[論文レビュー] A single-frequency single-resonator laser on erbium-doped lithium niobate on insulator

Tieying Li, Kan Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics参考文献 32被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、モード依存損失と増幅の競合を活用することで、1つのイトリウムドープリチウムニオブ酸化物インシュレータ上にドープされたホルミングレーザー（Er:LNOI）マイクロリングレーザー上で単一周波数・単一モードレーザーを実現した。デバイスは2.1 µWの出力パワー、35.5 dBの側モード抑圧比、1.27 MHzの線幅を達成し、複雑なマルチレーザー構造を必要としないコンactなオンチップレーザーを実現した。

ABSTRACT

Erbium-doped lithium niobate on insulator (Er:LNOI) is a promising platform for photonic integrated circuits as it adds gain to the LNOI system and enables on-chip lasers and amplifiers. A challenge for Er:LNOI laser is to increase its output power while maintaining single-frequency and single (-transverse)-mode operation. In this work, we demonstrate that single-frequency and single-mode operation can be achieved even in a single multi-mode Er:LNOI microring by introducing mode-dependent loss and gain competition. In a single microring with a free spectral range of 192 GHz, we have achieved single-mode lasing with an output power of 2.1 microwatt, a side-mode suppression of 35.5 dB, and a linewidth of 1.27 MHz.

研究の動機と目的

• Er:LNOIプラットフォーム上で、単一周波数・単一モード動作を実現する高性能オンチップレーザーを可能にすること。
• Er:LNOIにおける単一マルチモードマイクロリングレーザーで生じるマルチモードレーザー発振の課題を克服すること。
• 1つのレーザー共鳴器で、高い出力パワーを維持しながら、スペクトル純度と単一モード動作を両立させること。
• 複雑なマルチレーザー構造や外部フィルタリング構造の必要性を排除すること。
• フォトニクス集積回路に適したコンactで統合されたレーザー源を実証すること。

提案手法

• 自由スペクトル範囲が192 GHzの1つのマルチモードイットリウムドープリチウムニオブ酸化物インシュレータ上にドープされたホルミングレーザー（Er:LNOI）マイクロリング共鳴器を用いた。
• 異なる縦モードの抑制のために、モード依存損失と増幅の競合を設計した。
• Er:LNOIの固有の物性を利用して、共鳴器内での光増幅を提供した。
• 共鳴器の幾何形状とポンプパワーを最適化し、1つの縦モードを優位にするようにした。
• 周期的グレーティング構造ではなく、空間的モード競合を通じた分散フィードバック型メカニズムを活用した。
• 横モード間の損失差と増幅された自己放射の相互作用を通じて、スペクトル制御を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのマルチモードEr:LNOIマイクロリング共鳴器で、単一周波数・単一モードレーザー発振を達成できるか？
• RQ2 外部フィルターや複雑なキャビティ設計を用いずに、マルチモードレーザー発振を抑制するメカニズムは何か？
• RQ3 1つの共鳴器で、単一モード動作下で達成可能な最大出力パワーは何か？
• RQ4 モード依存損失と増幅の競合は、スペクトル純度と線幅にどのように影響するか？
• RQ5 高側モード抑圧比と狭帯域幅を同時に維持できるか？

主な発見

• レーザーは1つのEr:LNOIマイクロリング共鳴器で2.1 マイクロワットの単一モード出力パワーを達成した。
• 測定された側モード抑圧比（SMSR）は35.5 dBであり、強固な単一モード動作を確認した。
• レーザー線幅は1.27 MHzで測定され、高いスペクトル純度を示した。
• 外部フィルターやマルチレーザー共鳴器結合を一切使用せずに、単一周波数・単一モード動作を維持した。
• 結果は、1つの共鳴器内での内部モード競合メカニズムのみを用いて達成された。
• このアプローチにより、高性能なコンパクトで統合されたオンチップレーザーが、Er:LNOIプラットフォーム上で実現可能となった。