[논문 리뷰] Hybrid integrated near UV lasers using the deep-UV Al2O3 platform

Cornelis A. A. Franken, W. A. P. M. Hendriks외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 22.

Photonic and Optical Devices인용 수 19

한 줄 요약

Al2O3 딥-UV 플랫폼을 이용한 최초의 하이브리드 통합 근자외선(near-UV) 레이저를 시연하여 0.74 mW 섬유결합 출력(칩에서 대략 3.5 mW) 및 408.1 nm에서 403.7 nm까지 >4.4 nm의 조정 범위를 달성한다.

ABSTRACT

Hybrid integrated diode lasers have so far been realized using silicon, polymer, and silicon nitride (Si3N4) waveguide platforms for extending on-chip tunable light engines from the infrared throughout the visible range. Here we demonstrate the first hybrid integrated laser using the aluminum oxide (Al2O3) deep-UV capable waveguide platform. By permanently coupling low-loss Al2O3 frequency-tunable Vernier feedback circuits with GaN double-pass amplifiers in a hermetically sealed housing, we demonstrate the first extended cavity diode laser (ECDL) in the near UV. The laser shows a maximum fiber-coupled output power of 0.74 mW, corresponding to about 3.5 mW on chip, and tunes more than 4.4 nm in wavelength from 408.1 nm to 403.7 nm. Integrating stable, single-mode and tunable lasers into a deep-UV platform opens a new path for chip-integrated photonic applications.

연구 동기 및 목표

• 알루미나 Al2O3 플랫폼을 사용하여 딥-UV 영역에서 칩 규모의 하이브리드 통합 다이오드 레이저를 시연한다.
• 가 GaN/InGaN 이중 패스 증폭기를 Al2O3 피드백 회로에 연결해 가변적이고 단일 파장의 동작을 구현한다.
• 장기 안정성을 위한 밀봉 포장 및 UV 친화적 본딩을 달성한다.
• 단일 모드의 가변 UV 출력을 가능하게 하도록 도파경 손실, 결합 및 Vernier 필터 성능을 특성화한다.

제안 방법

• SiO2 피복에 내장된 Al2O3 코어를 제작하여 촘촘히 가이드되는 단일 모드 UV 전파를 제공한다.
• 주파수 선택 피드백을 위한 Vernier 구성에서 순차적 Al2O3 마이크로링 공진기를 설계하고 제작한다.
• UV-친화적 본딩을 통해 405 nm InGaN/GaN 이중 패스 증폭기를 Al2O3 피드백 칩과 통합한다.
• Vernier 필터와 출력 커플러의 위상과 결합을 조정하기 위한 열광학 마이크로히터를 구현한다.
• 안정성을 위해 질소/아르곤 가스 환경으로 밀봉된 버터플라이 패키지에 증폭기와 피드백 칩을 포장한다.
• 전파 손실, 결합, Vernier 필터 전송 특성을 특성화하여 최적의 결합 (κ^2) 및 Q 인자를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 깊은 자외선(딥-UV) Al2O3 플랫폼이 UV GaN/inGaN 증폭기와 결합될 때 안정적이고 가변적인 하이브리드 통합 레이저를 지원하는가?
• RQ2 이 플랫폼에서 달성 가능한 출력 전력, 조정 범위, 스펙트럴 순도(SMSR), 그리고 코히어런스/레이저 선폭은 무엇인가?
• RQ3 전파 손실, 결합 및 Vernier 필드 설계가 근자외선에서 레이저 성능과 안정성에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 장기 UV 작동을 위한 포장 및 밀봉 요건은 무엇인가?

주요 결과

• 최대 섬유결합 출력 전력은 0.74 ± 0.04 mW(칩상 약 3.5 ± 0.5 mW).
• 레이저의 조정은 408.1에서 403.7 nm로 >4.4 nm를 달성한다.
• 다양한 κ^2 설정에서 단일 파장 동작과 SMSR 42–43 dB를 달성한다.
• 레이저는 모드 홉 없이 적어도 84분 동안 작동하며 드리프트가 1.6 GHz 이하이고 최종 안정화는 수십 MHz 이내이다.
• 상관관계가 있는 것으로 추정되는 위상 시간은 약 25 MHz 또는 그 이하의 선폭을 나타내는 지연 자기변조 측정에 근거해 코히어렌스 시간을 추정한다.
• Al2O3 도파로의 전파 손실은 2.8 ± 0.3 dB/cm로 측정되며 칩-섬유 결합 손실은 ~10.2 ± 0.8 dB/면이다.