eng
Выпуск #6/2025
А.И.Вергулес, Д.М.Жигунов, Д.С.Земцов, А.С.Смирнов, А.К.Земцова, К.Н.Гарбузов, С.С.Косолобов, В.П.Драчев, Д.А.Коробко, А.А.Фотиади, А.В.Иванов, М.А.Ладугин, А.С.Дудин, П.И.Лазаренко, В.В.Ковалюк, Е.П.Кицюк, В.В.Светухин
ИСТОЧНИК УЗКОПОЛОСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РОС-ЛАЗЕРА И ИНТЕГРАЛЬНОГО КРЕМНИЕВОГО КОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
ИСТОЧНИК УЗКОПОЛОСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РОС-ЛАЗЕРА И ИНТЕГРАЛЬНОГО КРЕМНИЕВОГО КОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
Просмотры: 993
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.356.365
В данной работе продемонстрировано сужение спектральной линии лазера с распределенной обратной связью 210 кГц до 150 Гц в режиме самозахвата частоты внешнего кремниевого резонатора на основе фотонной интегральной схемы, что открывает перспективы создания компактных узкополосных лазеров для генерации малошумных микроволновых сигналов.
В данной работе продемонстрировано сужение спектральной линии лазера с распределенной обратной связью 210 кГц до 150 Гц в режиме самозахвата частоты внешнего кремниевого резонатора на основе фотонной интегральной схемы, что открывает перспективы создания компактных узкополосных лазеров для генерации малошумных микроволновых сигналов.
Теги: df laser narrow linewidth laser radiation poc-лазер pure microwave signal ring resonator кольцевой резонатор малошумный микроволновой сигнал узкополосное лазерное излучение
Получено: 3.09.2025 г. | Принято: 10.09.2025 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.356.365
Научная статья
Источник узкополосного лазерного излучения на основе РОС-лазера
и интегрального кремниевого кольцевого резонатора
А.И.Вергулес¹, стажер-иссл., ORCID: 0000-0002-5673-4148 / aleksandra.vergules@skoltech.ru
Д.М.Жигунов¹, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-1714-1208
Д.С.Земцов¹, к.ф.-м.н., ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-8774-3338
А.С.Смирнов¹, инж., ORCID: 0000-0002-1573-1100
А.К.Земцова¹, мл. науч. сотр., ORCID: 0000-0001-6072-9520
К.Н.Гарбузов¹, инженер-иссл., ORCID: 0000-0003-3851-6339
С.С.Косолобов¹, д.ф.-м.н., доц., ORCID: 0000-0002-1814-8877
В.П.Драчев¹, д.ф.-м.н., проф., ORCID: 0000-0002-6205-7497
Д.А.Коробко², к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-1582-7567
А.А.Фотиади², к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-8086-8218
А.В.Иванов³, нач. отд., ORCID: 0009-0007-6420-9777
М.А.Ладугин³, д.ф.-м.н., нач. науч.-произв. компл., ORCID: 0000-0002-4086-7229
А.С.Дудин³, инж.-констр. 2 кат., ORCID: 0009-0006-8170-3083
П.И.Лазаренко⁴, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0003-4309-3481
В.В.Ковалюк5, к.ф.-м.н., зав. лаб., ORCID: 0000-0002-1529-4481
Е.П.Кицюк6, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0002-4166-8408
В.В.Светухин6, д.ф.-м.н., дир., член-корр. РАН, ORCID: 0000-0003-0831-9254
Аннотация. В данной работе продемонстрировано сужение спектральной линии лазера с распределенной обратной связью 210 кГц до 150 Гц в режиме самозахвата частоты внешнего кремниевого резонатора на основе фотонной интегральной схемы, что открывает перспективы создания компактных узкополосных лазеров для генерации малошумных микроволновых сигналов.
Ключевые слова: узкополосное лазерное излучение, POC-лазер, кольцевой резонатор, малошумный микроволновой сигнал
Для цитирования: А.И. Вергулес, Д.М. Жигунов, Д.С. Земцов, А.С. Смирнов, А.К. Земцова, К.Н. Гарбузов, С.С. Косолобов, В.П. Драчев, Д.А. Коробко, А.А. Фотиади, А.В. Иванов, М.А. Ладугин, А.С. Дудин, П.И. Лазаренко, В.В. Ковалюк, Е.П. Кицюк, В.В. Светухин. Источник узкополосного лазерного излучения на основе рос-лазера и интегрального кремниевого кольцевого резонатора. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 6. С. 356–365. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.356.365.
