[論文レビュー] Ultra-narrow linewidth hybrid integrated semiconductor laser

Youwen Fan, Albert van Rees+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 36被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、低損失で1回往復のSi₃N₄波導回路を用いた0.5 mの光学的往復長を有する低損失、高ファインネスのマイクロリング共振器を備えた、記録的な40-Hzの固有線幅を達成したハイブリッドInP-Si₃N₄ダイオードレーザーを提案する。この設計により、光子寿命が高損失の半導体部品から分離され、広帯域ギャップのSi₃N₄を用いることで非線形損失を回避し、出力パワーに応じた線幅の狭小化が40 Hzまで可能となり、飽和を示さない。

ABSTRACT

We demonstrate a hybrid integrated and widely tunable diode laser with an intrinsic linewidth as narrow as 40 Hz, achieved with a single roundtrip through a low-loss feedback circuit that extends the cavity length to 0.5 meter on a chip. Employing solely dielectrics for single-roundtrip, single-mode resolved feedback filtering enables linewidth narrowing with increasing laser power, without limitations through nonlinear loss. We achieve single-frequency oscillation with up to 23 mW fiber coupled output power, 70-nm wide spectral coverage in the 1.55 $μ$m wavelength range with 3 mW output, and obtain more than 60 dB side mode suppression. Such properties and options for further linewidth narrowing render the approach of high interest for direct integration in photonic circuits serving microwave photonics, coherent communications, sensing and metrology with highest resolution.

研究の動機と目的

• 光集積回路に適した超狭帯域固有線幅を有するハイブリッド集積ダイオードレーザーの開発。
• 高波道損失および非線形効果によって引き起こされるモノリシック半導体レーザーの固有線幅制限を克服すること。
• 1.55 µm帯域で広帯域チューニングが可能で、高側モード抑圧を実現する単一モード動作の実現。
• フィードバック経路における非線形損失機構を回避することで、飽和を示さない線幅狭小化の実現。
• 酸化物波導を用いたチップ上Hertzレベルの線幅レーザーのスケーラブルなプラットフォームの構築。

提案手法

• 低損失のSi₃N₄波導回路とハイブリッド集積されたInP半導体増幅チップを組み合わせ、0.5 mの光学的往復長を有するレーザー・キャビティを拡張する。
• 33-mmのスパイラル形状のSi₃N₄波導と3つの直列接続されたマイクロリング共振器を用い、1回往復内で高ファインネスで単一モードに分離されたスペクトルフィルタリングを実現する。
• 出力結合にサニャックループミラー（10%効率）を採用し、InPチップ背面に高反射性HRコーティングを施してキャビティミラーを形成する。
• 1回往復フィルタリングを実装することで、強力な側モード抑圧（60 dB以上）とスペクトルモードホップを示さない安定した単一モード動作を達成する。
• 高インテグリティなSi₃N₄の広帯域ギャップを活用し、高キャビティ強度下でも2光子吸収を抑制し、非線形損失を防止する。
• ポンプ電流の最適化により、出力パワーに反比例する線幅スケーリングを実現し、シュアロウ＝タウンズ限界と整合することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低損失の誘電体波導を用いてキャビティ長を延長することで、ハイブリッドInP-Si₃N₄レーザーが100 Hz未満の固有線幅を達成できるか？
• RQ2 低損失誘電体回路内での1回往復・単一モード分離フィルタリングにより、非線形損失による飽和を回避した線幅狭小化が可能か？
• RQ3 高出力と広帯域チューニングを維持したまま、固有線幅を40 Hz未満にまで低下させられるか？
• RQ4 高ファインネスフィルタリングを備えたハイブリッド集積プラットフォームにおいて、レーザー出力パワーの増加に伴い線幅はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 Si₃N₄波導内に非線形損失が存在しないため、現在の40 Hzの限界を超えてさらなる線幅狭小化が可能か？

主な発見

• 本レーザーは、ハイブリッドまたは異種集積ダイオードレーザーにおいて報告された中で最も狭い40 Hzの固有線幅を達成した。
• 線幅は出力パワーに反比例し、予想される逆数則（$ ext{linewidth} imes P_{ ext{out}} = ext{constant}$）に従い、シュアロウ＝タウンズ限界と整合することが確認された。
• 本レーザーは、1.55 µm帯域で最大23 mWのファイバー結合出力パワーを発生させ、70-nmのスペクトルカバー範囲を有し、60 dBを超える側モード抑圧を達成した。
• Si₃N₄波導の使用により、高キャビティ強度（GW/cm²レベル）下でも非線形損失が発生せず、飽和を示さない線幅狭小化が可能となった。
• 複数回の出力パワースイープにおいて線幅が40 Hz未満で一定であり、ローレンツフィッティングとパワースペクトル密度解析の両方で一貫性が確認された。
• プラットフォームはさらなる線幅縮小にスケーラブルであり、Si₃N₄波導の損失低減（0.045 dB/mまで）とキャビティ長の延長により、Hertzレベルの線幅が実現可能であると示唆された。