[논문 리뷰] Self-injection-locked second-harmonic integrated source

Jingwei Ling, Jeremy Staffa외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 07.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 도핑된 리튬니오브산나트륨(LNOI) 마이크로레지온에서 자가주입고정형 두 번째 조화성 생성(SHG)을 통해 고코herency의 가시광선 및 가까운 가시광선을 달성하는 하이브리드 통합 칩스케일 레이저 소스를 제시한다. 펌프 레이저의 대역폭 감소와 주파수 제곱화를 위한 공진 증폭을 동시에 구현함으로써, 장치는 30 kHz 이하의 대역폭과 2 mW 이상의 칩 내 출력 전력, 외부 펌프 테스트에서 25%를 초과하는 변환 효율을 달성하며, 저비용, 초안정 칩 내 광원으로의 확장 가능한 길을 보여준다.

ABSTRACT

High coherence visible and near-visible laser sources are centrally important to the operation of advanced position/navigation/timing systems as well as classical/quantum sensing systems. However, the complexity and size of these bench-top lasers is an impediment to their transitioning beyond the laboratory. Here, a system-on-a-chip that emits high-coherence visible and near-visible lightwaves is demonstrated. The devices rely upon a new approach wherein wavelength conversion and coherence increase by self-injection-locking are combined within in a single nonlinear resonator. This simplified approach is demonstrated in a hybridly-integrated device and provides a short-term linewidth around 10-30 kHz. On-chip, converted optical power over 2 mW is also obtained. Moreover, measurements show that heterogeneous integration can result in conversion efficiency higher than 25% with output power over 11 mW. Because the approach uses mature III-V pump lasers in combination with thin-film lithium niobate, it can be scaled for low-cost manufacturing of high-coherence visible emitters. Also, the coherence generation process can be transferred to other frequency conversion processes including optical parametric oscillation, sum/difference frequency generation, and third-harmonic generation.

연구 동기 및 목표

• 광시계, 양자 정보 및 정밀 측정 분야에서 사용 가능한 고코herency의 가시광선 및 가까운 가시광선을 위한 소형 칩 내 광원을 개발하기 위해.
• 크고 불편한 벤치탑 레이저의 한계를 극복하기 위해 주파수 변환과 코herency 향상을 하나의 비선형 레지온에서 통합하기 위해.
• 외부 피드백 제어 없이도 펌프 레이저의 대역폭 감소와 SHG 효율 향상을 동시에 달성하는 자가주입고정형 두 번째 조화성 생성(SHG) 시스템을 구현하기 위해.
• 기성의 III-V 펌프 레이저와 박막 리튬니오브산나트륨 플랫폼을 사용하여 고성능 광원의 스케일러블이고 저비용 제조를 가능하게 하기 위해.
• 자가주입고정 메커니즘이 광학적 비선형 주기 진동 및 세 번째 조화성 생성과 같은 다른 비선형 과정으로 확장 가능한지 검증하기 위해.

제안 방법

• 분산 피드백(DFB) InP 레이저를 주기적으로 도핑된 리튬니오브산나트륨 온 인슐레이터(LNOI) 레이스트랙 마이크로레지온에 하이브리드 통합하여, 동시에 자가주입고정형과 두 번째 조화성 생성을 수행하는 장치를 제작하였다.
• LNOI 레지온은 기본파(1560 nm)와 두 번째 조화파(780 nm) 모드를 준위상 일치시키기 위해 4.3 µm의 도핑 간격을 가짐으로써 효율적인 주파수 변환을 가능하게 하였다.
• 고-Q 레지온 모드에서의 약한 역산산과 DFB 레이저로의 피드백을 통해 자가주입고정형을 달성하였으며, 이는 펌프 레이저의 주파수 노이즈를 억제하고 코herency를 향상시켰다.
• 펌프 레이저의 대역폭은 자가혼합 측정법을, 두 번째 조화파 출력은 동조 측정법을 사용하여 측정하였으며, 양측 모두 단일계면 안정화 섬유 지연과 균형 검출을 활용하였다.
• 노이즈 억제는 펌프 및 두 번째 조화파 신호의 주파수 노이즈 스펙트럼을 비교하여 정량화하였으며, 이는 SHG 물리 법칙에 부합하는 정확한 6 dB 오프셋을 보였다.
• 장치 제작은 전자선 리소그래피, 이온선 에칭, 리트로스페이싱 공정을 통해 웨이브가이드 및 전극을 제작하였으며, 에칭 후 주기적 도핑을 통해 SHG 효율을 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기주입고정형을 하나의 비선형 레지온에서 두 번째 조화성 생성과 효과적으로 융합하여, 외부 서보 제어 없이도 고코herency의 가시광선을 달성할 수 있는가?
• RQ2 비선형 과정을 통해 펌프 레이저의 코herency가 얼마나 효과적으로 두 번째 조화파 출력으로 전달될 수 있으며, 최소한의 위상 노이즈로 유지되는가?
• RQ3 표준 III-V DFB 펌프 레이저를 사용한 하이브리드 통합 LNOI 플랫폼에서 달성 가능한 변환 효율과 칩 내 출력 전력은 얼마인가?
• RQ4 하이브리드 통합에서 완전한 이종 통합으로 전환할 경우, 낮은 커플링 손실을 고려할 때 시스템 성능는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 자기주입고정 메커니즘은 광학적 비선형 주기 진동 또는 세 번째 조화성 생성과 같은 다른 비선형 주파수 변환 과정으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 자기주입고정형 두 번째 조화성 소스는 780 nm 출력에서 30 kHz 이하의 대역폭(최소 10 kHz)을 달성하여, 외부 주파수 안정화 없이도 고코herency를 입증하였다.
• 하이브리드 통합 구성에서 칩 내 두 번째 조화파 출력 전력이 2 mW를 초과하였으며, 외부 펌프 테스트에서 측정된 변환 효율은 25%를 초과하였다.
• 외부 펌프 레이저를 사용할 경우 두 번째 조화파 최대 출력 전력은 11.3 mW에 도달하였으며, 낮은 커플링 손실로 개선 가능성을 보여주었다.
• 펌프 및 두 번째 조화파 빛의 주파수 노이즈 스펙트럼은 정확한 6 dB 오프셋을 보였으며, 이는 비선형 과정을 통해 코herency가 전달되었고, 자기주입고정 메커니즘이 검증되었음을 확인하였다.
• 장치는 1559.5 nm에서 동작하는 DFB 레이저를 사용하여 자기주입고정형을 통해 10–30 kHz의 대역폭을 달성하였으며, 온도 안정성은 1 mK 이내를 유지하였다.
• 이 접근법은 광학적 비선형 주기 진동, 합성/차감 주파수 생성, 세 번째 조화성 생성 등 다른 비선형 과정으로도 일반화 가능하여 통합 광학 분야의 광범위한 응용 가능성을 열어준다.