過 40 GHz RF 探頭施加在器件上。接著，將模式發(fā)生器的頻率設置為 4 GHz，模式為“1110”[圖 2(b)]，每 1 ns 重復一次。在“0”期間，環(huán)形諧振器由輸入光充能，在“1”期間，控制電壓施加到環(huán)形諧振器上。當施加電壓時，環(huán)形諧振器的折射率發(fā)生變化，被限制在腔內(nèi)的光發(fā)生AFC效應，光的頻率發(fā)生偏移。頻移光在傳輸端口與來自激光器的原始光發(fā)生干涉，并在檢測器處產(chǎn)生光拍頻信號。為了表征拍頻信號，作者采用摻鉺光纖放大器 (EDFA) 放大直通端口的光，并用可調(diào)諧濾波器去除放大的自發(fā)輻射噪聲;EDFA使光拍頻信號足夠強，以便后端的電子設備能夠檢測到。

  圖2 (a) 實驗裝置。使用示波器檢查拍頻信號并使用 OSA 檢查輸出的頻譜。(b) 當將 RF 模式設置為“1110”時，環(huán)在“0”期間充電。在“1”期間，施加電壓，環(huán)的共振發(fā)生偏移。困在里面的光會經(jīng)歷 AFC。將模式設置為“1000”以反轉施加電場的方向并改變頻移方向。

  [圖片來源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  圖3 (a) 觀察到的信號模式。(b) 跳動信號的放大視圖。我們通過測量差拍周期 Δt 來計算轉換波長。[圖片來源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  

圖4 (a) 當我們降低電壓時，節(jié)拍信號會拉伸。(b) 頻移隨施加電壓的變化而變化。[圖片來源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  一觀點評述該工作在集成鈮酸鋰環(huán)形諧振腔中實現(xiàn)了電誘導絕熱頻率轉換。片上諧振器在可擴展平臺上實現(xiàn)高一個數(shù)量級的電光效率，絕熱變頻不會像傳統(tǒng)的電光調(diào)制器和頻率梳那樣產(chǎn)生不需要的邊帶;并且不需要傳統(tǒng)AFC那樣的高功率光泵。為量子點和色心的單個單光子源以及FMCW激光雷達片上集成鋪平了道路。

  發(fā)表于：Optics Letters

  論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OL.473113