Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators

材料科学 频率梳 光学
作者
Warren Jin,Qi-Fan Yang,Lin Chang,Boqiang Shen,Heming Wang,Mark A. Leal,Lue Wu,Maodong Gao,Avi Feshali,Mario Paniccia,Kerry J. Vahala,John E. Bowers
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:15 (5): 346-353 被引量:503
标识
DOI:10.1038/s41566-021-00761-7
摘要

Driven by narrow-linewidth bench-top lasers, coherent optical systems spanning optical communications, metrology and sensing provide unrivalled performance. To transfer these capabilities from the laboratory to the real world, a key missing ingredient is a mass-produced integrated laser with superior coherence. Here, we bridge conventional semiconductor lasers and coherent optical systems using CMOS-foundry-fabricated microresonators with record high $Q$ factor over 260 million and finesse over 42,000. Five orders-of-magnitude noise reduction in the pump laser is demonstrated, and for the first time, fundamental noise below 1 Hz$^2$ Hz$^{-1}$ is achieved in an electrically-pumped integrated laser. Moreover, the same configuration is shown to relieve dispersion requirements for microcomb generation that have handicapped certain nonlinear platforms. The simultaneous realization of record-high $Q$ factor, highly coherent lasers and frequency combs using foundry-based technologies paves the way for volume manufacturing of a wide range of coherent optical systems.
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