Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben

Measurement of Length and Position with Frequency Combs

We show two different absolute distance measurement methods with micrometer accuracy based on frequency combs, and we discuss possible applications. Using a mode- locked laser and MEMS-based tracking optics, we measure the 3D position of a retroreflector within 10 ms and with a 24 μm volumetric accuracy. We also investigate modulator-based combs and show that they enable highly sensitive surface topography measurements with microsecond acquisition times and micrometer precision. Moreover, the potential for photonic integration of frequency comb sources is explored

Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs

Light detection and ranging (LIDAR) is critical to many fields in science and industry. Over the last decade, optical frequency combs were shown to offer unique advantages in optical ranging, in particular when it comes to fast distance acquisition with high accuracy. However, current comb-based concepts are not suited for emerging high-volume applications such as drone navigation or autonomous driving. These applications critically rely on LIDAR systems that are not only accurate and fast, but also compact, robust, and amenable to cost-efficient mass-production. Here we show that integrated dissipative Kerr-soliton (DKS) comb sources provide a route to chip-scale LIDAR systems that combine sub-wavelength accuracy and unprecedented acquisition speed with the opportunity to exploit advanced photonic integration concepts for wafer-scale mass production. In our experiments, we use a pair of free-running DKS combs, each providing more than 100 carriers for massively parallel synthetic-wavelength interferometry. We demonstrate dual-comb distance measurements with record-low Allan deviations down to 12 nm at averaging times of 14 $\mu$s as well as ultrafast ranging at unprecedented measurement rates of up to 100 MHz. We prove the viability of our technique by sampling the naturally scattering surface of air-gun projectiles flying at 150 m/s (Mach 0.47). Combining integrated dual-comb LIDAR engines with chip-scale nanophotonic phased arrays, the approach could allow widespread use of compact ultrafast ranging systems in emerging mass applications.Comment: 9 pages, 3 figures, Supplementary information is attached in 'Ancillary files

Flexible terabit/s Nyquist-WDM super-channels using a gain-switched comb source

Terabit/s super-channels are likely to become the standard for next-generation optical networks and optical interconnects. A particularly promising approach exploits optical frequency combs for super-channel generation. We show that injection locking of a gain-switched laser diode can be used to generate frequency combs that are particularly well suited for terabit/s super-channel transmission. This approach stands out due to its extraordinary stability and flexibility in tuning both center wavelength and line spacing. We perform a series of transmission experiments using different comb line spacings and modulation formats. Using 9 comb lines and 16QAM signaling, an aggregate line rate (net data rate) of 1.296 Tbit/s (1.109 Tbit/s) is achieved for transmission over 150 km of standard single mode fiber (SSMF) using a spectral bandwidth of 166.5 GHz, which corresponds to a (net) spectral efficiency of 7.8 bit/s/Hz (6.7 bit/s/Hz). The line rate (net data rate) can be boosted to 2.112 Tbit/s (1.867 Tbit/s) for transmission over 300 km of SSMF by using a bandwidth of 300 GHz and QPSK modulation on the weaker carriers. For the reported net data rates and spectral efficiencies, we assume a variable overhead of either 7\% or 20\% for forward- error correction depending on the individual sub-channel quality after fiber transmission

Coherent terabit communications with microresonator Kerr frequency combs

Optical frequency combs enable coherent data transmission on hundreds of wavelength channels and have the potential to revolutionize terabit communications. Generation of Kerr combs in nonlinear integrated microcavities represents a particularly promising option enabling line spacings of tens of GHz, compliant with wavelength-division multiplexing (WDM) grids. However, Kerr combs may exhibit strong phase noise and multiplet spectral lines, and this has made high-speed data transmission impossible up to now. Recent work has shown that systematic adjustment of pump conditions enables low phase-noise Kerr combs with singlet spectral lines. Here we demonstrate that Kerr combs are suited for coherent data transmission with advanced modulation formats that pose stringent requirements on the spectral purity of the optical source. In a first experiment, we encode a data stream of 392 Gbit/s on subsequent lines of a Kerr comb using quadrature phase shift keying (QPSK) and 16-state quadrature amplitude modulation (16QAM). A second experiment shows feedback-stabilization of a Kerr comb and transmission of a 1.44 Tbit/s data stream over a distance of up to 300 km. The results demonstrate that Kerr combs can meet the highly demanding requirements of multi-terabit/s coherent communications and thus offer a solution towards chip-scale terabit/s transceivers

Silicon-organic hybrid (SOH) integration and photonic multi-chip systems: Technologies for high-speed optical interconnects

Limitations of silicon photonics can be overcome by hybrid integration of silicon photonic or plasmonic circuits with organic materials or by photonic multi-chip systems. We give an overview on our recent progress regarding both silicon-organic hybrid (SOH) integration and multi-chip integration enabled by photonic wire bonding

Optimally Coherent Kerr Combs Generated with Crystalline Whispering Gallery Mode Resonators for Ultrahigh Capacity Fiber Communications

International audienceOptical Kerr frequency combs are known to be effective coherent multiwavelength sources for ultrahigh capacity fiber communications. These combs are the frequency-domain counterparts of a wide variety of spatiotemporal dissipative structures, such as cavity solitons, chaos, or Turing patterns (rolls). In this Letter, we demonstrate that Turing patterns, which correspond to the so-called primary combs in the spectral domain, are optimally coherent in the sense that for the same pump power they provide the most robust carriers for coherent data transmission in fiber communications using advanced modulation formats. Our model is based on a stochastic Lugiato-Lefever equation which accounts for laser pump frequency jitter and amplified spontaneous emission noise induced by the erbium-doped fiber amplifier. Using crystalline whispering-gallery-mode resonators with quality factor Q∼109 for the comb generation, we show that when the noise is accounted for, the coherence of a primary comb is significantly higher than the coherence of their solitonic or chaotic counterparts for the same pump power. In order to confirm this theoretical finding, we perform an optical fiber transmission experiment using advanced modulation formats, and we show that the coherence of the primary comb is high enough to enable data transmission of up to 144  Gbit/s per comb line, the highest value achieved with a Kerr comb so far. This performance evidences that compact crystalline photonic systems have the potential to play a key role in a new generation of coherent fiber communication networks, alongside fully integrated systems