集成鈮酸鋰環(huán)形諧振腔中的電誘導(dǎo)絕熱頻率轉(zhuǎn)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(xué)

  論文導(dǎo)讀

  在激光腔外改變光的頻率對(duì)于集成光子學(xué)平臺(tái)至關(guān)重要，尤其是當(dāng)片上光源的光頻率是固定值或者頻率難以進(jìn)行精確調(diào)諧的時(shí)候。傳統(tǒng)GHz級(jí)別的片上頻率轉(zhuǎn)換在連續(xù)調(diào)整偏移頻率方面存在諸多局限性，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的片上光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換，來(lái)自美國(guó)羅切斯特大學(xué)的研究人員對(duì)集成鈮酸鋰環(huán)形諧振器進(jìn)行電調(diào)諧以誘導(dǎo)絕熱頻率轉(zhuǎn)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(xiàng)工作通過(guò)調(diào)整RF控制的電壓實(shí)現(xiàn)了高達(dá)14.3 GHz的頻率轉(zhuǎn)換，對(duì)需要連續(xù)頻率調(diào)諧的光子應(yīng)用具有重要意義。

  研究背景

  當(dāng)片上光源的光頻率是一個(gè)固定值或無(wú)法進(jìn)行精確調(diào)諧的時(shí)候，在激光腔外改變光波的頻率對(duì)于集成光子學(xué)平臺(tái)來(lái)說(shuō)意義非凡。例如，來(lái)自量子點(diǎn)和色心的單個(gè)單光子源具有GHz的不均勻頻譜展寬，這使用這些光源來(lái)構(gòu)建量子芯片比較困難。除此之外，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)(FMCW)也要求在工作時(shí)對(duì)光頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)頻。所有這些應(yīng)用都需要一種穩(wěn)定的片上方法來(lái)在激光腔外連續(xù)地調(diào)整光的頻率。利用電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)和光譜剪切可以實(shí)現(xiàn)多個(gè) GHz 的頻率轉(zhuǎn)換，然而，這些方法在連續(xù)調(diào)整偏移頻率時(shí)具有局限性。基于傳統(tǒng)電光相位調(diào)制的頻率轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生額外的邊帶，本質(zhì)上無(wú)法達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率。基于鈮酸鋰平臺(tái)中的電光調(diào)制的移頻器實(shí)現(xiàn)高效和高達(dá)數(shù)百 GHz 的頻移，但在該設(shè)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(shè)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(jī)械單光子移頻器中的光譜剪切需要光子到達(dá)時(shí)間和 RF 信號(hào)同步，實(shí)現(xiàn)困難。相對(duì)而言，絕熱頻率轉(zhuǎn)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(dòng)其諧振頻率，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)了電誘導(dǎo)絕熱頻率轉(zhuǎn)換。

  技術(shù)實(shí)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(tái)中的電誘導(dǎo)絕熱頻率轉(zhuǎn)換。鈮酸鋰具有顯著的電光效應(yīng)，可以利用電信號(hào)對(duì)其折射率進(jìn)行瞬時(shí)、無(wú)損的調(diào)制。LNOI平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)光子壽命為 4 ns (Q～107)的高質(zhì)量因子諧振器。此外，LNOI平臺(tái)的高折射率差不僅可以大大減少設(shè)備的尺寸，還可以大幅度提高電光效率。在我們的設(shè)備中，光的頻率偏移不是在制造時(shí)設(shè)置的，而是可以在后期通過(guò)RF的振幅進(jìn)行調(diào)整的。

  圖1 (a) AFC器件示意圖。波導(dǎo)層由直波導(dǎo)和環(huán)形諧振器組成。側(cè)電極沿鈮酸鋰的晶體 z 軸產(chǎn)生電場(chǎng)。(b) 總線波導(dǎo)的基本 TE 模式的橫截面。(c) 測(cè)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(diǎn)計(jì)算。

  [圖片來(lái)源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  作者通過(guò)在 4 GHz 的頻率處使用 6.5 V 的RF控制驅(qū)動(dòng)環(huán)形諧振器，得到了輸出光 11 GHz的頻移。為了測(cè)量AFC，首先，將可調(diào)諧激光器頻率設(shè)置為 1551.7490 nm 的環(huán)形共振點(diǎn)之一;然后，使用增益可調(diào)調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器來(lái)放大由 40 GHz 模式發(fā)生器生成的 RF 控制 [圖 2(a)]。通過(guò)偏置三通電路，結(jié)合來(lái)自源表 (Keithley) 的直流電壓來(lái)補(bǔ)償來(lái)自調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器的直流偏移。RF 控制通過(guò) 40 GHz RF 探頭施加在器件上。接著，將模式發(fā)生器的頻率設(shè)置為 4 GHz，模式為“1110”[圖 2(b)]，每 1 ns 重復(fù)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(dāng)施加電壓時(shí)，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(yīng)，光的頻率發(fā)生偏移。頻移光在傳輸端口與來(lái)自激光器的原始光發(fā)生干涉，并在檢測(cè)器處產(chǎn)生光拍頻信號(hào)。為了表征拍頻信號(hào)，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(hào)足夠強(qiáng)，以便后端的電子設(shè)備能夠檢測(cè)到。

  圖2 (a) 實(shí)驗(yàn)裝置。使用示波器檢查拍頻信號(hào)并使用 OSA 檢查輸出的頻譜。(b) 當(dāng)將 RF 模式設(shè)置為“1110”時(shí)，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(huì)經(jīng)歷 AFC。將模式設(shè)置為“1000”以反轉(zhuǎn)施加電場(chǎng)的方向并改變頻移方向。

  [圖片來(lái)源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  圖3 (a) 觀察到的信號(hào)模式。(b) 跳動(dòng)信號(hào)的放大視圖。我們通過(guò)測(cè)量差拍周期 Δt 來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)。[圖片來(lái)源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

圖4 (a) 當(dāng)我們降低電壓時(shí)，節(jié)拍信號(hào)會(huì)拉伸。(b) 頻移隨施加電壓的變化而變化。[圖片來(lái)源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  一觀點(diǎn)評(píng)述該工作在集成鈮酸鋰環(huán)形諧振腔中實(shí)現(xiàn)了電誘導(dǎo)絕熱頻率轉(zhuǎn)換。片上諧振器在可擴(kuò)展平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高一個(gè)數(shù)量級(jí)的電光效率，絕熱變頻不會(huì)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(diǎn)和色心的單個(gè)單光子源以及FMCW激光雷達(dá)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