集成铌酸锂环形谐振腔中的电诱导绝热频率转换

  论文题目：Electrically induced adiabatic frequency conversion in an integrated lithium niobate ring resonator

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

  完成单位：罗切斯特大学

  论文导读

  在激光腔外改变光的频率对于集成光子学平台至关重要，尤其是当片上光源的光频率是固定值或者频率难以进行精确调谐的时候。传统GHz级别的片上频率转换在连续调整偏移频率方面存在诸多局限性，为了实现连续的片上光学频率转换，来自美国罗切斯特大学的研究人员对集成铌酸锂环形谐振器进行电调谐以诱导绝热频率转换，文章以“Electrically induced adiabatic frequency conversion in an integrated lithium niobate ring resonator”发表在Optics Letters上，该项工作通过调整RF控制的电压实现了高达14.3 GHz的频率转换，对需要连续频率调谐的光子应用具有重要意义。

  研究背景

  当片上光源的光频率是一个固定值或无法进行精确调谐的时候，在激光腔外改变光波的频率对于集成光子学平台来说意义非凡。例如，来自量子点和色心的单个单光子源具有GHz的不均匀频谱展宽，这使用这些光源来构建量子芯片比较困难。除此之外，调频连续波激光雷达(FMCW)也要求在工作时对光频率进行连续调频。所有这些应用都需要一种稳定的片上方法来在激光腔外连续地调整光的频率。利用电光效应、声光效应和光谱剪切可以实现多个 GHz 的频率转换，然而，这些方法在连续调整偏移频率时具有局限性。基于传统电光相位调制的频率转换会产生额外的边带，本质上无法达到高转换效率。基于铌酸锂平台中的电光调制的移频器实现高效和高达数百 GHz 的频移，但在该设备中，频移被限制为耦合谐振器双峰分裂宽度的整数倍，这在器件制造期间是固定的，并限制了设备的可调谐性。此外，声光移频器的频移范围受制于插指换能器和布拉格角，光机械单光子移频器中的光谱剪切需要光子到达时间和 RF 信号同步，实现困难。相对而言，绝热频率转换(AFC)是一种很有前途的连续频移方案。在AFC中，光激发谐振腔光模式，然后调制谐振腔的折射率以在光子寿命内移动其谐振频率，可以实现较为高效的连续频移。该文章就是利用AFC的原理在集成铌酸锂环形谐振腔中实现了电诱导绝热频率转换。

  技术实现

  在这篇文章中，作者展示了绝缘体上铌酸锂lithium niobate on insulator(LNOI)集成光子平台中的电诱导绝热频率转换。铌酸锂具有显著的电光效应，可以利用电信号对其折射率进行瞬时、无损的调制。LNOI平台可实现光子寿命为 4 ns (Q～107)的高质量因子谐振器。此外，LNOI平台的高折射率差不仅可以大大减少设备的尺寸，还可以大幅度提高电光效率。在我们的设备中，光的频率偏移不是在制造时设置的，而是可以在后期通过RF的振幅进行调整的。

  图1 (a) AFC器件示意图。波导层由直波导和环形谐振器组成。侧电极沿铌酸锂的晶体 z 轴产生电场。(b) 总线波导的基本 TE 模式的横截面。(c) 测量光谱。(d) 放大 1551.75 nm 处的共振峰。FWHM由在共振的最大值和最小值之间的中点计算。

  [图片来源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  作者通过在 4 GHz 的频率处使用 6.5 V 的RF控制驱动环形谐振器，得到了输出光 11 GHz的频移。为了测量AFC，首先，将可调谐激光器频率设置为 1551.7490 nm 的环形共振点之一;然后，使用增益可调调制器驱动器来放大由 40 GHz 模式发生器生成的 RF 控制 [图 2(a)]。通过偏置三通电路，结合来自源表 (Keithley) 的直流电压来补偿来自调制器驱动器的直流偏移。RF 控制通过 40 GHz RF 探头施加在器件上。接着，将模式发生器的频率设置为 4 GHz，模式为“1110”[图 2(b)]，每 1 ns 重复一次。在“0”期间，环形谐振器由输入光充能，在“1”期间，控制电压施加到环形谐振器上。当施加电压时，环形谐振器的折射率发生变化，被限制在腔内的光发生AFC效应，光的频率发生偏移。频移光在传输端口与来自激光器的原始光发生干涉，并在检测器处产生光拍频信号。为了表征拍频信号，作者采用掺铒光纤放大器 (EDFA) 放大直通端口的光，并用可调谐滤波器去除放大的自发辐射噪声;EDFA使光拍频信号足够强，以便后端的电子设备能够检测到。

  图2 (a) 实验装置。使用示波器检查拍频信号并使用 OSA 检查输出的频谱。(b) 当将 RF 模式设置为“1110”时，环在“0”期间充电。在“1”期间，施加电压，环的共振发生偏移。困在里面的光会经历 AFC。将模式设置为“1000”以反转施加电场的方向并改变频移方向。

  [图片来源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  图3 (a) 观察到的信号模式。(b) 跳动信号的放大视图。我们通过测量差拍周期 Δt 来计算转换波长。[图片来源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

图4 (a) 当我们降低电压时，节拍信号会拉伸。(b) 频移随施加电压的变化而变化。[图片来源：Optics Letters (Volume: 47, Issue: 22]

  一观点评述该工作在集成铌酸锂环形谐振腔中实现了电诱导绝热频率转换。片上谐振器在可扩展平台上实现高一个数量级的电光效率，绝热变频不会像传统的电光调制器和频率梳那样产生不需要的边带;并且不需要传统AFC那样的高功率光泵。为量子点和色心的单个单光子源以及FMCW激光雷达片上集成铺平了道路。

  发表于：Optics Letters

  论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.473113