KR102592497B1 - 모드 홉 프리 파장 튜닝을 위해 구성된 집적 광학 기반 외부 공동 레이저 - Google Patents

모드 홉 프리 파장 튜닝을 위해 구성된 집적 광학 기반 외부 공동 레이저 Download PDF

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Abstract

본 개시내용의 양태는, 튜닝 감도를 증가시킴으로써 극미세(ultra-narrow) 선폭을 갖는 증가된 연속 튜닝 범위를 갖는 모드 홉 프리(mode-hop-free) 파장 튜닝을 위해 구성된 집적 광학 기반 외부 공동 레이저를 포함하는 시스템, 방법 및 구조체를 설명한다. 극미세 선폭은, 레이저 공동에서 라운드트립당 링(들)을 통한 광의 다수 패스로 레이저의 광학 길이에 기여하면서, 단일 모드 발진을 가능하게 하는 튜닝 가능한 마이크로링 공진기를 유리하게 포함할 수 있는 다중 패스 공진기 기반 필터로 공동 길이를 연장함으로써 제공된다. 본 개시내용의 추가 양태는 위상 섹션에 의해 유도된 공동 위상 시프트당 연속 파장 시프트에 의해 정의되는 향상된 "튜닝 감도"를 나타내는 시스템, 방법 및 구조체를 설명한다. 이러한 튜닝 감도는 위상 섹션만을 튜닝하는 것과 비교하여 위상 섹션 및 링 공진기의 동기 튜닝에 대해 대략 3배만큼 증가된다.

Description

모드 홉 프리 파장 튜닝을 위해 구성된 집적 광학 기반 외부 공동 레이저
본 개시내용은 일반적으로 튜닝 가능 레이저에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 집적 광학 기반 튜닝 가능 레이저에 관한 것이다.
협대역 파장 튜닝 가능 레이저는 통신, 계측 및 감지 분야에서 찾아질 수 있는 많은 응용 분야에서 관심을 받고 있다. 예는 코히런트 통신을 위한 고차 변조 형식, 원자 시계, 및 레이저 도플러 진동계가 있다.
이러한 많은 응용 분야에서, 예를 들어, 레이저를 원하는 파장으로 설정하기 위해서, 서보 제어 루프를 통해 레이저의 파장을 원하는 파장으로 유지하기 위해서 광학 파장을 정밀하게 튜닝하는 능력이 요구된다. 불행히도, 공동(cavity) 길이를 변경하여 레이저를 튜닝하는 것은 복수의 공동 모드 사이에서 바람직하지 않은 모드 홉(mode hop)을 유도할 수 있다. 이러한 모드 홉은 서보 제어 시스템을 사용하여 수정하는 것이, 만약 불가능하지는 않다면, 어려운 파장 점프로 귀결될 수 있다. 또한, 모드 홉은 튜닝 속도를 늦춘다. 결과적으로, 협대역 모드 홉 프리 튜닝 가능 레이저가 매우 바람직하다.
레이저의 선폭을 감소시키는 것은 또한 공동 길이를 증가시킴으로써 행해질 수 있다. 그러나, 이것은 또한, 레이저의 공동 모드들 사이의 스펙트럼 거리를 감소시켜, 파장 튜닝 동안 모드 홉의 가능성을 증가시킨다. 그러나, 모드 호핑은, 레이저 공동 내부에 조정 가능한 스펙트럼 필터를 배치하고 공동 길이와 동시에 이것을 튜닝함으로써, 완화될 수 있다. 이러한 동기 튜닝은, 예를 들어, 외부 공동 레이저에서 격자에 대한 정확한 피벗 포인트를 선택함으로써 Littman-Metcalf 및 Littrow 구성 모두에서 데모(demo)되었다. 대안적으로, 모드 홉 프리 튜닝은, 공동 길이를 연장하면서 다층 유전체 필터의 동시 회전에 의해 외부 공동 레이저에 대해 가능해질 수 있다.
불행히도, 이러한 외부 공동 레이저는 기계적 진동과 정렬 불량에 매우 민감하다. 결과적으로, 동기식 튜닝 접근 방식이 또한 완전히 집적된 DBR/DFB 레이저에 적용되었다. 이러한 접근 방식에서, 동기 튜닝은 브래그 전류와 위상 전류 변경 간의 적절한 비율을 선택하여 실현된다. 불행히도, 이러한 종래 기술의 튜닝 가능 레이저는 메가헤르츠 범위 내의 큰 선폭을 특징으로 한다.
링 공진기 결합 다이오드 레이저는 넓은 튜닝 범위와 좁은 선폭 모두를 가능하게 하는 전망을 보여주었다. 일반적으로, 이러한 레이저의 튜닝 범위는 버니어(버니어) 효과를 통해 전체 이득 대역폭을 커버한다. 저손실 피드백 회로를 반도체 광 증폭기와 통합함으로써, 레이저 선폭을 10 kHz 범위로 줄일 수 있다. 최근에는, 290 Hz의 선폭이 보고되었다. 불행하게도, 이러한 레이저는 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 튜닝될 수 있지만, 모드 홉 프리에 대한 체계적인 접근 방식은 아직 데모되지 않았다.
큰 튜닝 범위를 갖는 집적 광학 기반의 모드 홉 프리 튜닝 가능한 레이저에 대한 필요성은 아직까지 종래 기술에서 충족되지 않은 상태로 남아 있다.
레이저 공동의 자유 스펙트럼 범위보다 더 큰 모드 홉 프리 튜닝 범위를 갖는 집적 광학 기반 튜닝 가능 레이저에 관한 본 개시내용의 양태에 따라 기술 분야의 진보가 이루어진다. 본 개시내용에 따른 실시형태는 레이저 공동에 포함된 위상 섹션 및 레이저 공동에 대한 외부 미러를 집합적으로 정의하는 하나 이상의 링 공진기의 동시 튜닝을 사용한다.
종래 기술의 튜닝 가능 레이저와 같이, 본 개시내용에 따른 튜닝 가능 레이저는 튜닝 가능 링-공진기 미러 구성을 포함하는 집적 광학 기반 광학 회로와 광학적으로 결합된 이득 매체를 사용한다. 이득 매체는 제1 레이저 공동 미러로서 역할을 하는 하나의 연마된 파세트를 포함하는 한편, 링 공진기 미러는 제2 레이저 공동 미러로서 역할을 하여 외부 공동 레이저를 정의한다.
종래 기술과 뚜렷하게 대조적으로, 튜닝 가능한 위상 섹션이 레이저 공동 내에 포함되며, 위상 섹션과 링 공진기 구성은 적절한 비율로 동기적으로 튜닝되어, 공동 모드 간격의 다수 배인 모드 홉 프리 튜닝 범위를 가능하게 한다.
특정 이점의 - 그리고 선행 기술과 더욱 대조적으로 - 본 개시내용의 양태에 따른 시스템, 방법 및 구조체는 증가된 "튜닝 감도" - 즉, 위상 섹션에 의해 생성된 유도된 공동 위상 시프트당 연속 파장 시프트를 나타낸다. 본 개시내용에 따른 시스템, 방법 및 구조체의 이러한 구별되고 놀라울 정도로 효과적인 특성은, 연속 튜닝이 단지 레이저의 공동 길이를 증가시키는 것에 의해서가 아니라 본원에 개시된 것과 같은 공동내 위상 변위기로 가능한 것으로 도시되기 때문에, 특히 중요하다.
더 도시되고 설명되는 바와 같이, 본 발명의 양태에 따른 시스템, 방법 및 구조체는, 공동 길이에 기여하는 튜닝 요소로서 공진기 기반 필터 구조체(하나 이상의 링 공진기를 포함함)를 활용함으로써 종래기술에 비해 우수한 튜닝 감도를 달성한다. 결과적으로, 본 개시내용의 양태에 따르면, 링 공진기의 공진 파장이 튜닝될 때, 레이저 공동 길이가 또한 증가된다. 이러한 튜닝 감도는 동기 튜닝의 경우 링 공진기에 의해 제공되는 추가 공동 길이와 무관하고, 버스 및 이득 도파관의 광학 길이에 의해 제공된다.
당업자는, 본 개시내용의 양태에 따른 이러한 작동이, 예를 들어, 격자 길이와 실질적으로 동일한 차수인 유효 길이를 갖는 격자를 공동 길이를 증가시키기 위한 메커니즘으로서 사용하는 것과 뚜렷한 대조를 이룬다는 점을 쉽게 이해할 것이다.
예시적인 실시형태는 저손실 유전체 도파관 기반 광학 회로를 포함하는 기판과 하이브리드 방식으로 통합된 이득 매체를 포함하는 집적 광학 기반 레이저이다. 이득 매체와 광학 회로는 레이저의 레이저 공동을 형성하도록 배열된다. 이득 매체는 레이저 공동의 하나의 미러를 정의하도록 연마된 제1 파세트, 및 광학 회로의 입력 포트와 광학적으로 결합된 제2 파세트를 포함한다. 저손실 유전체 도파관 회로는 레이저 공동에 대한 제2 미러를 정의하는 버니어 배열로 광학적으로 결합된 한 쌍의 링 공진기를 포함한다. 광학 회로는 또한, 입력 포트와 링 공진기 미러 사이에 위치된 위상 섹션을 포함한다. 광학 회로의 포함에 의해서, 레이저 공동의 광학적 길이는 수 센티미터 이상일 수 있고, 이는 매우 좁은 선폭을 갖는 레이저를 가능하게 한다. 예를 들어, 설명된 실시예에서, 레이저 공동은 수 센티미터의 광학 길이, 및 10 kHz 범위의 선폭을 갖는다.
