[논문 리뷰] Monolithically integrated high-power narrow-bandwidth microdisk laser

Jianglin Guan, Chuntao Li외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 21.

Photonic and Optical Devices인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고품질 다각형 웨이브가이드 모드를 갖는 단일결합 온칩 마이크로디스크 레이저를 제안하며, 실온에서 0.11 MHz의 좁은 스펙트럼 폭과 최대 62.1 μW의 출력 전력 달성하였다. 장치는 광리소그래피 보조 화학기계 연마 공정을 이용해 장경로 마이크로디스크와 버스 웨이브가이드를 결합하여 제작되었으며, 초저대역폭과 고출력을 동시에 구현하는 단일모드 작동을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

Integrated on-chip microdisk lasers have attracted great attention as a light source of compact size, low lasing threshold and narrow bandwidth. However, challenges remain unresolved in terms of single mode operation at high output power while maintaining the ultra-narrow bandwidth. In this work, we demonstrate monolithically integrated on-chip single-frequency microdisk lasers coupled with bus-waveguides fabricated by photolithography assisted chemo-mechanical etching. Owing to the high-Q factor of a polygon whispering gallery mode formed in the microdisk and long cavity lengths (e.g., 409 um and 1 mm), a microdisk laser with a narrow linewidth of 0.11 MHz and a maximum output power of 62.1 uW has been achieved at room temperature.

연구 동기 및 목표

• 온칩 마이크로디스크 레이저에서 고출력, 단일모드 작동을 실현하면서도 초저대역폭을 유지하는 것.
• 통합 마이크로디스크 레이저에서 고출력과 좁은 스펙트럼 폭을 동시에 달성하는 데 도전하는 문제를 해결하는 것.
• 효율적인 온칩 광 전달을 위해 마이크로디스크 레이저를 버스 웨이브가이드와 단일결합 통합하는 것을 보여주는 것.
• 고 품질 인자, 장경로 및 소형 면적을 조합하여 실용적인 광 집적 회로를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 고품질(고-Q) 인자 특성을 갖는 구조를 달성하기 위해 광리소그래피 보조 화학기계 연마 공정을 이용한 마이크로디스크 공진기 제작.
• 고-Q 인자와 장광경로를 갖는 웨이브가이드 모드(WGMs)를 지원하기 위해 다각형 형상의 마이크로디스크 설계.
• 효율적인 커플링과 온칩 광 추출을 위해 버스 웨이브가이드를 마이크로디스크 공진기와 직접 통합.
• 모드 선택성 향상과 스펙트럼 폭 감소를 위해 장경로(409 μm 및 1 mm)를 활용한 구조 설계.
• 실온에서의 작동을 통해 온칩 광 시스템에 대한 실용성 입증.
• 고-Q, 장경로 마이크로디스크 구조에서의 모드 경쟁 억제를 통한 단일모드 레이저 작동 구현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로디스크 레이저를 버스 웨이브가이드와 단일결합 통합함으로써 고출력과 초저대역폭을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 마이크로디스크 공진기의 경로 길이를 늘일 경우 스펙트럼 폭과 임계 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고-Q 다각형 웨이브가이드 모드가 온칩 통합 레이저에서 단일모드 레이저 작동을 얼마나 잘 지원할 수 있는가?
• RQ4 0.15 MHz 이하의 스펙트럼 폭을 유지하면서도 단일결합 마이크로디스크 레이저에서 도달 가능한 최대 출력 전력은 얼마인가?
• RQ5 광리소그래피 보조 화학기계 연마 공정이 고성능 온칩 레이저에 적합한 고-Q 마이크로디스크 구조를 신뢰성 있게 제작할 수 있는가?

주요 결과

• 실온에서 단일결합 마이크로디스크 레이저에서 0.11 MHz의 스펙트럼 폭을 달성하여 초저대역폭 스펙트럼 방출을 입증하였다.
• 장치는 최대 62.1 μW의 출력 전력을 달성하였으며, 이는 온칩 단일모드 마이크로디스크 레이저 중에서 보고된 바 중 가장 높은 수준이다.
• 모드 선택성 향상과 스펙트럼 폭 감소를 위해 마이크로디스크 구조에 409 μm 및 1 mm의 장경로를 성공적으로 구현하였다.
• 다각형 웨이브가이드 모드의 고-Q 인자는 스펙트럼 확산을 최소화하면서 효율적인 단일모드 작동을 가능하게 하였다.
• 버스 웨이브가이드와의 단일결합 통합을 실현하여 효율적인 온칩 광 커플링과 실용적인 장치 확장성을 확보하였다.
• 실온에서의 작동이 성공적으로 입증되어, 실세계 광 집적 회로에 대한 장치의 실현 가능성을 확인하였다.