在氮化矽晶片上實現具有擴展鎖定範圍的免調製雷射穩定技術

核心概念

本文展示了一種基於氮化矽晶片的免調製雷射穩定系統，該系統採用帶輔助擷取的腔耦合馬赫-曾德爾干涉儀 (CCMZI-AAQ)，與傳統方法相比，鎖定範圍提高了一個數量級以上，並實現了超過 36 dB 的噪聲抑制。

摘要

研究論文摘要

書目資訊

Mohamad Hossein Idjadi, Farshid Ashtiani, & Kwangwoong Kim. (2024). Modulation-Free Laser Stabilization with Extended Locking Range on a SiN Chip. arXiv:2411.00234v1 [physics.optics].

研究目標

本研究旨在解決傳統腔耦合馬赫-曾德爾干涉儀 (CCMZI) 雷射穩定系統中，腔體品質因子與頻率鎖定範圍之間的固有矛盾。

研究方法

研究人員在低損耗氮化矽 (SiN) 晶片上實現了一種帶輔助擷取的 CCMZI (CCMZI-AAQ) 架構。該架構引入了一個精心設計的集成延遲線，並結合微控制器和 PID 控制器，以擴展鎖定範圍並抑制雷射頻率噪聲。

主要發現

實驗結果表明，與傳統 CCMZI 相比，CCMZI-AAQ 的鎖定範圍擴展到 3.95 GHz，提高了一個數量級以上。此外，該系統在閉環條件下實現了超過 36 dB 的頻率噪聲抑制，而沒有降低雷射噪聲性能。

主要結論

通過結合輔助擷取系統和集成延遲線，CCMZI-AAQ 成功克服了傳統 CCMZI 的局限性，實現了寬鎖定範圍和低噪聲雷射輸出。

研究意義

這項研究為實現可擴展、低噪聲和長期穩定的雷射器鋪平了道路，使其成為光纖感測等應用領域的理想選擇。

局限性和未來研究方向

未來的研究可以集中於進一步縮小晶片尺寸，並探索將該技術應用於其他波長範圍的可能性。

統計資料

CCMZI-AAQ 的鎖定範圍為 3.95 GHz。
該系統實現了超過 36 dB 的頻率噪聲抑制。
晶片面積為 5.43 mm²。
MRR 的載入 Q 值為 3.6 × 10⁶。
波導損耗約為 5 dB/m。

引述

"By incorporating a carefully designed integrated delay line, this trade-off can be mitigated with an AAQ system."
"The proposed CCMZI-AAQ implemented on a SiN chip achieves over 36 dB of frequency noise suppression and more than an order-of-magnitude improvement in the frequency locking range while occupying 5.43 mm2."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Modulation-Free Laser Stabilization with Extended Locking Range on a SiN Chip

by Mohamad Hoss... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00234.pdf

深入探究

這項技術如何應用於需要極高頻率穩定性的領域，例如精密計量？

CCMZI-AAQ 技術非常適用於需要極高頻率穩定性的精密計量領域，原因如下：

超低相位噪聲： CCMZI-AAQ 技術可以將雷射頻率噪聲抑制超過 36 dB，實現超低相位噪聲的雷射輸出。這對於需要極高訊噪比的精密計量至關重要，例如光學干涉測量。
寬廣鎖定範圍： 借助輔助擷取系統 (AAQ)，CCMZI-AAQ 的鎖定範圍相較於傳統 CCMZI 提升了一個數量級，達到數 GHz。這確保了雷射可以長時間鎖定在參考頻率上，提高測量的長期穩定性和可靠性。
晶片級整合： CCMZI-AAQ 技術可以整合在低損耗氮化矽 (SiN) 晶片上，實現小型化、低成本和高穩定性的系統。這為精密計量儀器的微型化和可攜帶化提供了可能性。
以下是一些 CCMZI-AAQ 技術在精密計量領域的具體應用：

光學原子鐘： CCMZI-AAQ 可以用於鎖定光學原子鐘中的探測雷射，提高原子鐘的穩定性和精度。
光學頻率梳： CCMZI-AAQ 可以用於穩定光學頻率梳的重複頻率，產生高精度的頻率標尺，應用於光譜學、計量學和通訊等領域。
干涉式光纖感測器： CCMZI-AAQ 可以用於穩定干涉式光纖感測器中的雷射源，提高感測器的靈敏度和解析度，應用於應變、溫度、壓力等物理量的精密測量。

是否存在其他可以與 CCMZI-AAQ 競爭的雷射穩定技術，它們的優缺點是什麼？

除了 CCMZI-AAQ，還有其他一些雷射穩定技術，它們各有優缺點：

技術
優點
缺點

Pound-Drever-Hall (PDH) 鎖定技術
成熟、高頻寬、高靈敏度
需要外部調制、系統較複雜

Dichroic Atomic Vapor Laser Lock (DAVLL) 技術
簡單、低成本、無需外部調制
鎖定頻率受限於原子躍遷線

光學注入鎖定技術
高頻寬、低噪聲
需要穩定的主控雷射

與 CCMZI-AAQ 相比：

PDH 鎖定技術 擁有更高的頻寬和靈敏度，但需要外部調制，系統更為複雜。
DAVLL 技術 結構簡單、成本低廉，但鎖定頻率受限於原子躍遷線，應用範圍較窄。
光學注入鎖定技術 可以實現極低的噪聲和極高的頻寬，但需要額外的穩定的主控雷射，增加了系統的複雜性和成本。
總體而言，CCMZI-AAQ 技術結合了簡單性、高性能和晶片級整合的優勢，在需要極高頻率穩定性的應用中具有很強的競爭力。

如果將這種晶片整合到更複雜的光學系統中，例如光學原子鐘，會產生什麼影響？

將 CCMZI-AAQ 晶片整合到更複雜的光學系統中，例如光學原子鐘，將帶來以下積極影響：

簡化系統架構： CCMZI-AAQ 晶片將雷射穩定所需的光學元件整合在單一晶片上，可以大幅簡化光學原子鐘的系統架構，降低系統的複雜性和成本。
提高長期穩定性： CCMZI-AAQ 技術可以提供超低相位噪聲和寬廣鎖定範圍，提高光學原子鐘的長期穩定性和精度。
推動微型化發展： 晶片級的 CCMZI-AAQ 技術可以推動光學原子鐘的微型化發展，使其更便於攜帶和應用於更廣泛的領域，例如衛星導航、大地測量和基礎物理研究。
然而，也需要考慮以下挑戰：

晶片與系統的整合： 需要開發高效的光纖耦合和封裝技術，將 CCMZI-AAQ 晶片與光學原子鐘的其他部分進行整合。
環境因素的影響： 需要評估溫度、振動等環境因素對 CCMZI-AAQ 晶片性能的影響，並採取相應的措施來減輕這些影響。
總體而言，將 CCMZI-AAQ 晶片整合到光學原子鐘等複雜光學系統中具有巨大的潛力，可以顯著提升系統性能，並推動相關領域的發展。