일부 실시형태에서, 광학 회로는 화학량론적 실리콘 이산화물 층에 의해 분리되는 한 쌍의 화학량론적 실리콘 질화물 층을 포함하는 다층 코어를 갖는 도파관 구조에 기반하며, 다층 코어는 단일 광학 모드를 집합적으로 지지하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 링-공진기 구성의 링-공진기 및 위상 섹션 중 적어도 하나는 열적으로 튜닝된다. 일부 실시형태에서, 링 공진기 구성의 링 공진기 및 위상 섹션 중 적어도 하나는 스트레스 유도 위상 컨트롤러를 통해 튜닝된다.
본 개시내용의 보다 완전한 이해는 다음과 같은 수반된 도면을 참조하여 실현될 수 있다:
도 1a는 동일한 광 증폭기 섹션을 갖지만 상이한 공동 구성을 갖는 3개의 레이저의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 3개의 레이저의 튜닝 거동을 예시하는 플롯을 도시한다.
도 1c는 도 1a의 3개의 레이저의 숄로우-타운즈(Schawlow-Townes) 선폭을 예시하는 플롯을 도시한다.
도 2는 본 개시내용의 양태에 따른 튜닝 가능 레이저의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시내용의 양태에 따른 튜닝 가능한 레이저에 대한 측정된 레이저 파장의 플롯을 도시한다.
도 4는 미러(212)와 위상 섹션(222) 사이의 계산된 작동 비율의 플롯을 도시한다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 각각 플롯(400)에 도시된 작동 비율에 따라 구동되는 레이저(200)에 대해 측정된 출력 스펙트럼, 피크 파장, 및 출력 파워를 나타낸다.
도 6은 본 개시내용의 양태에 따른 튜닝 가능 커플러를 포함하는 집적 튜닝 가능 레이저의 추가적인 예시적 실시형태의 개략도를 도시한다.
도 7은 증폭기 전류의 함수로서 레이저의 측정된 섬유 결합 출력 파워의 플롯을 도시하며, 여기서 열전 냉각기는 20℃로 설정되었으며, 버니어 필터는 본 개시내용의 양태에 따라 1576 nm의 파장으로 설정되었다.
도 8a 및 도 8b는 중첩된 레이저 스펙트럼의 플롯을 도시하며, 도 8a는 버니어 필터가 5 nm 단위로 튜닝되었을 때, 0.1 nm 분해능 대역폭에서의 광 파워와 0.01 nm 분해능 대역폭에서 측정된 레이저 파워를 나타내며, 도 8b는 63 dB의 높은 SMSR을 도시하며, 여기서 도시된 스펙트럼은 배경 노이즈 레벨을 감소시키고 사이드 노드의 가시성을 증가시키기 위해 10회 측정에 대한 평균이며, 증폭기 전류는 300 mA로 설정된다.
도 9는 레이저 주파수 노이즈의 측정된 단면(single-sided) 파워 스펙트럼 밀도의 플롯을 도시하며, 여기서 700 Hz/Hz에서의 파선은, 본 개시내용의 양태에 따른 임의의 스퓨리어스 노이즈 주파수를 제외하고, 1.3과 3.5 MHz 사이의 노이즈 주파수 범위에 대한 평균 노이즈를 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 측정된 레이저 파장의 플롯을 도시하며, 도 10a는 또한 출력 파워를 도시하며, 도 10b는 위상 섹션 히터 파워의 함수로서 파장을 도시하며, 또한 본 개시내용의 양태에 따른 버니어 필터와 위상 섹션의 동기 튜닝, 위상 섹션만의 튜닝 및 모드 홉이 도시된다.
도 11은 본 개시내용의 양태에 따른 1536.713 nm에서 흡수 P19에 대한 파장의 함수로서 아세틸렌 가스 셀을 통한 측정된 그리고 계산된 투과율의 플롯을 도시한다.
예시적인 실시형태는 도면 및 상세한 설명에 의해 더 완전하게 설명된다. 그러나 본 개시내용에 따른 실시형태는 다양한 형태로 구현될 수 있고, 도면 및 상세한 설명에서 설명된 특정 또는 예시적인 실시예에 한정되지 않는다.
다음은 단지 본 개시내용의 원리를 예시한다. 따라서 당업자가 본원에 명시적으로 설명되거나 도시되지는 않았지만 본 개시내용의 원리를 구현하고 그 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 배열체를 고안할 수 있다는 점이 이해될 것이다.
또한, 본원에 인용된 모든 예 및 조건적 표현은, 발명자(들)에 의해서 기술 발전에 기여된 개시내용의 원리 및 개념을 독자가 이해하는 데 도움을 주기 위한 교육적 목적으로만 의도되며, 구체적으로 언급된 이러한 실시예 및 조건에 한정됨이 없는 것으로 해석될 것이다.
더욱이, 본 개시내용의 특정 실시예뿐만 아니라, 원리, 양태, 및 실시형태를 언급하는 본원의 모든 진술은 이의 구조적 등가물 및 기능적 등가물 둘 다를 포함하도록 의도된다. 또한, 이러한 등가물이 현재 알려진 등가물과 미래에 개발될 등가물, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하는 개발된 임의의 요소를 모두 포함하는 점이 의도된다.
따라서, 예를 들어, 본원의 임의의 블록도가 본 개시내용의 원리를 구현하는 예시적인 회로의 개념도를 나타낸다는 점이 당업자에 의해 인식될 것이다.
본원에서 명시적으로 특정되지 않는 한, 드로잉을 포함하는 도면은 축척에 따라 그려지지 않았다.
도 1a는 동일한 광 증폭기 섹션을 갖지만 본 개시내용의 양태에 따른 상이한 공동 구성을 갖는 3개의 레이저의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다. 도 1b는 도 1a의 3개의 레이저의 튜닝 거동을 예시하는 플롯을 도시하며, 도 1c는 도 1a의 3개의 레이저의 숄로우-타운즈(Schawlow-Townes) 선폭을 예시하는 플롯을 도시한다. 이는 집적된 레이저의 튜닝과 선폭 제한, 및 큰 튜닝 감도(Fλ)를 얻는 동시에 좁은 고유 선폭을 갖는 단일 주파수 발진을 유지하기 위한 전략을 예시한다. 도 1a에 예시적으로 도시된 레이저(1)는, 길이(La)의 이득 요소, 및 위상 섹션을 포함하는 길이(Lb)의 버스 섹션을 포함하는 간단하고 완전히 집적된 레이저의 개략적 표현이다. 총 공동 길이(Lc1 = La + Lb)는 작을 수 있고, 따라서 레이저는 큰 튜닝 감도(Fλ ∝ 1/Lc1)를 보유한다. 대응되는 레이저 공동 자유 스펙트럼 범위는 커서, 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이, FSR1까지의 범위에 걸쳐 위상 섹션에 의한 연속 튜닝을 가능하게 한다. 작은 공동 길이를 갖는 이러한 구성은 도 1c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 넓은 숄로우-타운즈 선폭으로 귀결된다는 점을 유의한다.
작은 숄로우-타운즈 선폭을 얻기 위해, 버스 도파관은 도 1a에서 레이저(2)로 개략적으로 표시된 것처럼 길이(Lb' 》 Lb)까지 연장될 수 있다. 총 레이저 공동 길이(Lc2)는 이제 레이저(1)의 길이보다 훨씬 크다. 결과적으로, 도 1b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 튜닝 감도(Fλ ∝ 1/Lc1)가 더 작아지고, 연속 튜닝 범위는 긴 레이저 공동의 작은 FSR에 한정된다. 그럼에도 불구하고, 레이저(2)는 도 1c에 그래프로 도시된 바와 같이 좁은 숄로우-타운즈 선폭을 나타낼 것이다. 더 도시되고 설명되는 바와 같이, 긴 공동을 가진 레이저에 대한 실험적 데모와 설명은, 단지 위상 섹션만 튜닝할 때, 좁은 숄로우-타운즈 선폭과 작은 튜닝 감도(Fλ)를 모두 확인할 것이다.
필터가 레이저 공동에 추가되는 경우, 공동 광자 수명이 크게 증가되고, 버스 도파관은 짧게, 예를 들어, 예시적인 레이저(1)의 버스 도파관만큼 짧게 유지될 수 있다. 광학 필터를 포함하는 이러한 레이저는 도 1a에서 레이저(3)로서 개략적으로 도시된다.
당업자에 의해서 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 광자 공동 수명을 향상시키는 필터는 일반적으로 공진기 기반이고, 레이저 공동을 통한 라운드트립(roundtrip)당 공진기 내에서 다수 회 순환하는 광에 의존한다. 공진기를 통과하는 다수의 경로는 공동 길이(Lc3)를 물리적 거울 간격을 너머로, 도면에서 점선 거울로 개략적으로 표시된 것과 같이 효과적으로 연장한다. 공동 광자 수명에 대한 광학 필터의 기여를 최대화하는 것은, 레이저가 좁은 숄로우-타운즈 선폭을 갖는 단일 주파수 발진을 제공하는 점을 보장한다. 더욱이, 도시되고 설명되는 바와 같이, 레이저(3)의 튜닝 감도(Fλ)는, 공진 필터로 위상 섹션의 동기 튜닝에 의존하는 모드 홉 프리 튜닝의 경우에 대해서, 레이저(1)의 튜닝 감도로 증가될 수 있다(도 1b 참조). 증가된 Fλ와 결합된 이 모드 홉 프리 튜닝은, 본 개시내용의 양태에 따르면, 유리하게 연속 튜닝 범위가 레이저 공동의 자유 스펙트럼 범위를 훨씬 넘어 연장되는 것을 허용한다.
