[论文解读] Monolithically integrated high-power narrow-bandwidth microdisk laser

Jianglin Guan, Chuntao Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2022

Photonic and Optical Devices被引用 7

一句话总结

本文提出了一种单片集成的片上微盘激光器，采用高-Q多边形驻波导模，实现了0.11 MHz的窄线宽和室温下62.1 μW的最大输出功率。该器件采用光刻辅助化学机械刻蚀工艺，制造出与波导耦合的长腔微盘，实现了单频运转，同时具备超窄带宽和高功率特性。

ABSTRACT

Integrated on-chip microdisk lasers have attracted great attention as a light source of compact size, low lasing threshold and narrow bandwidth. However, challenges remain unresolved in terms of single mode operation at high output power while maintaining the ultra-narrow bandwidth. In this work, we demonstrate monolithically integrated on-chip single-frequency microdisk lasers coupled with bus-waveguides fabricated by photolithography assisted chemo-mechanical etching. Owing to the high-Q factor of a polygon whispering gallery mode formed in the microdisk and long cavity lengths (e.g., 409 um and 1 mm), a microdisk laser with a narrow linewidth of 0.11 MHz and a maximum output power of 62.1 uW has been achieved at room temperature.

研究动机与目标

• 在片上微盘激光器中实现高功率、单频运转，同时保持超窄谱带宽。
• 克服在集成微盘激光器中同时实现高输出功率和窄线宽的挑战。
• 展示微盘激光器与波导的单片集成，以实现高效的片上光传输。
• 通过结合高Q因子、长腔长和紧凑尺寸，实现实用的光子集成电路。

提出的方法

• 采用光刻辅助化学机械刻蚀工艺制造微盘谐振腔，以实现高质量（高-Q）因子结构。
• 设计多边形微盘以支持具有高Q因子和长光程的驻波导模（WGMs）。
• 将波导直接与微盘谐振腔集成，以实现高效耦合和片上光提取。
• 采用长腔长（409 μm 和 1 mm）以增强模式选择性并减小谱线宽。
• 在室温下运行，以证明其在片上光子系统中的实际可行性。
• 通过在高-Q、长腔微盘结构中抑制模式竞争，实现单频激光运转。

实验结果

研究问题

• RQ1 微盘激光器与波导的单片集成能否同时实现高输出功率和超窄线宽？
• RQ2 在微盘谐振腔中增加腔长对谱线宽和阈值功率有何影响？
• RQ3 高-Q多边形驻波导模在片上集成激光器中支持单频运转的程度如何？
• RQ4 在保持线宽低于0.15 MHz的前提下，单片集成微盘激光器可实现的最大输出功率是多少？
• RQ5 光刻辅助化学机械刻蚀能否可靠地制备适用于高性能片上激光器的高-Q微盘结构？

主要发现

• 在室温下，单片集成微盘激光器实现了0.11 MHz的线宽，证明了其超窄谱发射特性。
• 该器件实现了62.1 μW的最大输出功率，为目前报道的片上单频微盘激光器中最高之一。
• 成功在微盘结构中实现了409 μm和1 mm的长腔长，以增强模式选择性并减小线宽。
• 多边形驻波导模的高-Q因子实现了高效的单频运转，且谱线展宽极小。
• 实现了与波导的单片集成，实现了高效的片上光耦合和器件的实用化可扩展性。
• 成功实现了室温运行，证实了该器件在实际光子集成电路中的可行性。