[論文レビュー] A fully hybrid integrated Erbium-based laser

Yang Liu, Zheru Qiu+7 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 8

ひとこと要約

完全に統合された chip-scale Er:Si3N4 レーザーと Vernier フィルターを用いた Erbium レーザーの実用的実現。固有線幅をサブ100 Hz、SMSR を高く (>72 dB)、広いチューニング範囲 (>40 nm)、およそ17 mW の出力を III-V ポンプレーザーとともに達成。

ABSTRACT

Erbium-doped fiber lasers exhibit high coherence and low noise as required for applications in fiber optic sensing, gyroscopes, LiDAR, and optical frequency metrology. Endowing Erbium-based gain in photonic integrated circuits can provide a basis for miniaturizing low-noise fiber lasers to chip-scale form factor, and enable large-volume applications. Yet, while major progress has been made in the last decade on integrated lasers based on silicon photonics with III-V gain media, the integration of Erbium lasers on chip has been compounded by large laser linewidth. Recent advances in photonic integrated circuit-based high-power Erbium-doped amplifiers, make a new class of rare-earth-ion-based lasers possible. Here, we demonstrate a fully integrated chip-scale Erbium laser that achieves high power, narrow linewidth, frequency agility, and the integration of a III-V pump laser. The laser circuit is based on an Erbium-implanted ultralow-loss silicon nitride Si$_3$N$4$ photonic integrated circuit. This device achieves single-mode lasing with a free-running intrinsic linewidth of 50 Hz, a relative intensity noise of $<$-150 dBc/Hz at $>$10 MHz offset, and output power up to 17 mW, approaching the performance of fiber lasers and state-of-the-art semiconductor extended cavity lasers. An intra-cavity microring-based Vernier filter enables wavelength tunability of $>$ 40 nm within the C- and L-bands while attaining side mode suppression ratio (SMSR) of $>$ 70 dB, surpassing legacy fiber lasers in tuning and SMRS performance. This new class of low-noise, tuneable Erbium waveguide laser could find applications in LiDAR, microwave photonics, optical frequency synthesis, and free-space communications. Our approach is extendable to other wavelengths, and more broadly, constitutes a novel way to photonic integrated circuit-based rare-earth-ion-doped lasers.

研究の動機と目的

• 光子チップ上で Erbium 増幅を統合してファイバレーザーのコヒーレンスとチップ規模の形状を結ぶことを動機付ける。
• Er:Si3N4 回路を用いた完全ハイブリッド統合 Erbium レーザーを実証し、メーター級 Erbium 増幅で有意な net gain を得る。
• 狭い線幅・低ノイズ・Erbium 発光帯内のチューニング可能運用を実現し、単一モード発振を達成する。
• コンパクトでパッケージされたプラットフォームを可能とする III-V ポンプレーザーを統合する。

提案手法

• Erbium implanted ultralow-loss Si3N4 光集積回路を用いて渦巻状導波路に Er ベースの增幅を提供する。
• 線形共振器を用いサグナックループ鏡と二分岐ポンプ/反射ループを配置して内部カヴァティフィルターとして Vernier を形成する。
• 2段階の add-drop ミクロリング共振器をカスケード接続して Vernier フィルターを作成し、単一モード運用のために約4.65 THz の FSR と約600 MHz の 3-dB 幅を実現する。
• マイクロヒーターと位相シフタを統合して Vernier フィルターを調整し、共振モードをフィルター通過帯に整合させる。
• 1480 nm の III-V ポンプレーザーをエッジカップリング、出力をファイバー結合してデバイスをパッケージングし、完全に統合されたレーザーアセンブリを実現する。
• 周波数ノイズ、遅延自己外部混合法による固有線幅、および参照レーザーに対するRINを特性評価する。

Figure 1: A hybrid integrated \ce Er:Si3N4 laser. ( A ) Schematic of a hybrid integrated Vernier laser consisting of an Erbium-implanted silicon nitride \ce Er:Si3N4 photonic integrated circuit and an edge-coupled III-V semiconductor pump laser diode. The intra-cavity microring-based Vernier filter

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Er3+ ドープ Si3N4 波ガイドは低ノイズなチップ規模 Erbium レーザーを実現し、競合的な線幅と SMSR を得られるか。
• RQ2 ハイブリッド統合 Erbium レーザーにおけるオンチップ Vernier フィルターで得られる波長チューニング範囲と SMSR はどの程度か。
• RQ3 ポンプレーザーを統合し、チップ規模の Erbium レーザーで高出力と安定したパッケージ運用を達成できるか。
• RQ4 完全統合 Erbium レーザーの周波数ノイズと RIN は従来のファイバーおよび半導体レーザーと比較してどうか。

主な発見

• 単一モード発振を実現し、固有線幅が 50 Hz、出力電力が最大 17 mW。
• ミッド〜ハイオフセット周波数領域でRINが -130 dBc/Hz から -155 dBc/Hz 未満を観測。
• C帯・L帯での Vernier フィルターに基づく波長調整を 40 nm 超達成、SMSR > 70 dB。
• III-V ポンプレーザーを組み込み、波長調整と安定動作を達成、4 時間で周波数ドリフト < 20 MHz、24 時間で < 140 MHz。
• Er 発光帯内で連続的な単一モード動作を可能とする大きな Vernier フィルター FSR 4.65 THz（37.1 nm）を測定。
• 記録的な SMSR 72 dB を達成し、多くの統合・ファイバー系 Erbium レーザー実装を上回る。

Figure 2: A hybrid integrated \ce Er:Si3N4 vernier laser operated at single-mode lasing. ( A ) Optical image of a hybrid integrated \ce Er:Si3N4 Vernier laser edge-coupled with a pump laser diode chip (3SP Technologies, 1943 LCv1). Green luminescence was observed, stemming from the transition from h