ВВЕДЕНИЕ
Высококогерентные лазерные источники излучения телекоммуникационного C-диапазона длин волн (1530–1565 нм) находят широкое применение в современных оптических системах, в которых стабильность частоты лазера, спектральная ширина его линии генерации и уровень лазерного шума определяют потребительские характеристики всей системы. Например, в когерентной оптической связи ширина спектральной линии лазера напрямую влияет на фазовую стабильность сигнала, его демодуляцию и достижимую скорость передачи данных, а при генерации спектрально чистых микроволновых сигналов на основе фотонных методов, фазовый шум лазера ограничивает минимально-достижимую ширину спектра генерируемых радиочастотных сигналов.
Полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (РОС) представляют собой компактные, энергоэффективные и недорогие источники одночастотного оптического излучения с относительно высокой выходной мощностью и возможностью интеграции в фотонные интегральные схемы и волоконные устройства. Однако, типичная ширина спектральной линии РОС-лазеров на уровне нескольких МГц ограничивает их широкое применение в микроволновой фотонике, где требуются источники с более высокой степенью когерентности. Дальнейшему повышению когерентности выходного излучения РОС-лазеров препятствуют относительно небольшая длина и невысокая добротность лазерного резонатора, который не в состоянии отфильтровывать шумы, вызванные флуктуациями тока и температуры, напрямую влияющими на стабильность частоты лазерной генерации.
Одним из способов преодоления этих ограничений является использование эффекта самозахвата лазером собственной частоты внешнего высокодобротного резонатора. Суть эффекта заключается в том, что часть излучения, генерируемого лазером, пропускается через внешний высокодобротный резонатор, выступающий в качестве частотно-селективного элемента, а затем направляется обратно в лазер, снижая порог лазерной генерации на частоте захваченной моды резонатора. После захвата частоты любое медленное изменение моды резонатора (например, из-за колебаний температуры) приводит к синхронному изменению частоты генерации лазера. Стабильность работы лазера в режиме самозахвата частоты определяется мощностью и стабильностью фазы обратной волны от внешнего резонатора, поступающей в лазер.
В качестве внешнего резонатора могут выступать волоконные кольцевые резонаторы [1], линейные волоконные резонаторы на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) [2], монолитные микрорезонаторы с модами шепчущей галереи [3], а также резонаторы на основе фотонных интегральных схем (ФИС) [4]. Микрорезонаторы с модами шепчущей галереи традиционно демонстрируют наивысшие добротности порядка 108–1011, но в реальных применениях они требуют регулярной юстировки оптических компонентов, обеспечивающих ввод-вывод света. Волоконные кольцевые резонаторы могут обладать достаточно высокой добротностью, но из-за относительно большой длины они крайне чувствительны к внешним воздействиям, приводящим к частым срывам лазерной генерации из-за скачков захваченной частоты между соседними модами внешнего резонатора. Линейные резонаторы на основе ВБР компактны и имеют схожую добротность, что и кольцевые резонаторы, однако требуют трудоемкого и длительного изготовления, и потому непригодны для массового производства. Перспективным решением могут стать микрокольцевые резонаторы на основе ФИС. Они обладают добротностью, достигающей 106, компактны, стабильны и могут производиться в массовых масштабах благодаря совместимости процесса с широко распространенной комплементарной металл-оксид-полупроводник технологией (КМОП). В ряде работ было показано, что такие резонаторы позволяют добиться сужения линии лазера до единиц герц [4–6]. Это открывает новые возможности для создания компактных узкополосных лазеров, пригодных для когерентной мультиплексной передачи данных, генерации малошумящих микроволновых сигналов, высокоразрешающей спектроскопии и прецизионной оптической сенсорики.
Целью настоящей работы является разработка узкополосного лазерного источника в телекоммуникационном C-диапазоне, реализуемого на основе РОС-лазера и интегрального кольцевого микро-резонатора, выполненного на платформе "кремний-на-изоляторе" (КНИ).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изготовление интегрального кольцевого резонатора на платформе КНИ
Внешний резонатор для РОС-лазера был изготовлен на стандартной подложке кремний-на-изоляторе с толщиной кремниевого слоя 220 нм. Изображение кольцевого резонатора, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), представлено на рис.1а. Кольцевой резонатор типа "стадион" в конфигурации с двойной обратной связью ("drop-add") радиусом 500 мкм, длиной области связи 1200 мкм и шириной зазора между волноводами и кольцом 140 нм (рис.1b) был изготовлен методами электронно-лучевой литографии и травления индуктивно-связанной плазмой. В изготовленной конфигурации все волноводы снабжены тейперами, плавно расширяющиеся до ширины 15 мкм. На концах тейперов сформированы решетки ввода-вывода излучения с неполным травлением (рис.1с). Поверхность чипа дополнительно покрыта слоем SiO2 толщиной 1 мкм методом электронно-лучевого осаждения.
