In this work, we propose to employ strong optical feedback to narrow the spectral linewidth of quantum cascade lasers without using any phase control. Rate equation analysis demonstrates that optical feedback beyond a certain level always reduces the laser linewidth for any feedback phase. It is also found that the linewidth becomes less sensitive to the feedback phase for higher feedback strength. Simulations show that optical feedback with a feedback ratio of −10 dB can suppress the laser linewidth by about two orders of magnitude. This is in contrast to near-infrared laser diodes, which can be easily destabilized by strong feedback.

1.
A.
Kosterev
,
G.
Wysocki
,
Y.
Bakhirkin
,
S.
So
,
R.
Lewicki
,
M.
Fraser
,
F.
Tittel
, and
R. F.
Curl
,
Appl. Phys. B
90
,
165
(
2008
).
2.
J.
Faist
,
F.
Capasso
,
D. L.
Sivco
,
C.
Sirtori
,
A. L.
Hutchinson
, and
A. Y.
Cho
,
Science
264
,
553
(
1994
).
3.
M.
Germer
and
M.
Wolff
,
Appl. Opt.
48
,
B80
(
2009
).
4.
J.
Faist
,
Quantum Cascade Lasers
(
OUP Oxford
,
2013
).
5.
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
).
6.
M.
Yamanishi
,
T.
Hirohata
,
S.
Hayashi
,
K.
Fujita
, and
K.
Tanaka
,
J. Appl. Phys.
116
,
183106
(
2014
).
7.
R. M.
Williams
,
J. F.
Kelly
,
J. S.
Hartman
,
S. W.
Sharpe
,
M. S.
Taubman
,
J. L.
Hall
,
F.
Capasso
,
C.
Gmachl
,
D. L.
Sivco
,
J. N.
Baillargeon
, and
A. Y.
Cho
,
Opt. Lett.
24
,
1844
(
1999
).
8.
F.
Cappelli
,
I.
Galli
,
S.
Borri
,
G.
Giusfredi
,
P.
Cancio
,
D.
Mazzotti
,
A.
Montori
,
N.
Akikusa
,
M.
Yamanishi
,
S.
Bartalini
, and
P.
De Natale
,
Opt. Lett.
37
,
4811
(
2012
).
9.
M. S.
Taubman
,
T. L.
Myers
,
B. D.
Cannon
,
R. M.
Williams
,
F.
Capasso
,
C.
Gmachl
,
D. L.
Sivco
, and
A. Y.
Cho
,
Opt. Lett.
27
,
2164
(
2002
).
10.
G.
Maisons
,
P. G.
Carbajo
,
M.
Carras
, and
D.
Romanini
,
Opt. Lett.
35
,
3607
(
2010
).
11.
E.
Fasci
,
N.
Coluccelli
,
M.
Cassinerio
,
A.
Gambetta
,
L.
Hilico
,
L.
Gianfrani
,
P.
Laporta
,
A.
Castrillo
, and
G.
Galzerano
,
Opt. Lett.
39
,
4946
(
2014
).
12.
D.
Gatti
,
A.
Gambetta
,
A.
Castrillo
,
G.
Galzerano
,
P.
Laporta
,
L.
Gianfrani
, and
M.
Marangoni
,
Opt. Express
19
,
17520
(
2011
).
13.
A. A.
Mills
,
D.
Gatti
,
J.
Jiang
,
C.
Mohr
,
W.
Mefford
,
L.
Gianfrani
,
M.
Fermann
,
I.
Hartl
, and
M.
Marangoni
,
Opt. Lett.
37
,
4083
(
2012
).
14.
I.
Galli
,
M.
Siciliani de Cumis
,
F.
Cappelli
,
S.
Bartalini
,
D.
Mazzotti
,
S.
Borri
,
A.
Montori
,
N.
Akikusa
,
M.
Yamanishi
,
G.
Giusfredi
,
P.
Cancio
, and
P.
De Natale
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
121117
(
2013
).
15.
B.
Argence
,
B.
Chanteau
,
O.
Lopez
,
D.
Nicolodi
,
M.
Abgrall
,
C.
Chardonnet
,
C.
Daussy
,
B.
Darquié
,
Y.
Le Coq
, and
A.
Amy-Klein
,
Nat. Photonics
9
,
456
(
2015
).
16.
F.
Bielsa
,
A.
Douillet
,
T.
Valenzuela
,
J. P.
Karr
, and
L.
Hilico
,
Opt. Lett.
32
,
1641
(
2007
).
17.
P. L. T.
Sow
,
S.
Mejri
,
S. K.
Tokunaga
,
O.
Lopez
,
A.
Goncharov
,
B.
Argence
,
C.
Chardonnet
,
A.
Amy-Klein
,
C.
Daussy
, and
B.
Darquié
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
264101
(
2014
).
18.
S.
Borri
,
I.
Galli
,
F.
Cappelli
,
A.
Bismuto
,
S.
Bartalini
,
P.
Cancio
,
G.
Giusfredi
,
D.
Mazzotti
,
J.
Faist
, and
P.
De Natale
,
Opt. Lett.
37
,
1011
(
2012
).
19.
J. R.
Freeman
,
L.
Ponnampalam
,
H.
Shams
,
R. A.
Mohandas
,
C. C.
Renaud
,
P.
Dean
,
L.
Li
,
A.
Giles Davies
,
A. J.
Seeds
, and
E. H.
Linfield
,
Optica
4
,
1059
(
2017
).
20.
L.
Tombez
,
S.
Schilt
,
D.
Hofstetter
, and
T.
Südmeyer
,
Opt. Lett.
38
,
5079
(
2013
).
21.
I.
