780纳米超窄线宽混合集成自注入锁定激光器

2024-07-24 Wed
超窄线宽混合集成自注锁定780nm激光器研究报告研究背景在现代科技中，窄线宽激光器在多种应用中发挥着至关重要的作用，包括经典与量子传感、离子陷阱系统、定位/导航/定时系统、光钟和微波频率合成器等。在可见光及近可见光谱范围内，低噪声激光器尤为重要，特别对于用于量子计算、传感和原子钟的激光束缚与冷却技术。本研究展示了一种在780 nm操作的混合集成窄线宽激光器，实现了105 Hz的自差异线宽。这项研究不仅展示了Hz级窄线宽激光器的技术可行性，还为未来的探索奠定了基础。
论文来源这篇论文的主要作者是Artem Prokoshin、Michael Gehl、Scott Madaras、Weng W. Chow和Yating Wan，分别来自沙特阿拉伯的King Abdullah University of Science and Technology（KAUST）和美国的Sandia National Laboratories。论文于2024年7月在《Optica》杂志第11卷第7期上发表。
原创研究的工作流程研究步骤及流程在这一研究中，作者们使用了一种自注锁定（self-injection locking, SIL）技术，将一个分布反馈（DFB）激光器与一个高品质因子（Q≈5×10^6）的硅氮化物微环谐振器（SiN MRR）进行混合集成，实现了105 Hz的自差异线宽。研究采用了如下步骤和方法：
器件集成：
DFB激光器生长在GaAs基板上，其活性区由Al0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As量子阱构成，并被对接到高Q的SiN微环谐振器上。
微环谐振器采用了CMOS兼容工艺制造，在780nm波长下具有1.5 dB/m的传播损耗。
相位调节：
微环谐振器中集成了一个热光相位调节器，允许对谐振波长进行调节。
激光器被对接到SiN光子芯片上，通过设置反馈信号的相位，达成稳定的SIL操作。
线宽测试：
采用延迟自差异干涉法测量激光器的线宽，该方法的延迟时间小于激光器的相干时间。
数值分析：
利用多体理论和行波激光动力学模型计算增益光谱和载流子诱导折射率变化。
应用这些参数在激光动力学模型中预测线宽。
研究对象与实验方法研究对象包括Al0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As量子阱DFB激光器和高Q的SiN微环谐振器。对这些元件进行对接，并通过多种相位调节器进行精细调节，以确保自注锁定效果。实验方法涵盖以下几个方面：
增益和线宽增强因子计算：利用多体激光理论计算Al0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As量子阱的增益光谱和载流子诱导折射率变化。
激光动力学模型：利用行波方法描述激光腔内的电场，分析激光器锁定到微环谐振器后的动力学变化，预测频率噪声光谱和线宽。
研究结果主要发现及支持数据在注入电流为120mA时，SIL激光器达到了105 Hz的线宽。这比自由运行的激光器在1.2 MHz线宽有显著提升。通过数值模拟，计算出的增益和线宽增强因子与波长的关系表明，当载流子密度在3×10^12 cm^-2以上时，αh ≈ 1.2。这些参数被作为行波激光模型的输入，用来计算频率噪声光谱和估算线宽。
进一步研究与潜力计算结果显示，使用Q值更高的微环谐振器可以实现更窄线宽。例如，当Q=50×10^6时，预测的频率噪声光谱底噪为1 Hz^2/Hz，对应的线宽为3 Hz。此外，通过量子点激光器的直接芯片连接可以进一步提高耦合效率。
结论及研究价值科学与应用价值本研究通过实验实现了780 nm波长下具有105 Hz线宽的激光器，并开发了一套综合性理论模型，用以模拟SIL激光器的行为。这不仅复制了实验结果，还为全新的SIL激光器设计提供了指导，尤其是在不同波长和材料平台下。通过增加谐振器的Q值，预测可以实现10 Hz以下的线宽，尽管这对设备制造提出了新的挑战。
研究亮点本研究使用了原子尺度精密制造的微环谐振器和商业可得的激光器组件，显示了在更大规模生产中基于SIL技术实现窄线宽激光器的可行性。特别是，通过利用多体理论和行波激光模型研究MRR参数对激光器性能的影响，为进一步改进设计提供了理论支持。
结语本研究成功展示了一种基于混合集成的超窄线宽780nm激光器，为未来开发近可见波段低噪声激光器提供了技术路线。研究结果表明，通过进一步优化谐振器的几何结构并提高Q值，可以在提升激光器性能、降低噪声方面取得显著进步。未来，随着相关技术的不断发展，Hz级超窄线宽激光器在量子计算、原子钟和高精度传感等领域的应用前景将更加广阔。