[论文解读] Integrated Waveguide Brillouin Laser

Sarat Gundavarapu, Matthew W. Puckett+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 26被引用 13

一句话总结

本论文首次在晶圆级 Si3N4/SiO2 平台实现了单片集成波导布里渊激光器，在高达10阶斯托克斯级联的条件下实现了超过2800万的 loaded Q 因子。非声学导波结构设计实现了宽布里渊增益带宽、低阈值和高腔内光功率，从而实现了高性能、芯片级集成、低噪声的相干光源，适用于光子学应用。

ABSTRACT

The demand for high-performance chip-scale lasers has driven rapid growth in integrated photonics. The creation of such low-noise laser sources is critical for emerging on-chip applications, ranging from coherent optical communications, photonic microwave oscillators remote sensing and optical rotational sensors. While Brillouin lasers are a promising solution to these challenges, new strategies are needed to create robust, compact, low power and low cost Brillouin laser technologies through wafer-scale integration. To date, chip-scale Brillouin lasers have remained elusive due to the difficulties in realization of these lasers on a commercial integration platform. In this paper, we demonstrate, for the first time, monolithically integrated Brillouin lasers using a wafer-scale process based on an ultra-low loss Si3N4/SiO2 waveguide platform. Cascading of stimulated Brillouin lasing to 10 Stokes orders was observed in an integrated bus-coupled resonator with a loaded Q factor exceeding 28 million. We experimentally quantify the laser performance, including threshold, slope efficiency and cascading dynamics, and compare the results with theory. The large mode volume integrated resonator and gain medium supports a TE-only resonance and unique 2.72 GHz free spectral range, essential for high performance integrated Brillouin lasing. The laser is based on a non-acoustic guiding design that supplies a broad Brillouin gain bandwidth. Characteristics for high performance lasing are demonstrated due to large intra-cavity optical power and low lasing threshold power. Consistent laser performance is reported for multiple chips across multiple wafers. This design lends itself to wafer-scale integration of practical high-yield, highly coherent Brillouin lasers on a chip.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、低功耗、低成本的芯片级激光源，用于集成光子系统。
• 克服在商用集成平台中实现稳定、高性能布里渊激光器的挑战。
• 实现布里渊激光器在晶圆尺度上的集成，具备高良率和一致的性能表现。
• 展示适用于光通信、微波生成和传感等应用的高相干性、低噪声激光输出。
• 通过超低损耗波导平台，实现集成布里渊激光器的可扩展单片集成。

提出的方法

• 采用超低损耗 Si3N4/SiO2 波导平台的晶圆级制造工艺。
• 设计具有大模场体积和仅支持 TE 模式的直通耦合谐振腔，以增强光场限制和 Q 因子。
• 采用非声学导波结构，实现宽布里渊增益带宽和高效的受激布里渊散射。
• 实施单片集成方法，确保多颗芯片和多片晶圆间性能的一致性。
• 采用 2.72 GHz 自由光谱范围，以支持高性能激光输出并减少模式竞争。
• 优化腔体设计，实现高腔内光功率和低激光阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在商用硅光子学平台上实现具有高 Q 因子和低阈值的单片集成布里渊激光器？
• RQ2 在集成波导布里渊激光器中，可实现的最大级联斯托克斯阶数是多少？
• RQ3 非声学导波结构设计如何影响布里渊增益带宽和激光效率？
• RQ4 在多颗芯片和多片晶圆之间，性能一致性可达到何种程度？
• RQ5 该集成器件的关键性能指标——阈值、斜率效率和 Q 因子——分别是多少？

主要发现

• 在集成直通耦合谐振腔中，实验观测到高达10阶斯托克斯级联的受激布里渊激光。
• 谐振腔的 loaded Q 因子超过2800万，表明具有极低的传播损耗和优异的光场限制能力。
• 由于高腔内光功率和高效的增益介质，激光表现出极低的阈值功率。
• 非声学导波结构设计实现了宽布里渊增益带宽，支持高性能激光输出。
• 在多颗芯片和多片晶圆上均实现了稳定的激光性能，证明了高良率和可扩展性。
• 器件具有 2.72 GHz 的自由光谱范围，支持高相干性工作并减少模式竞争。