[论文解读] A single-frequency single-resonator laser on erbium-doped lithium niobate on insulator

Tieying Li, Kan Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics参考文献 32被引用 6

一句话总结

该论文通过利用模式依赖的损耗与受激辐射增益竞争，在单个铒掺杂绝缘衬底上铌酸锂（Er:LNOI）微环谐振器上实现了单频单模激光。该器件实现了2.1 µW的输出功率、35.5 dB的边模抑制比以及1.27 MHz的线宽，实现了无需复杂多谐振腔结构的紧凑片上激光器。

ABSTRACT

Erbium-doped lithium niobate on insulator (Er:LNOI) is a promising platform for photonic integrated circuits as it adds gain to the LNOI system and enables on-chip lasers and amplifiers. A challenge for Er:LNOI laser is to increase its output power while maintaining single-frequency and single (-transverse)-mode operation. In this work, we demonstrate that single-frequency and single-mode operation can be achieved even in a single multi-mode Er:LNOI microring by introducing mode-dependent loss and gain competition. In a single microring with a free spectral range of 192 GHz, we have achieved single-mode lasing with an output power of 2.1 microwatt, a side-mode suppression of 35.5 dB, and a linewidth of 1.27 MHz.

研究动机与目标

• 在Er:LNOI平台上实现高性能片上激光器，具备单频单模工作特性。
• 解决Er:LNOI中单个多模微环谐振器的多模激光问题。
• 在单个谐振腔中实现高输出功率，同时保持光谱纯度和单模工作状态。
• 消除对复杂多谐振腔或外部滤波结构的依赖。
• 展示一种适用于光子集成电路的紧凑集成激光源。

提出的方法

• 采用自由光谱范围为192 GHz的单个多模铒掺杂绝缘衬底上铌酸锂（Er:LNOI）微环谐振器。
• 通过设计模式依赖的损耗与增益竞争机制，抑制竞争的纵向模式。
• 利用Er:LNOI的本征材料特性在谐振腔内提供光学生长。
• 通过优化谐振腔几何结构和泵浦功率，使单一纵向模式占优。
• 通过空间模式竞争实现类似分布反馈的机制，而非周期性光栅结构。
• 通过放大的自发辐射与不同横向模式间损耗差异的相互作用实现光谱调控。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单个多模Er:LNOI微环谐振器中实现单频单模激光？
• RQ2 在不使用外部滤波器或复杂腔体设计的情况下，何种机制可抑制多模激光？
• RQ3 在单个谐振腔中，单模工作状态下可实现的最大输出功率是多少？
• RQ4 模式依赖的损耗与增益竞争如何影响光谱纯度和线宽？
• RQ5 系统能否同时保持高边模抑制比与窄线宽？

主要发现

• 激光在单个Er:LNOI微环谐振器中实现了2.1微瓦的单模输出功率。
• 测得边模抑制比（SMSR）为35.5 dB，证实了强烈的单模工作特性。
• 激光线宽测量值为1.27 MHz，表明光谱纯度高。
• 系统在无需外部滤波器或多谐振腔耦合的情况下保持了单频单模工作状态。
• 所有结果仅通过单个谐振腔内的本征模式竞争机制实现。
• 该方法实现了在Er:LNOI平台上高性能、紧凑、集成化的片上激光器。