К входному и выходному портам кольцевого резонатора пристыкованы оптические волокна с сохранением поляризации, торцы которых отполированы и образуют угол 40⁰, что обеспечивает перенаправление распространяющегося в волокне сигнала в область решеток ввода-вывода на чипе за счет полного внутреннего отражения от скошенного торца.
Для позиционирования оптических волокон относительно чипа использовались 6-осевые манипуляторы с держателями, позволяющими вращать волокно вокруг своей оси. Выравнивание контролировалось визуально с помощью микроскопов, обеспечивающих обзор сбоку и сверху. Для контроля уровня пропускания изготовленного резонатора оптические волокна подключались к оптическому анализатору спектра BOSA (Aragon Photonics) с максимальным спектральным разрешением 10 МГц. После настройки положения оптического волокна по максимуму пропускания оно фиксировалось на чипе с помощью УФ-отверждаемого клея с показателем преломления, близким к показателю SiO2. Изображение кольцевого резонатора с приклеенными волокнами, полученное с помощью оптического микроскопа, представлено на рис.2.
На рис.3а схема внешнего резонатора и его подключения к лазеру выделена пунктирной рамкой. С помощью волоконного разветвителя выходное излучение лазера делится на две части: 75% направляется в систему обратной оптической связи, а 25% – в тракт измерения спектра лазера. Поляризация излучения поворачивается на 90⁰ с помощью вращателя поляризации (ВП) для согласования с типом поляризации TE, под которую изготовлены решетки и пассивные компоненты чипа. Затем излучение разделяется оптическим направленным ответвителем с соотношением 50/50 по мощности, каналы которого подключены к оптическим волокнам, пристыкованным к чипу. Открытый терминал заканчивается поглотителем. Кремниевое кольцо на чипе обеспечивает спектрально-селективную обратную связь в лазерный резонатор. В такой конфигурации разветвитель 50/50 позволяет усилить отклик внешнего резонатора за счет конструктивной интерференции.
Самогетеродинная интерферометрия с задержкой для измерения спектральной ширины лазерной линии
Измерение спектральной ширины лазерной линии осуществлялось с использованием самогетеродинного интерферометра с задержкой [7], схема которого показана также на рис.3a. Излучение исследуемого лазера, проходя через оптический изолятор (ИЗО) для устранения паразитных обратных отражений, разделяется направленным разветвителем на два сигнала – опорный и задержанный. Опорный сигнал проходит через акустооптический модулятор (АОМ), который сдвигает частоту излучения на частоту модуляции – 120 МГц. Задержанный сигнал проходит контроллер поляризации (КП) и волоконную линию длиной 50 км, на выходе которой фазовые флуктуации, обусловленные шумами лазера, перестают коррелировать с флуктуациями в опорном плече. Для достоверного измерения время задержки в волокне должно значительно превышать ожидаемое время когерентности исследуемого лазера. Вторым разветвителем опорный и задержанный сигналы объединяются, после чего интерференционные биения регистрируются фотодетектором (ФД) и отображаются на электрическом анализаторе спектра (ЭАС) Anritsu.
Форма спектральной линии излучения, получаемого на выходе из схемы, обычно представляют собой профиль Фойгта, который является результатом свертки Лоренцева и Гауссова контуров, как показано на рис.3b. Гауссовая компонента спектра обусловлена фликер-шумом, обратно пропорциональным отстройке от центральной частоты и возникающим вследствие дрейфа тока и температурных флуктуаций в лазерном контроллере. Лоренцева компонента, связанная с квантовой природой лазерного излучения, характеризует саму лазерную линию, в том числе процесс спонтанного излучения в активной области лазера и является случайно распределенной величиной. Извлекая лоренцевскую и гауссовскую компоненты из профиля Фойгта, можно оценить ширину лазерной линии. Так, фундаментальная ширина лазерной линии равна половине ширины лоренцевской компоненты на уровне 3 дБ, а гауссовская ширина определяется путем умножения ширины спектра гауссовской составляющей на уровне 3 дБ на множитель √2/2 [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Оптический спектр внешнего интегрального кольцевого резонатора на платформе КНИ
Оптический спектр изготовленного кремниевого кольцевого резонатора, измеренный на зондовой станции, представлен на рис.4. Согласно полученному спектру, спектральная ширина резонанса кольца составила 9,6 пм (1,2 ГГц на длине волны 1550 нм), область свободной дисперсии – 115 пм (14,37 ГГц), добротность – 161 000, а резкость – 12. По результатам измерений спектра пропускания кольца до и после приклейки оптических волокон суммарные потери на стыковку обоих портов на длине волны 1530 нм составили около 2,3 дБ.
