[论文解读] Self-injection-locked second-harmonic integrated source

Jingwei Ling, Jeremy Staffa+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种混合集成的芯片级激光源，通过周期性畴反转钛酸锂（LNOI）微腔中的自注入锁定二次谐波生成（SHG），实现了高相干性的可见光和近可见光。通过同时实现泵浦激光线宽展宽抑制和频率倍频的谐振增强，该器件实现了小于30 kHz的线宽和超过2 mW的片上输出功率，外部泵浦测试的转换效率超过25%，展示了低成本、超稳定片上光学生命周期的可扩展路径。

ABSTRACT

High coherence visible and near-visible laser sources are centrally important to the operation of advanced position/navigation/timing systems as well as classical/quantum sensing systems. However, the complexity and size of these bench-top lasers is an impediment to their transitioning beyond the laboratory. Here, a system-on-a-chip that emits high-coherence visible and near-visible lightwaves is demonstrated. The devices rely upon a new approach wherein wavelength conversion and coherence increase by self-injection-locking are combined within in a single nonlinear resonator. This simplified approach is demonstrated in a hybridly-integrated device and provides a short-term linewidth around 10-30 kHz. On-chip, converted optical power over 2 mW is also obtained. Moreover, measurements show that heterogeneous integration can result in conversion efficiency higher than 25% with output power over 11 mW. Because the approach uses mature III-V pump lasers in combination with thin-film lithium niobate, it can be scaled for low-cost manufacturing of high-coherence visible emitters. Also, the coherence generation process can be transferred to other frequency conversion processes including optical parametric oscillation, sum/difference frequency generation, and third-harmonic generation.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑的片上高相干可见光和近可见光光源，用于光学钟、量子信息和精密计量应用。
• 通过将频率转换和相干性增强集成到单一非线性谐振腔中，克服传统大型台式激光器的局限性。
• 展示一种自注入锁定二次谐波生成（SHG）系统，可同时实现泵浦激光线宽展宽抑制和SHG效率增强，且无需外部反馈控制。
• 利用成熟的III-V泵浦激光器和薄膜铌酸锂平台，实现高性能光学光源的可扩展、低成本制造。
• 验证自注入锁定机制在其他非线性过程（如光学参量振荡和三次谐波生成）中的可扩展性。

提出的方法

• 采用混合集成器件，将分布反馈（DFB）InP激光器与周期性畴反转的绝缘体上铌酸锂（LNOI）跑道形微腔耦合，实现自注入锁定与二次谐波生成的同步进行。
• 通过设计4.3 µm的周期性畴反转，使LNOI谐振腔实现基模（1560 nm）与二次谐波模（780 nm）的准相位匹配，从而实现高效的频率转换。
• 通过高Q值谐振模式的弱反向散射将信号反馈至DFB激光器，实现自注入锁定，从而抑制泵浦激光的频率噪声并增强相干性。
• 系统采用自本振混频法测量泵浦激光线宽，采用同频混频法测量二次谐波输出，两者均采用相位稳定光纤延迟和平衡探测技术。
• 通过比较泵浦信号与二次谐波信号的频率噪声谱，量化噪声抑制效果，结果显示6 dB的偏移，与SHG的物理机制一致。
• 器件制造采用电子束光刻、离子束刻蚀和剥离工艺制备波导与电极，通过刻蚀后的周期性畴反转优化SHG效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单一非线性谐振腔中有效结合自注入锁定与二次谐波生成，实现无需外部伺服控制的高相干可见光？
• RQ2 通过非线性过程，泵浦激光的相干性在多大程度上可被最小相位噪声地传递至二次谐波输出？
• RQ3 在采用标准III-V DFB泵浦激光器的混合集成LNOI平台上，可实现的转换效率和片上输出功率是多少？
• RQ4 当系统从混合集成过渡到耦合损耗更低的全异质集成时，性能如何变化？
• RQ5 自注入锁定机制能否推广至其他非线性频率转换过程，如光学参量振荡或三次谐波生成？

主要发现

• 自注入锁定的二次谐波光源在780 nm输出处实现了低于30 kHz的线宽（最低达10 kHz），证明了无需外部频率稳定即可实现高相干性。
• 在混合集成配置下，片上二次谐波输出功率超过2 mW，外部泵浦测试测得的转换效率超过25%。
• 当使用外部泵浦激光器时，最大二次谐波输出功率达到11.3 mW，表明在降低耦合损耗后性能仍有显著提升空间。
• 泵浦光与二次谐波光的频率噪声谱显示精确的6 dB偏移，证实相干性通过非线性过程有效传递，验证了自注入锁定机制的可靠性。
• 器件在1559.5 nm的DFB激光器下工作，通过自注入锁定实现10–30 kHz的线宽，温度稳定性保持在1 mK以内。
• 该方法可扩展至其他非线性过程，如光学参量振荡、和频/差频生成以及三次谐波生成，为集成光子学的广泛应用提供支持。