보다 구체적으로, 본원의 예시적인 구성에 사용되는 바와 같은 두 개의 마이크로링 공진기에 기반된 필터를 갖는 구성의 경우, 모드 홉 프리 튜닝은 링의 공진 파장을 레이저의 발진 파장과 동기화되도록 유지하기 위해 두 링 내에 위상 변위기를 필요로 한다. 이러한 조건에서, 튜닝 감도(Fλ)는 다음 관계로 제공된다(유도에 대해서는 부록 참조):
(1)
수학식(1)에서 λc는 레이징 파장이고, ng,a 및 La는 각각 광 증폭기의 도파관의 유효군 지수와 이의 길이이며, ng,b 및 Lb는 실리콘 질화물 버스 도파관에 대한 해당되는 양이다.
이제 당업자에 의해서 쉽게 이해되고 인식될 수 있는 바와 같이, 수학식(1)은 본 개시내용의 양태에 따른 레이저 시스템, 방법 및 구조체의 중심 발견을 요약하며, 즉, 튜닝 감도(Fλ)는 전체 공동 길이를 연장하는 마이크로링 공진기의 광학적 또는 물리적 길이와 무관하고, 따라서 임의의 수의 링 공진기에 대해 유효하다. 이와 같이, 본 개시내용의 양태에 따른 레이저 시스템, 방법 및 구조는 놀랍게도 레이저 공동 길이를 큰 값으로 연장할 수 있는 한편(다수의 링 공진기를 통해 수많은 라운드트립을 나타냄), 집적된 레이저가 모드 홉 프리 튜닝될 때, 튜닝 감도(Fλ)를 감소시키지 않으면서, 레이저 선폭을 감소시킬 수 있다.
이제, 본 개시내용의 양태에 따른 가변 레이저 구조의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시하는 도 2를 참조한다. 도시된 바와 같이, 레이저(200)는 외부 공동 레이저 구성을 집합적으로 정의하도록 광학적으로 결합된 이득 매체(202) 및 광학 회로(204)를 포함한다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 이득 매체(202)는 광 신호에 대한 광학 이득을 제공하기에 적합한 통상의 이득 요소일 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 이득 매체(202)는 ~700 ㎛ 길이의 채널 및 1550 nm를 중심으로 하는 100 nm보다 큰 이득 대역폭을 갖는 반도체 광 증폭기(SOA: semiconductor optical amplifier)를 정의하도록 구성된 인듐 포스파이드(InP: indium phosphide)의 슬랩(slab)이다. 이득 매체(202)는 약 90%의 반사율을 갖는 고반사율(HR) 코팅물을 포함하는 피드백 미러(206)를 정의하기 위해 하나의 파세트에서 연마된다. 대안적인 예시적인 실시형태에서, 이득 매체(202)의 고반사율 파세트는 HR 코팅물로 코팅되기 전에 연마되기 보다는 클리브(cleave)된다. 이득 매체(202)의 반대편 파세트는 이득 매체와 광학 회로(204)의 입력 포트(208) 사이의 결합 손실을 완화시키도록 구성된 반사 방지 코팅물로 코팅된다. 일반적으로, 입력 포트(208)는 후방 반사를 완화시키기 위해 전방 파세트에 대해 대략 9°로 기울어져 있다.
도시된 예시적인 배열체에서, 이득 매체(202)는 유리(Si3N4/SiO2) 칩일 수 있는 기판(210) 상에 장착되어, 이득 매체가 광학 회로(204)의 입력 포트(208)와 광학적으로 결합된다.
광학 회로(204)는 입력 포트(208), 미러(212), 및 출력 포트(214)를 갖는 저손실 광학 회로를 정의하도록 배열된 복수의 도파관을 포함하는 평면 광도파 회로(PLC: planar-lightwave circuit)이다. 도시된 실시예에서, 광학 회로(204)의 도파관은 미국 특허 제7,146,087호, 제7,142,317호, 제9,020,317호 및 제9,221,074호에 설명된 바와 같이, 다층 코어 도파관(일반적으로 TriPleX WaveguidesTM이라고 함)이며, 이들 각각은 본원에 참조로 포함된다. 그러나, 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서, 가지각색의 대안적인 도파관 구조체가 광학 회로(204)에서 사용될 수 있다는 점이 유의되어야 한다.
도시된 실시예에서, 광학 회로(204)의 도파관은, 실리콘 질화물을 포함하는 하측 코어 층, 실리콘 이산화물을 포함하는 중앙 코어 층, 및 실리콘 질화물을 포함하는 상측 코어 층을 포함하는 코어를 갖는다. 3개의 코어 레이어는 단일 광학 모드의 단일 모드 전파를 집합적으로 지원하도록 구성된다. 이러한 도파관 구조체는, 미국 특허 제9,020,317호에 기술된 바와 같이, 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 낮은 전파 손실을 가능하게 하고, 이를 통해 전파되는 모드 필드의 형상을 제어하기 위해 1차원 또는 2차원으로 쉽게 테이퍼링될 수 있기 때문에, 일부 실시형태에서 바람직하다.
도시된 실시예에서, 입력 포트(208)는 대략 3.5 미크론 x 3.5 미크론인 이득 매체(202)의 모드 프로파일과 정합되도록 2차원으로 테이퍼져 있다. 또한, 입력 포트(208)는 인터페이스에서 결합 손실 및 스퓨리어스 반사를 감소시키기 위해 이득 매체(202)의 마주하는 파세트의 각도와 정합되도록 이의 파세트에 대해 실질적으로 19.85°로 기울어져 있다. 유사한 방식으로, 출력 포트(214)는 또한 광섬유(216)의 모드 프로파일과 실질적으로 정합되도록 테이퍼링된다.
각각의 링 공진기(RR1 및 RR2)는 한 쌍의 링 공진기가 튜닝 가능한 주파수 선택적 버니어 필터 및 미러(본원에서 간단히 미러(212)라고 함)를 집합적으로 정의하도록 레이스트랙(racetrack) 공진기로서 도시된다. 미러(212)의 주파수 선택적 반사율은 미러(206 및 212) 사이의 분리에 의해 정의되는 레이저 공동(217)에 대한 단일 종방향 모드를 정의한다. 다르게 말하면, 레이저 공동(217)은 어느 길이의 이득 매체(202) 및 입력 포트(208)와 미러(212) 사이의 광학 회로(204) 부분을 포함한다. 도시된 실시예에서, 레이저 공동 길이(218)는 수 센티미터이고; 따라서 레이저(200)의 선폭은 10 kHz 범위 내에 있다.
링 공진기(RR1 및 RR2)는 각각 실질적으로 857.5 및 885.1 미크론의 약간 다른 원주를 갖는 애드 드롭(add-drop) 구성으로 배열된다. 링 공진기(RR1)는 자유 스펙트럼 범위(FSR)가 1.58 nm이고, 링 공진기(RR2)는 FSR이 1.63 nm이다. 결과적으로, 버니어 효과로 인해, 링 공진기는 총 FSR가 50.6 nm이다. 버스 도파관과 레이스트랙 공진기 사이의 결합 계수는 κ2 = 0.1로 구성된다.
튜닝 가능한 방향성 커플러는, 공진 광의 추출을 가능하게 하고 이를 출력 포트(214)를 향해 지향시키기 위해서 레이저 공동(217) 내에 포함된다. 당업자에 의해 인식되고 이해되는 바와 같이, 레이저(200)가 발진할 때의 파장을 집합적으로 결정하는 3가지 조건이 있다:
i. 파장은 전체 공동 라운드트립에서 보강 간섭에 대한 위상 조건과 정합된다;
ii. 파장은 두 공진기의 필터링된 주파수와 정합된다;
iii. 파장은 공급된 전류에 따라 달라지는 재료의 이득 대역폭 내에 있다.
조건 i, ii 및 iii이 충족될 때, 필터 대역폭이 충분히 뚜렷하다면, 단지 하나의 공동 모드만이 임계 반전에 도달되고, 레이저(200)는 단일 모드 레이저로서 작동된다.
링 공진기(RR1 및 RR2)는 각각 레이저(200)의 파장 튜닝을 가능하게 하는 히터(220-1 및 220-2)를 포함한다. 추가적인 히터인 히터(220-3)는 위상 섹션(222)을 정의하기 위해 레이저 공동(217) 내의 광학 회로(204)의 도파관 상에 배치된다.
공동 길이(218)는 위상 섹션(222)과 링 공진기(RR1 및 RR2)에서 제어되며, 히터(220-1 및 220-2)는 링 공진기(RR1 및 RR2)의 광학 라운드트립 길이를 제어한다. 도시된 실시예에서, 히터(220-1, 220-2, 및 220-3)(집합적으로 히터(220)로 지칭됨)는 비교적 높은 전류 흐름을 견딜 수 있는 백금 스트립이다. 도시된 실시예에서, 대략 70 mA의 전류가 히터를 통해 흘렀고, 이는 위상 섹션(222)의 적어도 2Π 위상 튜닝 및 링 공진기의 거의 2Π 위상 튜닝을 가능하게 하였다. 일부 실시예에서, 적어도 2Π 위상 튜닝이 링 공진기에서 실현되도록 더 높은 전류 흐름이 사용된다.