Характеризация спектральной ширины РОС-лазера в свободном режиме и в режиме самозахвата частоты
В качестве источника использовался РОС-лазер с волоконным выводом с сохранением поляризации на длине волны 1530 нм, обладающий максимальной мощностью 102 мВт при токе 554,6 мА в непрерывном режиме. На рис.5а приведена зависимость выходной оптической мощности лазера от тока накачки. Порог лазерной генерации наблюдается при токе порядка 70–72 мА, после чего выходная мощность плавно возрастает с увеличением тока.
Спектр лазера, измеренный методом самогетородинной интерферометрии, представлен на рис.5b. При токе, близком к пороговому значению, в спектре наблюдается одиночная спектральная линия, превышающая уровень шумов более чем на 35 дБ. С увеличением тока по бокам от основной линии появляется шумовая засветка, связанная с возбуждением дополнительных лазерных мод, превышающих пороговый уровень. Так, при токе 400 мА отношение амплитуды лазерного пика к шумовой засветке снижается до 15 дБ. Спектр лазера, работающего в свободном режиме при управляющем токе 300 мА и температуре (ТЭК) 26 ⁰C показан на рис.6a. Из аппроксимации спектра функцией Фойгта, представленной рис.6b, следует, что лоренцевская ширина лазерной линии составляет 210 кГц, а гауссовская – 2,7 МГц.
Спектр лазера в режиме самозахвата частоты при токе 300 мА также представлен на рис.6а. Сравнивая его со спектром свободно работающего лазера, можно заключить, что применение внешнего резонатора на чипе позволяет эффективно сужать линию лазерной генерации и подавлять дополнительные моды, появляющиеся при высоких токах накачки. Аппроксимация данного спектра функцией Фойгта показана на рис.7c. Согласно аппроксимации, лоренцевская ширина линии генерации лазера составила 150 Гц, в то время как гауссовская ширина имеет величину 36,6 кГц. Таким образом, спектральная линия лазера в сборке с ФИС резонатором сужается в 1400 раз. Мощность выходного излучения лазера в режиме самозахвата частоты составляет около 1 мВт. Важно также отметить, что продолжительность непрерывной работы лазера в режиме самозахвата частоты до перескока на другую моду составляла порядка 1,5 мин, несмотря на отсутствие температурной стабилизации внешнего резонатора и активной подстройки фазы обратной связи.
ВЫВОДЫ
Таким образом, в данной работе реализован узкополосный лазерный источник на основе РОС-лазера и интегрального кремниевого кольцевого резонатора с добротностью 1,61 · 105, изготовленного на платформе КНИ. Применение резонатора в качестве внешнего фильтра позволило достичь сужения спектральной линии лазера с 210 кГц до 150 Гц в режиме самозахвата частоты, что соответствует улучшению когерентности в 1400 раз. Полученные результаты подтверждают перспективность использования интегральных резонаторов на платформе КНИ для создания компактных высококогерентных лазеров телекоммуникационного C-диапазона длин волн.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ № 23-91-06301 "Компактные лазерные генераторы высокой когерентности", 23-79-30017 "Развитие элементной базы микроволновой фотоники", а также при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (FNRM-2025-0014).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Panyaev I.S., Itrin P.A., Korobko D.A., Fotiadi A.A. Sub-100-Hz DFB Laser Injection-Locked to PM Fiber Ring Cavity. Journal of Lightwave Technology, 2024. Vol. 42. No. 8. PP. 2928–2937.
Zou M., Shen K., Song Q., Dai Y., Xiao X., Sun Q., Yan Z. Sub-kHz-linewidth laser generation by self-injection locked distributed feedback fiber laser. Optics & Laser Technology. 2023. Vol. 169. PP. 110022–110022.
Liang W.Y., Ilchenko V.S., Eliyahu D., Savchenkov A.A., Matsko A.B., Seidel D., Maleki L. Ultralow noise miniature external cavity semiconductor laser. Nature Communications. 2015. Vol. 6. No. 1. PP. 1–6.
Jin W., Yang Q., Chang L., Shen B., Wang H., Leal M.A., Wu L., Gao M., Feshali A., Paniccia M., Vahala K.J., Bowers J.E. Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators. Nature Photonics. 2021. Vol. 15. No. 5. PP. 346–354.
