Rapport de recherche sur les lasers à verrouillage automatique intégré hybride à ultra-faible largeur de raie de 780 nm

Contexte de la recherche

Dans la technologie moderne, les lasers à faible largeur de raie jouent un rôle crucial dans diverses applications, y compris la détection classique et quantique, les systèmes de piège ionique, la localisation/navigation/synchronisation, les horloges optiques et les synthétiseurs de fréquences micro-ondes. Dans le domaine de la lumière visible et proche visible, les lasers à faible bruit sont particulièrement importants pour les techniques de refroidissement et de piège des faisceaux laser utilisés dans le calcul quantique, la détection et les horloges atomiques. Cette étude présente un laser à faible largeur de raie intégré hybride fonctionnant à 780 nm, obtenant une largeur de raie de 105 Hz en auto-injection. Cette recherche démontre non seulement la faisabilité technique des lasers à faible largeur de raie en Hz, mais pose également les bases pour des explorations futures.

Source du papier

Les principaux auteurs de cet article sont Artem Prokoshin, Michael Gehl, Scott Madaras, Weng W. Chow et Yating Wan, respectivement de la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) en Arabie Saoudite et des Sandia National Laboratories aux États-Unis. L’article a été publié en juillet 2024 dans le volume 11, numéro 7 de la revue « Optica ».

Processus de recherche original

Étapes et processus de recherche

Dans cette recherche, les auteurs ont utilisé une technique de verrouillage par auto-injection (self-injection locking, SIL), intégrant un laser à rétroaction distribuée (DFB) avec un résonateur micro-anneau en nitrure de silicium (SiN MRR) à facteur de qualité élevé (Q≈5×10^6), réalisant une largeur de raie de 105 Hz. Les étapes et méthodes de recherche sont les suivantes :

1. Intégration des dispositifs :

   • Le laser DFB est développé sur un substrat de GaAs, dont la zone active est composée de puits quantiques Al0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As, et est couplé à un micro-anneau en SiN avec un facteur Q élevé.
   • Le résonateur micro-anneau utilise un processus compatible CMOS, présentant une perte de propagation de 1.5 dB/m à une longueur d’onde de 780 nm.

2. Réglage de phase :

   • Un réglage de phase thermo-optique intégré dans le résonateur micro-anneau permet d’ajuster la longueur d’onde de résonance.
   • Le laser est couplé à la puce photonique en SiN, atteignant un fonctionnement stable en SIL en réglant la phase du signal de rétroaction.

3. Test de la largeur de raie :

   • La largeur de raie du laser est mesurée par la méthode d’interférométrie à auto-différence retardée, où le temps de retard est inférieur au temps de cohérence du laser.

4. Analyse numérique :

   • L’évolution du spectre de gain du laser et des variations de l’indice de réfraction induites par les porteurs est calculée en utilisant la théorie multi-corps et le modèle dynamique des lasers à ondes progressives.
   • Ces paramètres sont utilisés pour prédire la largeur de raie à l’aide du modèle dynamique laser.

Objet de la recherche et méthodes expérimentales

L’objet de la recherche comprend les lasers DFB en puits quantiques Al0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As et les résonateurs micro-anneaux en SiN avec un facteur Q élevé. Ces composants sont couplés et ajustés finement via divers réglages de phase pour assurer un verrouillage par auto-injection efficace. Les méthodes expérimentales couvrent les aspects suivants :

• Calcul des facteurs de gain et d’amélioration de la largeur de raie : Le spectre de gain des puits quantiques Al0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As et les variations de l’indice de réfraction induites par les porteurs sont calculés en utilisant la théorie multi-corps des lasers.
• Modèle de dynamique laser : La dynamique du champ électrique dans la cavité laser est décrite par une méthode à ondes progressives, analysant les changements de dynamique du laser lorsqu’il est verrouillé au micro-anneau et prédisant le spectre de bruit de fréquence et la largeur de raie.

Résultats de la recherche

Principales découvertes et données de soutien

Avec un courant d’injection de 120 mA, le laser SIL atteint une largeur de raie de 105 Hz, soit une amélioration significative par rapport à la largeur de raie de 1,2 MHz en fonctionnement libre. Les simulations numériques montrent que les relations entre le spectre de gain, le facteur d’amélioration de la largeur de raie et la longueur d’onde indiquent que pour une densité de porteurs supérieure à 3×10^12 cm^-2, αh ≈ 1,2. Ces paramètres sont utilisés comme entrées pour le modèle de dynamisme des lasers à ondes progressives pour calculer le spectre de bruit de fréquence et estimer la largeur de raie.

Recherches futures et potentiel

Les résultats des calculs montrent que l’utilisation de résonateurs micro-anneaux avec un facteur Q encore plus élevé permettrait d’atteindre une largeur de raie encore plus étroite. Par exemple, avec un Q=50×10^6, le spectre de bruit de fréquence prédit présente un bruit de fond de 1 Hz^2/Hz, correspondant à une largeur de raie de 3 Hz. De plus, la connexion directe des lasers à points quantiques sur la puce pourrait améliorer encore l’efficacité du couplage.

Conclusions et valeur de la recherche

Valeur scientifique et applicative

Cette recherche a réalisé expérimentalement un laser à 780 nm avec une largeur de raie de 105 Hz, et a développé un modèle théorique complet pour simuler le comportement des lasers SIL. Cela permet non seulement de reproduire les résultats expérimentaux, mais also fournit des directives pour la conception de nouveaux lasers SIL, en particulier sur différentes longueurs d’onde et plateformes matérielles. En augmentant la valeur du facteur Q du résonateur, il est prévu que des largeurs de raie inférieures à 10 Hz puissent être atteintes, bien que cela présente des défis supplémentaires pour la fabrication des dispositifs.

Points forts de la recherche

Cette recherche utilise des résonateurs micro-anneaux fabriqués avec une précision atomique et des composants laser commercialement disponibles, montrant la faisabilité de produire des lasers à faible largeur de raie à grande échelle basée sur la technologie SIL. En particulier, l’utilisation de la théorie multi-corps et des modèles de lasers à ondes progressives pour étudier l’impact des paramètres des MRR sur les performances des lasers fournit une base théorique pour améliorer davantage les conceptions.

Conclusions

Cette recherche a démontré avec succès un laser intégré hybride à ultra-faible largeur de raie de 780 nm, offrant une voie technologique pour le développement futur de lasers à faible bruit dans le proche domaine visible. Les résultats de l’étude montrent qu’à travers une optimisation supplémentaire de la structure géométrique des résonateurs et une augmentation de la valeur Q, des progrès significatifs pourraient être réalisés dans l’amélioration des performances des lasers et la réduction du bruit. À l’avenir, avec le développement continu des technologies concernées, les perspectives d’application des lasers à ultra-faible largeur de raie dans des domaines tels que le calcul quantique, les horloges atomiques et les capteurs de haute précision seront encore plus vastes.