[论文解读] Semiconductor ring laser frequency combs induced by phase turbulence

Marco Piccardo, Benedikt Schwarz+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用 17

一句话总结

本文表明，半导体环形激光器产生频率梳并非如传统预期的通过空间烧孔效应，而是通过快增益介质中振幅-相位耦合引发的相位不稳定性。作者通过复桂林-朗道方程（CGLE）分析揭示，环形激光器频率梳与克尔频率梳之间存在联系，揭示了非线性光学系统中普遍存在的机制。

ABSTRACT

Semiconductor ring lasers are miniaturized devices that operate on clockwise and counterclockwise modes. These modes are not coupled in the absence of intracavity reflectors, which prevents the formation of a standing wave in the cavity and, consequently, of a population inversion grating. This should inhibit the onset of multimode emission driven by spatial hole burning. Here we show that, despite this notion, ring quantum cascade lasers inherently operate in phase-locked multimode states, that switch on and off as the pumping level is progressively increased. By rewriting the master equation of lasers with fast gain media in the form of the complex Ginzburg-Landau equation, we show that ring frequency combs stem from a phase instability---a phenomenon also known in superconductors and Bose-Einstein condensates. The instability is due to coupling of the amplitude and phase modulation of the optical field in a semiconductor laser, which plays the role of a Kerr nonlinearity, highlighting a connection between laser and microresonator frequency combs.

研究动机与目标

• 理解在缺乏空间烧孔效应的情况下，半导体环形激光器中多模振荡与频率梳生成的机制。
• 研究此前被空间烧孔效应掩盖的相位不稳定性是否可驱动环形腔体中的多模发射。
• 通过复桂林-朗道方程（CGLE）建立半导体环形激光器频率梳与克尔微腔频率梳之间的理论与实验联系。
• 证明在环形波导中引入可控缺陷可诱导反向传播波并实现相位锁定的多模振荡。
• 探讨本征与工程化反射率在不引入显著光损耗的前提下触发梳状光谱形成的作用。

提出的方法

• 将快增益半导体激光器的主方程重写为复桂林-朗道方程（CGLE）形式，以描述非线性系统中的模式形成。
• 利用CGLE的数值模拟与解析解，识别相位不稳定性为环形激光器多模发射的根源。
• 制备半径为500 µm的环形量子级联激光器（QCL），测量其光谱与微波拍频信号以检测频率梳的形成。
• 采用聚焦离子束（FIB）光刻技术在波导中引入亚波长狭缝（宽度0.1–2 µm），以实现可调反射率（1–64%）的可控缺陷。
• 测量沿环形路径的拍频功率分布，以确认反向传播波的存在与驻波的形成。
• 将缺陷工程激光器的光谱特性与标准环形激光器进行对比，以分离相位不稳定性与空间烧孔效应的独立作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏空间烧孔效应的情况下，半导体环形激光器是否能通过反向传播波形成频率梳？
• RQ2 当空间烧孔效应缺失时，驱动环形激光器多模振荡的潜在机制是什么？
• RQ3 在复桂林-朗道方程框架下，相位不稳定性如何解释在低泵浦水平下多模振荡的启动？
• RQ4 在环形波导中引入工程化缺陷，能在多大程度上诱导反向传播波并触发频率梳形成，同时不引入显著光损耗？
• RQ5 环形激光器中由相位驱动的频率梳与微腔中克尔频率梳之间存在何种关联？

主要发现

• 半导体环形激光器中的频率梳在泵浦功率仅略高于阈值时即形成，表明其机制与Risken-Nummedal-Graham-Haken不稳定性不同。
• 随着泵浦电流增加，多模状态在开启与关闭之间切换，表明其为动态相位驱动不稳定性，而非稳态空间烧孔效应。
• 标准环形激光器的光谱呈现不规则包络结构，并在约27.8 GHz处具有窄带微波拍频信号，证实了相位锁定的多模振荡。
• 通过FIB制造的狭缝（0.5 µm宽，R ≈ 22%）实现的缺陷工程，成功诱导出反向传播波，并生成具有可测量拍频信号的稳定频率梳。
• 拍频功率测量显示在缺陷位置出现振荡峰值，证实了驻波的形成与静态光强调制栅格的产生。
• 通过CGLE的理论分析表明，半导体增益介质中的振幅-相位耦合等效于克尔非线性，从而将环形激光器频率梳与克尔梳物理机制联系起来。