[논문 리뷰] Frequency agile photonic integrated external cavity laser

Grigory Lihachev, Andrea Bancora외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 01.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 nitride 광집적회로(PIC)에 단일체로 통합된 RSOA와 피에조전기 액추에이터를 기반으로 한 주파수 유연성 있고 낮은 잡음의 광집적 레이저를 제시한다. 이는 초고속, 선형적이며 모드 점프가 없는 주파수 테이닝을 가능하게 한다. 레이저는 7 ns의 상승 시간, 75 nW의 소비 전력, 400 Hz의 대역폭을 달성하며, 선형화 후 1.5 GHz의 FMCW 치르프와 0.25%의 비선형도를 지원하여 LiDAR에서 8.5 cm의 거리 해상도를 구현한다.

ABSTRACT

Recent advances in the development of ultra-low loss silicon nitride integrated photonic circuits have heralded a new generation of integrated lasers capable of reaching fiber laser coherence. However, these devices presently are based on self-injection locking of distributed feedback (DFB) laser diodes, increasing both the cost and requiring tuning of laser setpoints for their operation. In contrast, turn-key legacy laser systems use reflective semiconductor optical amplifiers (RSOA). While this scheme has been utilized for integrated photonics-based lasers, so far, no cost-effective RSOA-based integrated lasers exist that are low noise and simultaneously feature fast, mode-hop-free and linear frequency tuning as required for frequency modulated continuous wave (FMCW) LiDAR or for laser locking in frequency metrology. Here we overcome this challenge and demonstrate a RSOA-based, frequency agile integrated laser, that can be tuned with high speed, with high linearity at low power. This is achieved using monolithic integration of piezoelectrical actuators on ultra-low loss silicon nitride photonic integrated circuits in a Vernier filter-based laser scheme. The laser operates at 1550 nm, features 6 mW output power, 400 Hz intrinsic laser linewidth, and allows ultrafast wavelength switching within 7 ns rise time and 75 nW power consumption. In addition, we demonstrate the suitability for FMCW LiDAR by showing laser frequency tuning over 1.5 GHz at 100 kHz triangular chirp rate with nonlinearity of 0.25% after linearization, and use the source for measuring a target scene 10 m away with a 8.5 cm distance resolution.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 및 고속 테이닝이 요구되는 응용 분야에 적합한 저비용, 낮은 잡음, 고주파수 테이닝 가능 통합 레이저 개발
• 기존 DFB 다이오드 기반 자가 투사 레이저의 단점인 고비용 및 복잡한 설정 조정 문제 해결
• FMCW LiDAR 및 주파수 메트로로지에서의 레이저 잠금에 적합한, RSOA 기반 통합 레이저의 고속, 선형적이며 모드 점프 없는 주파수 테이닝 실현
• Vernier 필터 구성에서 초저손실 Si3N4 PIC에 단일체로 통합된 피에조전기(PZT) 액추에이터를 사용하여 고속 주파수 테이닝 달성
• 서브 센티미터 거리 해상도와 선형화 후 낮은 비선형도를 갖춘 FMCW LiDAR에서 실용적인 성능 입증

제안 방법

• 주파수 선택을 위해 Vernier 필터 구성의 두 개의 마이크로링 레이저를 갖춘 실리콘 나이트라이드 광집적회로(PIC)에 반사형 반도체 광학 앰프(RSOA)를 가장자리로 결합
• Si3N4 PIC에 피에조전기(PZT) 액추에이터와 마이크로 히터를 단일체로 통합하여 레이저의 자유 스펙트럴 범위(FSR)와 모드 정렬을 활성 테이닝 가능하게 함
• 마이크로 히터를 사용해 마이크로링 레이저의 공명을 거친 정렬하여 레이저 작동을 시작하고, PZT 액추에이터를 통해 기계적 응력 유도로 인한 파장 이동을 이용해 정밀하고 고속의 테이닝 수행
• 100 kHz의 주파수로 삼각파형 전압 신호를 PZT 액추에이터에 공급하여 선형 주파수 치르프를 생성하고 FMCW 동작 구현
• 단일 PZT 액추에이터에 정사각형 전압 펄스를 공급하여 7 ns 상승 시간의 초고속 파장 스위칭 구현
• 내재된 비선형성을 보정하기 위해 전자적 선형화를 적용하여 1.5 GHz 스퍼프 범위에서 0.25% RMS 비선형도 달성

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 RSOA 기반 통합 레이저가 FMCW LiDAR 응용에 적합한 서브 나노초 주파수 테이닝 속도와 높은 선형도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 초저손실 Si3N4 PIC에 PZT 액추에이터를 단일체로 통합하면, 복잡한 피드백 또는 DFB 다이오드 락킹이 필요 없이 고속, 모드 점프 없는 선형 주파수 테이닝이 가능한가?
• RQ3 이러한 시스템의 위상 잡음 및 대역폭 성능은 어떻게 되며, 섬유 레이저 수준과 동등하거나 이를 초월할 수 있는가?
• RQ4 전자적 선형화를 통해 비선형도를 얼마나 보정할 수 있으며, FMCW LiDAR 요구 사항을 충족시킬 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼은 산업 및 소비자 광학 센서의 대량 생산을 위해 팹 기반 공정과 호환되어 확장 가능한가?

주요 결과

• 레이저는 파장 스위칭에 대해 7 ns의 상승 시간을 달성하여 초고속 테이닝을 실현하며, 전력 소모는 단지 75 nW에 불과하다.
• 레이저는 400 Hz의 내재된 대역폭을 보이며, 협상 센싱 및 메트로로지에 적합한 높은 위상 안정성을 입증한다.
• 전자 선형화 후 100 kHz의 치르프 속도로 1.5 GHz 주파수 스퍼프를 지원하며, RMS 비선형도는 0.25%이다.
• 시스템은 FMCW LiDAR에서 10 m 거리 측정 시 8.5 cm의 거리 해상도를 달성했으며, 10.2 m와 10.6 m에 위치한 별개의 타겟을 구분할 수 있었다.
• Si3N4 PIC에 PZT 액추에이터와 마이크로 히터를 단일체로 통합함으로써 한 칩에서 거친 모드 정렬과 정밀한 고속 테이닝을 동시에 실현할 수 있었다.
• 이 플랫폼는 팹 기반 제조 공정 및 MEMS 공정과 호환되어 협상 광학 센서의 대량 생산 가능성을 확보한다.