超狭帯域混合集成自己注入ロック式780nmレーザーに関する研究報告

研究背景

現代科学技術において、狭帯域レーザーは多様な用途で非常に重要な役割を果たしています。これには、古典的および量子センシング、イオン捕捉系、位置測定／ナビゲーション／タイミングシステム、オプティカルクロック、マイクロ波周波数合成器などが含まれます。特に可視光および近赤外光スペクトル範囲における低ノイズレーザーは、量子計算、センシング、原子時計に使用されるレーザービームの束縛および冷却技術のために重要です。本研究では、780nmの動作波長で混合集成された狭帯域レーザーを示し、105Hzの自己異なり帯域幅を実現しました。この研究は、Hzレベルの狭帯域レーザー技術の実現可能性を示すだけでなく、将来の探求のための基礎も築いています。

論文情報

この論文の主著者はArtem Prokoshin、Michael Gehl、Scott Madaras、Weng W. ChowおよびYating Wanで、それぞれサウジアラビアのKing Abdullah University of Science and Technology（KAUST）とアメリカ合衆国のSandia National Laboratoriesに所属しています。論文は2024年7月に《Optica》誌の第11巻第7号に掲載されました。

オリジナル研究のワークフロー

研究ステップとフロー

本研究では、自己注入ロック（self-injection locking, SIL）テクニックを使い、分布反射（DFB）レーザーと高品質因子（Q≈5×10^6）のシリコン窒化物マイクロリングレゾネーター（SiN MRR）を混合集成して、105Hzの自己異なり帯域幅を達成しました。研究は以下の手順と方法を採用しました：

1. デバイスの集成：

   • DFBレーザーはGaAs基板上で成長し、その活性領域はAl0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As量子ウェルで構成され、高QのSiNマイクロリングレゾネーターにブタッチされました。
   • マイクロリングレゾネーターはCMOS互換プロセスで製造され、780nmの波長で1.5dB/mの伝播損失があります。

2. 位相調整：

   • マイクロリングレゾネーターには熱光位相調整器が統合されており、共振波長の微調整が可能です。
   • レーザーはSiNのフォトニックチップに組み込まれ、反射信号の位相を設定することで、安定したSIL操作に達成しました。

3. 帯域幅の測定：

   • レーザーの帯域幅を測定するために、遅延自己異なり干渉法が用いられ、この方法の遅延時間はレーザーの凝集時間よりも短かった。

4. 数値解析：

   • 多体理論と行波レーザー力学モデルを使用して、利得スペクトルおよびキャリアによって誘起される屈折率の変化を計算しました。
   • これらのパラメーターをレーザー力学モデルに適用し、帯域幅を予測しました。

研究対象と実験方法

研究対象にはAl0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As量子ウェルDFBレーザーと高QのSiNマイクロリングレゾネーターが含まれています。これらのコンポーネントを組み合わせ、複数の位相調整器を通じて精密な調整を行い、自己注入ロック効果を確保しました。実験方法には以下が含まれます：

• 利得と帯域幅増強因子の計算：多体レーザー理論を用いて、Al0.09Ga0.91As/Al0.30Ga0.70As量子ウェルの利得スペクトルとキャリア誘起屈折率変化を計算しました。
• レーザー力学モデル：行波方式を使用してレーザーキャビティ内の電場を記述し、レーザーがマイクロリングレゾネーターにロックされた後の動力学的変化を分析し