일부 실시형태에서, RR1, RR2, 및 위상 섹션(222) 중 적어도 하나는 스트레스 유도 위상 변위기와 같은 상이한 위상 제어기를 포함한다. 본 개시내용에 따른 실시형태에서 사용되기에 적합한 스트레스 유도 위상 변위기의 비제한적인 예는 미국 특허 제9,453,791호 및 제9,764,352호, 및 미국 특허출원공개 US-2018-0203262-A1호에서 설명되며, 이들 각각은 참조로 본원에 포함된다.
바람직하게는, 이득 매체(202)는 히트싱크로서 기능하는 서브마운트 상에 배치된다. 또한, 일부 실시형태에서, 레이저(200)는 냉각된다(예를 들어, 열전 냉각기 등을 통해).
작동 시, 레이저(200)의 파장은 기판(210)의 온도, 튜닝 가능한 방향성 커플러의 제어, 히터(220)를 통한 구동 전류 등을 포함하는 수많은 인자에 복잡한 방식으로 의존한다. 제어 방법론을 단순화하기 위해, 기판 온도 및 튜닝 가능한 커플러의 커플링 비율이 고정될 수 있으며, 이는 주로 링 공진기(RR1 및 RR2) 및 위상 섹션(222)의 튜닝에만 레이저 파장의 종속성을 한정한다. 일부 실시형태에서, 기판 온도는 실온보다 약간 높게 설정된다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시내용에 따른 튜닝 가능한 레이저에 대한 측정된 레이저 파장의 플롯을 도시한다. 플롯(300 및 302)에 도시된 데이터는, 기판 온도를 약 25ºC로 유지하고 커플링 비율이 0.8이 되어 대략 14 mA의 레이저를 위한 임계 전류를 실현하도록 튜닝 가능한 방향성 커플러를 제어하는 동안 취해졌다.
플롯(300)은, 히터(220-1 및 220-2)에서의 전력 손실이 일정하게 유지되는 동안, 히터(220-3)에서의 전력 손실의 함수로서 레이저 파장과 출력 사이의 관계를 도시한다. 여기서 튜닝 범위는 공동 FSR에 대응되는 0.038 nm(4.8 Ghz)에 한정된다. 플롯(300)은 레이저 출력이 튜닝 중에 변하며, 종방향 모드 번호의 변경으로 인해 모드 홉에서 불연속성이 있다는 점을 나타낸다. Π 위상 튜닝을 위해 필요한 파워는 PΠ,PS = 292 mW이다.
플롯(302)은, 히터(220-3)에서의 전력 손실이 일정하게 유지되는 동안, 히터(220-1 및 220-2)에서의 전력 손실의 함수로서 레이저 파장과 출력 사이의 관계를 도시한다.
버니어 쌍 중 하나의 링 공진기를 튜닝하는 것은 이산 공진 및 따라서 다른 링 공진기의 FSR을 현시할 것이다. 또한, 본원에 참조로 포함되는 문헌[Komljenoic, et al., “Widely-Tunable Ring-Resonator Semiconductor Lasers,” Appl. Sci. 7, 732(2017)]에 따르면, 레이저의 방출 파장은 위상 섹션을 조정하지 않으면서, 두 링 공진기를 튜닝하여 버니어 FSR 내에서 이산 값으로 제어될 수 있다. 링 공진기(RR1 및 RR2)의 FSR은 각각 1.55 nm(98.6 Thz) 및 1.60 nm(101.8 Thz)로 결정되었으며, 이는 1520 및 1473 미크론의 광 경로 길이에 대응된다. 두 링 공진기의 2Π 위상 튜닝을 위해서 필요한 파워는 각각 P2Π,RR1 = 781 mW 및 P2Π,RR2 = 747 mW에서 결정되었다.
본 개시내용의 양태에 따르면, 이 값에 기반하여, 미러(212)에 대한 모델이 링 공진기(RR1 및 RR2)에서의 전력 손실의 함수로서 레이저(200)의 출력 파장을 예측하도록 결정된다. 다음으로, 이러한 모델은 플롯(302)에서 도시되는 바와 같이 주어진 파장 범위에 걸쳐 파장의 연속적인 스캔을 가능하게 하기 위해서 사용된다.
히터(220-1, 220-2) 모두에서의 전력 손실이 이러한 파장 스캔을 만들기 위해 동시에 튜닝되는 점이 유의되어야 한다. 링 공진기(RR1 및 RR2)가 미러(212)를 더 긴 파장으로 튜닝할 때 증가되는 공통 공진 파장을 갖기 때문에, 플롯(302)의 불연속성이 모드 홉으로 인해 발생된다. 공동 길이가 또한 증가되지만, 이의 증가는 공진 시프트를 따라잡기에 충분하지 않다. 결과적으로, 레이저는 더 높은 종방향 모드로 홉(hop)할 것이다.
그러나, 레이저 공동(218)의 길이를 증가시키기 위해 위상 섹션(222)의 길이를 동시에 튜닝하는 것은 레이저 공동(218)의 FSR을 초과하는 스펙트럼 범위에 걸쳐 레이저(200)의 출력에서 모드 홉을 방지할 수 있다는 것이 본 개시내용의 양태이다. 링 공진기(RR1 및 RR2)는 레이저 공동(218) 내에서 필터 요소로서 기능한다.
문헌[Liu, et al., "Passive microring-resonator-coupled lasers," Appl. Phys. Lett. 79, 3561-3563(2001)에서 논의된 바와 같이, 링 공진기의 광학 라운드트립 길이는 집적 광학 기반 외부 공동 레이저의 "유효 공동 길이"에 기여할 수 있다. 따라서, 레이저(200)의 모드 홉 프리 튜닝 범위가 링 공진기(RR1 및 RR2)의 광학 라운드트립 길이를 제어하는 동시에 위상 섹션(222)의 길이를 또한 제어함으로써 레이저 공동(218)의 공동 모드 간격을 넘어서 확장될 수 있다는 점은 본 개시내용의 다른 양태이다.
모드 홉 프리 튜닝의 핵심이 작동 미러(212)와 위상 섹션(222) 사이의 비율을 찾는 것이라는 점이 본 개시내용의 또 다른 양태이다.
도 4는 미러(212)와 위상 섹션(222) 사이의 계산된 작동 비율의 플롯을 도시한다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 각각 플롯(400)에 도시된 작동 비율에 따라 구동되는 레이저(200)에 대해 측정된 출력 스펙트럼, 피크 파장, 및 출력 파워를 나타낸다.
플롯(500)은 플롯(400)에 표시된 각각의 작동 비율에 대해 측정된 스펙트럼을 도시한다. 플롯(500)은 모드 홉 프리 튜닝이 실현될 수 있는 스펙트럼 범위인 스펙트럼 튜닝 범위(SR1)를 포함한다. 도시된 실시예에서, SR1은 대략 0.22 nm의 폭을 갖는다.
플롯(502)은 트레이스(504 및 506)를 포함한다. 트레이스(504)는 플롯(400)에 도시된 작동 비율에 대한 플롯(500)의 스펙트럼 각각에 대한 피크 파장을 도시한다. 비교를 위해, 트레이스(506)는 단지 위상 섹션(222)만 튜닝될 때 레이저(200)의 출력에서의 피크 파장을 도시한다.
플롯(502)은 위상 섹션(222)만 튜닝하는 것과 미러(212)의 버니어 필터와 동시에 위상 섹션을 튜닝하는 것 사이에 상당한 차이가 있다는 점을 명확히 도시한다. 공진 시 약하게 결합된 링(κ<1)의 경우, 공동 길이가 크게 연장되고, 따라서 공진기의 광학 라운드트립 길이의 작은 변화가 공동 길이에 큰 영향을 미친다. 이러한 레버리지는, 또한 위상 섹션(222)을 튜닝하면서 수행될 때 출력 파장에 대한 튜닝 미러(212)의 영향을 증가시킨다.
플롯(508)은 트레이스(510 및 512)를 포함한다. 트레이스(510)는, 히터(220)가 플롯(400)에 도시된 작동 비율로 제어될 때 레이저(200)의 피크 출력 파워를 도시한다. 비교를 위해, 트레이스(512)는 단지 위상 섹션(222)만 튜닝될 때의 레이저(200)의 피크 출력 파워를 나타낸다.
또한, 미러(212)와 위상 섹션(222)이 동시에 튜닝되는 경우, 레이저 파장 및 출력 파워가 튜닝될 때 불연속성이 발생되지 않는다. 플롯(508)은, 레이저(200)의 출력 파장이 모드 홉 프리 방식으로 튜닝될 수 있는 범위가 대략 0.22 nm(28 Ghz)임을 분명히 보여준다. 이러한 스펙트럼 범위가 레이저 공동(218)의 FSR의 5배보다 더 크다는 점이 유의되어야 한다.
도시된 실시예에서 모드 홉 프리 튜닝 범위의 한계는, 히터(222-3)에서의 전력 손실이 히터 재료에 의해서 견뎌질 수 있는 것을 초과할 때 발생되는 손상으로부터 발생된다는 점이 또한 유의되어야 한다. 위상 섹션 액츄에이터의 수를 증가시킴으로써 그리고/또는 작동 효과를 증가시킴으로써, 모드 홉 프리 튜닝 범위가 유리하게 증가될 수 있다.
