[論文レビュー] Femtosecond pulse amplification on a chip

Mahmoud Gaafar, Markus Ludwig+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、CMOS互換性を持つフォトニクスチップ上において、1 GHz繰り返しレートのチープドフェムト秒パルスを50倍以上増幅し、800 Wのピークパワーと116 fsのパルス幅を達成した。すべての正の分散（ANDi）を採用し、大モードアレー（LMA）のレアアースドーピング（Tm:Al2O3）波guidesと、チープドパルス増幅（CPA）に類似した構造を用いることで、チップ内での強い非線形効果を抑制し、従来はテーブルトップシステムでのみ実現可能だった高ピークパワーのチップ統合フェムト秒光源を実現した。

ABSTRACT

Femtosecond laser pulses enable the synthesis of light across the electromagnetic spectrum and provide access to ultrafast phenomena in physics, biology, and chemistry. Chip-integration of femtosecond technology could revolutionize applications such as point-of-care diagnostics, bio-medical imaging, portable chemical sensing, or autonomous navigation. However, current sources lack the required power, and the on-chip amplification of femtosecond pulses is an unresolved challenge. Here, addressing this challenge, we report >50-fold amplification of 1~GHz repetition-rate chirped femtosecond pulses in a CMOS-compatible photonic chip to 800 W peak power with 116 fs pulse duration. Nonlinear effects, usually a hallmark of integrated photonics but prohibitive to pulse amplification are mitigated through all-normal dispersion, large mode-area rare-earth-doped gain waveguides. These results offer a pathway to chip-integrated femtosecond technology with power-levels characteristic of table-top sources.

研究の動機と目的

• チップ内フェムト秒パルス光源におけるピークパワーが低いという根本的制限を克服し、実用的応用を可能にする。
• 低ピークパワーでも顕著な非線形効果が生じる統合波guidesにおける課題を解決する。
• バルクレーザーシステムと同等の出力パワーにまでフェムト秒パルスをチップ内増幅可能とし、チップスケール超高速フォトニクスの実現を可能にする。
• 革新的な波guidesおよび増幅設計を用いて、高ピークパワーで、近似変換限界に近いフェムト秒パルスを実現可能なCMOS互換性を持つフォトニクスプラットフォームを構築する。

提案手法

• チープドパルス増幅（CPA）に類似した構造を採用：増幅前に入力パルスを時間的に伸長し、ピークパワーを低減し、非線形効果を抑制する。
• すべての正の分散（ANDi）波guidesを用いることで、増幅中における自己位相変調（SPM）やスペクトル拡張を防止する。
• 窒化ケイ素（Si3N4）に大モードアレー（LMA）の波guidesを設計し、イットルニウムドーピングアルミナ（Tm:Al2O3）をコアに用いることで、効率的で低損失の増幅を実現する。
• 波guides構造内にレアアースドーピング増幅媒体（Tm:Al2O3）を直接統合し、チップ内光学増幅を可能にする。
• 時間領域および周波数領域における増幅ダイナミクスを、増幅、分散、非線形性を含む非線形シュレーディンガー方程式（NLSE）フレームワークを用いてモデル化する。
• Tm3+エネルギー準位のレート方程式を組み込んだ数値モデルを用い、増幅ダイナミクスをシミュレートし、増幅器性能を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 Wを超えるピークパワーを達成できるフェムト秒パルス増幅が、フォトニクスチップ上で実現可能かどうか。
• RQ2 すべての正の分散と大モードアレー波guidesが、チップ内増幅中に生じる有害な非線形効果をどの程度抑制できるか。
• RQ3 チップ統合増幅器が、近似変換限界に近い116 fsパルスを50倍以上の増幅で維持しながら、高いスペクトルおよび時間的忠実性を保てるか。
• RQ4 CMOS互換性プラットフォームにレアアースドーピング増幅媒体（Tm:Al2O3）を統合することで、高利得・低損失の超短パルス増幅が可能になるか。
• RQ5 非線形歪みが支配的になる前に、完全に統合されたチップ内フェムト秒パルス増幅器で達成可能な最大ピークパワーはどの程度か。

主な発見

• チップは、1 GHz繰り返しレートのチープドフェムト秒パルスを50倍増幅し、ピークパワー800 W、パルス幅116 fsを達成した。
• 出力パルスはほぼ変換限界に近い形状であり、増幅および圧縮後の時間的・スペクトル的品質が優れていることが示された。
• 116 fsのパルス幅と800 Wのピークパワーを実現し、従来のチップ内光源と比較して2〜3桁の性能向上を達成した。
• すべての正の分散（ANDi）波guidesの使用により、自己位相変調やその他の非線形歪みが増幅中に効果的に抑制された。
• Si3N4にTm:Al2O3をコアとする大モードアレー（LMA）波guidesは、モード閉じ込めに起因する非線形効果を最小限に抑え、効率的で低損失の増幅を可能にした。
• 数値モデルにより、増幅器設計が低い非線形位相シフトと高い利得効率を維持していることが確認され、実験結果の妥当性が裏付けられた。