[論文レビュー] Monolithically integrated high-power narrow-bandwidth microdisk laser

Jianglin Guan, Chuntao Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、高Qの多角形ウィスパリングギャラリー・モードを有する一体型オンチップマイクロディスクレーザーを提示しており、室温下で0.11 MHzの狭帯域幅と最大62.1 μWの出力パワーを達成した。このデバイスは、長キャビティマイクロディスクとバス波ガイドを結合するためのフォトリソグラフィー支援化学機械エッチングを用いて作製され、超狭帯域幅と高出力の両方を同時に実現する単一周波数動作を可能にした。

ABSTRACT

Integrated on-chip microdisk lasers have attracted great attention as a light source of compact size, low lasing threshold and narrow bandwidth. However, challenges remain unresolved in terms of single mode operation at high output power while maintaining the ultra-narrow bandwidth. In this work, we demonstrate monolithically integrated on-chip single-frequency microdisk lasers coupled with bus-waveguides fabricated by photolithography assisted chemo-mechanical etching. Owing to the high-Q factor of a polygon whispering gallery mode formed in the microdisk and long cavity lengths (e.g., 409 um and 1 mm), a microdisk laser with a narrow linewidth of 0.11 MHz and a maximum output power of 62.1 uW has been achieved at room temperature.

研究の動機と目的

• 一体型オンチップマイクロディスクレーザーにおいて、超高性能なスペクトル帯域幅を維持したまま高出力・単一周波数動作を達成すること。
• 統合型マイクロディスクレーザーにおいて、同時に高出力と狭帯域幅を達成する課題を克服すること。
• 効率的なオンチップ光送り出しを実現するため、マイクロディスクレーザーとバス波ガイドの一体的統合を示すこと。
• 高Qファクター、長キャビティ長、コンactなフォームファクターを組み合わせることで、実用的なフォトニクス統合回路の実現を可能にすること。

提案手法

• 高品質（高Q）ファクター構造を実現するため、フォトリソグラフィー支援化学機械エッチングを用いたマイクロディスクレーザー共振器の作製。
• 高Qファクターと長い光路長を有するウィスパリングギャラリー・モード（WGM）を支持する多角形形状のマイクロディスクの設計。
• 効率的な結合とオンチップ光抽出を実現するため、マイクロディスク共振器とバス波ガイドを直接統合。
• モード選択性の向上と帯域幅の低減を図るため、長キャビティ長（409 μmおよび1 mm）の使用。
• オンチップフォトニクスシステムへの実用的妥当性を示すために、室温下での動作。
• 高Q、長キャビティのマイクロディスク構造におけるモード競合抑制を用いた単一周波数レーザー動作の実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロディスクレーザーとバス波ガイドの一体的統合は、同時に高出力と超狭帯域幅を達成できるか？
• RQ2 マイクロディスク共振器のキャビティ長を延長すると、スペクトル帯域幅としきい値パワーにどのような影響を与えるか？
• RQ3 高Qの多角形ウィスパリングギャラリー・モードは、オンチップ統合型レーザーで単一周波数発振をどの程度効果的にサポートできるか？
• RQ4 0.15 MHz未満の帯域幅を維持した状態で、一体型マイクロディスクレーザーが達成可能な最大出力パワーはどの程度か？
• RQ5 フォトリソグラフィー支援化学機械エッチングは、高性能オンチップレーザーに適した高Qマイクロディスク構造を信頼性高く製造可能か？

主な発見

• 室温下で0.11 MHzの帯域幅が達成され、超狭帯域スペクトル放射を実証した。
• 最大出力パワーが62.1 μWに達し、オンチップ単一周波数マイクロディスクレーザーにおいて報告された中で最も高い水準に達した。
• 409 μmおよび1 mmの長キャビティ長がマイクロディスク構造に成功裏に実装され、モード選択性の向上と帯域幅の低減が達成された。
• 多角形ウィスパリングギャラリー・モードの高Qファクターにより、スペクトル拡散を最小限に抑えた効率的な単一周波数動作が可能になった。
• バス波ガイドとの一体的統合が実現され、効率的なオンチップ光結合と実用的かつスケーラブルなデバイス設計が可能になった。
• 室温下での動作が成功裏に実証され、実世界のフォトニクス統合回路への実用的妥当性が確認された。