[논문 리뷰] Integrated frequency comb laser with narrow intrinsic optical linewidth based on a dielectric waveguide feedback circuit

Jesse Mak, Albert van Rees외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 18.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 47인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 저손실 유전체 파장도로 회로를 사용하여 캐비티 광자 수명을 연장함으로써 기존에 보고된 바와 같이 34 kHz의 기록적인 낮은 내재 광학 대역폭을 달성한 하이브리드 InP-Si3N4 통합 주파수 콤 레이저를 제시한다. 이 접근법은 Si3N4 파장도로 피드백 루프를 통해 6 cm의 칩 내 효과적인 광경로 길이를 확보함으로써, 높은 일관성과 함께 좁은 대역폭을 가지는 전기적 펌프 주파수 콤을 실현한다. 이는 미세광학 측정 및 통신 분야의 칩스케일 응용에 적합하다.

ABSTRACT

We present an integrated hybrid semiconductor-dielectric (InP-Si$_3$N$_4$) waveguide laser that generates frequency combs at a wavelength around 1.5 $μ$m with a record-low intrinsic optical linewidth of 34 kHz. This is achieved by extending the cavity photon lifetime using a low-loss dielectric waveguide circuit. In our experimental demonstration, the on-chip, effective optical path length of the laser cavity is extended to 6 cm. The resulting linewidth narrowing shows the high potential of on-chip, highly coherent frequency combs with direct electrical pumping, based on hybrid and heterogeneous integrated circuits making use of low-loss dielectric waveguides.

연구 동기 및 목표

• 짧은 캐비티 길이와 높은 손실로 인해 일반적으로 수십 MHz의 대역폭을 가지는 칩 기반 다이오드 레이저의 기본적인 대역폭 제한을 극복하기 위해.
• 저손실 유전체 파장도로를 통해 캐비티 광자 수명을 연장함으로써 통합 주파수 콩 레이저의 내재 대역폭을 크게 좁힐 수 있음을 입증하기 위해.
• 높은 일관성과 확장 가능성을 갖춘 하이브리드 InP-Si3N4 통합을 기반으로 한 완전히 통합된 전기적 펌프 주파수 콩 레이저 플랫폼을 개발하기 위해.
• 최적화된 유전체 파장도로 회로 및 캐비티 설계를 통해 통합 주파수 콩에서 1 kHz 이하의 대역폭을 달성할 수 있는 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 저손실 Si3N4 파장도로 회로와 버트커플링된 InP 기반 반도체 광학 앰프(RSOA)를 하이브리드 통합하여 캐비티 광자 수명을 연장한다.
• 1.2 cm의 효과적인 길이(L2)를 가진 유전체 피드백 회로는 고반사율과 저손실(0.001 dB/cm)을 제공하여 라운드트립 광자 수명을 향상시킨다.
• Si3N4 파장도로를 통합함으로써 칩 내에서 6 cm의 효과적인 라운드트립 경로 길이를 확보함으로써, 효과적인 Q 인자 수치를 높이고 Schawlow-Townes 대역폭을 감소시킨다.
• 이론적 대역폭은 하이브리드 시스템에 맞게 수정된 Schawlow-Townes 공식을 사용하여 모델링한다: Δν = (hν · (α_i + α_m)) / (2π · P_0 · g · v_g), 여기서 g는 순수 이득이다.
• InP-Si3N4 인터페이스에서의 커플링 손실은 전력 커플링 효율 β를 통해 고려하며, 내부 손실 모델에 α_c = ln(1/β)를 포함시킨다.
• 실험적 대역폭은 주파수 콩 출력을 좁은 대역폭 기준 레이저와 비트하여 측정하였으며, 이는 이론적 예측을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저손실 유전체 파장도로를 사용하여 전기적 펌프 주파수 콩 레이저의 내재 대역폭을 100 kHz 이하로 낮출 수 있는가?
• RQ2 Si3N4 파장도로 회로를 통해 효과적인 캐비티 길이를 연장함으로써 하이브리드 InP-Si3N4 레이저에서 광자 수명과 최종 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 모드 락킹 레이저에서 실리콘 기반 플랫폼에 비해 유전체 파장도로 재료(예: Si3N4)의 선택이 비선형 손실을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 이론적 대역폭 스케일링이 캐비티 길이에 따라 어떻게 작용하는지가 칩 통합 주파수 콩 시스템에서 실험적으로 검증될 수 있는가?
• RQ5 저손실 유전체 파장도로를 사용한 하이브리드 통합을 통해 완전히 통합된 전기적 펌프 주파수 콩 레이저에서 달성 가능한 대역폭은 얼마인가?

주요 결과

• 통합 주파수 콩 레이저는 기존에 보고된 바와 같이 완전히 통합된 전기적 펌프 주파수 콩 레이저 중에서 가장 낮은 34 kHz의 내재 광학 대역폭을 달성하였다.
• 측정된 대역폭은 약 16 kHz의 이론적 예측과 매우 유사하여 모델 및 설계 접근법의 타당성을 입증하였다.
• Si3N4 파장도로 회로를 통해 효과적인 라운드트립 경로 길이를 6 cm로 연장함으로써 대역폭의 급격한 감소가 가능해졌다.
• 이론적 계산 결과, 캐비티 길이를 15 cm로 늘일 경우 대역폭을 약 140 Hz로 줄일 수 있으며, 이는 1 kHz 이하 작동 가능성을 시사한다.
• Si3N4 파장도로 플랫폼는 저손실(0.001 dB/cm)과 고색소 대비를 제공하여 선형 및 비선형 손실을 최소화하여 일관성 저하를 방지한다.
• 이 방법은 확장 가능하고 보편적이며, 퀀텀닷 등 다른 증폭 재료 및 가시광선 영역까지의 응용 확장 가능성이 있다.