실험적 실시예
추가 실험적 데모로서, 도 6은 본 개시내용의 양태에 따라 구성된 하이브리드, 집적 InP 튜닝 가능 다이오드 레이저의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다. 공동 길이 연장을 통해 단일 주파수 작동, 넓은 파장 튜닝, 및 좁은 선폭 발진을 달성하면서, 주파수 선택적 피드백을 제공하는 저손실 Si3N4 도파관 회로가 사용된다. 당업자에 의해 용이하게 인식되는 바와 같이, 이러한 구조체는 유리하게는 현대적인 방법을 통해 만들어질 수 있어, 작은 전체 물리적 사이즈로 귀결될 수 있다.
구체적으로 도시되지는 않지만, 이 도면에 도시된 반도체 칩은, 단일 패스 기하학적 길이가 700 μm이고, 이득 대역폭이 1540 nm 주변에서 최소 120 nm인 InP 기반 멀티 퀀텀 웰(multi-quantum well) 능동형 도파관을 포함한다. 하나의 파세트는, 레이저 공동의 거울 중 하나를 형성하는, 공기에 대한 ~ 90%의 고반사율 코팅물을 갖는다. 다른 파세트에서, 광은 다른 피드백 미러를 형성하는 유전체 칩에 커플링된다. 두 개의 칩 사이의 인터페이스에서 원치 않는 반사를 감소시키기 위해서, 반사 방지 코팅물이 파세트에 도포되고, 도파관은 파세트 법선에 대해 9°만큼 틸팅된다.
당업자는, 유전체 칩이 주파수 선택적 피드백을 제공하고 매우 낮은 손실로 유효한 레이저 공동 길이를 증가시킨다는 점을 이해할 것이다. 실험 구성에서, 피드백 칩은 SiO2 클래딩에 매립된 두 개의 Si3N4 스트라이프의 대칭 이중 스트라이프 도파관 기하학적 구조에 기반한다. 이러한 단일 모드 도파관은 약 0.1 dB/cm의 낮은 전파 손실을 나타내고, 100 μm까지의 작은 벤딩 반경을 가능하게 한다. 유리하게는, 이득 칩의 모드에 대한 그리고 출력 광섬유의 모드에 대한 광학 모드의 최적 정합을 위해 Si3N4 플랫폼의 2차원 테이퍼링 특성이 활용된다. InP 이득 칩과의 결합을 위한 파세트에서, 도파관은 2차원적으로 테이퍼지고, InP 도파관 광학 모드와 인터페이스에서의 각도를 정합하기 위해서 파세트 법선에 대해 19.85° 아래로 기울어진다. 이러한 모드와 각도 정합은 효율적인 결합을 허용하고, 스퓨리어스 반사를 최소로 감소시킨다.
주파수 선택적 필터는, 버니어 구성에서 두 개의 순차적 레이스트랙-형상의 마이크로링 공진기(MRR1 및 MRR2)를 사용하여 피드백 칩 상에 구현되고, 루프 미러 내부에 배치된다. 이러한 필터의 목적은, 이득 대역폭에 걸쳐 튜닝하면서 단일 모드 작동을 부과하고, 유효한 공동 길이를 증가시켜, 고유 선폭을 좁히는 것이다. 예시적으로 제작된 바와 같이, 마이크로링은 각각 둘레가 885.1 μm 및 857.4 μm이다. 당업자는, 이러한 길이(들)가 단열 굴곡부를 갖는 레이스트랙 공진기의 선택된 구현, 적어도 100 μm의 굴곡부 반경 요구 사항, 및 필터 사양에 기반하여, 가능한 가장 작다는 점을 인식할 것이다. 버니어 필터의 총 자유 스펙트럼 범위는 공칭 파장 주변에서 50.5 nm이다. InP 이득 칩의 대역폭이 더 크지만, 이러한 자유 스펙트럼 범위는 이득 대역폭의 큰 부분에 걸쳐 레이징(lasing)되는 단일 모드를 얻기에 충분한다. 두 링 모두는 대칭이고, κ2 = 0.1의 버스 도파관에 대한 파워 결합 계수를 위해 구성된다.
이 값은 실험적으로 κ2 = 0.071 ± 0.003으로 결정되었으며, 공진에서 13.7배만큼의 길이 증가로 귀결되었다(수학식(A-6) 참고). 연결 버스 도파관 및 다른 요소의 길이는 최대 6.7 mm를 더한다. 전체적으로, 이것은 3.5 cm의 유효한 광학 공동 길이로 귀결된다.
또한, 버스 도파관의 소위 위상 섹션은, 순환하는 광의 위상을 제어하고, 임의의 다른 요소를 튜닝할 때 위상 변화를 보상하기 위해서, 추가된다. 일반적으로, 위상 섹션은 레이저 공동의 단일 종방향 모드에 대해 최대 피드백을 제공하도록 설정되며, 이는 레이저 발진을 단일 파장으로 한정하고 최대 출력 파워를 제공한다. 그러나 위상 섹션은 또한, 두 개의 파장에 대해 동일한 피드백을 제공하도록 튜닝될 수 있으며, 이 설정으로, 레이저는 다중 주파수 빗(comb)을 생성할 수 있다.
균형 잡힌 마하 젠더(Mach-Zehnder) 간섭계로서 구현된 튜닝 가능한 커플러는 레이저 공동 밖으로 순환하는 광을 커플링하기 위해서 사용된다. 추출된 광은 단일 모드 편광 유지 출력 광섬유로 지향된다. 원하지 않는 외부 후방 반사를 방지하기 위해, 출력 광섬유는 FC/APC 커넥터로 종단되고, 광섬유 아이솔레이터(isolator)(Thorlabs IO-G-1550-APC)에 연결된다.
열적 튜닝은 마이크로링, 위상 섹션, 및 출력 커플러 위에 배치된 저항성 히터를 통해 구현된다. 위상 섹션 및 출력 커플러 히터의 길이는 1 mm이며, 두 히터 모두는 Π 위상 변이를 달성하기 위해 290 mW의 파워를 필요로하고, 적어도 2.5Π의 광학 위상의 변화를 유도할 수 있다. 링 공진기 상부에 있는 약간 더 짧은 히터는 Π 위상 시프트에 대해 약 380 mW를 필요로하고, 실험 중에 최대 1.6Π 위상 시프트로 튜닝되었다.
증폭기, 피드백 칩 및 출력 광섬유는 모두 최적의 결합을 위해 정렬되고, 영구적으로 고정되었다. 이러한 하이브리드 조립체는 14핀 버터플라이 패키지의 열전 냉각기 상에 장착되었다. 냉각기, 증폭기 및 히터는 핀에 와이어 본딩되고, 외부 드라이버에 연결된다. 이러한 하이브리드 레이저의 조립은, 정확하고 재현 가능한 파장 튜닝을 위한 전제 조건인 안정적인 레이저 작동을 가능하게 한다.
여기에 제시된 측정 동안, 레이저는, 달리 명시되지 않는 한, 다음 파라미터로 작동되었다. 열전 냉각기의 온도는 25°C로 설정되었다. 이러한 온도는 최대 성능을 위한 온도보다 약간 높지만, 응축을 방지하기 위해 다이오드를 주변 온도보다 약간 높게 유지하며, 이는 광 출력 파워을 단지 몇 퍼센트만 감소시킨다. 또한, 출력 커플러는 80% 파워 아웃커플링으로 설정되었으며, 이것은 높은 출력 파워를 갖는 단일 모드 작동을 위한 최상의 작동 지점을 제공하기 때문이다. 마지막으로, 레이저 파라미터를 변경한 후, 위상 섹션에 의해 유도된 위상은, 예를 들어, 펌프 전류가 변경될 때 라운드트립 위상의 변화를 보상하기 위해 최대 출력 파워에 대해 최적화되었다.
펌프 전류의 함수인 섬유 결합 출력 파워는, 버니어 필터가 1576 nm의 파장으로 설정되고, 열전 냉각기의 온도가 이러한 레이저에 대한 거의 최적의 설정인 20°C로 설정된 상태에서, 도 7에 도시된다. 300 mA의 펌프 전류에서 최대 24 mW가 얻어졌고, 임계 전류는 14 mA였다.
본원의 레이저의 넓은 스펙트럼 범위를 예시하기 위해, 버니어 필터가 약 5 nm 단계로 튜닝되었을 때, ANDO AQ6317 광학 스펙트럼 분석기(OSA1)로 측정된 바와 같이, 중첩된 레이저 스펙트럼이 도 8a에 도시된다. 가장 넓은 스펙트럼 범위를 얻기 위해 펌프 전류는 최대 300 mA로 증가되었다. 도 8a는 120 nm의 스펙트럼 커버리지를, 즉 레이저의 전체 이득 대역폭을 확장하는 것을 도시한다. 버니어 자유 스펙트럼 범위(~50 nm)보다 더 큰 스펙트럼 범위는 변화될 수 있는 출력 커플러의 스펙트럼 의존성을 사용함으로써 얻어졌다. 최적의 사이드 모드 억제는 1550 nm의 파장에 대해서 발견되었다.
