[論文レビュー] Analysis of the phase-locking dynamics of a III-V-on-silicon frequency comb laser

Alexis Verschelde, Kasper Van Gasse+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ハイブリッドIII-Vオンシリコン周波数コンブレーザーレーザーにおける位相ロックダイナミクスを特徴付けるためにステップワイドホモダイン（SH）技術を提案する。この手法により、パルスエンベロープとスペクトル位相の高精度再構成が可能となり、1.55 psのニアートランスフォームリミテッドパルスを明らかにした。また、位相リップルとチルプを引き起こすサチュアブル吸収体（SA）バイアス電圧のずれがモードロックの劣化を引き起こすことも特定した。一方で、共鳴RF駆動を用いることで、安定したトランスフォームリミテッド動作が実現された。

ABSTRACT

We present the detailed characterization of the phase dynamics of a telecom hybrid III-V-on-silicon passively mode-locked laser with a ring cavity. We explore the various regimes of operation as a function of gain current and saturable absorber bias voltage. We use a stepped-heterodyne measurement to quantify the spectral chirp and reconstruct the pulse envelop. With this technique we are able to identify regimes of near-transform-limited operation and we assess the degradation of mode-locking in the comb phase relationship when saturable absorber bias voltage is changed. Finally, we present a preliminary study of the phase-locking in hybrid mode-locked operation and demonstrate transform-limited pulses.

研究の動機と目的

• ハイブリッドIII-Vオンシリコンリングキャビティ周波数コンブレーザーレーザーにおける位相ダイナミクスを特徴付けること。
• 増幅電流とサチュアブル吸収体（SA）バイアス電圧を変化させた際のパルス品質およびモードロック安定性を評価すること。
• SAバイアスがスペクトルチルプおよびパルスエンベロープ歪みに与える影響を評価すること。
• RF駆動によるハイブリッドモードロックを検討し、位相ロックの向上とトランスフォームリミテッドパルス生成を実現すること。
• ステップワイドホモダイン測定が低出力統合周波数コンブレーザーレーザーに適していることを実証すること。

提案手法

• 周波数コンブ出力の各コンブラインの振幅およびスペクトル位相を抽出するために、ステップワイドホモダイン（SH）測定技術が用いられた。
• 得られたスペクトル位相データを用いて、時間的パルスエンベロープを再構成し、群速度分散（GDD）を評価した。
• 線形位相進化からのずれを検出することで、位相ロック品質の定量的分析が可能となった。
• RF駆動をSAバイアス電圧に印けることでハイブリッドモードロックを実現し、繰返し周波数の安定化と位相コherー二ンスの向上を達成した。
• パルス品質は、再構成されたエンベロープをゼロチルプを有する理想的なトランスフォームリミテッド（TL）パルスと比較することで評価した。
• 測定は、低ノイズ電流源および温度安定化されたセットアップを用いて、ポンプ電流（I）およびSAバイアス電圧（V_SA）を変化させながら実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サチュアブル吸収体（SA）バイアス電圧は、周波数コンブの位相ロックダイナミクスおよびスペクトルコherー二ンスにどのように影響するか？
• RQ2 ステップワイドホモダイン測定は、低出力統合周波数コンブレーザーにおいて、パルスエンベロープ歪みおよびスペクトルチルプをどの程度解像できるか？
• RQ3 SAバイアス電圧へのRF駆動を施すことで、コンブの安定化およびハイブリッドIII-Vオンシリコンレーザーにおけるトランスフォームリミテッドパルス動作を達成できるか？
• RQ4 RF基本周波数のライン幅とコンブ内の位相ロック品質との関係は何か？
• RQ5 ポンプ電流およびSAバイアスの異なる動作領域において、パルス幅および時間的プロファイルはどのように変化するか？

主な発見

• レーザーは1.55 psのパルス幅を示し、最小限の群速度分散を示しており、ニアートランスフォームリミテッド動作を達成している。
• 最適値（例：-1.0 V）からのSAバイアス電圧のずれは、RFライン幅の増大（最大118 kHz）およびRFピーク振幅の低下を引き起こし、位相リップルおよびパルス幅拡大と相関した。
• V_SA = -1.0 VおよびI = 170 mAの条件下で、RF基本周波数のFWHMは86 kHz、ピーク振幅は-46.9 dBであり、安定したモードロックを示している。
• パルス再構成から、SAバイアスが最適設定から外れると位相リップルおよび非線形位相進化が生じ、パルス品質が劣化することが明らかになった。
• SAバイアス電圧に100 mV p-pのRF駆動を施すことで、線形モード位相進化が得られ、理想的なトランスフォームリミテッドパルスとほぼ完全に一致した。
• ステップワイドホモダイン技術により、サブピコ秒スケールの時間的特徴が解像可能であり、低出力統合周波数コンブ光源の定量的かつ増幅なしの特性評価が可能となった。