[論文レビュー] High-coherence hybrid-integrated 780 nm source by self-injection-locked second-harmonic generation in a high-Q silicon-nitride resonator

Bohan Li, Zhiquan Yuan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高Qの窒化ケイ素マイクロレゾネータを用いた自己注入ロック型二次高調波発生を用いて、コンactで高コherentlyな780 nm可視レーザー光源を実現した。1560 nmの分散フィードバックレーザーをレゾネータにロックすることで、記録的な4 Hz²/Hzの周波数ノイズフロアを達成し、光学時計やLiDARへの応用を想定した超高安定可視光生成を可能にした。

ABSTRACT

By self-injection-locking a 1560 nm distributed feedback semiconductor laser to a high-$Q$ silicon nitride resonator, a high-coherence 780 nm second harmonic signal is generated via the photogalvanic-induced second-order nonlinearity. A record-low frequency noise floor of 4 Hz$^2$/Hz is achieved for the 780 nm emission. The approach can be generalized for signal generation over a wide range of visible and near-visible bands.

研究の動機と目的

• 研究室外の応用を想定した、コンパクトでチップ統合型の高コherentlyな可視光光源の開発。
• 光学原子時計、LiDAR、センシングに用いられる大型で高コストなベンチトップ可視レーザーの限界を克服すること。
• 自己注入ロックと共鳴増幅を用いて、チップ上可視レーザーで超低周波数ノイズを達成すること。
• 同一プラットフォームを用いて可視および近可視スペクトル全域にわたるスケーラブルでチューナブルな可視光生成を可能にすること。

提案手法

• 1560 nmおよび780 nmの光を閉じ込めるために、5 µmのウェーブガイド幅と850 µmの半径を持つ高Qの窒化ケイ素マイクロレゾネータを用いる。
• クロスカップリングを最小限に抑えるために、近赤外用の2.3 µm幅と可視光用の1.6 µm幅の二重モードカップラーを実装する。
• 窒化ケイ素におけるフォトガルバニック効果を活用して光学ポーリングを誘発し、準位相一致型二次高調波発生を可能にする。
• 1560 nm DFBレーザーをレゾネータにエンドファイアーコプラして自己注入ロックを実現し、バックストレート光を用いてレーザー周波数を安定化する。
• 周波数ノイズを測定するために、フォトダイオードノイズを抑制するためのバランスドクロス相関法を用いた自己混合干渉法を採用する。
• レーザー電流の調整とフィードバック位相制御により、コンブ形成を制御し、単一モード動作を維持するとともにSH出力パワーを最大化する。

Figure 1: Experimental setups and characterization of the Si 3 N 4 resonator and SH generation performance. (a) Experimental setup used to determine the phase matching condition and characterize the SH performance of the Si 3 N 4 resonator. ECDL, external cavity diode lasers; EDFA, Erbium-doped fibe

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高QのSi3N4レゾネータにおける自己注入ロックが、1560 nm DFBレーザーの周波数ノイズを低減させ、高コherentlyな可視出力の実現を可能にするか。
• RQ2 Si3N4におけるフォトガルバニック効果が、780 nmで効率的で準位相一致型の二次高調波発生をどの程度可能にするか。
• RQ3 レゾネータのQファクターがシステム性能に与える影響は何か。また、ノイズ低減の理論的限界は何か。
• RQ4 このプラットフォームを、波ガイドカップラーの再設定によって、可視および近可視スペクトル全域にわたるコherentlyな光を生成可能に一般化できるか。
• RQ5 フィードバック系において、単一周波数発振とKerrコンブ形成の間にはどのようなトレードオフがあり、それらをどのように制御できるか。

主な発見

• ハイブリッド集積化780 nm光源は、100 kHz周波数オフセットで記録的な4 Hz²/Hzの周波数ノイズフロアを達成した。
• 自己注入ロックされた1560 nmポンプレーザーは、自由運転状態と比較して、100 kHzで40 dB、1 MHzで32 dBのノイズ抑制を示した。
• 二次高調波変換効率は114 ± 31% W⁻¹に達し、チップ上での出力パワーは最大24 mWに達した。
• 電流および位相制御により、広帯域にわたって単一モード動作を維持し、有害なKerr周波数コンブ形成を回避した。
• 780 nm光源の瞬間的線幅は25 Hzであり、チップ上可視レーザーで報告された中で最も狭い。
• このプラットフォームはスケーラブルであり、ウェーブガイドカップラーの再設定により、他の可視および近可視波長に容易に適応可能である。

Figure 2: Frequency noise measurement for SIL pump laser and generated SH laser. (a) Frequency noise measurement setups for both the SIL 1560nm laser and the SH 780 nm laser. AOM, acousto-optic modulator. (b) Measured single-sideband frequency noise spectrum. Gray, blue and red traces show the frequ