[論文レビュー] Recent Advances in Laser Self-Injection Locking to High-$Q$ Microresonators

Nikita M. Kondratiev, Valery E. Lobanov+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、高Qファイバー共振器へのレーザー自己注入ロックの最近の進展をレビューし、超高QのSi3N4マイクロレゾネーターを用いた周波数安定化により、半導体レーザーでサブヘルツ線幅を実現することを示している。この技術により、統合周波数コンブ生成が可能なチップスケールで低ノイズなレーザーが実現可能となり、コンパクトで低コストかつ高性能なレーザーシステムへの道筋が示された。

ABSTRACT

The stabilization and manipulation of laser frequency by means of an external cavity are nearly ubiquitously used in fundamental research and laser applications. While most of the laser light transmits through the cavity, in the presence of some back-scattered light from the cavity to the laser, the self-injection locking effect can take place, which locks the laser emission frequency to the cavity mode of similar frequency. The self-injection locking leads to dramatic reduction of laser linewidth and noise. Using this approach, a common semiconductor laser locked to an ultrahigh-$Q$ microresonator can obtain sub-hertz linewidth, on par with state-of-the-art fiber lasers. Therefore it paves the way to manufacture high-performance semiconductor lasers with reduced footprint and cost. Moreover, with high laser power, the optical nonlinearity of the microresonator drastically changes the laser dynamics, offering routes for simultaneous pulse and frequency comb generation in the same microresonator. Particularly, integrated photonics technology, enabling components fabricated via semiconductor CMOS process, has brought increasing and extending interest to laser manufacturing using this method. In this article, we present a comprehensive tutorial on analytical and numerical methods of laser self-injection locking, as well a review of most recent theoretical and experimental achievements.

研究の動機と目的

• レーザー自己注入ロックの解析的および数値的手法について包括的なチュートリアルを提供すること。
• 高Qマイクロレゾネーターを用いた半導体レーザーの安定化に関する最近の理論的および実験的進展をレビューすること。
• 自己注入ロックの可能性を活用し、超狭帯域、チップスケールレーザーの実現を検討し、計測技術および統合フォトニクス分野への応用を明らかにすること。
• マイクロレゾネーターを用いた自己注入ロックシステムにおける長期周波数安定性および非線形ダイナミクスの分野における未解決課題を特定すること。

提案手法

• 高Qマイクロレゾネーターからレーザー光のわずかな一部をフィードバックし、レーザーダイオードの増幅媒質に供給することで、自己注入ロックを実現し、レーザー周波数をキャビティモードにロックする。
• 結合モード理論およびLang-Kobayashi方程式に基づく理論的モデルを用いて、半導体レーザーにおける自己注入ロックのダイナミクスを記述する。
• フィードバック強度および周波数オフセットの変化を想定した数値シミュレーションを実施し、安定性、線幅の低減、非線形ダイナミクスを分析する。
• Qファクターが10^7を超えるSi3N4マイクロレゾネーターを用いた実験的実装をレビューし、サブヘルツ線幅を達成した。
• 光的非線形性（Kerr、ラーマン、ブリューノン）が、周波数コンブとパルスの同時生成を可能にするメカニズムを調査する。
• パッケージドチップモジュールにおける周波数ドリフトを低減するための熱安定化技術および統合アクチュエータ（例：PZT）の有効性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si3N4以外の材料における光学的非線形性（例：ラーマン、ブリューノン）は、自己注入ロックのダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 カップリングされたマイクロレゾネーター系は、単一レゾネーターと比較して、自己注入ロックレーザーの安定性および効率を向上させ得るか？
• RQ3 自己注入ロックレーザーにおける長期周波数ドリフトの主な要因は何か。また、サイズや消費電力の増加を伴わずに、それらをどのように低減できるか？
• RQ4 自己注入ロックは、実用的応用を想定した統合フォトニクスプラットフォームにおいて、『即挿し』（turnkey）運用をどの程度可能にするか？
• RQ5 フィードバック強度、周波数オフセット、非線形性の相互作用が、連続波からソリトン周波数コンブ生成への遷移にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 高Qマイクロレゾネーターへの自己注入ロックにより、レーザー線幅がサブヘルツレベルにまで低減され、最先端のファイバー・レーザーと同等の性能が達成された。
• 超高QのSi3N4マイクロレゾネーター（Q > 10^7）は、出力光の10^-4程度のフィードバックパワーでも効果的な周波数安定化を可能にした。
• マイクロレゾネーター内の光的非線形性により、特にソリトン領域において、周波数コンブとパルスの同時生成が実現された。
• Si3N4における熱的ドリフトは約50 MHz/0.01 °Cであり、チップスケールパッケージングにおける長期安定性を確保するには、高度な熱管理が不可欠であることが示された。
• 統合PZTアクチュエータおよびジオメトリ調整により、フィードバックチューニング効率と安定性が向上し、環境への摂動に対する感受性が低減された。
• カップリングされたマイクロレゾネーター系は、CWからソリトンへの変換効率を向上させる可能性を示し、安定的かつ高効率な周波数コンブ動作への新たな道筋を示唆した。