Design of a whispering-gallery-mode microlaser modelocked by carbon nanotubes as saturable absorber

High repetition rate modelocked lasers - above 1GHz - are expected to be-come key light sources for future developments in laser manufacturing, optical communication and processing, LIDAR and remote sensing. Their realization has shown to be an arduous task because, in order to have light pulses densely packed in time, cavity size has to be greatly reduced. Whispering-gallery-mode (WGM) microresonators are micrometer size de-vices that can confine light both spatially and temporally, allowing strong light-matter interaction. They proved to be excellent CW laser platforms, because of their high Q factor (>10^7) and ultra-low threshold power. Therefore, modelocking a WGM microlaser would provide a cost-effective and on-chip solution for ultra-high repetition rate laser. However, this poses numerous challenges for the integration of a saturable absorber together with a gain medium in such a small resonator. This work is an attempt to solve these challenges by providing tools, fabrication method and a design strategy to modelock a WGM microlaser. In particular, erbium doped WGM microresonator as microlaser is reviewed and an integration method of single-walled carbon nanotubes as saturable absorber is proposed and its properties evaluated. Furthermore, a numerical model based on the Modified Nonlinear Schrödinger Equation - widely used in modelocked fiber lasers - is conceived and thoroughly studied, in order to investigate its modelocking regime and its parameters’ relationship. Finally, to summarize the work, a design strategy to the realization of an ultra-high repetition rate WGM modelocked microlaser is provided. The present work has been carried out at Tanabe Photonics Structure Group at Keio University in Tokyo (Japan), within the Double Degree program, under the supervision of professor Takasumi Tanabe and professor Andrea Melloni.

I laser impulsati ad alta frequenza di ripetizione - oltre 1GHz - sono sorgenti di luce indispensabili per futuri progressi tecnologici in numerosi ambiti, quale l’industria manifatturiera, le telecomunicazioni e la sensoristica (LIDAR). La loro realizzazione si è dimostrata complicata poiché per avere impulsi di luce vicini tra loro nel tempo, è necessario usare cavità ottiche particolarmente corte. Microrisonatori ottici di tipo Whispering-Gallery sono cavità ottiche ad anello di dimensioni microscopiche in grado di confinare al loro interno la luce per riflessione interna totale, consentendo una forte interazione luce-materia. Questi risonatori si sono rivelati ottime piattaforme per laser continui (CW), grazie al loro elevato fattore Q (>10^7) e basso pompaggio di soglia. La realizzazione di un laser impulsato su questa piattaforma permetterebbe di realizzare un laser ad alta frequenza di ripetizione integrabile su chip. Tuttavia, tale obbiettivo pone numerose sfide per l’integrazione di un assorbitore saturabile e di un mezzo attivo in un risonatore di dimensioni microscopiche. Questo lavoro è un tentativo di risolvere queste sfide, fornendo strumenti, metodi di fabbricazione e una strategia di design per realizzare tale microlaser. In particolare, viene introdotto il microlaser ad anello drogato all’erbio e viene proposto ed analizzato un metodo di integrazione di nanotubi di carbonio a parete singola come assorbitore saturabile. Inoltre, viene realizzato un modello numerico basato sulla equazione nonlineare di Schrödinger (Modified Nonlinear Schrödinger Equation) – usata ampiamente nello studio di laser a fibra ottica - per studiare il dispositivo in regime impulsato e le relazioni tra i suoi parametri. Infine, conclude la tesi una proposta di una strategia di design per la realizzazione di un microlaser ad anello ad alta frequenza di ripetizione. Il lavoro è stato svolto interamente presso Tanabe Photonics Structure Group alla Keio University a Tokyo (Giappone), nell’ambito del programma di Doppia Laurea, sotto la supervisione del professore Takasumi Tanabe e del professor Andrea Melloni.