[论文解读] Recent Advances in Laser Self-Injection Locking to High-$Q$ Microresonators

Nikita M. Kondratiev, Valery E. Lobanov+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 4

一句话总结

本文综述了近期在高Q微腔中实现激光自注入锁频方面的进展，通过使用超高品质因子Si3N4微腔对半导体激光器进行频率稳定，实现了亚赫兹线宽。该技术可实现芯片级、低噪声激光器，并具备集成频率梳生成的潜力，为紧凑、低成本、高性能激光系统提供了可行路径。

ABSTRACT

The stabilization and manipulation of laser frequency by means of an external cavity are nearly ubiquitously used in fundamental research and laser applications. While most of the laser light transmits through the cavity, in the presence of some back-scattered light from the cavity to the laser, the self-injection locking effect can take place, which locks the laser emission frequency to the cavity mode of similar frequency. The self-injection locking leads to dramatic reduction of laser linewidth and noise. Using this approach, a common semiconductor laser locked to an ultrahigh-$Q$ microresonator can obtain sub-hertz linewidth, on par with state-of-the-art fiber lasers. Therefore it paves the way to manufacture high-performance semiconductor lasers with reduced footprint and cost. Moreover, with high laser power, the optical nonlinearity of the microresonator drastically changes the laser dynamics, offering routes for simultaneous pulse and frequency comb generation in the same microresonator. Particularly, integrated photonics technology, enabling components fabricated via semiconductor CMOS process, has brought increasing and extending interest to laser manufacturing using this method. In this article, we present a comprehensive tutorial on analytical and numerical methods of laser self-injection locking, as well a review of most recent theoretical and experimental achievements.

研究动机与目标

• 提供激光自注入锁频的分析与数值方法的全面教程。
• 回顾利用高Q微腔稳定半导体激光器的近期理论与实验进展。
• 探讨自注入锁频在实现超窄线宽、芯片级激光器方面的潜力，其应用涵盖计量学与集成光子学。
• 识别基于微腔的自注入锁频系统中长期频率稳定性和非线性动力学方面的开放性挑战。

提出的方法

• 通过将高Q微腔中反射的少量激光光反馈至激光二极管的增益介质，实现激光频率与腔模锁定。
• 采用基于耦合模理论和Lang-Kobayashi方程的理论模型，描述半导体激光器中自注入锁频的动力学行为。
• 应用数值模拟分析反馈强度与失谐变化下的稳定性、线宽压缩及非线性动力学。
• 综述使用Q因子超过10^7的Si3N4微腔的实验实现，实现亚赫兹线宽。
• 研究光学非线性（克尔、拉曼、布里渊）在实现同时生成频率梳与脉冲中的作用。
• 探索热稳定化技术与集成致动（如PZT）以减轻封装芯片模块中的频率漂移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非Si3N4材料中，不同光学非线性（如拉曼、布里渊）如何影响自注入锁频的动力学行为？
• RQ2 耦合微腔系统是否能相比单个微腔，显著提升自注入锁频激光器的稳定性和效率？
• RQ3 自注入锁频激光器中长期频率漂移的主要来源是什么？如何在不增加尺寸或功耗的前提下加以抑制？
• RQ4 自注入锁频在集成光子平台中能在多大程度上实现‘即插即用’操作，以支持实际应用？
• RQ5 反馈强度、失谐与非线性之间的相互作用如何影响连续波向孤子频率梳生成的过渡？

主要发现

• 自注入锁频至高Q微腔可将激光线宽压缩至亚赫兹量级，性能媲美最先进的光纤激光器。
• 超高品质因子Si3N4微腔（Q > 10^7）可在反馈功率低至总输出10^-4的条件下实现有效频率稳定。
• 微腔中的光学非线性可实现频率梳与脉冲的同时生成，尤其在孤子工作区域表现显著。
• Si3N4中约50 MHz/0.01 °C的热漂移限制了长期稳定性，凸显了在芯片级封装中采用先进热管理的必要性。
• 集成PZT致动器与结构调谐可提升反馈调谐效率与稳定性，降低对外部扰动的敏感性。
• 耦合微腔系统在提升连续波到孤子转换效率方面展现出潜力，为实现稳定、高效频率梳运行提供了新途径。