[논문 리뷰] Recent Advances in Laser Self-Injection Locking to High-$Q$ Microresonators

Nikita M. Kondratiev, Valery E. Lobanov외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 12.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고-Q 마이크로레조너에 대한 레이저 자기주입 잠금 기술의 최근 발전을 검토하며, 초고품질 Si3N4 마이크로레조너를 이용한 주파수 안정화를 통해 반도체 레이저의 대역폭을 1 Hz 이하로 줄임을 보여준다. 이 기술은 칩스케일, 저노이즈 레이저를 가능하게 하며 통합 주파수 커브 생성 잠재력을 지녀, 소형, 저비용, 고성능 레이저 시스템으로의 길을 열어준다.

ABSTRACT

The stabilization and manipulation of laser frequency by means of an external cavity are nearly ubiquitously used in fundamental research and laser applications. While most of the laser light transmits through the cavity, in the presence of some back-scattered light from the cavity to the laser, the self-injection locking effect can take place, which locks the laser emission frequency to the cavity mode of similar frequency. The self-injection locking leads to dramatic reduction of laser linewidth and noise. Using this approach, a common semiconductor laser locked to an ultrahigh-$Q$ microresonator can obtain sub-hertz linewidth, on par with state-of-the-art fiber lasers. Therefore it paves the way to manufacture high-performance semiconductor lasers with reduced footprint and cost. Moreover, with high laser power, the optical nonlinearity of the microresonator drastically changes the laser dynamics, offering routes for simultaneous pulse and frequency comb generation in the same microresonator. Particularly, integrated photonics technology, enabling components fabricated via semiconductor CMOS process, has brought increasing and extending interest to laser manufacturing using this method. In this article, we present a comprehensive tutorial on analytical and numerical methods of laser self-injection locking, as well a review of most recent theoretical and experimental achievements.

연구 동기 및 목표

• 레이저 자기주입 잠금을 위한 분석적 및 수치적 방법에 대한 종합적인 안내서 제공.
• 고-Q 마이크로레조너를 이용한 반도체 레이저 안정화 분야에서의 최근 이론적 및 실험적 진전 검토.
• 자기주입 잠금의 잠재력이 미세공학적 주파수 커브 및 칩스케일 레이저의 초박성능 대역폭을 가능하게 할 수 있는지 탐색.
• 마이크로레조너 기반 자기주입 잠금 시스템에서 장기적인 주파수 안정성 및 비선형 역학의 열린 과제 규명.

제안 방법

• 고-Q 마이크로레조너에서 레이저 빛의 소량을 피드백하여 레이저 다이오드의 증폭 매체에 다시 공급함으로써, 레이저 주파수를 레조너 모드에 고정하는 자기주입 잠금 기술을 활용.
• 결합 모드 이론 및 Lang-Kobayashi 방정식을 기반으로 한 이론적 모델을 사용하여 반도체 레이저에서 자기주입 잠금의 역학을 기술.
• 다양한 피드백 강도와 떨어짐 조건에서의 안정성, 대역폭 감소 및 비선형 역학을 분석하기 위해 수치 시뮬레이션을 적용.
• Q 요소가 10^7를 초과하는 Si3N4 마이크로레조너를 사용한 실험적 구현을 검토하며, 1 Hz 이하의 대역폭 달성.
• 광학 비선형성(Kerr, 라만, 브릴루아인)이 동시에 주파수 커브 및 펄스 생성을 가능하게 하는 역할을 분석.
• 패ackaged 칩 모듈에서의 주파수 드리프트를 완화하기 위해 열안정화 기술 및 통합 액추에이터(PZT 등)를 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si3N4 이외의 재료에서의 다양한 광학 비선형성(Raman, 브릴루아인 등)이 자기주입 잠금의 역학에 미치는 영향은 어떻게 되는가?
• RQ2 결합된 마이크로레조너 시스템은 단일 레조너 대비 자기주입 잠금 레이저의 안정성과 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 자기주입 잠금 레이저에서 장기적인 주파수 드리프트의 주요 원인은 무엇이며, 크기나 소비 전력 증가 없이 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 자기주입 잠금 기술이 실용적 응용을 위한 통합 광학 플랫폼에서 '즉시 사용' 기능을 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ5 피드백 강도, 떨어짐, 비선형성 간의 상호작용이 연속파에서 솔리톤 주파수 커브 생성으로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고-Q 마이크로레조너에 대한 자기주입 잠금은 레이저 대역폭을 1 Hz 이하로 줄여 최신의 섬유 레이저 성능에 도달한다.
• 초고품질 Si3N4 마이크로레조너(Q > 10^7)는 총 출력의 10^-4 수준의 피드백 전력으로도 효과적인 주파수 안정화를 가능하게 한다.
• 마이크로레조너 내 광학 비선형성은 특히 솔리톤 영역에서 주파수 커브 및 펄스의 동시 생성을 가능하게 한다.
• Si3N4에서 약 50 MHz/0.01 °C의 열드리프트는 장기적 안정성에 제약을 주며, 칩스케일 패kg에 고도의 열관리가 필요함을 시사한다.
• 통합 PZT 액추에이터 및 기하학적 조절은 피드백 튜닝 효율성과 안정성을 향상시키며, 환경적 요동에 대한 민감도를 감소시킨다.
• 결합 마이크로레조너 시스템은 연속파에서 솔리톤 전환 효율을 향상시킬 잠재력을 보이며, 안정적이고 고효율의 주파수 커브 작동을 위한 새로운 길을 제시한다.