[논문 리뷰] Coherent Control of Mid-Infrared Frequency Comb by Optical Injection of Near-Infrared Light

Kenichi N. Komagata, Alexandre Parriaux외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 02.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 저력의 근적외선(NIR) 레이저를 이용한 광학적 주입을 통해 중적외선 주파수 복합체를 일관성 있게 제어하는 것을 보여준다. NIR 빛의 강도를 변조함으로써 저자들은 2 MHz의 잠금 대역폭과 200 mrad의 잔류 위상 노이즈를 달성하였으며, 전기적 작동 방식의 한계를 우회하고 복합선을 분포형 피드백 레이저에 밀접하게 위상 잠금할 수 있도록 하였다.

ABSTRACT

We demonstrate the use of a low power near-infrared laser illuminating the front facet of a quantum cascade laser (QCL) as an optical actuator for the coherent control of a mid-infrared frequency comb. We show that by appropriate current control of the QCL comb and intensity modulation of the near-infrared laser, a tight phase lock of a comb line to a distributed feedback laser is possible with 2 MHz of locking bandwidth and 200 mrad of residual phase noise. A characterization of the whole scheme is provided showing the limits of the electrical actuation which we bypassed using the optical actuation. Both comb degrees of freedom can be locked by performing electrical injection locking of the repetition rate in parallel. However, we show that the QCL acts as a fast near-infrared light detector such that injection locking can also be achieved through modulation of the near-infrared light. These results on the coherent control of a quantum cascade laser frequency comb are particularly interesting for coherent averaging in dual-comb spectroscopy and for mid-infrared frequency comb applications requiring high spectral purity.

연구 동기 및 목표

• 중적외선 QCL 주파수 복합체에서 전기적 작동 방식의 성능 한계를 극복하기 위해.
• 근적외선 빛의 광학적 주입을 더 빠르고 효과적인 작동 방법으로서 일관성 제어를 위한 연구를 위해.
• 단일 광학적 작동 장치를 사용하여 복합선 주파수와 반복 주기 모두를 동시에 잠금하는 것을 목적으로 하였다.
• 이중복합 스펙트로스코피 및 광학 주파수 합성 응용을 위해 고순도 스펙트럼과 위상 안정성을 달성하기 위해.

제안 방법

• 1550 nm 파장의 저력의 근적외선 레이저를 중적외선 QCL 복합체의 전면 표면에 조사하였다.
• RF 대역에서 NIR 빛의 강도를 변조하여 QCL 복합체의 위상과 반복 주기를 제어하였다.
• 위상 잠금을 위한 안정된 기준으로 분포형 피드백(DFB) QCL을 사용하였다.
• QCL의 운영점을 설정하고 복합체를 안정화하기 위해 전기적 전류 제어를 수행하였다.
• 광학적 작동의 전이 함수를 측정하고 전기적 작동과 비교하였다.
• 광학적 변조와 전기적 주입을 병행하여 복합선 주파수와 반복 주기를 동시에 잠금하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근적외선 광학적 주입은 QCL 복합체에서 전류 변조보다 더 빠르고 효과적인 위상 잠금을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 QCL 복합체 안정화에서 전기적 작동의 한계는 무엇이며, 광학적 주입은 이를 우회할 수 있는가?
• RQ3 단일 광학적 작동 장치를 사용하여 복합선 주파수와 반복 주기를 동시에 일관성 있게 제어할 수 있는가?
• RQ4 잠금 대역폭과 위상 노이즈 측면에서 광학적 주입 방식은 전기적 작동 방식보다 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 근적외선 레이저의 광학적 주입을 통해 DFB 레이저에 QCL 복합선을 위상 잠금하는 데 2 MHz의 잠금 대역폭을 달성하였다.
• 잔류 위상 노이즈가 200 mrad로 감소하여 고순도 스펙트럼을 입증하였다.
• QCL는 빠른 근적외선 광검출기로 기능하여 NIR 빛의 강도 변조를 통해 효과적인 주입 잠금이 가능하다.
• NIR 빛의 강도 변조를 이용하여 QCL 복합체의 반복 주기를 성공적으로 주입 잠금하였다.
• 광학적 작동 방식은 전기적 전류 제어의 내재된 노이즈 한계를 피하기 위해 더 빠른 시간 스케일에서 작동함으로써 이를 우회한다.
• 광학적 및 전기적 작동을 병행하여 복합체의 두 가지 자유도—선 주파수와 반복 주기—를 동시에 잠금하였다.