[논문 리뷰] A single-frequency single-resonator laser on erbium-doped lithium niobate on insulator

Tieying Li, Kan Wu외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 22.

Photorefractive and Nonlinear Optics참고 문헌 32인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 모드에 의존하는 손실과 증폭 경쟁을 활용하여 단일 에르븀 dopant 리튬니오브산탄(erbium-doped lithium niobate on insulator, Er:LNOI) 마이크로링 공진기에서 단일 주파수, 단일 모드 레이저를 구현한다. 장치는 2.1 µW 출력 전력, 35.5 dB 측모드 제거비, 1.27 MHz 대역폭을 달성하여 복잡한 다중 공진기 구조가 필요 없는 소형 차량 내 레이저를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Erbium-doped lithium niobate on insulator (Er:LNOI) is a promising platform for photonic integrated circuits as it adds gain to the LNOI system and enables on-chip lasers and amplifiers. A challenge for Er:LNOI laser is to increase its output power while maintaining single-frequency and single (-transverse)-mode operation. In this work, we demonstrate that single-frequency and single-mode operation can be achieved even in a single multi-mode Er:LNOI microring by introducing mode-dependent loss and gain competition. In a single microring with a free spectral range of 192 GHz, we have achieved single-mode lasing with an output power of 2.1 microwatt, a side-mode suppression of 35.5 dB, and a linewidth of 1.27 MHz.

연구 동기 및 목표

• 단일 주파수 및 단일 모드 작동을 가능하게 하는 고성능 차량 내 레이저를 Er:LNOI 플랫폼에서 실현하기 위해.
• Er:LNOI에서 단일 다중모드 마이크로링 공진기에서의 다중모드 레이저 문제를 해결하기 위해.
• 단일 공진기에서 스펙트럼 순도와 단일 모드 작동을 유지하면서도 높은 출력 전력을 달성하기 위해.
• 복잡한 다중 공진기 또는 외부 필터링 구조가 필요 없도록 하기 위해.
• 광집적회로에 적합한 소형이고 통합된 레이저 소스를 시연하기 위해.

제안 방법

• 자유 스펙트럴 범위(Free Spectral Range, FSR)가 192 GHz인 단일 다중모드 에르븀 도핑 리튬니오브산탄 온 인슐레이터(Er:LNOI) 마이크로링 공진기를 사용하였다.
• 경쟁적인 종방향 모드를 억제하기 위해 모드에 의존하는 손실과 증폭 경쟁을 설계하였다.
• 공진기 내에서 광학적 증폭을 제공하기 위해 Er:LNOI의 고유한 물리적 특성을 활용하였다.
• 공진기 기하구조와 펌프 전력 조절을 최적화하여 단일 종방향 모드를 유리하게 만들었다.
• 주기적 격자 구조가 아닌 공간적 모드 경쟁을 통해 분포형 피드백 유사 메커니즘을 구현하였다.
• 증폭된 자발적 방출과 횡모드 간 손실 차이의 상호작용을 통해 스펙트럼 제어를 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 다중모드 Er:LNOI 마이크로링 공진기에서 단일 주파수, 단일 모드 레이저를 달성할 수 있는가?
• RQ2 외부 필터나 복잡한 캐비티 설계 없이 다중모드 레이저를 억제할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 단일 공진기에서 단일 모드 작동 조건에서 도달할 수 있는 최대 출력 전력은 얼마인가?
• RQ4 모드에 의존하는 손실과 증폭 경쟁은 스펙트럼 순도와 대역폭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 시스템은 동시에 높은 측모드 제거비와 좁은 대역폭을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 레이저는 단일 Er:LNOI 마이크로링 공진기에서 2.1 마이크로와트의 단일 모드 출력 전력을 달성하였다.
• 측모드 제거비(Side-Mode Suppression Ratio, SMSR)는 35.5 dB로 측정되어 강력한 단일 모드 작동을 확인하였다.
• 레이저 대역폭은 1.27 MHz로 측정되어 높은 스펙트럼 순도를 나타내었다.
• 외부 필터나 다중 공진기 결합 없이도 단일 주파수 및 단일 모드 작동을 유지하였다.
• 결과는 단일 공진기 내에서 고유의 모드 경쟁 메커니즘만을 사용하여 달성되었다.
• 이 접근법은 고성능을 갖춘 소형이고 통합된 차량 내 레이저 소스를 Er:LNOI 플랫폼에서 실현할 수 있도록 하였다.