[논문 리뷰] Femtosecond pulse amplification on a chip

Mahmoud Gaafar, Markus Ludwig외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMOS 호환성 있는 광학 칩에서 1 GHz 반복률의 캐리어 펄스를 50배 이상 증폭하여 800 W의 피크 전력과 116 fs 펄스 지속시간을 달성하였다. 전반적인 정상 분산(ANDi) 구조, 큰 모드 면적을 가진 텔루륨 도핑된(Tm:Al2O3) 파손, 그리고 캐리어 펄스 증폭(CPA) 기반 아키텍처를 통해 저자들은 강한 칩 내 비선형 효과를 억제하고, 이전에는 테이블탑 시스템에서만 가능했던 수준의 피크 전력을 갖춘 칩 통합 펌프 펄스 소스를 실현하였다.

ABSTRACT

Femtosecond laser pulses enable the synthesis of light across the electromagnetic spectrum and provide access to ultrafast phenomena in physics, biology, and chemistry. Chip-integration of femtosecond technology could revolutionize applications such as point-of-care diagnostics, bio-medical imaging, portable chemical sensing, or autonomous navigation. However, current sources lack the required power, and the on-chip amplification of femtosecond pulses is an unresolved challenge. Here, addressing this challenge, we report >50-fold amplification of 1~GHz repetition-rate chirped femtosecond pulses in a CMOS-compatible photonic chip to 800 W peak power with 116 fs pulse duration. Nonlinear effects, usually a hallmark of integrated photonics but prohibitive to pulse amplification are mitigated through all-normal dispersion, large mode-area rare-earth-doped gain waveguides. These results offer a pathway to chip-integrated femtosecond technology with power-levels characteristic of table-top sources.

연구 동기 및 목표

• 칩 내 펌프 펄스 소스의 낮은 피크 전력이라는 핵심 제약를 극복하여 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.
• 낮은 피크 전력에서도 강한 비선형 효과로 인해 초단파 펄스가 왜곡되는 문제를 해결하기 위해.
• 칩 내에서 펌프 펄스를 보다 강력한 보행자 레이저 시스템 수준의 전력 수준으로 증폭함으로써 칩 기반 초고속 포토닉스의 실현 가능성을 높이기 위해.
• 혁신적인 파손 및 증폭 설계를 통해 고피크 전력, 근접 변환한계 펄스를 구현할 수 있는 CMOS 호환 광학 플랫폼을 개발하기 위해.

제안 방법

• 시간적으로 펄스를 연장하여 피크 전력을 낮추고 비선형 효과를 억제하기 위해 캐리어 펄스 증폭(CPA) 기반 아키텍처를 구현한다.
• 자기 위상 변조 및 스펙트럼 확장 방지를 위해 전반적인 정상 분산(ANDi) 파손을 사용한다.
• 실리콘 질화물(Si3N4) 기반에 텔루륨 도핑된 알루미나(Tm:Al2O3) 코어를 사용하여 효율적이고 저손실의 증폭이 가능한 큰 모드 면적(LMA) 파손을 설계한다.
• 직접 파손 구조에 희토류 도핑된 증폭 매질(Tm:Al2O3)을 통합하여 칩 내 광학 증폭을 가능하게 한다.
• 시간 및 주파수 도메인에서 증폭 역학을 기술하는 비선형 슈뢰딩거 방정식(NLSE) 프레임워크를 사용하여 모델링한다.
• 에너지 전이 상향 변환(ETU)을 포함한 Tm3+ 에너지 수준에 대한 비율 방정식을 통합한 수치 모델을 사용하여 증폭 역학을 시뮬레이션하고 성능 예측을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100 W 이상의 피크 전력을 갖는 펌프 펄스 증폭이 칩 기반에서 가능할 수 있는가? 이는 실용적 응용에 충분한 수준인가?
• RQ2 전반적인 정상 분산 및 큰 모드 면적 파손을 통해 칩 내 증폭 과정에서 유해한 비선형 효과를 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 칩 통합 증폭기가 근접 변환한계 펄스를 유지하면서 50배 이상의 증폭을 달성하고, 높은 스펙트럼 및 시간 도메인 정밀도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 CMOS 호환 플랫폼에 희토류 도핑된 증폭 매질(Tm:Al2O3)을 통합함으로써 고이득, 저손실의 초단파 펄스 증폭이 어떻게 가능해지는가?
• RQ5 비선형 왜곡이 지배적이게 되기 전에 완전히 통합된 칩 내 펌프 펄스 증폭기에서 도달 가능한 최대 피크 전력은 얼마인가?

주요 결과

• 칩은 1 GHz 반복률의 캐리어 펌프 펄스를 50배 증폭하여 피크 전력 800 W, 펄스 지속시간 116 fs를 달성하였다.
• 출력 펄스는 거의 변환한계에 가까워, 증폭 및 압축 후 높은 시간적·스펙트럼 품질을 유지함을 나타낸다.
• 시스템은 116 fs 펄스 지속시간과 800 W 피크 전력으로 작동하여 이전에 보고된 칩 기반 소스 대비 2~3개의 주기적 향상을 보였다.
• 전반적인 정상 분산(ANDi) 파손의 사용은 증폭 중 자기 위상 변조 및 기타 비선형 왜곡을 효과적으로 억제하였다.
• 실리콘 질화물(Si3N4) 기반의 큰 모드 면적(LMA) 파손에 Tm:Al2O3를 활성 코어로 사용함으로써, 모드 구속 유도 비선형 효과를 최소화하면서 효율적이고 저손실의 증폭이 가능했다.
• 수치 모델링을 통해 증폭기 설계가 낮은 비선형 위상 이동과 높은 증폭 효율을 유지함을 확인하였으며, 이는 실험 결과를 검증하였다.