Zhang G., Cen Q., Hao T., Yin X., Zi X., Shi N., Li W., Zhu N., Li M. Self-Injection Locked Silica External Cavity Narrow Linewidth Laser. Journal of Lightwave Technology. 2023. Vol. 41. No. 8. PP. 2474–2483.
Gundavarapu S., Brodnik G.M., Puckett M., Huffman T., Bose D., Behunin R., Wu J., Qiu T., Pinho C., Chauhan N., Nohava J., Rakich P.T., Nelson K.D., Salit M., Blumenthal D.J. Sub-hertz fundamental linewidth photonic integrated Brillouin laser. Nature Photonics. 2018. Vol. 13. No. 1. PP. 60–67.
Okoshi T., Kikuchi K., Nakayama A. Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum. Electronics Letters. 1980. Vol. 16. No. 16. PP. 630–630.
Derickson D. Fiber Optic Test and Measurement. 1998. Prentice Hall.
Научная статья
Источник узкополосного лазерного излучения на основе РОС-лазера
и интегрального кремниевого кольцевого резонатора
А.И.Вергулес¹, стажер-иссл., ORCID: 0000-0002-5673-4148 / aleksandra.vergules@skoltech.ru
Д.М.Жигунов¹, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-1714-1208
Д.С.Земцов¹, к.ф.-м.н., ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-8774-3338
А.С.Смирнов¹, инж., ORCID: 0000-0002-1573-1100
А.К.Земцова¹, мл. науч. сотр., ORCID: 0000-0001-6072-9520
К.Н.Гарбузов¹, инженер-иссл., ORCID: 0000-0003-3851-6339
С.С.Косолобов¹, д.ф.-м.н., доц., ORCID: 0000-0002-1814-8877
В.П.Драчев¹, д.ф.-м.н., проф., ORCID: 0000-0002-6205-7497
Д.А.Коробко², к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-1582-7567
А.А.Фотиади², к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-8086-8218
А.В.Иванов³, нач. отд., ORCID: 0009-0007-6420-9777
М.А.Ладугин³, д.ф.-м.н., нач. науч.-произв. компл., ORCID: 0000-0002-4086-7229
А.С.Дудин³, инж.-констр. 2 кат., ORCID: 0009-0006-8170-3083
П.И.Лазаренко⁴, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0003-4309-3481
В.В.Ковалюк5, к.ф.-м.н., зав. лаб., ORCID: 0000-0002-1529-4481
Е.П.Кицюк6, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0000-0002-4166-8408
В.В.Светухин6, д.ф.-м.н., дир., член-корр. РАН, ORCID: 0000-0003-0831-9254
Аннотация. В данной работе продемонстрировано сужение спектральной линии лазера с распределенной обратной связью 210 кГц до 150 Гц в режиме самозахвата частоты внешнего кремниевого резонатора на основе фотонной интегральной схемы, что открывает перспективы создания компактных узкополосных лазеров для генерации малошумных микроволновых сигналов.
Ключевые слова: узкополосное лазерное излучение, POC-лазер, кольцевой резонатор, малошумный микроволновой сигнал
Для цитирования: А.И. Вергулес, Д.М. Жигунов, Д.С. Земцов, А.С. Смирнов, А.К. Земцова, К.Н. Гарбузов, С.С. Косолобов, В.П. Драчев, Д.А. Коробко, А.А. Фотиади, А.В. Иванов, М.А. Ладугин, А.С. Дудин, П.И. Лазаренко, В.В. Ковалюк, Е.П. Кицюк, В.В. Светухин. Источник узкополосного лазерного излучения на основе рос-лазера и интегрального кремниевого кольцевого резонатора. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 6. С. 356–365. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.356.365.
ВВЕДЕНИЕ
Высококогерентные лазерные источники излучения телекоммуникационного C-диапазона длин волн (1530–1565 нм) находят широкое применение в современных оптических системах, в которых стабильность частоты лазера, спектральная ширина его линии генерации и уровень лазерного шума определяют потребительские характеристики всей системы. Например, в когерентной оптической связи ширина спектральной линии лазера напрямую влияет на фазовую стабильность сигнала, его демодуляцию и достижимую скорость передачи данных, а при генерации спектрально чистых микроволновых сигналов на основе фотонных методов, фазовый шум лазера ограничивает минимально-достижимую ширину спектра генерируемых радиочастотных сигналов.
Полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (РОС) представляют собой компактные, энергоэффективные и недорогие источники одночастотного оптического излучения с относительно высокой выходной мощностью и возможностью интеграции в фотонные интегральные схемы и волоконные устройства. Однако, типичная ширина спектральной линии РОС-лазеров на уровне нескольких МГц ограничивает их широкое применение в микроволновой фотонике, где требуются источники с более высокой степенью когерентности. Дальнейшему повышению когерентности выходного излучения РОС-лазеров препятствуют относительно небольшая длина и невысокая добротность лазерного резонатора, который не в состоянии отфильтровывать шумы, вызванные флуктуациями тока и температуры, напрямую влияющими на стабильность частоты лазерной генерации.
Одним из способов преодоления этих ограничений является использование эффекта самозахвата лазером собственной частоты внешнего высокодобротного резонатора. Суть эффекта заключается в том, что часть излучения, генерируемого лазером, пропускается через внешний высокодобротный резонатор, выступающий в качестве частотно-селективного элемента, а затем направляется обратно в лазер, снижая порог лазерной генерации на частоте захваченной моды резонатора. После захвата частоты любое медленное изменение моды резонатора (например, из-за колебаний температуры) приводит к синхронному изменению частоты генерации лазера. Стабильность работы лазера в режиме самозахвата частоты определяется мощностью и стабильностью фазы обратной волны от внешнего резонатора, поступающей в лазер.
В качестве внешнего резонатора могут выступать волоконные кольцевые резонаторы [1], линейные волоконные резонаторы на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) [2], монолитные микрорезонаторы с модами шепчущей галереи [3], а также резонаторы на основе фотонных интегральных схем (ФИС) [4]. Микрорезонаторы с модами шепчущей галереи традиционно демонстрируют наивысшие добротности порядка 108–1011, но в реальных применениях они требуют регулярной юстировки оптических компонентов, обеспечивающих ввод-вывод света. Волоконные кольцевые резонаторы могут обладать достаточно высокой добротностью, но из-за относительно большой длины они крайне чувствительны к внешним воздействиям, приводящим к частым срывам лазерной генерации из-за скачков захваченной частоты между соседними модами внешнего резонатора. Линейные резонаторы на основе ВБР компактны и имеют схожую добротность, что и кольцевые резонаторы, однако требуют трудоемкого и длительного изготовления, и потому непригодны для массового производства. Перспективным решением могут стать микрокольцевые резонаторы на основе ФИС. Они обладают добротностью, достигающей 106, компактны, стабильны и могут производиться в массовых масштабах благодаря совместимости процесса с широко распространенной комплементарной металл-оксид-полупроводник технологией (КМОП). В ряде работ было показано, что такие резонаторы позволяют добиться сужения линии лазера до единиц герц [4–6]. Это открывает новые возможности для создания компактных узкополосных лазеров, пригодных для когерентной мультиплексной передачи данных, генерации малошумящих микроволновых сигналов, высокоразрешающей спектроскопии и прецизионной оптической сенсорики.
Целью настоящей работы является разработка узкополосного лазерного источника в телекоммуникационном C-диапазоне, реализуемого на основе РОС-лазера и интегрального кольцевого микро-резонатора, выполненного на платформе "кремний-на-изоляторе" (КНИ).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изготовление интегрального кольцевого резонатора на платформе КНИ
Внешний резонатор для РОС-лазера был изготовлен на стандартной подложке кремний-на-изоляторе с толщиной кремниевого слоя 220 нм. Изображение кольцевого резонатора, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), представлено на рис.1а. Кольцевой резонатор типа "стадион" в конфигурации с двойной обратной связью ("drop-add") радиусом 500 мкм, длиной области связи 1200 мкм и шириной зазора между волноводами и кольцом 140 нм (рис.1b) был изготовлен методами электронно-лучевой литографии и травления индуктивно-связанной плазмой. В изготовленной конфигурации все волноводы снабжены тейперами, плавно расширяющиеся до ширины 15 мкм. На концах тейперов сформированы решетки ввода-вывода излучения с неполным травлением (рис.1с). Поверхность чипа дополнительно покрыта слоем SiO2 толщиной 1 мкм методом электронно-лучевого осаждения.
К входному и выходному портам кольцевого резонатора пристыкованы оптические волокна с сохранением поляризации, торцы которых отполированы и образуют угол 40⁰, что обеспечивает перенаправление распространяющегося в волокне сигнала в область решеток ввода-вывода на чипе за счет полного внутреннего отражения от скошенного торца.
Для позиционирования оптических волокон относительно чипа использовались 6-осевые манипуляторы с держателями, позволяющими вращать волокно вокруг своей оси. Выравнивание контролировалось визуально с помощью микроскопов, обеспечивающих обзор сбоку и сверху. Для контроля уровня пропускания изготовленного резонатора оптические волокна подключались к оптическому анализатору спектра BOSA (Aragon Photonics) с максимальным спектральным разрешением 10 МГц. После настройки положения оптического волокна по максимуму пропускания оно фиксировалось на чипе с помощью УФ-отверждаемого клея с показателем преломления, близким к показателю SiO2. Изображение кольцевого резонатора с приклеенными волокнами, полученное с помощью оптического микроскопа, представлено на рис.2.