이제 도 8b를 참조하면, 1550 nm 부근의 파장의 함수로서 0.01 nm의 분해능 대역폭에서 광 파워의 플롯이 도시되며, 이는 사이드 모드를 노이즈 수준 위로 가져오기 위해 10회 측정에 걸쳐 평균을 내고, 다시 OSA1으로 측정되었다. 그림 8b는, 버니어 필터의 제1 사이드 피크와 잘 일치되는 메인 모드로부터 1.61 nm 떨어진 63 dB 억제를 갖는 두 개의 사이드 모드를 현시한다. 단일 공동 모드만이 존재하는 점을 확인하기 위해서, 고해상도 Finisar WaveAnalyzer 1500S 광학 스펙트럼 분석기(OSA2)가 사용되었다. 출력 파워가 최대인 1570 nm 부근의 파장에 대해서 가장 높은 사이드 모드 억제가 발견될 것으로 예상되었다. 그러나, 이 파장에 튜닝된 버니어 필터를 사용하면, 하나의 버니어 자유 스펙트럼 범위(~50 nm)에서 떨어진 곳에 또한 다른 모드가 생성되어 사이드 모드 억제를 저하시킨다. 레이저가 1550 nm에 튜닝되면 ~50 nm 거리의 모드는 OSA1으로 검출 가능하지 않다. 아마도 이러한 모드가 더 낮은 이득 또는 더 높은 손실에 의해 억제되기 때문일 수 있다.
고유 선폭 및 모드 홉 프리 튜닝
본 개시내용의 양태에 따른 하이브리드 레이저의 3.5 cm의 유효한 광학 공동 길이가 높은 위상 안정성으로 귀결된다는 점을 데모하기 위해서, 선폭 분석기(HighFinesse LWA-1k 1550)로 주파수 노이즈의 파워 스펙트럼 밀도(PSD: power spectral density)를 측정함으로써 고유 선폭이 결정되었다. 이러한 분석기 디바이스는 90:10 광섬유 커플러의 10% 포트를 통해 레이저에 연결되었다. 나머지 90%는 OSA1과 포토다이오드를 거쳐 분배되었다. 가장 낮은 백색 노이즈 레벨을 얻기 위해서, 배터리로 전원이 공급되는 전류 소스(ILX Lightwave LDX-3620)로부터 최대 펌프 전류 300 mA를 이득 섹션에 적용했다. 레이저 파장은 버니어 필터에 의해 1550 nm로 설정되었다.
도 9는 노이즈 주파수의 함수로서, 레이저 주파수 노이즈의 측정된 PSD를 도시하는 플롯이다. 도 9에 도시된 주파수 노이즈는 대략 1 MHz 미만의 노이즈 주파수에 대해서는 1/f-노이즈의 특성을 갖고, 더 높은 주파수에서는 백색 노이즈가 된다. 특정 노이즈 주파수에서 관찰될 수 있는 스펙트럼 전력 밀도의 좁은 피크는 케이블의 전자 소스 또는 RF 픽업으로부터 유래될 가능성이 높다.
고유 선폭은, 스퓨리어스 피크를 제외한 1.3 MHz에서 3.5 MHz 사이의 노이즈 주파수에 대한 평균 백색 노이즈 레벨로부터 결정된다. 700 ± 230 Hz2/Hz의 단면(single-sided) PSD 노이즈 레벨에 π를 곱하는 것은 2.2 ± 0.7 kHz의 고유 선폭으로 귀결된다. 이 값은 2개의 마이크로링 공진기를 포함하는 버니어 필터에 기반한 유사한 InP- Si3N4 하이브리드 레이저에 대해 이전에 보고된 10 kHz 값보다 4.5배 더 작다. 이러한 개선은 주로, 측정값에서 임계 전류보다 4.6배 더 높은 펌프 전류 계수에 기인된다.
하이브리드 레이저의 연속 튜닝 및 증가된 모드 홉 프리 튜닝 감도를 확인하기 위해(수학식(1) 참조), 마이크로링 공진기에 적용된 적절한 히터 파워와 함께 위상 섹션의 히터에 가해진 파워의 함수로서 레이저 파장과 출력 파워가 측정되었다(수학식(A-11) 참조). 이러한 측정을 위해, 레이저는, 파장의 작은 스텝사이즈를 해상하기 위해서 광섬유 커플러를 통해 OSA2에 연결되었고, 출력 파워를 모니터링하기 위해서 광다이오드(Thorlabs S144C)에 연결되었다. 증폭기 전류는 70 mA로 설정되었다. 위상 섹션에 적용된 히터 파워가 0인 경우, 최소 히터 파워를 사용하여 버니어 필터 전송을 레이징 파장과 정렬시키도록 링 히터가 최적화되었다. 이것은 1534.25 nm의 초기 파장으로 귀결되었고, 연속 튜닝에 사용 가능한 전체 위상 섹션의 범위를 갖는 점을 보장하였다.
연속적인 튜닝을 위해, 링 공진기 1과 2에 대해 레이저 출력 파워를 각각 ∂φ1/∂φps = 0.107 및 ∂φ2/∂φps = 0.103으로 최대화하여 위상 섹션 대 링 공진기에 대한 최적의 튜닝 비율이 실험적으로 결정되었다. 이것은, 특히 일부 레이저 파라미터의 불확실성을 고려할 때, 각각 수학식(A-11)에 의해 주어진 값 0.108 및 0.105과 잘 일치한다. 이 비율을 사용하여, 위상 섹션에 대한 히터 파워는 5 pm의 레이징 파장 변화에 대응하여 단계적으로 증가되었다. 대응되는 파장 및 출력 파워는 각각 도 10a 및 도 10b에서 적색 십자표로 도시된다. 비교를 위해, 도면은 또한, 마이크로링의 히터가 일정하게 유지되는 동안 위상 섹션의 히터만 변경되는 경우의 동일한 측정 값을 도시한다.
도 10a는, 위상 섹션만 튜닝될 때, 연속 튜닝 범위를 레이저 공동의 자유 스펙트럼 범위인 0.034 nm로 한정하는 모드 홉이 발생되는 점을 명확하게 도시한다. 이러한 경우에, 자유 스펙트럼 범위를 계산하기 위해서 사용되는 광학 공동 길이는 마이크로링 공진기의 유효한 광학 길이를 포함할 필요가 있다. 더욱이, 광 파워는 튜닝 동안 강하게 그리고 불연속적으로 변한다(도 10b 참조). 그 이유는 레이징 파장과 뚜럿한 버니어 필터 투과 피크의 고정 위치 사이의 작은 디튜닝(detuning)도 공동 손실의 강한 변화로, 그리고 따라서 출력 파워의 변화로 이어지기 때문이다. Π 위상 시프트의 정수 배수를 넘어 위상 섹션을 추가로 튜닝하는 것은 모드 홉으로 이어지며, 이는 레이저의 파장 및 출력 파워의 불연속성으로서 관찰될 수 있다.
반면에, 도 10a는 마이크로링 공진기의 공진이 위상 섹션을 통해 레이징 파장과 동기적으로 튜닝될 때(적색 십자표) 모드 홉이 없는 점을 도시한다. 일정한 광 파워를 목표로 했지만, 여전히 모드 홉 사이의 거리와 주기로 대응되는 도 10b에서 가시적인 약간의 잔여 발진이 여전히 있다. 이것은 튜닝하는 동안 레이징 파장과 링 공진기의 공진 사이의 변화하는 작은 미스매치 때문으로 생각된다.
도 10a에서 가장 명백한 차이점은 튜닝 감도 ∂λc/∂φps 가 위상 섹션만을 튜닝하는 것과 비교하여 동기 튜닝에 대해 실제로 훨씬 더 크다는 점이다. 동기 튜닝의 경우 ∂λc/∂φps = 0.31 pm/mW인 반면, 위상 섹션만 튜닝할 때는 0.11 pm/mW이라는 점을 알 수 있다. 0.31 pm/mW의 튜닝 감도는, 실험적으로 결정된 레이저 파라미터 중 일부의 불확실성을 고려하면, 수학식(1)에 의해 예측된 0.29 pm/mW 값과 잘 일치된다. 또한, 동기 튜닝은 모드 홉을 일으키지 않으면서, 위상 섹션에 의해 유도된 π 위상 시프트보다 더 큰 위상 시프트를 허용한다. 이러한 효과는 함께 0.22 nm의 총 모드 홉 프리 튜닝 범위로 귀결되며, 이는 레이저 공동의 자유 스펙트럼 범위에 비해 6배 증가이고, 단지 위상 섹션의 이용 가능한 위상 시프트에 의해 한정된 한계이다.
모드 홉 프리 튜닝을 이용한 아세틸렌 흡수 분광법
본 개시내용의 양태에 따른 하이브리드 레이저의 연속 튜닝을 데모함에 있어서, OSA2를 사용하여 쉽게 해상될 수 있는 5 pm의 파장 증분이 적용되었다. 그러나 훨씬 더 작은 단계로 레이징 파장을 튜닝하는 것이 가능해야 한다. 히터에 전원을 공급하기 위해서 사용되는 전자 장치의 현재 해상도는, 이용 가능한 광학 스펙트럼 분석기에 의해서 해상될 수 있는 것을 넘어, 0.1 pm 미만의 단계에서 모드 홉 프리 레이저 파장 튜닝을 허용한다. 고해상도에서 아세틸렌 흡수선의 형상을 기록함으로써, 이러한 작은 단계 사이즈가 데모된다. 아세틸렌(12C2H2)은 관심 파장 범위에서 몇 가지 잘 알려진 뚜렷한 흡수선을 가지고 있기 때문에 선택되며, 이는 높은 정확도로 모델링될 수 있다. 실험 목적을 위해, 중심 파장이 1536.713 nm인 아세틸렌의 P19 회전 진동(ro-vibrational) 흡수선이 선택된다.
