[论文解读] Integrated frequency comb laser with narrow intrinsic optical linewidth based on a dielectric waveguide feedback circuit

Jesse Mak, Albert van Rees+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 47被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种混合InP-Si3N4集成频率梳激光器，通过使用低损耗介质波导电路延长腔内光子寿命，实现了34 kHz的记录最低本征光学线宽。该方法利用Si3N4波导反馈环在芯片上实现6 cm的有效光学路径长度，实现了窄线宽、电泵浦的频率梳，具有高相干性，适用于计量学和通信领域的芯片级应用。

ABSTRACT

We present an integrated hybrid semiconductor-dielectric (InP-Si$_3$N$_4$) waveguide laser that generates frequency combs at a wavelength around 1.5 $μ$m with a record-low intrinsic optical linewidth of 34 kHz. This is achieved by extending the cavity photon lifetime using a low-loss dielectric waveguide circuit. In our experimental demonstration, the on-chip, effective optical path length of the laser cavity is extended to 6 cm. The resulting linewidth narrowing shows the high potential of on-chip, highly coherent frequency combs with direct electrical pumping, based on hybrid and heterogeneous integrated circuits making use of low-loss dielectric waveguides.

研究动机与目标

• 为克服芯片级二极管激光器的根本线宽限制，此类激光器通常因短腔长和高损耗导致线宽为数十MHz。
• 证明通过低损耗介质波导延长腔内光子寿命，可显著缩小集成频率梳激光器的本征线宽。
• 开发一种基于混合InP-Si3N4集成的全集成、电泵浦频率梳激光器平台，具备高相干性和可扩展性。
• 通过优化介质波导电路和腔体工程，验证在集成频率梳中实现亚kHz线宽的可行性。

提出的方法

• 激光器采用InP基半导体光放大器（RSOA）与低损耗Si3N4波导电路的混合集成，通过端面对接耦合方式延长腔内光子寿命。
• 采用有效长度为1.2 cm（L2）的介质反馈电路，提供高反射率和低传播损耗（0.001 dB/cm），以增强往返光子寿命。
• 通过集成Si3N4波导，将腔体往返路径长度在芯片上扩展至6 cm，提高有效Q因子，降低Schawlow-Townes线宽。
• 理论线宽基于针对混合系统的Schawlow-Townes公式进行建模：Δν = (hν · (α_i + α_m)) / (2π · P_0 · g · v_g)，其中g为净增益。
• 通过功率耦合效率β考虑InP-Si3N4界面的耦合损耗，将α_c = ln(1/β)纳入内部损耗模型。
• 通过将频率梳输出与窄带参考激光器拍频测量实验线宽，验证了理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过低损耗介质波导将电泵浦、集成频率梳激光器的本征线宽降低至100 kHz以下？
• RQ2 通过Si3N4波导电路延长有效腔长，对混合InP-Si3N4激光器的光子寿命和最终线宽有何影响？
• RQ3 在锁模激光器中，与硅基平台相比，选择介质波导材料（如Si3N4）在多大程度上可减轻非线性损耗？
• RQ4 理论线宽随腔长变化的缩放关系是否可在芯片集成的频率梳系统中通过实验验证？
• RQ5 采用混合集成与低损耗介质波导的全集成电泵浦频率梳激光器，可实现的线宽极限是多少？

主要发现

• 该集成频率梳激光器实现了34 kHz的本征光学线宽，为迄今报道的全集成、电泵浦频率梳激光器中最低值。
• 实测线宽与理论预测值约16 kHz高度吻合，验证了模型与设计方法的可靠性。
• 通过Si3N4波导电路将有效腔往返路径长度扩展至6 cm，显著缩小了线宽。
• 理论计算表明，若将腔长增至15 cm，线宽可降低至约140 Hz，表明实现亚kHz运行具有潜力。
• Si3N4波导平台具备低传播损耗（0.001 dB/cm）和高折射率对比度，可最小化线性和非线性损耗，从而提升相干性。
• 该方法具备可扩展性和普适性，可推广至其他增益材料（如量子点）和波长，包括可见光波段。