Сверхбыстрые перестраиваемые лазеры с использованием интегрированной фотоники на ниобате лития

Jun 27, 2023

Nature, том 615, страницы 411–417 (2023 г.) Процитировать эту статью

20 тысяч доступов

6 цитат

111 Альтметрика

Подробности о метриках

Ранние работы1 и недавние достижения в области тонкопленочного ниобата лития (LiNbO3) на изоляторе позволили создать фотонные интегральные схемы с низкими потерями2,3, модуляторы с улучшенным полуволновым напряжением4,5, электрооптические частотные гребенки6 и встроенные электрооптические устройства. , с приложениями от микроволновой фотоники до микроволново-оптических квантовых интерфейсов7. Хотя недавние достижения продемонстрировали перестраиваемые интегральные лазеры на основе LiNbO3 (ссылки 8,9), полный потенциал этой платформы для демонстрации быстродействующих по частоте интегральных лазеров с узкой шириной линии не был достигнут. Здесь мы сообщаем о таком лазере с высокой скоростью настройки на основе гибридной фотонной платформы нитрида кремния (Si3N4)–LiNbO3 и демонстрируем его использование для когерентной лазерной локации. Наша платформа основана на гетерогенной интеграции фотонных интегральных схем Si3N4 со сверхмалыми потерями с тонкопленочными LiNbO3 посредством прямого соединения на уровне пластины, в отличие от ранее продемонстрированной интеграции на уровне чиплетов10, которая характеризуется низкими потерями распространения в 8,5 децибел на метр, что позволяет -ширинная генерация (собственная ширина линии 3 килогерца) путем самоинжекции с синхронизацией с лазерным диодом. Гибридный режим резонатора позволяет осуществлять электрооптическую перестройку частоты лазера со скоростью 12 × 1015 герц в секунду с высокой линейностью и низким гистерезисом при сохранении узкой ширины линии. Используя гибридный интегрированный лазер, мы проводим экспериментальный эксперимент по когерентной оптической локации (FMCW LiDAR). Оснащение фотонных интегральных схем Si3N4 LiNbO3 создает платформу, которая сочетает в себе отдельные преимущества тонкопленочного LiNbO3 с преимуществами Si3N4, которые демонстрируют точный литографический контроль, зрелое производство и сверхнизкие потери11,12.

Ниобат лития (LiNbO3) является привлекательным материалом для электрооптических устройств и широко используется на протяжении многих десятилетий. Он обладает широким окном прозрачности от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона и имеет большой коэффициент Поккельса, равный 32 пм В-1, что обеспечивает эффективную низковольтную и высокоскоростную модуляцию. Интегрированная фотоника на основе материалов, проявляющих эффект Поккельса, таких как нитрид алюминия13, была продемонстрирована и раньше, но только недавно для LiNbO3 (ссылка 14). После коммерческой доступности LiNbO3 на изоляторе посредством сварки пластин и умной резки также был достигнут значительный прогресс в травлении волноводов LiNbO3 с низкими потерями, кульминацией которого стали кольцевые резонаторы с собственной добротностью 10 × 106 (ссылка 2). ). В большинстве этих достижений использовалось травление ионами аргона для изготовления частично травленых ребристых волноводных структур, что позволило использовать модуляторы, работающие при дополнительных напряжениях металл-оксид-полупроводник (КМОП)4, модуляторы с квадратурной фазовой манипуляцией15 и электрооптические частотные гребенки6. Кроме того, платформа открыла путь к созданию интерфейсов с использованием резонаторной электрооптики, которые эффективно соединяют микроволновые и оптические поля7. Помимо прямого травления, недавно была продемонстрирована гетерогенная интеграция чиплетов LiNbO3 в фотонные интегральные схемы (PIC) из нитрида кремния (Si3N4)10 или кремния16.

