[論文レビュー] Coherent Control of Mid-Infrared Frequency Comb by Optical Injection of Near-Infrared Light

Kenichi N. Komagata, Alexandre Parriaux+6 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 1

ひとこと要約

この論文では、低出力の近赤外（NIR）レーザーを用いた光注入により、量子カスケードレーザー（QCL）における中赤外周波数コンブの整合制御を実証している。NIRビームの強度を変調することで、2 MHzのロック帯域幅と200 mradの残余位相ノイズを達成し、電気的駆動の制限を回避し、コンブラインを分配定数フィードバック（DFB）レーザーにきめ細かく位相ロックする。

ABSTRACT

We demonstrate the use of a low power near-infrared laser illuminating the front facet of a quantum cascade laser (QCL) as an optical actuator for the coherent control of a mid-infrared frequency comb. We show that by appropriate current control of the QCL comb and intensity modulation of the near-infrared laser, a tight phase lock of a comb line to a distributed feedback laser is possible with 2 MHz of locking bandwidth and 200 mrad of residual phase noise. A characterization of the whole scheme is provided showing the limits of the electrical actuation which we bypassed using the optical actuation. Both comb degrees of freedom can be locked by performing electrical injection locking of the repetition rate in parallel. However, we show that the QCL acts as a fast near-infrared light detector such that injection locking can also be achieved through modulation of the near-infrared light. These results on the coherent control of a quantum cascade laser frequency comb are particularly interesting for coherent averaging in dual-comb spectroscopy and for mid-infrared frequency comb applications requiring high spectral purity.

研究の動機と目的

• 中赤外QCL周波数コンブにおける電気的駆動の性能制限を克服すること。
• 近赤外光の注入を、より高速で効果的な駆動方法として、整合制御に用いることの検討。
• 単一の光的駆動素子を用いて、コンブライン周波数と繰り返し周波数の両方の同時ロックを実証すること。
• 二重コンブ分光や光周波数合成の応用に適した、高いスペクトル純度と位相安定性を達成すること。

提案手法

• 1550 nmの低出力近赤外レーザーを中赤外QCLコンブの前面端面に照射した。
• NIRビームの強度をラジオ周波数で変調することで、QCLコンブにおける位相および繰り返し周波数の制御を実現した。
• 位相ロックの安定基準として、分配定数フィードバック（DFB）QCLを用いた。
• QCLの動作点を設定し、コンブを安定化させるために、電流を電気的に制御した。
• 光的駆動の伝達関数を測定し、電気的駆動と比較した。
• 光変調と電気的注入を組み合わせることで、コンブライン周波数と繰り返し周波数の両方を同時にロックした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近赤外光の注入は、QCLコンブにおける電流変調に比べ、より高速で効果的な位相ロックを可能にするか？
• RQ2 QCLコンブ安定化における電気的駆動の限界は何か？そして、光の注入によってそれらの限界を回避できるか？
• RQ3 単一の光的駆動素子を用いて、コンブライン周波数と繰り返し周波数の両方を整合的に制御できるか？
• RQ4 ロック帯域幅と位相ノイズの観点から、光の注入方式は電気的駆動と比べてどのように異なるか？

主な発見

• 近赤外レーザーの光の注入により、DFBレーザーへのQCLコンブラインの位相ロックに2 MHzのロック帯域幅が達成された。
• 残余位相ノイズは200 mradにまで低減され、高いスペクトル純度が実証された。
• QCLは高速な近赤外光検出器として機能し、NIRビームの強度変調によって効果的な注入ロックが可能になった。
• NIR光の強度変調を用いて、QCLコンブの繰り返し周波数が効果的に注入ロックされた。
• 光的駆動方式は、電流制御の内在的ノイズ制限を、より高速な時間スケールで操作することで回避した。
• 光的および電気的駆動を組み合わせることで、コンブの自由度（ライン周波数と繰り返し周波数）を同時にロックすることが実現された。