Sergachev
,
R.
Maulini
,
A.
Bismuto
,
S.
Blaser
,
T.
Gresch
,
Y.
Bidaux
,
A.
Müller
,
S.
Schilt
, and
T.
Südmeyer
,
Opt. Lett.
39
,
6411
(
2014
).
22.
D. J.
Hamilton
and
A. J.
Orr-Ewing
,
Appl. Phys. B
102
,
879
(
2011
).
23.
P.
Gorrotxategi-Carbajo
,
E.
Fasci
,
I.
Ventrillard
,
M.
Carras
,
G.
Maisons
, and
D.
Romanini
,
Appl. Phys. B
110
,
309
(
2013
).
24.
I.
Ventrillard
,
P.
Gorrotxategi-Carbajo
, and
D.
Romanini
,
Appl. Phys. B
123
,
180
(
2017
).
25.
F.
Grillot
,
B.
Thedrez
,
O.
Gauthier-Lafaye
,
M. F.
Martineau
,
V.
Voiriot
,
J. L.
Lafragette
,
J. L.
Gentner
, and
L.
Silvestre
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
15
,
9
(
2003
).
26.
J.
Ohtsubo
,
Semiconductor Lasers Stability, Instability and Chaos
(
Springer
,
2012
).
27.
N.
Schunk
and
K.
Petermann
,
IEEE J. Quantum Electron.
24
,
1242
(
1988
).
28.
R.
Tkach
and
A.
Chraplyvy
,
J. Lightwave Technol.
4
,
1655
(
1986
).
29.
F.
Grillot
,
B.
Thedrez
,
J.
Py
,
O.
Gauthier-Lafaye
,
V.
Voiriot
, and
J. L.
Lafragette
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
14
,
101
(
2002
).
30.
J.
Duan
,
H.
Huang
,
B.
Dong
,
D.
Jung
,
J. C.
Norman
,
J. E.
Bowers
, and
F.
Grillot
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
31
,
345
(
2019
).
31.
S. K.
Jain
and
S.
Ezekiel
,
Electron. Lett.
21
,
957
(
1985
).
32.
Y.
Zhao
,
Y.
Li
,
Q.
Wang
,
F.
Meng
,
Y.
Lin
,
S.
Wang
,
B.
Lin
,
S.
Cao
,
J.
Cao
,
Z.
Fang
,
T.
Li
, and
E.
Zang
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
24
,
1795
(
2012
).
33.
K.
Petermann
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
1
,
480
(
1995
).
34.
F. P.
Mezzapesa
,
L. L.
Columbo
,
M.
Brambilla
,
M.
Dabbicco
,
S.
Borri
,
M. S.
Vitiello
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
, and
G.
Scamarcio
,
Opt. Express
21
,
13748
(
2013
).
35.
G.
Friart
,
G.
Van der Sande
,
G.
Verschaffelt
, and
T.
Erneux
,
Phys. Rev. E
93
,
052201
(
2016
).
36.
L.
Jumpertz
,
K.
Schires
,
M.
Carras
,
M.
Sciamanna
, and
F.
Grillot
,
Light Sci. Appl.
5
,
e16088
(
2016
).
37.
L.
Jumpertz
,
M.
Carras
,
K.
Schires
, and
F.
Grillot
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
131112
(
2014
).
38.
B.-B.
Zhao
,
X.-G.
Wang
,
J.-C.
Zhang
, and
C.
Wang
,
Opt. Express
27
,
26639
(
2019
).
39.
C.
Wang
,
F.
Grillot
,
V. I.
Kovanis
,
J. D.
Bodyfelt
, and
J.
Even
,
Opt. Lett.
38
,
1975
(
2013
).
40.
R.
Lang
and
K.
Kobayashi
,
IEEE J. Quantum Electron.
16
,
347
(
1980
).
41.
C.
Otto
,
B.
Globisch
,
K.
Lüdge
,
E.
Schöll
, and
T.
Erneux
,
Int. J. Bifurcation Chaos
22
,
1250246
(
2012
).
42.
L. A.
Coldren
,
S. W.
Corzine
, and
M. L.
Mashanovitch
,
Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits
(
John Wiley & Sons
,
2012
).
43.
X.-G.
Wang
,
F.
Grillot
, and
C.
Wang
,
Opt. Express
26
,
2325
(
2018
).
44.
X.-G.
Wang
,
B.-B.
Zhao
,
F.
Grillot
, and
C.
Wang
,
Opt. Express
26
,
15167
(
2018
).
45.
S.
Borri
,
S.
Bartalini
,
P. C.
Pastor
,
I.
Galli
,
G.
Giusfredi
,
D.
Mazzotti
,
M.
Yamanishi
, and
P.
De Natale
,
IEEE J. Quantum Electron.
47
,
984
(
2011
).
46.
M.
Yamanishi
,
Opt. Express
20
,
28465
(
2012
).
47.
G.
Agrawal
,
IEEE J. Quantum Electron.
20
,
468
(
1984
).
48.
C.
Juretzka
,
S.
Breuer
,
L.
Drzewietzki
,
F.
Schad
,
M.
Carras
, and
W.
Elsäßer
,
Electron. Lett.
49
,
1548
(
2013
).
49.
L.
Jumpertz
,
F.
Michel
,
R.
Pawlus
,
W.
Elsässer
,
K.
Schires
,
M.
Carras
, and
F.
Grillot
,
AIP Adv.
6
,
015212
(
2016
).
50.
J.
Von Staden
,
T.
Gensty
,
W.
Elsäßer
,
G.
Giuliani
, and
C.
Mann
,
Opt. Lett.
31
,
2574
(
2006
).
You do not currently have access to this content.