[論文レビュー] Hybrid integrated near UV lasers using the deep-UV Al2O3 platform

Cornelis A. A. Franken, W. A. P. M. Hendriks+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 19

ひとこと要約

ハイブリッド統合近紫外線レーザーをAl2O3深紫外プラットフォームで初めて示し、0.74 mWのファイバー結合出力（チップ上は約3.5 mW）、および408.1〜403.7 nmで >4.4 nmの調整を達成。

ABSTRACT

Hybrid integrated diode lasers have so far been realized using silicon, polymer, and silicon nitride (Si3N4) waveguide platforms for extending on-chip tunable light engines from the infrared throughout the visible range. Here we demonstrate the first hybrid integrated laser using the aluminum oxide (Al2O3) deep-UV capable waveguide platform. By permanently coupling low-loss Al2O3 frequency-tunable Vernier feedback circuits with GaN double-pass amplifiers in a hermetically sealed housing, we demonstrate the first extended cavity diode laser (ECDL) in the near UV. The laser shows a maximum fiber-coupled output power of 0.74 mW, corresponding to about 3.5 mW on chip, and tunes more than 4.4 nm in wavelength from 408.1 nm to 403.7 nm. Integrating stable, single-mode and tunable lasers into a deep-UV platform opens a new path for chip-integrated photonic applications.

研究の動機と目的

• Al2O3プラットフォームを使用して深紫外領域のチップ規模ハイブリッド統合ダイオードレーザーを実証する。
• GaN/InGaNデュアルパス増幅器をAl2O3フィードバック回路に結合し、可変長・単一波長動作を実現する。
• 長期安定性のための密閉パッケージングとUV適合バンダリングを達成する。
• 波長導波損失、結合、Vernierフィルタ性能を特性化し、単一モードで可変可能なUV出力を実現する。

提案手法

• SiO2クラッド中に埋め込まれたAl2O3コアを製作し、厳密にガイドされた単一モードのUV伝搬を提供する。
• 周波数選択的なフィードバックのためにVernier構成の連続的なAl2O3マイクロリング共振器を設計・製作する。
• UV適合ボンディングを介して405 nmのInGaN/GaNデュアルパス増幅器をAl2O3フィードバックチップに統合する。
• Vernierフィルタと出力カプラの位相調整と結合を行う熱光子ヒータを実装する。
• 安定性のためにゲス環境（窒素/アルゴン）を備えた密閉蝶型パッケージに増幅器とフィードバックチップをパックする。
• 伝搬損失、結合、およびVernierフィルタ透過を特性化し、最適結合（κ^2）とQ因子を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深紫外域のAl2O3プラットフォームはUV GaN/inGaN増幅器と結合した場合に安定で可変可能なハイブリッド統合レーザーをサポートできるか。
• RQ2 このプラットフォームで達成可能な出力電力、調整範囲、スペクトル純度（SMSR）、およびコヒーレンス/線幅はどの程度か。
• RQ3 伝搬損失、結合、およびVernierフィルタ設計は近紫外でのレーザー性能と安定性にどう影響するか。
• RQ4 長期紫外ツール運用に必要なパッケージングと密封性の要件は何か。

主な発見

• ファイバー結合出力の最大値は0.74 ± 0.04 mW（ ≈3.5 ± 0.5 mW on-chip）。
• レーザーの調整は408.1から403.7 nmで4.4 nmを超える。
• 異なる κ^2 設定での単一波長動作とSMSRが42–43 dB。
• モードホップなしで少なくとも84分間動作し、ドリフトは1.6 GHz未満、最終安定化は数十 MHz内。
• 推定コヒーレンス時間は、遅延自己ヘテロダイン測定に基づき約25 MHz程度以下の線幅を示唆する。
• Al2O3導波路の伝搬損失は2.8 ± 0.3 dB/cmと測定され、チップ-ファイバ結合損は約10.2 ± 0.8 dB/エッジ。