[논문 리뷰] High-coherence hybrid-integrated 780 nm source by self-injection-locked second-harmonic generation in a high-Q silicon-nitride resonator

Bohan Li, Zhiquan Yuan외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 19.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고Q의 실리콘나이트라이드 마이크로레지오나터에서 자가주입고정된 두 번째 고조파 생성을 이용하여, 780 nm의 가시광선 레이저 소스를 소형화하고 고일관성을 확보한 바 있다. 1560 nm 분포형 피드백 레이저를 레지오나터에 고정함으로써, 시스템은 기록적인 4 Hz²/Hz 주파수 노이즈 바닥을 달성하여, 광학 시계 및 LiDAR 등의 응용 분야에서 초안정 가시광선 생성을 가능하게 했다.

ABSTRACT

By self-injection-locking a 1560 nm distributed feedback semiconductor laser to a high-$Q$ silicon nitride resonator, a high-coherence 780 nm second harmonic signal is generated via the photogalvanic-induced second-order nonlinearity. A record-low frequency noise floor of 4 Hz$^2$/Hz is achieved for the 780 nm emission. The approach can be generalized for signal generation over a wide range of visible and near-visible bands.

연구 동기 및 목표

• 실험실 외 환경에서의 응용을 위해 소형화되고 칩에 통합된 고일관성 가시광선 소스를 개발한다.
• 광학 원자 시계, LiDAR 및 센서 분야에서 사용되는 두꺼운, 고비용의 벤치탑 가시광선 레이저의 한계를 극복한다.
• 자가주입고정 및 공진 증폭을 통해 가시광선 칩 레이저에서 초저노이즈 주파수 성능을 달성한다.
• 단일 플랫폼을 이용해 가시광선 및 가시광선 근처 스펙트럼 전역에서 확장 가능하고 테이블러블 가시광선 생성을 가능하게 한다.

제안 방법

• 1560 nm 및 780 nm 파장에서 빛을 봉쇄하기 위해, 5 µm의 웨이브가이드 너비와 850 µm의 반지름을 가진 고Q 실리콘나이트라이드 마이크로레지오나터를 사용한다.
• 교차결합을 최소화하기 위해, 근적외선 커플러(2.3 µm 너비)와 가시광선 커플러(1.6 µm 너비)를 갖는 이중모드 커플러를 구현한다.
• 실리콘나이트라이드에서의 광전기 효과를 이용해 광학 피올링을 유도하고, 준위상일치된 두 번째 고조파 생성을 가능하게 한다.
• 레지오나터에 1560 nm DFB 레이저를 끝면 커플링하여 자가주입고정을 적용하고, 반사된 빛을 이용해 레이저 주파수를 안정화한다.
• 광다이오드 노이즈를 억제하기 위해 균형형 교차상관법을 사용하는 자기혼합 기법을 이용해 주파수 노이즈를 특성화한다.
• 레이저 전류 조절 및 피드백 위상 제어를 통해 콤 형성을 제어하여 단일모드 작동을 유지하고 SH 출력을 최대화한다.

Figure 1: Experimental setups and characterization of the Si 3 N 4 resonator and SH generation performance. (a) Experimental setup used to determine the phase matching condition and characterize the SH performance of the Si 3 N 4 resonator. ECDL, external cavity diode lasers; EDFA, Erbium-doped fibe

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고Q 실리콘나이트라이드 레지오나터에서의 자가주입고정이 1560 nm DFB 레이저의 주파수 노이즈를 낮춰 고일관성 가시광선 출력을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 실리콘나이트라이드에서의 광전기 효과가 780 nm에서 효율적이고 준위상일치된 두 번째 고조파 생성을 얼마나 잘 가능하게 하는가?
• RQ3 레지오나터의 품질 인자에 따라 시스템 성능는 어떻게 변화하며, 노이즈 감소의 이론적 한계는 무엇인가?
• RQ4 이 플랫폼은 최소한의 재구성으로 가시광선 및 가시광선 근처 스펙트럼 전역에서 일관된 빛을 생성하는 데 일반화될 수 있는가?
• RQ5 피드백 시스템에서 단일주파수 레이저 작동과 케르 콤 형성 간의 상충 관계는 무엇이며, 어떻게 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 통합 780 nm 소스는 100 kHz 오프셋 주파수에서 기록적인 4 Hz²/Hz의 주파수 노이즈 바닥을 달성했다.
• 자가주입고정된 1560 nm 펌프 레이저는 자유주행 상태 대비 100 kHz에서 40 dB, 1 MHz에서 32 dB의 노이즈 감소를 보였다.
• 두 번째 고조파 변환 효율은 114 ± 31% W⁻¹에 도달했으며, 칩 내에서 최대 24 mW의 출력 전력이 측정되었다.
• 시스템은 넓은 주파수 조정 범위에서도 단일주파수 작동을 유지하였으며, 전류 및 위상 제어를 통해 해로운 케르 주파수 콤 형성을 방지하였다.
• 780 nm 소스의 순간 대역폭은 25 Hz로, 칩 내 가시광선 레이저 중에서 보고된 바 중 가장 좁았다.
• 이 플랫폼은 웨이브가이드 커플러 재구성으로 다른 가시광선 및 가시광선 근처 파장으로 확장 가능하다.

Figure 2: Frequency noise measurement for SIL pump laser and generated SH laser. (a) Frequency noise measurement setups for both the SIL 1560nm laser and the SH 780 nm laser. AOM, acousto-optic modulator. (b) Measured single-sideband frequency noise spectrum. Gray, blue and red traces show the frequ