[论文解读] Semiconductor ring laser frequency combs with active directional couplers

Dmitry Kazakov, Theodore P. Letsou+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 5

一句话总结

该论文展示了具有集成有源方向耦合器的电泵浦半导体环形量子级联激光器，可在室温下实现输出功率超过10 mW的自启动频率梳。通过在阈值以下独立调控模式指数、品质因数和耦合系数，该系统支持参量四波混频，实现对梳状线态的相干外部控制，并可进入如PT对称性破缺等奇异光子物态区域。

ABSTRACT

Rapid development of Fabry-Perot quantum cascade laser frequency combs has converted them from laboratory devices to key components of next-generation fast molecular spectrometers. Recently, free-running ring quantum cascade lasers allowed generation of new frequency comb states induced by phase turbulence. In absence of efficient light outcoupling, ring quantum cascade lasers are not suited for applications as they are limited in their power output to microwatt levels. Here we demonstrate electrically pumped ring quantum cascade lasers with integrated active directional couplers. These devices generate self-starting frequency combs and have output power above ten milliwatts at room temperature. We study the transmission of the ring-waveguide resonator system below the lasing threshold, which reveals the ability to individually control the mode indices in the coupled resonators, their quality factors, and the coupling coefficient. When the ring resonator is pumped above the lasing threshold, the intracavity unidirectional single-mode field parametrically amplifies an externally injected signal tuned into one of the ring resonances, generating an idler sideband via four-wave mixing. The ability to inject external optical signals into integrated laser cavities brings into reach coherent control of frequency comb states in ring semiconductor lasers. Furthermore, tunable coupled active resonators pumped below the lasing threshold enable a versatile platform for the studies of resonant electromagnetic effects, ranging from strong coupling to parity-time symmetry breaking.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、高功率的频率梳光源，用于芯片级分子光谱学与光通信应用。
• 通过集成有源方向耦合器实现高效光耦出，克服自由运行环形QCL输出功率仅达微瓦量级的局限。
• 通过外部光注入与参量四波混频，实现对频率梳态的相干控制。
• 构建一种可电控、可调谐的平台，用于研究集成光子系统中的强耦合、法诺共振及PT对称性破缺。

提出的方法

• 将有源方向耦合器与跑道形量子级联激光器腔体集成，实现双向与单向激光输出。
• 使用独立的电接触分别偏置环形谐振腔（RT）与波导耦合器（WG），以实现对模式指数、品质因数与耦合系数的独立调控。
• 在激光阈值以下，利用可调谐探测激光表征RT-WG系统的透射特性，以映射共振能级移动、线宽压缩及耦合区域转变。
• 采用包含复模式指数与热串扰的传输矩阵模型，拟合实验透射数据并提取器件参数。
• 在阈值以上向RT腔注入外部信号，诱导四波混频，生成对称分布于泵浦频率两侧的闲频边带。
• 将注入信号扫过多个共振峰，以演示参量放大，并探索孤子与谐波频率梳生成的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 有源方向耦合器是否可在室温下实现电泵浦半导体环形激光器的高功率、自启动频率梳操作？
• RQ2 在激光阈值以下，耦合谐振系统中的模式指数、品质因数与耦合系数在多大程度上可通过电控实现调节？
• RQ3 向单向运转的环形QCL注入外部光信号，是否可通过四波混频实现相干参量边带生成？
• RQ4 该集成系统是否可通过电控实现对强耦合与PT对称性破缺等奇异光子物态的访问与稳定？
• RQ5 波导与环形谐振腔之间的热串扰如何影响耦合系统中的透射特性与耦合动力学？

主要发现

• 该器件在室温下实现了输出功率超过10 mW的自启动频率梳操作，突破了自由运行环形QCL仅达微瓦量级的输出限制。
• 在阈值以下，随着RT电流增加，系统表现出可调谐的共振线宽压缩与模式指数移动，表明吸收减少与热失谐降低。
• 实验透射数据与考虑复模式指数及热串扰的传输矩阵模型高度吻合，使关键参数（如基态模式指数、单位电流引起的指数变化量、功率耦合系数）得以准确提取。
• 通过调节WG电流，可电控调节功率耦合系数，实现从弱耦合到强耦合区域的连续跨越。
• 在阈值以上，向环形谐振腔注入外部信号可通过对称生成闲频边带，证实了参量放大与相干控制的潜力。
• 该系统可通过各谐振腔的全电控方式，实现对强耦合、法诺共振及PT对称性破缺等多种光子现象的访问。