集成鈮酸鋰環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諧的時候。傳統GHz級別的片上頻率轉換在連續調整偏移頻率方面存在諸多局限性，為了實現連續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形諧振器進行電調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”發表在Optics Letters上，該項工作通過調整RF控制的電壓實現了高達14.3 GHz的頻率轉換，對需要連續頻率調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，調頻連續波激光雷達(FMCW)也要求在工作時對光頻率進行連續調頻。所有這些應用都需要一種穩定的片上方法來在激光腔外連續地調整光的頻率。利用電光效應、聲光效應和光譜剪切可以實現多個 GHz 的頻率轉換，然而，這些方法在連續調整偏移頻率時具有局限性?；趥鹘y電光相位調制的頻率轉換會產生額外的邊帶，本質上無法達到高轉換效率?；?A href="http://www.537mt.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%93%8c%e9%85%b8%e9%94%82&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">鈮酸鋰平臺中的電光調制的移頻器實現高效和高達數百 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倍，這在器件制造期間是固定的，并限制了設備的可調諧性。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，實現困難。相對而言，絕熱頻率轉換(AFC)是一種很有前途的連續頻移方案。在AFC中，光激發諧振腔光模式，然后調制諧振腔的折射率以在光子壽命內移動其諧振頻率，可以實現較為高效的連續頻移。該文章就是利用AFC的原理在集成鈮酸鋰環形諧振腔中實現了電誘導絕熱頻率轉換。

  技術實現

  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、無損的調制。LNOI平臺可實現光子壽命為 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的振幅進行調整的。

  圖1 (a) AFC器件示意圖。波導層由直波導和環形諧振器組成。側電極沿鈮酸鋰的晶體 z 軸產生電場。(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，將可調諧激光器頻率設置為 1551.7490 nm 的環形共振點之一;然后，使用增益可調調制器驅動器來放大由 40 GHz 模式發生器生成的 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，環形諧振器由輸入光充能，在“1”期間，控制電壓施加到環形諧振器上。當施加電壓時，環形諧振器的折射率發生變化，被限制在腔內的光發生AFC效應，光的頻率發生偏移。頻移光在傳輸端口與來自激光器的原始光發生干涉，并在檢測器處產生光拍頻信號。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，并用可調諧濾波器去除放大的自發輻射噪聲;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，環在“0”期間充電。在“1”期間，施加電壓，環的共振發生偏移。困在里面的光會經歷 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形諧振腔中實現了電誘導絕熱頻率轉換。片上諧振器在可擴展平臺上實現高一個數量級的電光效率，絕熱變頻不會像傳統的電光調制器和頻率梳那樣產生不需要的邊帶;并且不需要傳統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。

  發表于：Optics Letters

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