Abstract

The frequency noise properties of commercial distributed feedback quantum cascade lasers emitting in the 4.6μm range and operated in cw mode near room temperature (277K) are presented. The measured frequency noise power spectral density reveals a flicker noise dropping down to the very low level of <100Hz2/Hz at 10MHz Fourier frequency and is globally a factor of 100 lower than data recently reported for a similar laser operated at cryogenic temperature. This makes our laser a good candidate for the realization of a mid-IR ultranarrow linewidth reference.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
    [CrossRef]
  2. S. M. Foreman, A. Marian, J. Ye, E. A. Petrukhin, M. A. Gubin, O. D. Mücke, F. N. C. Wong, E. P. Ippen, and F. X. Kärtner, Opt. Lett. 30, 570 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. J. Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 77, 053809 (2008).
    [CrossRef]
  4. C. H. Henry, IEEE J. Quantum Electron. 18, 259 (1982).
    [CrossRef]
  5. T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
    [CrossRef]
  6. G. Di Domenico, S. Schilt, and P. Thomann, Appl. Opt. 49, 4801 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. T. L. Myers, R. M. Williams, M. S. Taubman, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 27, 170 (2002).
    [CrossRef]
  9. S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
    [CrossRef]
  10. A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
    [CrossRef]
  11. E.F. Steigmeier, Appl. Phys. Lett. 3, 6 (1963).
    [CrossRef]

2010 (2)

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

G. Di Domenico, S. Schilt, and P. Thomann, Appl. Opt. 49, 4801 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

2009 (2)

A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
[CrossRef]

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

2008 (1)

J. Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 77, 053809 (2008).
[CrossRef]

2006 (1)

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

2005 (1)

2002 (1)

1999 (1)

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

1982 (1)

C. H. Henry, IEEE J. Quantum Electron. 18, 259 (1982).
[CrossRef]

1963 (1)

E.F. Steigmeier, Appl. Phys. Lett. 3, 6 (1963).
[CrossRef]

Abgrall, M.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Aellen, T.

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

Alnis, J.

J. Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 77, 053809 (2008).
[CrossRef]

Baillargeon, J. N.

T. L. Myers, R. M. Williams, M. S. Taubman, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 27, 170 (2002).
[CrossRef]

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Bartalini, S.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Bize, S.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Blaser, S.

A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
[CrossRef]

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

Bonetti, Y.

A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
[CrossRef]

Borri, S.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Cancio, P.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Capasso, F.

T. L. Myers, R. M. Williams, M. S. Taubman, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 27, 170 (2002).
[CrossRef]

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Castrillo, A.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Cho, A. Y.

T. L. Myers, R. M. Williams, M. S. Taubman, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 27, 170 (2002).
[CrossRef]

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Clairon, A.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

De Natale, P.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Di Domenico, G.

English, E. M. L.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Faist, J.

A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
[CrossRef]

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

Fischer, M.

A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
[CrossRef]

Foreman, S. M.

Galli, I.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Gianfrani, L.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Gini, E.

A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
[CrossRef]

Giovaninni, M.

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

Giusfredi, G.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Gmachl, C.

Gmachl, C. F.

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Gubin, M. A.

Guéna, J.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Hänsch, T. W.

J. Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 77, 053809 (2008).
[CrossRef]

Hartman, J. S.

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Henry, C. H.

C. H. Henry, IEEE J. Quantum Electron. 18, 259 (1982).
[CrossRef]

Hoyler, N.

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

Hvozdara, L.

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

Ippen, E. P.

Jiang, H.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Kärtner, F. X.

Kelly, J. F.

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Kolachevsky, N.

J. Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 77, 053809 (2008).
[CrossRef]

Le Coq, Y.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Lours, M.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Marian, A.

Matveev, A.

J. Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 77, 053809 (2008).
[CrossRef]

Maulini, R.

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

Mazzotti, D.

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Millo, J.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Mücke, O. D.

Myers, T. L.

Petrukhin, E. A.

Santarelli, G.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Schilt, S.

Sharpe, S. W.

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Sivco, D. L.

T. L. Myers, R. M. Williams, M. S. Taubman, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 27, 170 (2002).
[CrossRef]

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Steigmeier, F.

E.F. Steigmeier, Appl. Phys. Lett. 3, 6 (1963).
[CrossRef]

Taubman, M. S.

Terazzi, R.

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

Thomann, P.

Tobar, M. E.

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

Udem, Th.

J. Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 77, 053809 (2008).
[CrossRef]

Williams, R. M.

T. L. Myers, R. M. Williams, M. S. Taubman, C. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon, and A. Y. Cho, Opt. Lett. 27, 170 (2002).
[CrossRef]

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Wittmann, A.

A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
[CrossRef]

Wong, F. N. C.

Ye, J.

Appl. Opt. (1)

Appl. Phys. Lett. (3)

T. Aellen, R. Maulini, R. Terazzi, N. Hoyler, M. Giovaninni, S. Blaser, L. Hvozdara, and J. Faist, Appl. Phys. Lett. 89, 091121 (2006).
[CrossRef]

J. Millo, M. Abgrall, M. Lours, E. M. L. English, H. Jiang, J. Guéna, A. Clairon, M. E. Tobar, S. Bize, Y. Le Coq, and G. Santarelli, Appl. Phys. Lett. 94, 141105 (2009).
[CrossRef]

E.F. Steigmeier, Appl. Phys. Lett. 3, 6 (1963).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron. (1)

C. H. Henry, IEEE J. Quantum Electron. 18, 259 (1982).
[CrossRef]

IEEE Photon. Technol. Lett. (1)

A. Wittmann, Y. Bonetti, M. Fischer, J. Faist, S. Blaser, and E. Gini, IEEE Photon. Technol. Lett. 21, 814 (2009).
[CrossRef]

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. A (1)

J. Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 77, 053809 (2008).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (1)

S. Bartalini, S. Borri, P. Cancio, A. Castrillo, I. Galli, G. Giusfredi, D. Mazzotti, L. Gianfrani, and P. De Natale, Phys. Rev. Lett. 104, 083904 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Proc. SPIE (1)

S. W. Sharpe, J. F. Kelly, R. M. Williams;, J. S. Hartman, C. F. Gmachl, F. Capasso, D. L. Sivco, J. N. Baillargeon and A. Y. Cho, Proc. SPIE 3758, 23 (1999).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Measured CO absorption profile used as a frequency discriminator (99.9% CO, 20 mbar , 1 cm path length). X axis is the detuning from the line center ( 2196.6 cm 1 ). The arrow represents the laser operating point. Inset: zoom on the linear region and linear fit (dashed line).

Fig. 2
Fig. 2

Frequency noise PSD of a 4.6 μm DFB QCL ( T op = 277 K , I op = 350 mA , P op = 6 mW ). The contributions of the laser intensity noise and laser driver current noise are also plotted as well as the β separation line that is relevant for the determination of the laser linewidth [6].

Fig. 3
Fig. 3

Dynamic response (magnitude and phase) of the laser frequency tuning for drive current modulation.

Fig. 4
Fig. 4

Measured heterodyne beat spectrum of two identical 4.6 μm room-temperature QCLs with 4 ms sweep time. Inset: calculated FWHM linewidth as a function of observation time.

Metrics