[논문 리뷰] Integrated Waveguide Brillouin Laser

Sarat Gundavarapu, Matthew W. Puckett외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 26인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 웨이퍼 스케일 Si3N4/SiO2 플랫폼에 통합된 첫 번째 단일결합 파장간섭 레이저를 제시하며, 10개의 스토크스 차수까지 연속된 자극된 브릴루아인 방출을 달성하고, 적재된 Q 인자가 2800만을 초과한다. 비음향 구조를 통한 유도 설계는 넓은 브릴루아인 이득 대역폭, 낮은 레이저 임계값, 높은 내부 공진기 내 전력으로 이어져, 광학 응용 분야에 적합한 고성능, 칩 통합형, 저잡음 간섭 광원을 실현한다.

ABSTRACT

The demand for high-performance chip-scale lasers has driven rapid growth in integrated photonics. The creation of such low-noise laser sources is critical for emerging on-chip applications, ranging from coherent optical communications, photonic microwave oscillators remote sensing and optical rotational sensors. While Brillouin lasers are a promising solution to these challenges, new strategies are needed to create robust, compact, low power and low cost Brillouin laser technologies through wafer-scale integration. To date, chip-scale Brillouin lasers have remained elusive due to the difficulties in realization of these lasers on a commercial integration platform. In this paper, we demonstrate, for the first time, monolithically integrated Brillouin lasers using a wafer-scale process based on an ultra-low loss Si3N4/SiO2 waveguide platform. Cascading of stimulated Brillouin lasing to 10 Stokes orders was observed in an integrated bus-coupled resonator with a loaded Q factor exceeding 28 million. We experimentally quantify the laser performance, including threshold, slope efficiency and cascading dynamics, and compare the results with theory. The large mode volume integrated resonator and gain medium supports a TE-only resonance and unique 2.72 GHz free spectral range, essential for high performance integrated Brillouin lasing. The laser is based on a non-acoustic guiding design that supplies a broad Brillouin gain bandwidth. Characteristics for high performance lasing are demonstrated due to large intra-cavity optical power and low lasing threshold power. Consistent laser performance is reported for multiple chips across multiple wafers. This design lends itself to wafer-scale integration of practical high-yield, highly coherent Brillouin lasers on a chip.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 시스템을 위한 컴act하고 저전력, 저비용의 칩 스케일 레이저 소스를 개발하기 위해.
• 상용 통합 플랫폼에서 견고하고 고성능의 브릴루아인 레이저를 실현하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 고수율과 일관된 성능을 갖춘 웨이퍼 스케일 통합 브릴루아인 레이저를 실현하기 위해.
• 광통신, 마이크로파 생성, 센서 기술 등 응용 분야에 적합한 고간섭성, 저잡음 레이저 방출을 입증하기 위해.
• 초저손실 파장간섭 구조를 이용한 확장 가능한 단일결합 통합 방식으로 통합 브릴루아인 레이저를 실현하기 위해.

제안 방법

• 초저손실 Si3N4/SiO2 파장간섭 구조를 기반으로 한 웨이퍼 스케일 제조 공정 활용.
• 큰 모드 부피와 TE 모드 전용 공진을 갖춘 버스 커플링 공진기 설계로 광학적 구속력과 Q 인자를 향상.
• 비음향 유도 설계를 도입하여 넓은 브릴루아인 이득 대역폭과 효율적인 자극된 브릴루아인 산란을 달성.
• 다중 칩 및 웨이퍼 간 일관된 성능을 보장하는 단일결합 통합 기법 구현.
• 고성능 레이저 작동과 모드 경쟁 감소를 지원하기 위해 2.72 GHz의 자유 스펙트럼 범위 사용.
• 고내부 광학 전력과 낮은 레이저 임계값을 확보하기 위한 캐비티 설계 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고 Q 인자와 낮은 임계값을 갖는 상용 실리콘 광학 통합 플랫폼에서 단일결합 통합 브릴루아인 레이저를 실현할 수 있는가?
• RQ2 통합 파장간섭 브릴루아인 레이저에서 달성 가능한 최대 연속 스토크스 차수는 몇 개인가?
• RQ3 비음향 유도 설계는 브릴루아인 이득 대역폭과 레이저 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 여러 칩 및 웨이퍼 간 일관된 레이저 성능을 얼마나 높은 수준에서 달성할 수 있는가?
• RQ5 통합 장치의 핵심 성능 지표인 임계값, 기울기 효율, Q 인자는 각각 얼마인가?

주요 결과

• 통합 버스 커플링 공진기에서 실험적으로 10개의 스토크스 차수까지 연속된 자극된 브릴루아인 방출을 관측하였다.
• 공진기의 적재된 Q 인자가 2800만을 초과하여 초저손실 및 높은 광학적 구속력을 나타낸다.
• 고내부 광학 전력과 효율적인 이득 매체 덕분에 낮은 레이저 임계값 전력이 달성되었다.
• 비음향 유도 설계는 넓은 브릴루아인 이득 대역폭을 가능하게 하여 고성능 레이저 작동을 지원하였다.
• 여러 칩 및 웨이퍼 간 일관된 레이저 성능이 확보되어 고수율과 확장 가능성을 입증하였다.
• 장치는 2.72 GHz의 자유 스펙트럼 범위를 나타내어 고간섭성 작동을 지원하고 모드 경쟁을 감소시켰다.