아세틸렌 흡수선 모양을 측정하기 위해, 두 개의 출력에 대한 광섬유 커플러의 효과를 통해 레이저 출력이 두 개의 동일한 부분으로 분할되었다. 한 부분은 흡수 셀을 통해 제1 포토다이오드(PD1, Thorlabs S144C)로 보내졌고, 다른 부분은 다시 스프릿되어, 레이저 파장의 캘리브레이션을 위해 OSA1 및 동일한 모델의 제2 포토다이오드(PD2)를 거쳐 분할되었다. 사용된 흡수 셀은 295K 온도에서 50As5 Torr 압력 및 5.5 cm 경로 길이를 갖는 Wavelength Reference Inc.의 표준 밀봉된 섬유 결합 아세틸렌 가스 셀이다.
흡수 셀을 통한 정규화된 투과율은, 레이저의 출력 파워의 임의의 변화를 보상하기 위해서 PD1의 신호를 PD2의 신호로 나누고, 다음으로, 이를 ~0.23 nm의 총 튜닝 범위에서 측정된 최대 투과율로 정규화하여 결정되었다. 전체 튜닝 범위를 사용하여, OSA1은 위상 섹션에 적용된 0.37 mW 히터 파워당 0.12 pm으로 레이저의 파장의 증분을 캘리브레이션하기 위해서 사용되었다. 그러나 OSA의 해상도는 정확한 시작 파장을 결정하기에는 불충분하였다. 이러한 시작 파장은 측정된 P19 흡수선의 중심 파장이 계산된 투과율로부터 획득된 값과 일치하도록 하여 결정되었다. 레이저의 파장에 적용된 -1.8 pm의 필요한 오프셋은 OSA1의 해상도 내에 잘 포함된다.
도 11은 레이저의 캘리브레이션된 파장의 함수로서 가스 셀을 통해 측정된 정규화된 투과율을 나타내는 플롯(점선)이다. 흡수 셀의 온도에 대응되는 공칭 압력에 대해 계산된 정규화된 투과율은 파란색 선으로서 도시된다. 측정된 투과율과 계산된 투과율 사이의 전반적으로 양호한 매칭이 도 11에서 관찰된다. 약간 더 넓은 측정된 투과율은 가스 셀 압력의 불확실성에 의해서 설명될 수 있다. P19 아세틸렌 흡수선을 기록하고 정확하게 계산된 스펙트럼과 비교함으로써, 일단 캘리브레이션되면, 하이브리드 연장 공동 레이저는, 사용된 두 개의 광학 스펙트럼 분석기의 해상도보다 훨씬 낮은 ~0.12 pm(~15 MHz)만큼 작은 해상도로 ~0.23 nm(~29 GHz)의 연속적인 튜닝 범위 내에서 임의의 파장에 정확하게 튜닝될 수 있다는 점이 도시된다.
추가 논의
튜닝 감도(Fλ)를 증가시킴으로써 극미세(ultra-narrow) 선폭을 가진 집적 단일 주파수 레이저의 연속 튜닝 범위를 증가시키기 위한 새로운 방법이 개시되고 설명되었다.
인식될 수 있는 바와 같이, 이러한 극미세 선폭은 도 1a에서 예시적인 레이저(3)로서 개략적으로 도시된 바와 같이, 다중 통과 공진기 기반 필터로 공동 길이를 연장함으로써 달성된다. 예시적인 구성 및 실험적인 구성에서, 필터는, 단일 모드 발진을 가능하게 할 뿐만 아니라 레이저 공동에서 라운드트립당 링을 통한 광의 다수의 통과를 제공함으로써 레이저의 광학적 길이에 기여하는 두 개의 튜닝 가능한 마이크로링 공진기를 포함할 수 있다. 위상 섹션만을 튜닝할 때, 레이저는 도 1a에서 레이저(2)로서 거동되고, 긴 외부 레이저 공동에 대응되는 작은 튜닝 감도가 발견된다. 그러나, 공동내(intracavity) 필터가 위상 섹션과 동기적으로 튜닝될 때, 튜닝 감도는 필터의 유효한 길이가 없는 짧은 공동을 갖는 등가 레이저, 즉 도 1a의 레이저(1)에 대응하여 크게 증가된다.
또한, 하이브리드 집적 반도체 레이저로 확장된 연속 튜닝이 실험적으로 데모되었다. 예시적인 레이저는 700 μm 길이의 InP 이득 섹션을 포함하는 한편, 고유 선폭을 2.2 kHz로 좁히는 저손실 Si3N4 도파관 회로를 사용하여 유효 광학 공동 길이가 3.5 cm로 연장되었다. 이 회로는 연속 튜닝을 위한 위상 섹션, 및 2개의 튜닝 가능한 마이크로링 공진기를 구비하는 고도의 주파수 선택적 버니어 필터를 포함한다. 위상 섹션만 튜닝할 때, 위상 시프트당 튜닝 범위(∂λc/∂φps)는 단지 10 pm/rad이다. 버니어 필터 주파수가 레이저의 발진 주파수와 동기적으로 튜닝되면, 튜닝 감도는 2.8배만큼, 28 pm/rad로 향상된다.
튜닝 감도에서 관찰된 이러한 향상은 동시에 개발된 연속 튜닝 모델과 매우 잘 일치한다. 이러한 모델은 향상된 튜닝 감도가 증폭기의 광학적 길이와 버스 도파관의 광학적 길이의 합에 의존한다는 점을 보여준다. 튜닝 감도는 마이크로링 공진기의 길이와 무관하므로, 이것은 고유 위상 안정성과 연속 튜닝 감도의 독립적으로 최적화를 허용한다. 유리하게는 - 추가적인 선폭 협소화를 위해 - 예를 들어, 링 직경을 증가시키거나, 버스를 링 도파관 커플링 상수로 낮추거나, 또는 여분의 링을 추가함으로써, 레이저의 공동 길이는 연속 튜닝의 범위에서 페널티 없이 증가될 수 있다. 또한, 위상 섹션으로서 사용되지 않는 버스 도파관의 길이를 줄임으로써, 튜닝 감도 및 이에 따른 연속 튜닝의 범위가 증가될 수 있다.
대안적으로, 위상 섹션으로서 사용되는 버스 도파관의 상대적인 길이를 증가시키는 것은 연속 튜닝 범위를 또한 확장한다. 예를 들어, 조사된 레이저의 연속 튜닝 범위는 위상 섹션에 의해 전달되는 최대 위상에 의해 제한된다. 사용된 히터가 이용 가능한 모든 버스 도파관을 커버하도록 확장되면, 이것은, 2.2 kHz 선폭을 유지하면서, 연속 튜닝 범위를 대략 1.6 nm로 6.7배만큼 증가시킨다. 또한, mm 길이당 현재의 2.5Π 위상 시프트보다 더 효과적인 위상 변위기는 훨씬 더 넓은 범위에 걸친, 즉 2 nm를 초과하는 연속 튜닝을 갖는 레이저 구성을 가능하게 할 것이다.
이 시점에서, 당업자는, 본 개시내용의 양태에 따른 동기 위상-필터 튜닝의 추가적인 장점이 레이저 파장 튜닝, 파장 변조 또는 기준에 대한 주파수 잠금에서의 기술적 제한을 본 개시내용의 양태에 따른 동기 위상-필터 튜닝이 유리하게 완화할 수 있다는 점임을 쉽게 이해하고 인식할 것이다. 한 가지 이유는 집적 광자 회로에서 튜닝 가능한 위상 섹션의 이용 가능한 위상 시프트가 종종, 예를 들어, 관련된 재료의 열광학, 변형광학 또는 전기광학 계수와 같은 물질 상수(material constant)에 의해 제한되는 점이다. 본원에 개시된 접근법은 주어진 튜닝 범위에 대해 더 적은 위상 시프트가 충분하도록 튜닝 감도(Fλ)를 증가시킨다.
이해되는 바와 같이, 이것은, 예를 들어, 분광 및 도량형 응용을 용이하게 하기 위해, 열 위상 변위기에서 파워 소비를 감소시키고, 레이저 튜닝 및 주파수 변조의 속도를 증가시키는 것과 같은, 많은 면에서 장점이다. 더 빠른 변조 및 주파수 제어는 레이저를 기준 주파수로, 예를 들어, 절대 표준으로 안정화시키기 위해서 특히 중요하다는 점을 유의한다. 아세틸렌의 전체 P19 회전 진동 흡수 라인에 대해 0.12 pm의 단계로 레이저의 미세 튜닝이 실험적으로 데모되었다. 기록이 알려진 선 모양을 매우 정확하게 현시하기 때문에, 사용 가능한 광학 스펙트럼 분석기의 해상도보다 더 작은 단계로 레이저가 계속적으로 그리고 선형으로 튜닝될 수 있다고 결론지어졌다. 또한, 이러한 튜닝은 하이브리드 집적 InP- Si3N4 레이저를 절대 기준으로 안정화시키기 위해서 필수적이다.
마지막으로, 공진 공동내 필터링에 기반된 본 개시내용의 양태에 따른 튜닝 방법이 또한 다른 유형의 레이저에도 유리하게 적용될 수 있다는 점을 유의한다. 후보 시스템의 예는 광결정 레이저, 브래그(Bragg) 도파관, 기타 이득 재료 또는 비선형 이득을 포함한다. 본 개시내용에 따른 시스템, 방법 및 구조체의 특정 장점은 연속 튜닝을 방해하지 않으면서 선폭을 좁히는 것, 선폭 좁히는 것을 방해하지 않으면서 튜닝 범위를 늘리는 것, 및 단일 주파수 레이저의 연속 튜닝 또는 안정화에서 감소된 파워 소비 또는 더 빠른 속도을 포함한다.
