[論文レビュー] Integrated frequency comb laser with narrow intrinsic optical linewidth based on a dielectric waveguide feedback circuit

Jesse Mak, Albert van Rees+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 47被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、低損失の誘電体波導回路を用いてキャビティ光子寿命を延長することで、記録的な低い固有光学線幅34 kHzを達成するハイブリッドInP-Si3N4統合周波数コンブレーザを提案する。この手法により、Si3N4波導フィードバックループを介して6 cmのチップ上有効光路長を実現し、狭線幅で電気駆動可能な高コherレンス周波数コンブを実現した。これは計測および通信分野におけるチップスケール応用に適している。

ABSTRACT

We present an integrated hybrid semiconductor-dielectric (InP-Si$_3$N$_4$) waveguide laser that generates frequency combs at a wavelength around 1.5 $μ$m with a record-low intrinsic optical linewidth of 34 kHz. This is achieved by extending the cavity photon lifetime using a low-loss dielectric waveguide circuit. In our experimental demonstration, the on-chip, effective optical path length of the laser cavity is extended to 6 cm. The resulting linewidth narrowing shows the high potential of on-chip, highly coherent frequency combs with direct electrical pumping, based on hybrid and heterogeneous integrated circuits making use of low-loss dielectric waveguides.

研究の動機と目的

• チップベースのダイオードレーザが短いキャビティ長および高損失のため、通常は数MHzの線幅を示すという根本的な線幅制限を克服すること。
• 低損失誘電体波導を用いてキャビティ光子寿命を延長することで、統合周波数コンブレーザの固有線幅を顕著に狭められることを示すこと。
• ハイブリッドInP-Si3N4統合に基づく完全に統合された、電気駆動可能な周波数コンブレーザープラットフォームを構築すること。このプラットフォームは高コherレンスでスケーラブルである。
• 最適化された誘電体波導回路およびキャビティ設計を用いることで、統合周波数コンブで1 kHz未満の線幅を達成可能であることを検証すること。

提案手法

• レーザは、キャビティ光子寿命を延長するために、低損失Si3N4波導回路にバット結合されたInPベースの半導体光増幅器（RSOA）をハイブリッド統合する。
• 有効長1.2 cm（L2）の誘電体フィードバック回路が、高い反射率と低い伝搬損失（0.001 dB/cm）を提供し、往復光子寿命を向上させる。
• Si3N4波導の統合により、チップ上でのキャビティ往復路長を6 cmに延長し、有効Qファクターを向上させ、シュアロウ＝タウンズ線幅を低減する。
• 理論的線幅は、ハイブリッド系に適合させたシュアロウ＝タウンズ式を用いてモデル化する：Δν = (hν · (α_i + α_m)) / (2π · P_0 · g · v_g)，ここでgはネットゲインである。
• InP-Si3N4界面における結合損失は、パワー結合効率βを介して扱い、α_c = ln(1/β)を内部損失モデルに含める。
• 実験的線幅は、コンブ出力を狭帯域の基準レーザーと混合して測定し、理論的予測を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低損失誘電体波導を用いることで、電気駆動可能な統合周波数コンブレーザの固有線幅を100 kHz未満に低下させることは可能か？
• RQ2 Si3N4波導回路を介して有効キャビティ長を延長することで、ハイブリッドInP-Si3N4レーザーにおける光子寿命および線幅にどのような影響を与えるか？
• RQ3 モードロックレーザーにおいて、シリコンベースのプラットフォームと比較して、誘電体波導材料（例：Si3N4）の選択が非線形損失をどの程度軽減できるか？
• RQ4 キャビティ長に伴う理論的線幅スケーリングが、チップ統合型周波数コンブシステムで実験的に検証可能か？
• RQ5 低損失誘電体波導を用いたハイブリッド統合により、完全に統合された電気駆動型周波数コンブレーザで達成可能な線幅はどの程度か？

主な発見

• 統合周波数コンブレーザは、完全に統合された電気駆動型周波数コンブレーザーとして報告された中で、固有光学線幅34 kHzを達成した。これは過去で最も低い値である。
• 測定線幅は理論的予測値（約16 kHz）とよく一致しており、モデルおよび設計アプローチの妥当性が検証された。
• Si3N4波導回路を介して有効キャビティ往復路長を6 cmに延長することで、線幅の顕著な狭小化が実現した。
• 理論的計算では、キャビティ長を15 cmに延長すれば線幅が約140 Hzにまで低下すると予測されており、1 kHz未満の動作が可能である可能性が示された。
• Si3N4波導プラットフォームは、低伝搬損失（0.001 dB/cm）と高い屈折率対比を実現し、線形および非線形損失を最小限に抑え、コherレンスの低下を防いだ。
• この手法はスケーラブルかつ普遍的であり、量子ドットなどの他の増幅材料や可視光帯域の波長へも応用可能である可能性を有する。