[논문 리뷰] Ultra-narrow linewidth hybrid integrated semiconductor laser

Youwen Fan, Albert van Rees외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 17.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 36인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 저손실, 단일 루프통과 Si₃N₄ 웨이브가이드 회로를 통해 0.5 m의 광학 캐비티 길이를 연장한 하이브리드 InP-Si₃N₄ 다이오드 레이저를 제시하며, 기록적인 40-Hz 내재 대역폭을 달성한다. 이 설계는 광자 수명을 고손실 반도체 성분에서 분리하고, 넓은 금속간 밴드갭을 가진 Si₃N₄를 사용해 비선형 손실을 방지함으로써, 포화 없이 출력 전력에 따라 대역폭이 좁아지는 것을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate a hybrid integrated and widely tunable diode laser with an intrinsic linewidth as narrow as 40 Hz, achieved with a single roundtrip through a low-loss feedback circuit that extends the cavity length to 0.5 meter on a chip. Employing solely dielectrics for single-roundtrip, single-mode resolved feedback filtering enables linewidth narrowing with increasing laser power, without limitations through nonlinear loss. We achieve single-frequency oscillation with up to 23 mW fiber coupled output power, 70-nm wide spectral coverage in the 1.55 $μ$m wavelength range with 3 mW output, and obtain more than 60 dB side mode suppression. Such properties and options for further linewidth narrowing render the approach of high interest for direct integration in photonic circuits serving microwave photonics, coherent communications, sensing and metrology with highest resolution.

연구 동기 및 목표

• 광학 집적 회로에 적합한 초미세 내재 대역폭을 갖춘 하이브리드 통합 다이오드 레이저를 개발하기 위해.
• 고파이프 손실과 비선형 효과로 인해 발생하는 단일 반도체 레이저의 내재 대역폭 제한을 극복하기 위해.
• 1.55 µm 범위에서 고측모드 제거율과 넓은 테이닝 가능성을 갖춘 단일 모드 작동을 가능하게 하기 위해.
• 피드백 경로에서 비선형 손실 메커니즘을 피함으로써 포화 없이 대역폭을 좁히기 위해.
• dielectric 웨이브가이드를 사용한 Hertz 수준의 대역폭 레이저를 칩 상에서 확장 가능한 플랫폼을 구현하기 위해.

제안 방법

• 저손실 Si₃N₄ 웨이브가이드 회로와 하이브리드 통합된 InP 반도체 증폭 칩을 이용해 레이저 캐비티 길이를 0.5 m 광학 루프통과 길이로 연장하기 위해.
• 33-mm 나선형 Si₃N₄ 웨이브가이드와 3개의 연속된 마이크로링 공진기를 조합하여 단일 루프통과 내에서 고정밀도, 단일 모드 해상 스펙트럼 필터링을 제공하기 위해.
• 출력 커플링을 위해 사간 액체 미러(10% 효율)를 사용하고, InP 칩 뒷면에 고반사성 HR 코팅을 적용하여 캐비티 거울을 형성하기 위해.
• 단일 루프통과 필터링을 구현하여 강력한 측모드 제거율(60 dB 초과)과 스펙트럼 모드 점프 없이 안정적인 단일 모드 작동을 달성하기 위해.
• Si₃N₄의 넓은 금속간 밴드 갭을 활용해 이중광자 흡수를 억제하고 고내부 캐비티 강도에서 비선형 손실을 방지하기 위해.
• 펌프 전류를 최적화하여 대역폭이 출력 전력에 반비례하는 스케일링을 달성함으로써, 샤울로-타운즈 한계와 일치함을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저손실 유전체 웨이브가이드를 통해 캐비티 길이를 연장함으로써 하이브리드 InP-Si₃N₄ 레이저가 100 Hz 이하의 내재 대역폭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 저손실 유전체 회로에서 단일 루프통과, 단일 모드 해상 필터링이 비선형 손실로 인한 포화 없이 대역폭을 좁히는 데 기여하는가?
• RQ3 고출력과 넓은 테이닝 가능성을 유지하면서 내재 대역폭을 40 Hz 이하로 줄일 수 있는가?
• RQ4 고정밀도 필터링을 갖춘 하이브리드 통합 플랫폼에서 레이저 출력 전력 증가에 따라 대역폭은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 Si₃N₄ 웨이브가이드에서 비선형 손실이 없기 때문에 현재 40 Hz 이론의 한계를 초월해 더욱 좁은 대역폭을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 레이저는 하이브리드 또는 이방성 통합 다이오드 레이저로서 기록적으로 낮은 40 Hz의 내재 대역폭을 달성한다.
• 대역폭은 출력 전력에 반비례하며, 예상되는 반비례 법칙($\text{linewidth} \times P_{\text{out}} = \text{constant}$)을 따르며, 샤울로-타운즈 한계와의 일치를 확인한다.
• 1.55 µm 범위에서 최대 23 mW의 파장 커플링 출력 전력과 70-nm 스펙트럼 커버리지, 60 dB 초과의 측모드 제거율을 제공한다.
• Si₃N₄ 웨이브가이드의 사용으로 고내부 캐비티 강도(GW/cm² 수준)에서도 비선형 손실이 방지되어 포화 없이 대역폭 좁히기가 가능하다.
• 다양한 전력 스윕 동안 측정된 대역폭은 40 Hz 이하를 유지하며, 로렌츠 피팅과 전력 스펙트럼 밀도 분석 간 일관성이 있다.
• 플랫폼는 향후 캐비티 길이 연장과 Si₃N₄ 웨이브가이드의 손실 감소(최소 0.045 dB/m)를 통해 더 낮은 Hertz 수준의 대역폭 향상에 확장 가능한 잠재력을 지닌다.