[論文レビュー] Semiconductor ring laser frequency combs with active directional couplers

Dmitry Kazakov, Theodore P. Letsou+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、統合されたアクティブな方向性コピュラーを備えた電気駆動型半導体リング量子カスケードレーザーを示しており、室温で10 mWを超える出力パワーを持つ自己開始型周波数コンブを生成する。モードインデックス、品質因数、結合係数を閾値未満で独立して制御可能であるため、位相整合された四波混合を介したコherent外部制御が可能となり、PT対称性の破れのような特異な光子的領域へのアクセスも可能となる。

ABSTRACT

Rapid development of Fabry-Perot quantum cascade laser frequency combs has converted them from laboratory devices to key components of next-generation fast molecular spectrometers. Recently, free-running ring quantum cascade lasers allowed generation of new frequency comb states induced by phase turbulence. In absence of efficient light outcoupling, ring quantum cascade lasers are not suited for applications as they are limited in their power output to microwatt levels. Here we demonstrate electrically pumped ring quantum cascade lasers with integrated active directional couplers. These devices generate self-starting frequency combs and have output power above ten milliwatts at room temperature. We study the transmission of the ring-waveguide resonator system below the lasing threshold, which reveals the ability to individually control the mode indices in the coupled resonators, their quality factors, and the coupling coefficient. When the ring resonator is pumped above the lasing threshold, the intracavity unidirectional single-mode field parametrically amplifies an externally injected signal tuned into one of the ring resonances, generating an idler sideband via four-wave mixing. The ability to inject external optical signals into integrated laser cavities brings into reach coherent control of frequency comb states in ring semiconductor lasers. Furthermore, tunable coupled active resonators pumped below the lasing threshold enable a versatile platform for the studies of resonant electromagnetic effects, ranging from strong coupling to parity-time symmetry breaking.

研究の動機と目的

• 分子分光法および光通信におけるチップスケール応用を想定したコンactで高出力の周波数コンブ源の開発。
• 自由走行リングQCLではマイクロワットレベルの出力に制限される問題を、効率的な光出射を実現するアクティブな方向性コピュラーの統合により克服。
• 外部光注入とパラメトリック四波混合を用いた周波数コンブ状態のコherent制御の実現。
• 統合光子系における強い結合、ファノ共鳴、PT対称性の破れを研究するためのチューナブルで電気的に制御可能なプラットフォームの構築。

提案手法

• ラクレスタイプの量子カスケードレーザー共振器にアクティブな方向性コピュラーを統合し、双方向および単方向発光を可能にする。
• リングレーザー共振器（RT）と波ガイドコピュラー（WG）を別々の電気的接触でバイアスすることで、モードインデックス、品質因数、結合係数を独立して制御可能となる。
• 発光閾値未満でのRT-WGシステムの透過特性を、可変周波数のプローブレーザーを用いて測定し、共鳴エネルギーのシフト、ライン幅の狭小化、結合状態の遷移をマッピング。
• 複素モードインデックスと熱的クロストークを組み込んだ伝達行列モデルを用い、実験的透過データに適合させ、デバイスパラメータを抽出。
• 閾値を超えた状態で外部信号をRT共振器に注入し、四波混合を誘発。ポンプ周波数を中心に対称的なイドラー側帯が生成される。
• 複数の共鳴にわたる注入周波数のチューニングにより、パラメトリック増幅を実証し、ソリトンおよび高調波コンブ生成の条件を探索。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブな方向性コピュラーは、室温で高出力で自己開始型周波数コンブ動作を実現可能か？
• RQ2 結合共振器系のモードインデックス、品質因数、結合係数は、発光閾値未満でどの程度電気的にチューニング可能か？
• RQ3 単方向発光を行うリングQCLに外部光を注入することで、四波混合を介したコherentなパラメトリック側帯生成が可能か？
• RQ4 統合されたシステムは、電気的制御により強いつながりやPT対称性の破れといった特異な光子的領域にアクセス・安定化可能か？
• RQ5 波ガイドとリング共振器間の熱的クロストークは、結合系の透過および結合ダイナミクスにどのように影響を及えるか？

主な発見

• 室温で10 mWを超える出力パワーを持つ自己開始型周波数コンブ動作を達成。自由走行リングQCLのマイクロワットレベルの制限を克服。
• 閾値未満では、RT電流の増加に伴い、共振線幅の狭小化とモードインデックスのシフトが観察され、吸収の低減と熱的デチューニングの低下を示唆。
• 実験的透過データは、複素モードインデックスと熱的クロストークを考慮した伝達行列モデルと驚くほどよく一致し、基本モードインデックス、電流単位あたりのインデックス変化、パワー結合係数といった主要パラメータの抽出が可能となった。
• WG電流を変化させることで、パワー結合係数を電気的にチューニング可能であり、アンダーカップリングからオーバーカップリングへの連続的遷移が可能。
• 閾値を超えた状態で、外部信号の注入により四波混合が誘発され、ポンプ周波数を中心に対称的なイドラー側帯が生成され、パラメトリック増幅とコherent制御の可能性が確認された。
• 本システムは、強いつながり、ファノ共鳴、PT対称性の破れといった広範な光子的現象に、個々の共振器の完全な電気的制御によりアクセス可能となった。