[論文レビュー] Semiconductor ring laser frequency combs induced by phase turbulence

Marco Piccardo, Benedikt Schwarz+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、半導体リングレーザーが従来予想されてきた空間的ホールボーニングを通じて周波数コンブを生成するのではなく、高速増幅媒質における振幅-位相結合によって駆動される位相不安定性によって周波数コンブを生成することを示している。著者らは、この不安定性が複素ギンツブルク＝ランダウ方程式（CGLE）に起因することを示し、リングレーザー周波数コンブとケラーコンブの間の普遍的なメカニズムを明らかにした。

ABSTRACT

Semiconductor ring lasers are miniaturized devices that operate on clockwise and counterclockwise modes. These modes are not coupled in the absence of intracavity reflectors, which prevents the formation of a standing wave in the cavity and, consequently, of a population inversion grating. This should inhibit the onset of multimode emission driven by spatial hole burning. Here we show that, despite this notion, ring quantum cascade lasers inherently operate in phase-locked multimode states, that switch on and off as the pumping level is progressively increased. By rewriting the master equation of lasers with fast gain media in the form of the complex Ginzburg-Landau equation, we show that ring frequency combs stem from a phase instability---a phenomenon also known in superconductors and Bose-Einstein condensates. The instability is due to coupling of the amplitude and phase modulation of the optical field in a semiconductor laser, which plays the role of a Kerr nonlinearity, highlighting a connection between laser and microresonator frequency combs.

研究の動機と目的

• 空間的ホールボーニングが存在しないにもかかわらず、半導体リングレーザーにおけるマルチモード動作および周波数コンブ生成のメカニズムを理解すること。
• 従来空間的ホールボーニングによって隠されていた位相不安定性が、リングキャビティにおけるマルチモード放射を駆動できるかどうかを調査すること。
• 複素ギンツブルク＝ランダウ方程式（CGLE）を介して、半導体リングレーザー周波数コンブとケラーマイクロレゾネータコンブとの間の理論的および実験的関連を確立すること。
• リング波ガイドに制御された欠陥を導入することで、反対方向伝搬波を誘発し、位相ロックマルチモード動作を可能にできることを実証すること。
• 内在的および設計された反射率が、顕著な光損失を伴わずにコンブ形成を誘発する役割を果たすかを検討すること。

提案手法

• 高速増幅半導体レーザーのマスターエンジンを、非線形系におけるパターン形成を記述する複素ギンツブルク＝ランダウ方程式（CGLE）の形に再定式化すること。
• CGLEの数値シミュレーションおよび解析的解を用いて、リングレーザーにおけるマルチモード放射の原因である位相不安定性を同定すること。
• 半径500 µmのリング量子カスケードレーザー（QCL）をプロセスし、その光学スペクトルおよびマイクロ波ビートノートを測定することで、コンブ形成を検出すること。
• 焦点を当てたイオンビーム（FIB）リソグラフィーを用いて、波ガイドに波長未満のスリット（0.1–2 µm 幅）を導入し、調整可能な反射率（1–64%）を持つ制御された欠陥を形成すること。
• リング周囲に沿ったビートノート電力パターンを測定することで、反対方向伝搬波および定常波の形成を確認すること。
• 標準的リングレーザーと欠陥工学を施したレーザーのスペクトル特性を比較することで、空間的ホールボーニングとは異なる位相不安定性の役割を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的ホールボーニングが存在しない状況下で、反対方向伝搬波が原因となって半導体リングレーザーに周波数コンブが形成可能か。
• RQ2 空間的ホールボーニングが存在しない場合、リングレーザーにおけるマルチモードレーザー発振の背後にあるメカニズムは何か。
• RQ3 複素ギンツブルク＝ランダウ方程式の枠組みにおける位相不安定性が、低ポンプレベルでのマルチモード動作の発生をどのように説明できるか。
• RQ4 リング波ガイドにおける設計された欠陥が、顕著な光損失を伴わず、反対方向伝搬波を誘発し、コンブ形成を誘発する程度はどの程度か。
• RQ5 リングレーザーにおける位相駆動コンブとマイクロレゾネータにおけるケラーコンブとの間の関連性は何か。

主な発見

• 周波数コンブは、しきい値をわずかに超えたポンプレベルで形成されるため、Risken-Nummedal-Graham-Haken不安定性とは異なるメカニズムであることが示された。
• ポンプ電流を増加させるとマルチモード領域がオン・オフを繰り返すため、定常状態の空間的ホールボーニング効果ではなく、動的な位相駆動不安定性であることが示された。
• 標準的リングレーザーの光学スペクトルには不規則なエンベロープ構造と約27.8 GHzの狭帯域マイクロ波ビートノートが観測され、位相ロックマルチモード動作が確認された。
• FIBで作製したスリット（0.5 µm 幅、R ≈ 22%）による欠陥工学により、反対方向伝搬波が効果的に誘発され、測定可能なビートノートを持つ安定な周波数コンブが生成された。
• ビートノート電力測定では、欠陥位置でピークを示す振動が観測され、定常波および静的集団グレーティングの形成が確認された。
• CGLEによる理論的解析により、半導体増幅媒質における振幅-位相結合が有効なケラーノンラインアリティとして機能し、リングレーザー周波数コンブとケラーコンブ物理学を結びつけることが明らかになった。