[논문 리뷰] Chip-Scale, Sub-Hz Fundamental Sub-kHz Integral Linewidth 780 nm Laser through Self-Injection-Locking a Fabry-Pérot laser to an Ultra-High Q Integrated Resonator

Andrei Isichenko, Nitesh Chauhan외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 11.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 9

한 줄 요약

자가 주입 잠금으로 Fabry-Pérot 레이저를 초고-Q 통합 공진기에 고정시켜 칩 규모의 780 nm 레이저가 기저 선폭 하위 Hz 및 적분 선폭 하위 kHz를 달성한다.

ABSTRACT

Today's state of the art precision experiments in quantum, gravimetry, navigation, time keeping, and fundamental science have strict requirements on the level and spectral distribution of laser frequency noise. For example, the laser interaction with atoms and qubits requires ultra-low frequency noise at multiple offset frequencies due to hyperfine atomic transitions, motional sidebands, and fast pulse sequencing. Chip-scale integration of lasers that meet these requirements is essential for reliability, low-cost, and weight. Here, we demonstrate a significant advancement in atomic precision light sources by realizing a chip-scale, low-cost, 780 nm laser for rubidium atom applications with record-low 640 mHz (white noise floor at 0.2 Hz$^2$/Hz) fundamental and 732 Hz integral linewidths and a frequency noise that is multiple orders of magnitude lower than previous hybrid and heterogeneous self-injection locked 780 nm lasers and lower noise than bulk microresonator implementations. The laser is a Fabry-Pérot laser diode self-injection locked to an ultra-high Q photonic integrated silicon nitride resonator. This performance is enabled by a 145 million resonator Q with a 30 dB extinction ratio, the highest Q at 780 nm, to the best of our knowledge. We analyze the impact of our frequency noise on specific atomic applications including atomic frequency references, Rydberg quantum gates, and cold atom gravimeters. The photonic integrated resonator is fabricated using a CMOS foundry-compatible, wafer-scale process, with demonstrated integration of other components showing promise for a full system-on-a-chip. This performance is scalable to other visible atomic wavelengths, opening the door to a variety of transitions across many atomic species and enabling low-power, compact, ultra-low noise lasers impacting applications including quantum sensing, computing, clocks and more.

연구 동기 및 목표

• 칩 규모의 저비용 780 nm 레이저를 루비듐 원자 응용에 적합하게 시연한다.
• 기저 선폭 및 적분 선폭의 기록적 최저치와 초저 주파수 잡음을 달성한다.
• 주파수 잡음이 원자 기준, 양자 게이트, 냉각 원자 중력계에 미치는 영향을 분석한다.
• 포토닉 집적 공진기의 CMOS-공정 호환 제조를 시연하여 시스템온칩 통합 가능성을 검토한다.

제안 방법

• Fabry-Pérot 레이저 다이오드를 초고-Q 포토닉 집적 실리콘 질화물 공진기에 자가 주입 잠금한다.
• Q ≈ 145 million 및 30 dB 소멸비를 가진 공진기를 이용한다.
• 레이저 주파수 잡음을 특성화한다: 기저 및 적분 선폭을 측정한다.
• 원자 기준, 라이드버그 게이트, 냉각 원자 중력계에 대한 주파수 잡음의 영향 분석한다.
• 웨이퍼 스케일의 CMOS-호환 제조를 활용해 구성 요소의 통합을 추진한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자가 주입 잠금을 통해 ultra-high-Q 통합 공진기에 연결될 때 780 nm 레이저가 달성 가능한 기저 및 적분 선폭은 무엇인가?
• RQ2 초고-Q 공진기가 관련 오프셋 주파수에서 레이저의 주파수 잡음에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CMOS-공정 호환 포토닉 통합이 칩 규모의 초저잡음 레이저를 원자 응용에 제공할 수 있는가?
• RQ4 얻어진 잡음 성능이 원자 기준, 양자 게이트, 냉각 원자 중력계에 어떤 시사점을 주는가?

주요 결과

• 0.2 Hz^2/Hz에서 640 mHz 화이트노이즈 플로어를 달성했다.
• 732 Hz 적분 선폭을 시연했다.
• 145 million Q 공진기와 30 dB 소멸비를 사용했으며 780 nm에서 가장 높은 Q를 보고했다.
• 이전의 하이브리드/헤테로지니어스 자가 주입 잠금형 780 nm 레이저 및 일부 벌크 마이크로레조네이터 구현에 비해 잡음 성능에서 우수하다.
• CMOS-호환, 웨이퍼 스케일 포토닉 통합은 전체 시스템온칩 솔루션의 잠재적 가능성을 열어준다.