[論文レビュー] Integrated Waveguide Brillouin Laser

Sarat Gundavarapu, Matthew W. Puckett+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 26被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、ウェーハスケールのSi3N4/SiO2プラットフォーム上に、最初のモノリシック統合波導ブリルアンレーザーを提示する。10階層のストークスモードまで連鎖的で誘導されたブリルアンメーザーを達成し、ロードQファクターは2800万を超える。非音響的ガイド構造により、広帯域のブリルアン増幅帯域幅、低しきい値、および高いキャビティ内パワーを実現し、光子用途向けに高性能で、低ノイズのコherent光源をチップ統合可能にする。

ABSTRACT

The demand for high-performance chip-scale lasers has driven rapid growth in integrated photonics. The creation of such low-noise laser sources is critical for emerging on-chip applications, ranging from coherent optical communications, photonic microwave oscillators remote sensing and optical rotational sensors. While Brillouin lasers are a promising solution to these challenges, new strategies are needed to create robust, compact, low power and low cost Brillouin laser technologies through wafer-scale integration. To date, chip-scale Brillouin lasers have remained elusive due to the difficulties in realization of these lasers on a commercial integration platform. In this paper, we demonstrate, for the first time, monolithically integrated Brillouin lasers using a wafer-scale process based on an ultra-low loss Si3N4/SiO2 waveguide platform. Cascading of stimulated Brillouin lasing to 10 Stokes orders was observed in an integrated bus-coupled resonator with a loaded Q factor exceeding 28 million. We experimentally quantify the laser performance, including threshold, slope efficiency and cascading dynamics, and compare the results with theory. The large mode volume integrated resonator and gain medium supports a TE-only resonance and unique 2.72 GHz free spectral range, essential for high performance integrated Brillouin lasing. The laser is based on a non-acoustic guiding design that supplies a broad Brillouin gain bandwidth. Characteristics for high performance lasing are demonstrated due to large intra-cavity optical power and low lasing threshold power. Consistent laser performance is reported for multiple chips across multiple wafers. This design lends itself to wafer-scale integration of practical high-yield, highly coherent Brillouin lasers on a chip.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクスシステム向けに、コンactで低消費電力かつ低コストなチップスケールメーザー源を開発すること。
• 商業的統合プラットフォーム上で、強固で高性能なブリルアンメーザーを実現する課題を克服すること。
• 高出yieldと一貫性のある性能を実現する、ウェーハスケールでのブリルアンメーザー統合を達成すること。
• 光通信、マイクロ波発生、センシングなどの応用に適した、高コherencyで低ノイズのメーザー発振を実証すること。
• 超低損失波導体プラットフォームを用いた、スケーラブルでモノリシックな統合ブリルアンメーザーの実現を可能にすること。

提案手法

• 超低損失Si3N4/SiO2波導プラットフォーム上でのウェーハスケールプロセスの活用。
• 大きなモード体積とTEモードのみの共鳴を有するバス結合キャビティの設計により、光の閉じ込めとQファクターを向上。
• 非音響的ガイド構造の採用により、広帯域のブリルアン増幅帯域幅と効率的な誘導ブリルアン散乱を実現。
• 複数チップおよびウェーハにわたる一貫性ある性能を実現するモノリシック統合アプローチの実装。
• 高性能メーザー発振を支援し、モード競合を低減するため、2.72 GHzの自由スペクトル範囲の採用。
• 高いキャビティ内光パワーと低しきい値を実現するためのキャビティ設計の最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商業的シリコンフォトニクスプラットフォーム上に、高Qファクターと低しきい値を有するモノリシック統合ブリルアンメーザーを実現可能か？
• RQ2 統合波導ブリルアンメーザーで達成可能な最大の連鎖的ストークスモード数は何か？
• RQ3 非音響的ガイド構造の設計が、ブリルアン増幅帯域幅とメーザー効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 複数チップおよびウェーハにわたる一貫性あるメーザー性能は、どの程度達成可能か？
• RQ5 統合デバイスの主な性能指標（しきい値、勾配効率、Qファクター）は何か？

主な発見

• 統合バス結合キャビティにおいて、10階層までの連鎖的誘導ブリルアンメーザーが実験的に観測された。
• キャビティのロードQファクターが2800万を超えており、超低損失と高い光閉じ込めを示している。
• 高いキャビティ内光パワーと効率的な増幅媒質のおかげで、低しきい値メーザー発振が実現された。
• 非音響的ガイド構造により、広帯域のブリルアン増幅帯域幅が実現され、高性能メーザー発振が可能になった。
• 複数チップおよびウェーハにわたる一貫性あるメーザー性能が達成され、高出yieldとスケーラビリティが示された。
• デバイスは2.72 GHzの自由スペクトル範囲を示しており、高コherency動作を支援し、モード競合を低減している。