[論文レビュー] Self-injection-locked second-harmonic integrated source

Jingwei Ling, Jeremy Staffa+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、周期的ポーリングLiNbO₃（LNOI）マイクロレゾネータ内での自己注入ロック型二次高調波発生（SHG）を用いて、高コherenな可視光および近可視光を実現するハイブリッド統合型チップスケールレーザ光源を提案する。ポンプレーザの線幅を同時に狭めるとともに周波数倍増強を実現することで、30 kHz未満の線幅と2 mWを超えるチップ内出力パワーを達成し、外部ポンプテストでは25%を超える変換効率を示した。これは、低コストで超高安定なチップ内光デバイスへのスケーラブルな道筋を示している。

ABSTRACT

High coherence visible and near-visible laser sources are centrally important to the operation of advanced position/navigation/timing systems as well as classical/quantum sensing systems. However, the complexity and size of these bench-top lasers is an impediment to their transitioning beyond the laboratory. Here, a system-on-a-chip that emits high-coherence visible and near-visible lightwaves is demonstrated. The devices rely upon a new approach wherein wavelength conversion and coherence increase by self-injection-locking are combined within in a single nonlinear resonator. This simplified approach is demonstrated in a hybridly-integrated device and provides a short-term linewidth around 10-30 kHz. On-chip, converted optical power over 2 mW is also obtained. Moreover, measurements show that heterogeneous integration can result in conversion efficiency higher than 25% with output power over 11 mW. Because the approach uses mature III-V pump lasers in combination with thin-film lithium niobate, it can be scaled for low-cost manufacturing of high-coherence visible emitters. Also, the coherence generation process can be transferred to other frequency conversion processes including optical parametric oscillation, sum/difference frequency generation, and third-harmonic generation.

研究の動機と目的

• 光学クロック、量子情報、高精度メトロロジー用途に向けた、コンactなチップ内高コherenな可視光および近可視光光源の開発。
• 大型でベッチトップ型のレーザーの限界を克服し、周波数変換とコherenスの強化を1つの非線形レゾネータに統合すること。
• 外部フィードバック制御を一切用いずに、ポンプレーザの線幅を狭めるとともにSHG効率を向上させる自己注入ロック型第二高調波発生（SHG）システムの実証。
• 成熟したIII-Vポンプレーザーと薄膜リチウムニオブート酸イッテイト（LNOI）プラットフォームを用いて、スケーラブルで低コストな高機能光デバイスの製造を可能にすること。
• 自己注入ロックメカニズムが、光パラメトリック発振や三次高調波発生などの他の非線形プロセスへも拡張可能かどうかの検証。

提案手法

• 分散フィードバック（DFB）インジウムヒ素化ガリウム（InP）レーザーを周期的ポーリングLiNbO₃オンインシュレータ（LNOI）レーシングトマクロレゾネータにハイブリッド統合し、同時に自己注入ロックと第二高調波発生を実現するデバイス。
• 基本波（1560 nm）と二次高調波（780 nm）モードの準位相整合を実現するため、4.3 µmのポーリング周期をLNOIレゾネータに設計。
• 高Qレゾネータモードからの微弱なバックスキャッタリングがDFBレーザーにフィードバックされ、ポンプレーザの周波数ノイズが抑制され、コherenスが向上する。
• ポンプレーザの線幅測定には自己混合干渉法、二次高調波出力測定にはホモダイン法を用い、両者とも位相安定化ファイバ遅延とバランス検出器を組み合わせた手法。
• ノイズ抑制効果は、ポンプ信号と二次高調波信号の周波数ノイズスペクトルを比較することで定量的に評価され、SHGの物理的挙動に一致する6 dBのオフセットが観測された。
• デバイスのプロセスは、電子ビームリソグラフィ、イオンビームエッチング、リフトオフ工程を用いて波導および電極を形成し、エッチング後の周期的ポーリングによりSHG効率を最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの非線形レゾネータ内で自己注入ロックと第二高調波発生を有効に統合し、外部サーボ制御を一切用いずに高コherenな可視光を実現できるか？
• RQ2 非線形プロセスによる位相ノイズを最小限に抑えながら、ポンプレーザのコherenスが二次高調波出力にどの程度効果的に伝達されるか？
• RQ3 標準的なIII-V DFBポンプレーザーを用いたハイブリッド統合LNOIプラットフォームで、達成可能な変換効率とチップ内出力パワーはどの程度か？
• RQ4 結合損失を低減した完全に異種統合された構造に移行した場合、システムの性能はどの程度スケーリングするか？
• RQ5 自己注入ロックメカニズムは、光パラメトリック発振や三次高調波発生などの他の非線形周波数変換プロセスへ一般化可能か？

主な発見

• 自己注入ロック型第二高調波発生源は、780 nm出力で30 kHz未満（最良で10 kHz）の線幅を達成し、外部周波数安定化を一切用いずに高コherenスを実現した。
• ハイブリッド統合構成でチップ内第二高調波出力が2 mWを超えた。外部ポンプテストでは25%を超える測定変換効率を達成した。
• 外部ポンプレーザを用いた場合、最大で11.3 mWの第二高調波出力が得られ、結合損失を低減すればさらなる性能向上の余地が大きいことが示された。
• ポンプと二次高調波の周波数ノイズスペクトルには正確に6 dBのオフセットが観測され、コherenスが非線形プロセスを介して効果的に伝達されており、自己注入ロックメカニズムの妥当性が裏付けられた。
• DFBレーザー（1559.5 nm）を用いて、自己注入ロックにより10–30 kHzの線幅を達成し、温度安定性は1 mK以内を維持した。
• 本手法は、光パラメトリック発振、周波数合成/差周波数生成、三次高調波発生などの他の非線形プロセスへも応用可能であり、統合フォトニクス分野における幅広い応用が可能である。