[論文レビュー] Frequency agile photonic integrated external cavity laser

Grigory Lihachev, Andrea Bancora+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、モノリシックに統合されたRSOAとペロブスカイト型圧電アクチュエータを窒化ケイ素光集積回路（PIC）に組み込んだ周波数可変で低ノイズな光集積レーザーを提案する。このレーザーは、超高速で線形的かつモード飛びなしの周波数チューニングを実現する。レーザーは7 nsの立ち上がり時間、75 nWの消費電力、400 Hzの線幅を達成し、線形化後に1.5 GHzのFMCWチープをサポートし、非線形性が0.25%に抑えられ、LiDARで8.5 cmの距離分解能を実現した。

ABSTRACT

Recent advances in the development of ultra-low loss silicon nitride integrated photonic circuits have heralded a new generation of integrated lasers capable of reaching fiber laser coherence. However, these devices presently are based on self-injection locking of distributed feedback (DFB) laser diodes, increasing both the cost and requiring tuning of laser setpoints for their operation. In contrast, turn-key legacy laser systems use reflective semiconductor optical amplifiers (RSOA). While this scheme has been utilized for integrated photonics-based lasers, so far, no cost-effective RSOA-based integrated lasers exist that are low noise and simultaneously feature fast, mode-hop-free and linear frequency tuning as required for frequency modulated continuous wave (FMCW) LiDAR or for laser locking in frequency metrology. Here we overcome this challenge and demonstrate a RSOA-based, frequency agile integrated laser, that can be tuned with high speed, with high linearity at low power. This is achieved using monolithic integration of piezoelectrical actuators on ultra-low loss silicon nitride photonic integrated circuits in a Vernier filter-based laser scheme. The laser operates at 1550 nm, features 6 mW output power, 400 Hz intrinsic laser linewidth, and allows ultrafast wavelength switching within 7 ns rise time and 75 nW power consumption. In addition, we demonstrate the suitability for FMCW LiDAR by showing laser frequency tuning over 1.5 GHz at 100 kHz triangular chirp rate with nonlinearity of 0.25% after linearization, and use the source for measuring a target scene 10 m away with a 8.5 cm distance resolution.

研究の動機と目的

• 高コherentlyで高速チューニングを要するアプリケーションに適したコスト効果的で低ノイズかつ高周波数チューナブルな集積レーザーの開発。
• 高価で複雑なセットポイントチューニングを要する従来のDFBダイオードベースの自己注入ロックレーザーの限界を克服すること。
• FMCW LiDARおよび周波数メトロロジーにおけるレーザーロックに適した、高速で線形的かつモード飛びなしのチューニングを実現するRSOAベースの集積レーザーの実現。
• Vernierフィルタ構成の超低損失Si3N4 PIC上にモノリシックに統合された圧電（PZT）アクチュエータを用いた高速チューニングの実現。
• FMCW LiDARで実用的な性能を実証し、1 cm未満の距離分解能と線形化後の低非線形性を達成すること。

提案手法

• 周波数選択のため、Vernierフィルタ構成の2つのマイクロリングレゾネータを有する窒化ケイ素光集積回路（PIC）にリフレクティブ半導体光増幅器（RSOA）をエッジカップリングする。
• Si3N4 PIC上に圧電（PZT）アクチュエータとマイクロヒーターをモノリシックに統合し、レゾネータの自由スペクトル範囲（FSR）とモード整合性のアクティブチューニングを可能にする。
• マイクロヒーターを用いてレゾネータのモードを粗く整列させ、レーザー発振を開始し、PZTアクチュエータを用いて機械的ストレイン誘導波長シフトにより微細で高速なチューニングを実現する。
• PZTアクチュエータに三角波電圧信号を印加して、100 kHzのレートで線形周波数チープを生成し、FMCW動作を可能にする。
• 単一のPZTアクチュエータに方形波電圧パulsesを印加して、7 nsの立ち上がり時間で超高速波長スイッチングを達成する。
• チューニング応答の電子的線形化を実装し、1.5 GHzスイープ範囲で0.25% RMS非線形性を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでRSOAベースの集積レーザーが、FMCW LiDAR用途に適したサブナノ秒レベルのチューニング速度と高い線形性を達成できるか？
• RQ2 超低損失Si3N4 PIC上にモノリシックにPZTアクチュエータを統合することで、複雑なフィードバック制御やDFBダイオードロックを必要とせず、高速でモード飛びなしかつ線形的な周波数チューニングが可能になるか？
• RQ3 このようなシステムの位相ノイズおよび線幅性能はどの程度であり、ファイバー・レーザーと同等またはそれを上回る性能を達成できるか？
• RQ4 電子的線形化により、FMCW LiDAR要件を満たすためにチューニング非線形性をどの程度まで補正できるか？
• RQ5 このプラットフォームは、産業および消費者用光センシングのための大量生産に適したファブリケーションプロセスでスケーラブルに拡張可能か？

主な発見

• レーザーは波長スイッチングに7 nsの立ち上がり時間を達成し、わずか75 nWの消費電力で超高速チューニングを実現した。
• レーザーは400 Hzの固有線幅を示し、コherentlyセンシングおよびメトロロジーに適した高い位相安定性を示した。
• 電子線形化後に1.5 GHzの周波数スイープが100 kHzのチープレートで可能となり、RMS非線形性が0.25%に抑えられた。
• FMCW LiDARにおいて10 mの距離測定を実現し、8.5 cmの距離分解能を達成し、10.2 mおよび10.6 mに位置する別個のターゲットを解像した。
• Si3N4 PIC上にPZTアクチュエータとマイクロヒーターをモノリシックに統合することで、一度のチップで粗いモード整列と微細で高速なチューニングの両方が可能になった。
• このプラットフォームはファブリケーションプロセスおよびMEMSプロセスと互換性があり、コherently光センサの大量生産に向けたスケーラビリティを実現した。