На рис.3а схема внешнего резонатора и его подключения к лазеру выделена пунктирной рамкой. С помощью волоконного разветвителя выходное излучение лазера делится на две части: 75% направляется в систему обратной оптической связи, а 25% – в тракт измерения спектра лазера. Поляризация излучения поворачивается на 90⁰ с помощью вращателя поляризации (ВП) для согласования с типом поляризации TE, под которую изготовлены решетки и пассивные компоненты чипа. Затем излучение разделяется оптическим направленным ответвителем с соотношением 50/50 по мощности, каналы которого подключены к оптическим волокнам, пристыкованным к чипу. Открытый терминал заканчивается поглотителем. Кремниевое кольцо на чипе обеспечивает спектрально-селективную обратную связь в лазерный резонатор. В такой конфигурации разветвитель 50/50 позволяет усилить отклик внешнего резонатора за счет конструктивной интерференции.
Самогетеродинная интерферометрия с задержкой для измерения спектральной ширины лазерной линии
Измерение спектральной ширины лазерной линии осуществлялось с использованием самогетеродинного интерферометра с задержкой [7], схема которого показана также на рис.3a. Излучение исследуемого лазера, проходя через оптический изолятор (ИЗО) для устранения паразитных обратных отражений, разделяется направленным разветвителем на два сигнала – опорный и задержанный. Опорный сигнал проходит через акустооптический модулятор (АОМ), который сдвигает частоту излучения на частоту модуляции – 120 МГц. Задержанный сигнал проходит контроллер поляризации (КП) и волоконную линию длиной 50 км, на выходе которой фазовые флуктуации, обусловленные шумами лазера, перестают коррелировать с флуктуациями в опорном плече. Для достоверного измерения время задержки в волокне должно значительно превышать ожидаемое время когерентности исследуемого лазера. Вторым разветвителем опорный и задержанный сигналы объединяются, после чего интерференционные биения регистрируются фотодетектором (ФД) и отображаются на электрическом анализаторе спектра (ЭАС) Anritsu.
Форма спектральной линии излучения, получаемого на выходе из схемы, обычно представляют собой профиль Фойгта, который является результатом свертки Лоренцева и Гауссова контуров, как показано на рис.3b. Гауссовая компонента спектра обусловлена фликер-шумом, обратно пропорциональным отстройке от центральной частоты и возникающим вследствие дрейфа тока и температурных флуктуаций в лазерном контроллере. Лоренцева компонента, связанная с квантовой природой лазерного излучения, характеризует саму лазерную линию, в том числе процесс спонтанного излучения в активной области лазера и является случайно распределенной величиной. Извлекая лоренцевскую и гауссовскую компоненты из профиля Фойгта, можно оценить ширину лазерной линии. Так, фундаментальная ширина лазерной линии равна половине ширины лоренцевской компоненты на уровне 3 дБ, а гауссовская ширина определяется путем умножения ширины спектра гауссовской составляющей на уровне 3 дБ на множитель √2/2 [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Оптический спектр внешнего интегрального кольцевого резонатора на платформе КНИ
Оптический спектр изготовленного кремниевого кольцевого резонатора, измеренный на зондовой станции, представлен на рис.4. Согласно полученному спектру, спектральная ширина резонанса кольца составила 9,6 пм (1,2 ГГц на длине волны 1550 нм), область свободной дисперсии – 115 пм (14,37 ГГц), добротность – 161 000, а резкость – 12. По результатам измерений спектра пропускания кольца до и после приклейки оптических волокон суммарные потери на стыковку обоих портов на длине волны 1530 нм составили около 2,3 дБ.
Характеризация спектральной ширины РОС-лазера в свободном режиме и в режиме самозахвата частоты
В качестве источника использовался РОС-лазер с волоконным выводом с сохранением поляризации на длине волны 1530 нм, обладающий максимальной мощностью 102 мВт при токе 554,6 мА в непрерывном режиме. На рис.5а приведена зависимость выходной оптической мощности лазера от тока накачки. Порог лазерной генерации наблюдается при токе порядка 70–72 мА, после чего выходная мощность плавно возрастает с увеличением тока.
