[论文解读] Ultra-narrow linewidth hybrid integrated semiconductor laser

Youwen Fan, Albert van Rees+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 36被引用 11

一句话总结

本论文展示了一款混合InP-Si₃N₄二极管激光器，其本征线宽创下记录，仅为40 Hz，这是通过采用低损耗、单次往返的Si₃N₄波导电路将光腔长度扩展至0.5 m实现的，该电路集成高 finesse微环谐振器。该设计将光子寿命与高损耗半导体部件解耦，并通过使用宽带隙Si₃N₄避免非线性损耗，从而在不发生饱和的情况下实现功率依赖的线宽压缩，最低可达40 Hz。

ABSTRACT

We demonstrate a hybrid integrated and widely tunable diode laser with an intrinsic linewidth as narrow as 40 Hz, achieved with a single roundtrip through a low-loss feedback circuit that extends the cavity length to 0.5 meter on a chip. Employing solely dielectrics for single-roundtrip, single-mode resolved feedback filtering enables linewidth narrowing with increasing laser power, without limitations through nonlinear loss. We achieve single-frequency oscillation with up to 23 mW fiber coupled output power, 70-nm wide spectral coverage in the 1.55 $μ$m wavelength range with 3 mW output, and obtain more than 60 dB side mode suppression. Such properties and options for further linewidth narrowing render the approach of high interest for direct integration in photonic circuits serving microwave photonics, coherent communications, sensing and metrology with highest resolution.

研究动机与目标

• 开发一种适用于光子集成电路的混合集成二极管激光器，具备超窄本征线宽。
• 克服由波导高损耗和非线性效应引起的单片半导体激光器本征线宽限制。
• 在1.55 µm波段实现单频运转，具备高边模抑制比与宽调谐范围。
• 通过在反馈路径中避免非线性损耗机制，实现无需饱和的线宽压缩。
• 展示一种基于介质波导的可扩展平台，用于实现赫兹量级线宽的芯片级激光器。

提出的方法

• 通过将InP半导体增益芯片与低损耗Si₃N₄波导电路混合集成，将激光腔长扩展至0.5 m光往返长度。
• 采用33 mm螺旋形Si₃N₄波导结合三个级联的微环谐振器，实现在单次往返中具有高 finesse、单模分辨的光谱滤波。
• 使用Sagnac环形镜进行输出耦合（效率10%），并在InP芯片背面施加高反射率HR镀膜，构成腔镜。
• 实施单次往返滤波，实现强边模抑制（>60 dB）与无谱模跳变的稳定单频运转。
• 利用Si₃N₄的宽带隙特性抑制双光子吸收，防止高腔内光强下的非线性损耗。
• 优化泵浦电流，实现线宽与输出功率成反比的关系，符合Schawlow-Townes极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过低损耗介质波导扩展腔长，混合InP-Si₃N₄激光器能否实现低于100 Hz的本征线宽？
• RQ2 在低损耗介质电路中实现单次往返、单模分辨滤波，能否避免因非线性损耗导致的线宽压缩饱和？
• RQ3 在保持高输出功率与宽调谐范围的前提下，本征线宽能否进一步降低至40 Hz以下？
• RQ4 在具有高 finesse 滤波的混合集成平台上，线宽如何随激光输出功率变化？
• RQ5 Si₃N₄波导中无非线性损耗是否足以使线宽进一步压缩至当前40 Hz极限以下？

主要发现

• 激光器实现40 Hz的本征线宽，为迄今报道的混合或异质集成二极管激光器中最窄者。
• 线宽与输出功率成反比，符合预期的反比定律（$ ext{linewidth} imes P_{ ext{out}} = ext{constant}$），证实与Schawlow-Townes极限一致。
• 激光器可提供高达23 mW的光纤耦合输出功率，在1.55 µm波段具有70-nm谱宽覆盖，且边模抑制比超过60 dB。
• Si₃N₄波导的使用即使在高腔内光强（GW/cm²量级）下也能防止非线性损耗，从而实现无饱和的线宽压缩。
• 在多次功率扫描中，测得线宽始终低于40 Hz，且洛伦兹拟合与功率谱密度分析结果一致。
• 该平台具有可扩展性，通过进一步延长腔长与降低Si₃N₄波导损耗（最低可达0.045 dB/m），有望实现赫兹量级线宽。