[논문 리뷰] Semiconductor ring laser frequency combs with active directional couplers

Dmitry Kazakov, Theodore P. Letsou외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 07.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실온에서 10 mW를 초과하는 출력 전력을 가지는 자가 시작 주파수 조합을 생성하는 통합 활성 방향 분배기와 함께 전기적으로 구동되는 반도체 고리 양자 CASCADE 레이저를 보여준다. 임계값 이하에서 모드 인덱스, 품질 인자, 결합 계수를 독립적으로 제어할 수 있어, 간섭계적 외부 제어를 통한 주파수 조합 상태 제어 및 PT 대칭 붕괴와 같은 특이한 광학 영역에의 접근이 가능하다.

ABSTRACT

Rapid development of Fabry-Perot quantum cascade laser frequency combs has converted them from laboratory devices to key components of next-generation fast molecular spectrometers. Recently, free-running ring quantum cascade lasers allowed generation of new frequency comb states induced by phase turbulence. In absence of efficient light outcoupling, ring quantum cascade lasers are not suited for applications as they are limited in their power output to microwatt levels. Here we demonstrate electrically pumped ring quantum cascade lasers with integrated active directional couplers. These devices generate self-starting frequency combs and have output power above ten milliwatts at room temperature. We study the transmission of the ring-waveguide resonator system below the lasing threshold, which reveals the ability to individually control the mode indices in the coupled resonators, their quality factors, and the coupling coefficient. When the ring resonator is pumped above the lasing threshold, the intracavity unidirectional single-mode field parametrically amplifies an externally injected signal tuned into one of the ring resonances, generating an idler sideband via four-wave mixing. The ability to inject external optical signals into integrated laser cavities brings into reach coherent control of frequency comb states in ring semiconductor lasers. Furthermore, tunable coupled active resonators pumped below the lasing threshold enable a versatile platform for the studies of resonant electromagnetic effects, ranging from strong coupling to parity-time symmetry breaking.

연구 동기 및 목표

• 분자의 스펙트로스코피 및 광통신 분야에서의 칩스케일 응용을 위한 소형 고출력 주파수 조합 소스 개발.
• 자유 주행 고리 QCL의 마이크로와트 수준 출력 제한을 극복하기 위해 효율적인 빛 빠져나옴을 위한 활성 방향 분배기 통합.
• 외부 광학 주입 및 비선형 4파 혼합을 통한 주파수 조합 상태의 간섭계적 제어 가능화.
• 통합 광학 시스템에서 강한 결합, Fano 공진 및 PT 대칭 붕괴를 연구하기 위한 조절 가능한 전기 제어 플랫폼 구축.

제안 방법

• 양자 캐스케이드 레이저 캐비티를 레이싱트랙 형상으로 통합한 활성 방향 분배기를 도입하여 이방향 및 단방향 레이저 작동 가능화.
• 고리 공진기(RT)와 웨이브가이드 분배기(WG)를 별도의 전기 접점으로 독립적으로 편향함으로써 모드 인덱스, 품질 인자, 결합 계수 제어 가능.
• 레이저 임계값 이하에서 조절 가능한 프로브 레이저를 사용해 RT-WG 시스템의 전송 특성을 측정하여 공진 주파수 이동, 선폭 감소 및 결합 영역 전이 분석.
• 복소수 모드 인덱스와 열 교차 간섭을 고려한 전이 행렬 모델을 적용하여 실험 전송 데이터에 적합하고 장치 매개변수 추출.
• 임계값 이상에서 외부 신호를 RT 공진기에 주입하여 4파 혼합을 유도하고 펌프 주파수 중심으로 대칭적인 아이들 사이드밴드 생성.
• 다양한 공진 주파수를 가로질러 주입 신호를 조절하여 비선형 증폭 및 솔리톤 및 고조파 주파수 조합 생성 조건 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 방향 분배기는 실온에서 반도체 고리 레이저에서 고출력, 자가 시작 주파수 조합 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 결합 공진기 시스템의 모드 인덱스, 품질 인자, 그리고 결합 계수는 레이저 임계값 이하에서 얼마나 전기적으로 조절 가능한가?
• RQ3 단방향 레이저 작동을 하는 고리 QCL에 외부 광학 주입을 통해 4파 혼합을 통한 간섭계적 비선형 사이드밴드 생성이 가능한가?
• RQ4 통합 시스템은 전기적 제어를 통해 강한 결합 및 PT 대칭 붕괴와 같은 특이한 광학 영역에 접근하고 안정화할 수 있는가?
• RQ5 웨이브가이드와 고리 공진기 간의 열 교차 간섭은 결합 시스템의 전송 및 결합 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 장치는 실온에서 10 mW를 초과하는 출력 전력을 가지며 자가 시작 주파수 조합 작동을 달성하여 자유 주행 고리 QCL의 마이크로와트 수준 출력 제한을 초월한다.
• 임계값 이하에서 RT 전류 증가에 따라 공진선폭 감소 및 모드 인덱스 이동이 관찰되어 흡수 감소 및 열적 이탈 조절 가능함을 시사한다.
• 실험 전송 데이터는 복소수 모드 인덱스와 열 교차 간섭을 고려한 전이 행렬 모델과 놀랄 만큼 잘 일치하며 기초 모드 인덱스, 전류 단위당 인덱스 변화량, 전력 결합 계수 등의 핵심 매개변수 추출 가능.
• WG 전류를 변화시켜 전력 결합 계수를 전기적으로 조절함으로써 과도결합에서 부족결합 영역으로의 연속적 이동 가능.
• 임계값 이상에서 외부 신호 주입이 고리 공진기에 의해 대칭적인 아이들 사이드밴드 생성을 유도하여 비선형 증폭 및 간섭계적 제어 잠재력 확인.
• 이 시스템은 강한 결합, Fano 공진, PT 대칭 붕괴와 같은 광학 현상 전반에 걸쳐 전기적 제어를 통해 접근 및 안정화 가능.