Помимо применения в электрооптических модуляторах, интегрированная фотонная платформа LiNbO3 с большим коэффициентом Поккельса и низкими потерями распространения отвечает всем требованиям для реализации интегрированных лазерных источников с узкой шириной линии и быстрой перестройкой частоты, которые обладают сверхбыстрыми, линейными свойствами и отсутствием скачков мод. тюнинг. Хотя в последнее время интегральные лазеры добились значительных успехов, кульминацией которых стали гибридные лазеры с самоинжекцией и синхронизацией на основе высокодобротных интегрированных микрорезонаторов Si3N4, которые достигают когерентности волоконного лазера17,18, то есть субгерцовой лоренцевой ширины линии, этим лазерам не хватает быстрого частотного срабатывания. Хотя недавно были продемонстрированы интегрированные лазеры с узкой шириной линии и аналогичными характеристиками с использованием монолитно интегрированного пьезоэлектрического оптического стресс-оптического срабатывания, плоского и с мегагерцовой полосой срабатывания19,20, лазеры на основе интегрированных фотонных схем LiNbO3 имеют потенциал для гораздо более быстрой настройки с плоской частотой. отклика при существенно меньших напряжениях возбуждения и не вызывает возбуждения паразитных колебательных мод фотонного чипа, как в случае пьезоэлектрического срабатывания. Гибридный лазер LiNbO3/III–V с электрической накачкой был продемонстрирован с использованием схемы на основе нониусного фильтра8,9, но пока не достиг такой возможности. Лазеры на основе фотонных интегральных схем LiNbO3 обладают потенциалом для реализации множества лазерных структур, таких как широко перестраиваемые лазеры с нониусом или лазеры без скачков мод для множества приложений, включая обнаружение света с частотно-модулированной непрерывной волной (FMCW) и дальнометрия (LiDAR)21, оптическая когерентная томография, частотная метрология или спектроскопия газовых примесей22, которые используют как гибкость частоты, так и узкую ширину линии. Здесь мы демонстрируем интегрированные лазеры на основе LiNbO3, которые достигают узкой ширины линии (уровень килогерца), демонстрируя при этом чрезвычайную гибкость частоты, обеспечивая скорость настройки в петагерц в секунду. Это достигается за счет гетерогенно-интегрированной платформы, сочетающей фотонные волноводы Si3N4 со сверхмалыми потерями23 и тонкопленочные LiNbO3 путем сварки в масштабе пластины24. В нашей гибридной платформе используется чип Si3N4–LiNbO3, который соединен встык с диодным лазером с распределенной обратной связью (DFB) на фосфиде индия (InP). Фотонные интегральные схемы Si3N4 производятся с использованием фотонного дамасского процесса23 и характеризуются плотным оптическим ограничением, сверхнизкими потерями при распространении (<2 дБ м-1), низким теплопоглощением, нагревом и высокой мощностью. Их можно производить в масштабах пластин с высоким выходом, и они уже доступны на коммерческом литейном заводе. Дополнительные преимущества платформы Si3N4 включают низкий коэффициент усиления от рамановских и бриллюэновских нелинейностей и радиационную стойкость. Эта гетерогенная платформа Si3N4-LiNbO3 позволяет создавать высокодобротные микрорезонаторы со средней шириной линии собственного резонатора 44 МГц, обеспечивает выход связанных устройств, близкий к единице, и демонстрирует низкие, по сравнению с гребневыми волноводами LiNbO3, вносимые потери - 3,9 дБ на грань24. Кроме того, гетерогенная платформа Si3N4–LiNbO3 не демонстрирует смешивания мод, вызванного изгибом, из-за двойного лучепреломления, как это обычно бывает с гребневыми волноводами LiNbO3. Объединение уникальных свойств обоих материалов в единую гетерогенную интегрированную платформу обеспечивает блокировку лазерной самоинжекции со снижением шума частоты лазера на два порядка и скоростью перестройки частоты в петагерц в секунду.