Multiwavelength Photonic Integrated Lasers with Emission at 2–3 µm

Abstract

Väitöskirjan tavoitteena oli kehittää 2–3 μm aallonpituusalueella toimivia tuunattavia ja monella aallonpituudella emittoivia puolijohdelasereita kaasuspektroskopiasovelluksia varten. Tutkimuksessa hyödynnettiin uudenlaisia integroituja fotonisia piirejä (PIC), jotka koostuivat GaSb/GaInAsSb heijastavista puolijohdelaserivahvistimista (RSOA) sekä aallonpituuden säätöelementeistä, jotka valmistettiin pii- (SOI) tai piinitridiaaltojohteista (SNOI).

Tutkimuksessa demonstroitiin ensimmäistä kertaa 2,6 μm aallonpituusalueella toimiva säädettävä Vernier-hybridi-laser, joka yhdisti GaSb-pohjaisen RSOA:n ja termisesti säädettävän kaksoisrengasresonattori (RR) SOI-PIC:n. GaSb/SOI Vernier-hybridilaseria ajettiin virtapulsseilla, ja säteilyn aallonpituutta voitiin säätää 70 nm:n alueella (2550–2620 nm), mikä on laajin aallonpituuden säätö mitä GaSb/SOI-hybridilaserille on koskaan raportoitu. Korvaamalla SOI-PIC:n SNOI-PIC:llä, laseria pystyttiin ajamaan jatkuvalla virransyötöllä (CW), jolloin saavutettiin 6,4 mW:n maksimiteho laserin keskiaallonpituudella. Tämä on korkein PIC-lasereille mitattu CW-teho yli 2,1 μm:n aallonpituuksilla. Tämän GaSb/SNOI Vernier-hybridilaserin aallonpituutta pystyttiin säätämään 170 nm:n alueella (2474 nm ja 2644 nm välillä). Tämä on laajin PIC-lasereille mitattu aallonpituuden säätöalue, joka on koskaan raportoitu yli 1,7 μm:n aallonpituuksilla.

Lisäksi demonstroitiin yhdellä ja useammalla aallonpituudella (MWL) emittoivia kapean viivanleveyden hajautettuihin Bragg-heijastimiin (DBR) perustuvia hybridilasereita. Laserit hyödynsivät SNOI-pohjaisia DBR:iä, jotka toteutettiin asettamalla spiraaliaaltojohteen rinnalle periodisesti pyöreän muotoisia pilareita. Tällä tekniikalla rakennetun 2 μm DBR-hybridilaserin maksimiteho oli 17,4 mW, mikä on korkein PIC-lasereille mitattu teho tällä aallonpituusalueella. Vastaavasti 2,68 μm DBR-hybridilaserilla saavutettiin 7,1 mW:n maksimiteho, mikä on riittävä teho spektroskopiasovelluksissa. Lisäksi 2 μm DBR-laserille mitattiin alle 50 kHz:n (7 ms:n aikaskaalassa) viivanleveys. Lopuksi demonstroitiin spiraali-DBR:iin perustuva hybridi-MWL, jonka emissioaallonpituutta pystyi säätämään 2670 nm, 2629 nm ja 2594 nm aallonpituuksien välillä.

Nämä demonstraatiot edustavat merkittävää edistystä 2–3 μm aallonpituusalueella toimivien hybridilasereiden suorituskyvyssä. Niillä on potentiaalia mullistaa PIC-antureiden käyttöä monissa sovelluksissa, kuten ympäristökaasujen tai biomolekyylien mittauksessa.

The general scope of the thesis was the development of tunable and multiwavelength semiconductor lasers operating within the 2–3 μm wavelength region, targeting applications in gas spectroscopy. The focus is on novel photonic integrated circuit (PIC) architectures including GaSb/GaInAsSb reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs) and wavelength conditioning elements realized using silicon on insulator (SOI) or silicon nitride on insulator (SNOI) technologies.

A tunable Vernier hybrid laser combining a 2.6 μm GaSb-based RSOA and a thermally tunable double ring resonator (RR) SOI PIC was demonstrated for the first time. The laser operated in pulsed mode with emission wavelength tunable over a range of 70 nm (2550–2620 nm), the longest wavelength emission for GaSb/SOI hybrid laser ever reported. Replacing the SOI PIC with a RR SNOI PIC enabled continuous wave (CW) operation with a maximum CW output power of 6.4 mW at the center wavelength, which is the highest CW output power recorded for PIC-based hybrid lasers at >2.1 μm wavelengths. The laser showed a tuning range of 170 nm (between 2474 nm and 2644 nm). This is the widest tuning range recorded for PIC-based hybrid lasers at >1.7 μm wavelengths.

Furthermore, hybrid integrated narrow linewidth distributed Bragg reflector (DBR) lasers with single and multiwavelength (MWLs) emission were demonstrated. The lasers utilized SNOI PIC-based DBRs with spiral-shaped waveguides and circular post-type grating next to the waveguide. For operation near 2 μm the DBR laser had a maximum power of 17.4 mW, which is the highest output power demonstrated for any PIC-based hybrid laser at this wavelength region. At 2.68 μm a maximum power of 7.1 mW was achieved, which is sufficient for sensing applications. A narrow linewidth emission below 50 kHz (measured over 7 ms) was demonstrated at both wavelengths. Finally, wavelength switchable operation between 2670 nm, 2629 nm, and 2594 nm was demonstrated for a hybrid MWL incorporating spiral gratings.

These first-of-a-kind demonstrations represent state-of-the-art performance for PIC-based hybrid lasers operating in the 2–3 μm wavelength region. They have the potential to revolutionize the realization of integrating PIC sensors for many applications, for example for the monitoring of environmental gases or biomarkers.