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. ... mehrDiese 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.

In recent years, optical frequency combs have evolved into a versatile tool in the field of optics and photonics. Offering a multitude of highly coherent narrowband optical tones that cover a broad spectral range, frequency combs have unlocked a wide range of applications in the fields of optical high-precision time-keeping and frequency metrology, precision spectroscopy, distance metrology and optical telecommunications. However, conventional frequency comb sources and the associated laboratory set-ups typically comprise rather complex opto-electronic and opto-mechanical arrangements which, due to their size and sensitivity to environmental influences such as temperature and vibrations, have not yet found their way into broader industrial applications.
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This work therefore focuses on the practical usability of comb-based optical systems in industrial applications, where robustness, form factor and flexible adaptability to application-specific requirements are key. This applies both to the frequency comb sources themselves and to the respective application-specific optical systems in which the combs are used.

In this work, the potential of electro-optic frequency combs in optical metrology and optical communications is explored through selected experimental demonstrations. Photonic integration on silicon is being pursued as a means of realizing miniaturized optical systems with a footprint of only a few square millimetres. An integrated system for comb-based distance metrology and integrated frequency comb sources are demonstrated.

In this context, the generation of frequency combs by electro-optic modulation of continuous-wave laser tones is a particularly promising approach. Although this approach usually leads to smaller optical bandwidths than widely-used frequency comb generation techniques that rely on mode-locked lasers or Kerr-nonlinear devices, there are other valuable advantages. As an example, electro-optic comb generation offers a nearly free choice of the center frequency by selection or adjustment of the emission frequency of the continuous-wave laser. Furthermore, multiple frequency combs exhibiting different center frequencies can be generated simultaneously within a single electro-optic modulator. This property can be used advantageously in different applications as demonstrated in this work with two examples in the field of optical metrology, see Chapter 3 and Chapter 5. Moreover, the comb-line spacing for electro-optically generated combs is defined by the electronically generated modulation frequency. This provides several advantages: The line spacing is freely adjustable, very stable and easily traceable to a frequency standard. The absence of an optical cavity makes the comb source robust against environmental influences such as vibration. In addition, progress in the development of integrated electro-optic modulators on silicon makes it possible to realize such frequency comb sources on silicon photonic platforms. The first demonstration of an integrated frequency comb generator on silicon and its application in optical telecommunications is presented in Chapter 6. Photonic integration on silicon also offers the possibility to realize sophisticated optical systems with a wide range of functionality on an extremely small footprint, systems that are compatible with advanced production processes from the complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) microelectronics industry, and that offer the ability to co-integrate electronic and photonic circuits on the same chip. The high robustness and compactness of photonic integrated systems offer the potential to integrate them deeply into industrial machines.

Chapter 1 gives a brief introduction to optical frequency combs and their various applications in science and technology. The state of the art regarding different approaches to frequency comb generation and their respective properties are discussed. The focus on electro-optic frequency combs is motivated as well as the accompanying topic of integration on silicon. Finally, the specific advantages for applications in optical metrology and optical telecommunications are summarized.

Chapter 2 gives a compact introduction into the fundamentals needed for understanding the following chapters. The basics of electro-optic modulators and their application to comb generation are described. In addition, the concept of so-called synthetic wavelengths is introduced, which is used in optical distance metrology.

Chapter 3 describes the concept and the demonstration of a novel distance measurement technique that relies on two electro-optic frequency combs for non-contact measurement of technical objects. The quick digitization of entire surface profiles as point clouds is made possible by a short acquisition time of 9.1 µs, and by connecting the fiber optic sensor head to a coordinate measuring machine. Measurement errors caused by temperature fluctuations in the fiber-optical system are avoided by a scheme with two lasers at different emission frequencies.

Chapter 4 describes a silicon photonic receiver system for comb-based distance metrology. The optical system includes the interferometer used for heterodyne reception including an adjustable power divider and photodetectors. The space requirement of all components on the silicon chip is 0.25 mm$^{2}$. The chip is used for the measurement method introduced in Chapter 3, and distance measurements with root-mean-square errors of 3.2 µm and 14 µs acquisition time are demonstrated.

Chapter 5 introduces a distance measurement system in which a coarse-resolution time-of-flight measurement with a wide unambiguity range is combined with an interferometric distance measurement with synthetic wavelengths to refine the measurement accuracy. The synthetic wavelengths generated by four continuous-wave laser tones are measured simultaneously with the distance via a method based on electro-optic modulation. This reference measurement makes the use of free-running lasers without wavelength stabilization possible. Measurement rates of 300 Hz and micrometer accuracy are obtained.

Chapter 6 describes the first demonstration of electro-optic frequency comb generation on a silicon photonic chip along with the underlying hybrid integration concept that combines silicon waveguides and organic materials (silicon-organic hybrid, SOH). Spectrally flat frequency combs offering 7 lines with a spectral flatness of 2 dB and comb line spacings of 25 GHz and 40 GHz are generated. The practical applicability of such frequency combs is demonstrated by a series of data transmission experiments. The individual comb lines serve as carriers of information in a wavelength-division multiplexing system, and spectrally efficient data transmission at data rates of more than 1 Tbit/s over distances of up to 300 km is demonstrated.

Chapter 7 summarizes the results of the presented work and gives an outlook on further developments related to frequency comb sources and advanced capabilities in photonic integration.