Спектр лазера, измеренный методом самогетородинной интерферометрии, представлен на рис.5b. При токе, близком к пороговому значению, в спектре наблюдается одиночная спектральная линия, превышающая уровень шумов более чем на 35 дБ. С увеличением тока по бокам от основной линии появляется шумовая засветка, связанная с возбуждением дополнительных лазерных мод, превышающих пороговый уровень. Так, при токе 400 мА отношение амплитуды лазерного пика к шумовой засветке снижается до 15 дБ. Спектр лазера, работающего в свободном режиме при управляющем токе 300 мА и температуре (ТЭК) 26 ⁰C показан на рис.6a. Из аппроксимации спектра функцией Фойгта, представленной рис.6b, следует, что лоренцевская ширина лазерной линии составляет 210 кГц, а гауссовская – 2,7 МГц.
Спектр лазера в режиме самозахвата частоты при токе 300 мА также представлен на рис.6а. Сравнивая его со спектром свободно работающего лазера, можно заключить, что применение внешнего резонатора на чипе позволяет эффективно сужать линию лазерной генерации и подавлять дополнительные моды, появляющиеся при высоких токах накачки. Аппроксимация данного спектра функцией Фойгта показана на рис.7c. Согласно аппроксимации, лоренцевская ширина линии генерации лазера составила 150 Гц, в то время как гауссовская ширина имеет величину 36,6 кГц. Таким образом, спектральная линия лазера в сборке с ФИС резонатором сужается в 1400 раз. Мощность выходного излучения лазера в режиме самозахвата частоты составляет около 1 мВт. Важно также отметить, что продолжительность непрерывной работы лазера в режиме самозахвата частоты до перескока на другую моду составляла порядка 1,5 мин, несмотря на отсутствие температурной стабилизации внешнего резонатора и активной подстройки фазы обратной связи.
ВЫВОДЫ
Таким образом, в данной работе реализован узкополосный лазерный источник на основе РОС-лазера и интегрального кремниевого кольцевого резонатора с добротностью 1,61 · 105, изготовленного на платформе КНИ. Применение резонатора в качестве внешнего фильтра позволило достичь сужения спектральной линии лазера с 210 кГц до 150 Гц в режиме самозахвата частоты, что соответствует улучшению когерентности в 1400 раз. Полученные результаты подтверждают перспективность использования интегральных резонаторов на платформе КНИ для создания компактных высококогерентных лазеров телекоммуникационного C-диапазона длин волн.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ № 23-91-06301 "Компактные лазерные генераторы высокой когерентности", 23-79-30017 "Развитие элементной базы микроволновой фотоники", а также при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (FNRM-2025-0014).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Panyaev I.S., Itrin P.A., Korobko D.A., Fotiadi A.A. Sub-100-Hz DFB Laser Injection-Locked to PM Fiber Ring Cavity. Journal of Lightwave Technology, 2024. Vol. 42. No. 8. PP. 2928–2937.
Zou M., Shen K., Song Q., Dai Y., Xiao X., Sun Q., Yan Z. Sub-kHz-linewidth laser generation by self-injection locked distributed feedback fiber laser. Optics & Laser Technology. 2023. Vol. 169. PP. 110022–110022.
Liang W.Y., Ilchenko V.S., Eliyahu D., Savchenkov A.A., Matsko A.B., Seidel D., Maleki L. Ultralow noise miniature external cavity semiconductor laser. Nature Communications. 2015. Vol. 6. No. 1. PP. 1–6.
Jin W., Yang Q., Chang L., Shen B., Wang H., Leal M.A., Wu L., Gao M., Feshali A., Paniccia M., Vahala K.J., Bowers J.E. Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators. Nature Photonics. 2021. Vol. 15. No. 5. PP. 346–354.
Zhang G., Cen Q., Hao T., Yin X., Zi X., Shi N., Li W., Zhu N., Li M. Self-Injection Locked Silica External Cavity Narrow Linewidth Laser. Journal of Lightwave Technology. 2023. Vol. 41. No. 8. PP. 2474–2483.
Gundavarapu S., Brodnik G.M., Puckett M., Huffman T., Bose D., Behunin R., Wu J., Qiu T., Pinho C., Chauhan N., Nohava J., Rakich P.T., Nelson K.D., Salit M., Blumenthal D.J. Sub-hertz fundamental linewidth photonic integrated Brillouin laser. Nature Photonics. 2018. Vol. 13. No. 1. PP. 60–67.
Okoshi T., Kikuchi K., Nakayama A. Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum. Electronics Letters. 1980. Vol. 16. No. 16. PP. 630–630.
Derickson D. Fiber Optic Test and Measurement. 1998. Prentice Hall.
Отзывы читателей
