[論文レビュー] Chip-Scale, Sub-Hz Fundamental Sub-kHz Integral Linewidth 780 nm Laser through Self-Injection-Locking a Fabry-Pérot laser to an Ultra-High Q Integrated Resonator

Andrei Isichenko, Nitesh Chauhan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2023

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 9

ひとこと要約

超高Q統合共振器へ自己注入閉鎖させることで、基礎線幅がサブHz、積分線幅がサブ-kHzの特性を持つチップサイズの780 nmレーザーを実証。

ABSTRACT

Today's state of the art precision experiments in quantum, gravimetry, navigation, time keeping, and fundamental science have strict requirements on the level and spectral distribution of laser frequency noise. For example, the laser interaction with atoms and qubits requires ultra-low frequency noise at multiple offset frequencies due to hyperfine atomic transitions, motional sidebands, and fast pulse sequencing. Chip-scale integration of lasers that meet these requirements is essential for reliability, low-cost, and weight. Here, we demonstrate a significant advancement in atomic precision light sources by realizing a chip-scale, low-cost, 780 nm laser for rubidium atom applications with record-low 640 mHz (white noise floor at 0.2 Hz$^2$/Hz) fundamental and 732 Hz integral linewidths and a frequency noise that is multiple orders of magnitude lower than previous hybrid and heterogeneous self-injection locked 780 nm lasers and lower noise than bulk microresonator implementations. The laser is a Fabry-Pérot laser diode self-injection locked to an ultra-high Q photonic integrated silicon nitride resonator. This performance is enabled by a 145 million resonator Q with a 30 dB extinction ratio, the highest Q at 780 nm, to the best of our knowledge. We analyze the impact of our frequency noise on specific atomic applications including atomic frequency references, Rydberg quantum gates, and cold atom gravimeters. The photonic integrated resonator is fabricated using a CMOS foundry-compatible, wafer-scale process, with demonstrated integration of other components showing promise for a full system-on-a-chip. This performance is scalable to other visible atomic wavelengths, opening the door to a variety of transitions across many atomic species and enabling low-power, compact, ultra-low noise lasers impacting applications including quantum sensing, computing, clocks and more.

研究の動機と目的

• ルビジウム原子の応用に適したチップスケールの低コスト780 nmレーザーを実証する。
• 基礎線幅および積分線幅の記録的に低い値を達成し、超低周波数ノイズを実現する。
• 周波数ノイズが原子基準、量子ゲート、および冷却原子重力計に与える影響を分析する。
• シリコン系フォトニック集積共振器のCMOSファウンドリ適合な製造プロセスを示し、システム・オン・チップ統合の可能性を開く。

提案手法

• 超高Qのフォトニック集積シリコンナイトライド共振器へファブリ-ペローレーザダイオードを自己注入閉鎖する。
• Q ≈ 145百万の共振器と30 dBの消光比を用いる。
• レーザー周波数ノイズを特徴づける：基礎線幅と積分線幅を測定する。
• 原子基準、リュードベリゲート、および重力計への周波数ノイズの影響を分析する。
• ウェーハスケールでのCMOS適合製造による部品の統合を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高Q統合共振器に自己注入閉鎖された780 nmレーザーで達成可能な基礎線幅と積分線幅はどれか？
• RQ2 関連するオフセット周波数領域で、超高Q共振器がレーザーの周波数ノイズに与える影響はどのようなものか？
• RQ3 CMOSファウンドリ適合のフォトニック統合は、原子用途向けのチップサイズで超低ノイズなレーザーを提供できるか？
• RQ4 得られたノイズ性能が原子基準、量子ゲート、冷却原子重力計にもたらす影響は何か？

主な発見

• 0.2 Hz^2/Hzで640 mHzのホワイトノイズフロアを達成。
• 732 Hzの積分線幅を実証。
• 145百万Qの共振器と30 dBの消光比を使用し、780 nmで報告された中で最高のQ。
• ノイズ性能において、以前のハイブリッド/ヘテロジニアス自己注入閉鎖780 nmレーザーおよびいくつかのバルクマイクロ共振器実装を上回る。
• CMOS適合のウェーハスケールフォトニック統合により、潜在的な完全なシステム・オン・チップソリューションを実現。