[논문 리뷰] Analysis of the phase-locking dynamics of a III-V-on-silicon frequency comb laser

Alexis Verschelde, Kasper Van Gasse외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 20.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 하이브리드 III-V-on-silicon 주파수 커브 레이저에서의 위상-고정 동역학을 특성화하기 위해 단계적 혼디노이드(stepped-heterodyne, SH) 기법을 제시한다. 이는 펄스 에너지의 정밀 재구성과 스펙트럼 위상 분석을 가능하게 하며, 1.55 ps의 near-transform-limited 펄스를 밝혀내고, SA의 편향 전압 변화로 인한 위상 리플과 채널링이 모드-락킹을 떨어뜨리는 원인임을 규명한다. 또한 공진 RF 변조 하에서 안정적인 transform-limited 동작을 보여준다.

ABSTRACT

We present the detailed characterization of the phase dynamics of a telecom hybrid III-V-on-silicon passively mode-locked laser with a ring cavity. We explore the various regimes of operation as a function of gain current and saturable absorber bias voltage. We use a stepped-heterodyne measurement to quantify the spectral chirp and reconstruct the pulse envelop. With this technique we are able to identify regimes of near-transform-limited operation and we assess the degradation of mode-locking in the comb phase relationship when saturable absorber bias voltage is changed. Finally, we present a preliminary study of the phase-locking in hybrid mode-locked operation and demonstrate transform-limited pulses.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 III-V-on-silicon 링 캐비티 주파수 커브 레이저에서의 위상 역학을 특성화하기 위해.
• 증폭 전류와 탄성 흡수체(SA) 편향 전압을 다양한 조건에서 펄스 품질과 모드-락킹 안정성 평가하기 위해.
• SA 편향 전압이 스펙트럼 채널링과 펄스 에너지 왜곡에 미치는 영향 평가하기 위해.
• RF 변조를 통한 하이브리드 모드-락킹을 조사하여 위상-고정 향상과 near-transform-limited 펄스 생성을 위한 기반 마련하기 위해.
• 저전력 통합 주파수 커브 레이저에 대해 단계적 혼디노이드 측정 기법의 적합성 입증하기 위해.

제안 방법

• 주파수 커브 출력의 각 커브 라인의 진폭과 스펙트럼 위상을 추출하기 위해 단계적 혼디노이드(SH) 측정 기법을 사용한다.
• 스펙트럼 위상 데이터는 시간적 펄스 에너지 재구성과 군 딜레이 디스페르션(GDD) 평가에 사용된다.
• 선형 위상 진동에서의 이탈을 감지함으로써 위상-고정 품질의 정량적 분석이 가능하다.
• RF 변조를 통해 SA 편향 전압에 적용하여 반복 주파수를 안정화하고 위상 일관성 향상한다.
• 최적의 transform-limited(TL) 펄스(제로 채널링)와의 비교를 통해 펄스 품질을 평가한다.
• 저노이즈 전류 소스와 온도 안정화 장치를 통해 다양한 펮 전류(I)와 SA 편향 전압(V_SA)에서 측정 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄성 흡수체(SA) 편향 전압은 주파수 커브의 위상-고정 동역학과 스펙트럼 일관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 단계적 혼디노이드 측정은 저전력 통합 주파수 커브 레이저에서 펄스 에너지 왜곡과 스펙트럼 채널링을 얼마나 정밀하게 해석할 수 있는가?
• RQ3 SA 편향 전압에 대한 RF 변조는 커브를 안정화시키고 하이브리드 III-V-on-silicon 레이저에서 transform-limited 펄스 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ4 RF 기본 주파수 대역폭과 커브의 위상-고정 품질 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 펌 전류와 SA 편향 전압의 다양한 운영 조건에서 펄스 지속 시간과 시간적 프로파일은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 레이저는 1.55 ps의 펄스 지속 시간으로 near-transform-limited 동작을 달성하여 최소한의 군 딜레이 디스페르션을 나타낸다.
• 최적 값(예: -1.0 V)에서 벗어난 SA 편향 전압 변화는 RF 대역폭 증가(최대 118 kHz)와 RF 피크 진폭 감소를 초래하며, 이는 위상 리플과 펄스 확장과 관련이 있다.
• V_SA = -1.0 V 및 I = 170 mA 조건에서 RF 기본 주파수는 FWHM 86 kHz, 피크 진폭 -46.9 dB를 기록하여 안정적인 모드-락킹을 나타낸다.
• 펄스 재구성 결과, SA 편향 설정이 최적에서 벗어날 경우 위상 리플과 비선형 위상 진동이 발생하여 품질 저하가 나타난다.
• SA 편향 전압에 100 mV p-p의 RF 변조를 적용한 하이브리드 모드-락킹은 선형 모드 위상 진동을 유도하며, 이상적인 transform-limited 펄스와 거의 완벽한 일치를 보인다.
• 단계적 혼디노이드 기법은 피코초 이하의 시간적 특징을 정밀하게 해석하고, 저전력 통합 주파수 커브 소스의 정량적 비확대 특성 분석을 가능하게 하였다.