Design and characterization of a silicon nitride external cavity laser with alignment tolerant multi-mode RSOA-to-PIC interface

Ghannam, Ibrahim Abdel-Aziz Moh'd; Witzens, Jeremy; Boller, Klaus-Jochen

doi:10.18154/RWTH-2025-09255

Design and characterization of a silicon nitride external cavity laser with alignment tolerant multi-mode RSOA-to-PIC interface

Ghannam, Ibrahim Abdel-Aziz Moh'd^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ibrahim Ghannam, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Witzens, Jeremy (Thesis advisor)^RWTH* ; Boller, Klaus-Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09255
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1020819/files/1020819.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Integrierte Photonik (616710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
external cavity laser (frei) ; laser (frei) ; light coupling (frei) ; photonics (frei) ; silicon nitride (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Motivation, Zielsetzung und Aufgabe der Dissertation Laser mit externem Resonator (External Cavity Lasers, ECLs) sind heute unverzichtbar für Anwendungen, die gleichzeitig eine schmale Linienbreite und einen großen Abstimmbereich verlangen – etwa in der kohärenten optischen Kommunikation, in Quantentechnologien, optischer Sensorik, Biophotonik und Metrologie. ECLs vereinen den hohen Verstärkungsfaktor und die ausgereifte Fertigung III-V-basierter Halbleiterverstärker mit den geringen Verlusten photonisch integrierter Schaltkreise (PICs), um die Resonatorlänge zu vergrößern, extrem schmale Linienbreiten zu erzielen und kompakte On-Chip-Funktionen zu integrieren. Ein wesentliches Hindernis für die praktische Umsetzung ist jedoch die üblicherweise erforderliche sub-μm-genaue Ausrichtung zwischen Verstärkerchip und PIC. Das erschwert die Montage, erhöht Zeit- und Fertigungskosten und verhindert eine kosteneffiziente Großserienproduktion. Diese Dissertation begegnet diesen Herausforderungen mit der Entwicklung und experimentellen Demonstration eines hybrid-integrierten ECLs, dessen Ausrichttoleranzen deutlich großzügiger ausgelegt sind. Kernstück ist ein neuartiger, ausrichtungstoleranter Edge-Koppler (Kantenkoppler), der ein Siliziumnitrid-PIC mit einem reflektierenden halbleiteroptischen Verstärker (RSOA) verbindet. Die Arbeit behandelt (i) die Auslegung des Kopplers, (ii) die Optimierung und Integration zweier Ringresonatoren mit hohem Q-Faktor in Vernier-Konfiguration für breitbandige einmodige Abstimmbarkeit sowie (iii) einfache Maßnahmen zur Reduktion parasitärer Rückreflexionen an Auskopplungs-Kopplern. Messungen zeigen, dass sich eine schmale Linienbreite, hohe Ausgangsleistung und breitbandige Abstimmbarkeit bei zugleich geringeren Montageanforderungen erreichen lassen, was den Weg zu skalierbaren, per Pick-and-Place montierbaren Laserquellen ebnet. Wesentliche wissenschaftliche Beiträge. Diese Arbeit demonstriert einen ECL mit einem ausrichtungstoleranten Edge-Koppler, der die Kopplung zwischen RSOA und SiN-PIC vereinfacht. Der vorgestellte Edge-Koppler verbessert die laterale Ausrichttoleranz parallel zur Chipkante um den Faktor 3 gegenüber konventionellen Kopplern; Laserbetrieb ist noch bei lateralen Versätzen von ±6 μm möglich – innerhalb der Möglichkeiten moderner Pick-and-Place-Systeme. Diese erhöhte Toleranz vereinfacht die Montage und verspricht höhere Ausbeute in der Serienfertigung. Dank hochkonfinierender SiN-Wellenleiter behält der Laser einen kompakten Footprint und erreicht zugleich exzellente Leistungsdaten: Ein Abstimmbereich von über 100 nm (ca. 1488 nm–1593 nm) deckt das C-Band sowie Teile des S- und L-Bands ab. Die gemessene Lorentz’sche Linienbreite von 39 kHz bestätigt eine hervorragende Kohärenz – entscheidend für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und innerhalb der Spezifikationen moderner kohärenter Langstreckensysteme. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass hohe Leistungsfähigkeit und stark reduzierte Ausrichtanforderungen gleichzeitig erreichbar sind – ein wesentlicher Schritt hin zu kostengünstig herstellbaren ECLs auf Chipebene für Kommunikation, Sensorik, Quantentechnologien und weitere Anwendungen.

Motivation, Goal and Task of the Dissertation External cavity lasers (ECLs) have become indispensable in applications that demand a narrow linewidth and a wide tunability, including coherent optical communications, quantum technologies, optical sensing, biophotonics, and metrology. ECLs can benefit from the high gain and mature fabrication of III-V semiconductor amplifiers while taking advantage of low-loss photonic integrated circuits (PICs) for extending the laser cavity, achieving narrow linewidths, and combining with compact on-chip functionalities. However, a major obstacle for the practical implementation of ECLs is the stringent sub-micrometer alignment typically required between the gain chip and the PIC. This complicates assembly, increases manufacturing cost and time, and prevents cost-effective mass production. This dissertation addresses these challenges with the development and experimental demonstration of a hybridly integrated ECL with relaxed alignment tolerances. Specifically, it focuses on an ECL formed by coupling a silicon nitride (SiN) PIC to a reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) by means of a novel alignment tolerant edge coupler. The methodology encompasses the design of the alignment-tolerant edge coupler, the optimization and incorporation of two high-quality-factor ring resonators arranged in Vernier configuration for wideband single-mode tunability, and the development of simple techniques to reduce parasitic back-reflections in edge couplers used for outcoupling. Experimentally, it was verified that a narrow linewidth, a high laser output power, and a wideband tunability could be obtained together with reduced assembly requirements, thereby paving the way for scalable, mass-producible laser sources assembled by pick-and-place technology. Major Scientific Contributions. This work demonstrates an ECL incorporating an alignment-tolerant edge coupler, which simplifies coupling between the RSOA and the SiN PIC. The alignment tolerance in the lateral direction, parallel to the chip edge, is improved by a factor of three compared to conventional edge couplers. The ECL sustains lasing for lateral displacements of up to ±6 μm, which is well within reach of state-of-the-art pick-and-place technology. These gains in tolerance simplify the assembly process and promise higher yields in high-volume manufacturing. Leveraging high-confinement SiN waveguides, the ECL retains a compact footprint while achieving very good performance metrics. Systematic measurements showed that the laser could be tuned across more than 100 nm, from approximately 1488 nm to 1593 nm, effectively spanning the C-band and parts of the S- and L-bands. A Lorentzian linewidth of 39 kHz was measured, indicating excellent coherence—which is important for applications such as high-speed data transmission and is well within specification for state-of-the-art coherent long-haul communication systems. Altogether, these results confirmed that high-performance operation could be maintained alongside significantly relaxed alignment requirements, marking a step towards manufacturable, cost-effective ECLs integrated at the chip scale for communications, sensing, quantum technologies, and other applications.

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