부록 - 모드 홉 프리 튜닝
하이브리드 레이저는 각각의 링 공진기가 레이저 파장(λc)와 일치하는 공진 파장(λi(i=1,2))를 가질 때 최대 출력 파워를 생성한다. 모드 홉 프리 튜닝은 각각의 파장의 시프트가 동일할 것을, 즉 δλc = δλ1 = δλ2일 것을 요구한다. 공진 파장의 튜닝은 위상 섹션 및 마이크로링 공진기에 충분히 근접하게(즉, 상부에) 위치된 저항성 히터를 통해 실현된다. 위상 섹션을 가열하는 것은 단지 레이징 파장만 변경하지만, 마이크로링 공진기를 가열하는 것은 링의 공진 파장과 레이징 파장을 동시에 변경할 것이다. 후술되는 바와 같이, 공명하여 강화된 광학 공동 길이를 가진 이러한 하이브리드 레이저의 모드 홉 프리 튜닝 감도 를 동등한 광학 길이의 표준 반도체 파브리 페로의 레이저의 튜닝 감도보다 더 크게 만드는 것은 후자의 속성이다.
히터의 동작을 모델링하기 위해서, 히터의 유일한 작동은 가열 요소 아래의 도파관 섹션(j)을 통해 전파되는 광에 위상(φj)을 추가하는 것이라고 가정한다. 공진기의 자유 스펙트럼 범위는 2Π를 갖는 광의 라운드트립 위상의 증가로 정의되므로, 링의 상부에 있는 히터에 의해 추가된 위상을 갖는 마이크로링 공진기(i)에 대한 공진 파장(λi)의 변화가 다음 식으로 주어지는 점을 보이는 것은 직관적이고 간단하다:
(A-1)
여기서 Δλi 는 링(i)의 자유 스펙트럼 범위이다. 이 자유 스펙트럼 범위는 다음 식에 의해 제공된다:
(A-2)
여기서 λ는 진공에서의 파장이며, ng,i는 Si3N4 링 도파관의 유효 그룹 인덱스이며, Li는 유사한 방식으로, 위상 섹션(φps)에 의해 추가된 위상을 갖는 레이저 파장(λc)의 변화는 다음 식으로 주어진다:
(A-3)
광이 라운드트립당 위상 섹션을 두 번 통과하기 때문이다. 수학식(A-3)에서, Δλc는 다음 식으로 주어진 레이저 공동의 자유 스펙트럼 범위이다:
(A-4)
여기서 ng,i는 반도체 도파관(j=a), Si3N4 버스 도파관(j=b) 또는 Si3N4 링(j=i)에서 광의 유효 그룹 속도이며, Li는 섹션 a 또는 b의 기하학적 길이이며, Le,i는 다음 식에 의해 주어진 고리(i)의 유효 길이이다:
(A-5)
광이 입력부로부터 드롭 포트로 링을 통해 전파될 때, θi 위상이 광에 추가된다. 공진 시 대칭 마이크로링 공진기의 경우, Le,i는 다음 식으로 감소된다:
(A-6)
여기서 κ2는 입력 도파관으로부터 링으로, 링으로부터 출력 도파관으로의 파워 커플링이다. 유효 길이는, 입력부로부터, 길이가 추가되는 드롭 포트까지의 기하학적 길이(Li/2)와 동일하고, 링의 도달 가능한 최대 유효 길이에 대응되는, 링 내에 광이 유효하게 남아 있는 시간 동안에 광에 의해서 이동된 거리와 동일하다.
레이저 파장은 위상 섹션(수학식(A-3))에 의해 유도된 위상에 의해서 뿐만 아니라 링 상부에 있는 히터에 의해 유도된 위상에 의해 시프트된다. 공진 시, 링(i)에 의해 레이저 공동의 광에 추가된 총 위상은 단지 φc,i = 이며, 이는 다음 식의 레이징 파장의 변화로 귀결된다:
(A-7)
그러면, 레이징 파장의 총 변화(δλc)에 대해, 다음 식이 얻어진다:
(A-8)
모드 홉 프리 조건 δλc = δλi 는 링 내의 광에 추가된 위상이 위상 섹션에 의해 추가된 위상에 비례할 것을 요구한다. 이것을 사용하여 수학식(A-8)에 수학식(A-1), (A-2), (A-3) 및(A-7)을 대입하는 것은 다음 식을 제공한다:
(A-9)
수학식(A-9)에 수학식(A-4)를 사용하면, 메인 문서에서 튜닝 감도(Fλ)로 소개된, 위상 섹션에 의해 유도된 위상을 갖는 레이징 파장의 모드 홉 프리 변화를 다음 식으로서 제공한다:
(A-10)
수학식(A-10)은 실제로 모드 홉 프리 튜닝 감도가 레이저 공동의 일부인 마이크로링 공진기의 유효 길이를 포함하지 않는다는 점을 보여주며, 튜닝 감도는 짧은 공동 길이를 갖는 레이저의 감도에 대응된다.
모드 홉 프리 튜닝 조건을 만족하기 위해서, 링 공진기 히터에 의해 추가된 위상은 위상 섹션 히터에 의해 추가된 위상에 대해 고정된 비율로 설정되어야 한다. 수학식(A-1), (A-2) 및 (A-10)을 사용하는 것은 이 비율을 다음 식으로 제공한다:
(A-11)
대부분의 레이저 구성에서, 수학식(A-11)의 오른쪽이 일반적으로 1보다 작기 때문에, 링 공진기 히터에 의해 추가된 위상은 일반적으로 위상 섹션 히터에 의해 추가된 위상보다 작다. 결과적으로, 전체 연속 튜닝 범위는 종종 위상 섹션 히터에 의해 제한된다.
이 시점에서, 몇몇 특정 실시예를 사용하여 본 개시내용이 제시되었지만, 당업자는 우리의 교시가 이렇게 제한되지 않는다는 점을 인식할 것이다. 따라서, 본 개시내용은 여기에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (11)

  1. 집적 광학 튜닝 가능 레이저 (integrated-optics tunable laser)에 있어서,
    위상 섹션을 포함하는 레이저 공동; 및
    상기 레이저 공동의 일 단부에 대한 외부 미러로 기능하는 링 공진기 미러를 집합적으로 정의하는 하나 이상의 링 공진기;
    를 포함하며,
    상기 위상 섹션과 상기 링 공진기 미러가 동시에 튜닝 가능하고,
    상기 위상 섹션은 향상된 연속 파장 시프트를 발생시키는 공동 위상 시프트를 유도하기 위해 작동되며,
    상기 레이저 공동의 자유 스펙트럼 범위보다 더 큰 모드 홉 프리(mode-hop-free) 튜닝 범위를 갖는, 집적 광학 튜닝 가능 레이저.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위상 섹션에 의해 유도된 상기 공동 위상 시프트당 상기 연속 파장 시프트는 상기 위상 섹션만 튜닝하는 것보다 적어도 2배 더 크게 향상된, 집적 광학 튜닝 가능 레이저.
  5. 제1항에 있어서,
    레이저 공동 길이를 변화시키는 공진기 기반 필터 튜닝 요소를 포함하는 집적 광학 튜닝 가능 레이저.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공진기 기반 필터 튜닝 요소를 포함하는 상기 링 공진기가 튜닝될 때, 상기 레이저 공동 길이가 증가되는, 집적 광학 튜닝 가능 레이저.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 링 공진기에 의해 제공되는 임의의 추가된 유효한 상기 레이저 공동 길이와 독립적인 동기 튜닝을 위한 튜닝 감도(sensitivity)를 갖는, 집적 광학 튜닝 가능 레이저.
  8. 공동 길이와 공동 모드 간격을 갖는 레이저 공동; 및 상기 레이저 공동 내에 있는 위상 섹션 및 튜닝 가능한 링 공진기 미러 구성 (ring-resonator mirror configuration)을 포함하는 광학 회로와 광학적으로 결합된 이득 매체;를 포함하는 집적 광학 튜닝 가능 레이저 - 상기 이득 매체는 상기 레이저 공동의 제1 미러를 정의하는 파세트를 포함하고 상기 링 공진기 미러 구성은 상기 레이저 공동의 제2 미러를 정의하는 것을 특징으로 함 - 를 작동하는 방법으로서,
    향상된 연속 파장 시프트를 발생시키는 공동 위상 시프트를 유도하도록 상기 위상 섹션을 제공하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 레이저 공동의 자유 스펙트럼 영역보다 더 큰 모드 홉 프리 튜닝 범위를 가능하게 하는 비율로 상기 위상 섹션과 상기 링 공진기 미러 구성을 동시에 튜닝하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    버니어 배열 (Vernier arrangement)로 광학적으로 결합된 적어도 한 쌍의 링 공진기를 포함하는 상기 링 공진기 미러 구성을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 링 공진기 미러 구성 중 적어도 하나의 상기 링 공진기를 튜닝하여 상기 공동 길이를 증가시키되, 상기 링 공진기에 의해 제공되는 임의의 추가된 유효한 레이저 공동 길이와 독립적인 동기 튜닝을 위한 튜닝 감도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    공진기 기반 필터 튜닝 요소의 튜닝을 통해 상기 공동 길이를 변화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
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