Lasers sintonizáveis ​​ultrarrápidos usando fotônica integrada de niobato de lítio

Jun 27, 2023

Nature volume 615, páginas 411–417 (2023)Cite este artigo

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Os primeiros trabalhos1 e os avanços recentes em niobato de lítio de película fina (LiNbO3) no isolador permitiram circuitos integrados fotônicos de baixa perda2,3, moduladores com tensão de meia onda aprimorada4,5, pentes de frequência eletro-ópticos6 e dispositivos eletro-ópticos no chip , com aplicações que vão desde fotônica de micro-ondas até interfaces quânticas de micro-ondas para ópticas7. Embora avanços recentes tenham demonstrado lasers integrados sintonizáveis ​​baseados em LiNbO3 (refs. 8,9), todo o potencial desta plataforma para demonstrar lasers integrados de largura de linha estreita e ágeis em frequência não foi alcançado. Aqui relatamos um laser com uma taxa de ajuste rápida baseada em uma plataforma fotônica híbrida de nitreto de silício (Si3N4) –LiNbO3 e demonstramos seu uso para alcance coerente do laser. Nossa plataforma é baseada na integração heterogênea de circuitos integrados fotônicos Si3N4 de perda ultrabaixa com LiNbO3 de filme fino por meio de ligação direta no nível do wafer, em contraste com a integração demonstrada anteriormente no nível do chiplet10, apresentando baixa perda de propagação de 8,5 decibéis por metro, permitindo estreita -lasing de largura de linha (largura de linha intrínseca de 3 quilohertz) por auto-injeção travada em um diodo laser. O modo híbrido do ressonador permite o ajuste da frequência do laser eletro-óptico a uma velocidade de 12 × 1015 hertz por segundo com alta linearidade e baixa histerese, mantendo a largura de linha estreita. Usando um laser híbrido integrado, realizamos um experimento de alcance óptico coerente de prova de conceito (FMCW LiDAR). Dotar circuitos integrados fotônicos Si3N4 com LiNbO3 cria uma plataforma que combina as vantagens individuais do LiNbO3 de filme fino com as do Si3N4, que apresentam controle litográfico preciso, fabricação madura e perda ultrabaixa .

O niobato de lítio (LiNbO3) é um material atraente para dispositivos eletro-ópticos e tem sido amplamente utilizado há muitas décadas. Ele exibe uma ampla janela de transparência dos comprimentos de onda ultravioleta ao infravermelho médio e possui um grande coeficiente de Pockels de 32 pm V-1, permitindo modulação eficiente, de baixa tensão e alta velocidade. A fotônica integrada baseada em materiais que exibem o efeito Pockels - como o nitreto de alumínio - foi demonstrada antes, mas apenas recentemente para o LiNbO3 (ref. 14). Após a disponibilidade comercial de LiNbO3 no isolador via wafer bonding e smart-cut, também houve um progresso substancial na gravação de guias de onda de LiNbO3 de baixa perda, culminando em ressonadores de anel com um fator Q intrínseco de 10 × 106 (ref. 2 ). A maioria dessas conquistas utilizou a gravação por feixe de íons de argônio para fabricar estruturas de guia de onda de crista parcialmente gravadas, o que permitiu moduladores operando em tensões complementares de semicondutor de óxido metálico (CMOS), moduladores de chaveamento de mudança de fase em quadratura e pentes de frequência eletro-ópticos6. Além disso, a plataforma forneceu um caminho para a criação de interfaces usando eletro-óptica de cavidade que acoplam eficientemente campos de micro-ondas a campos ópticos7. Além da gravação direta, a integração heterogênea de chips de LiNbO3 em circuitos integrados fotônicos (PICs) de nitreto de silício (Si3N4) 10 ou silício 16 foi recentemente demonstrada.

Além das aplicações para moduladores eletro-ópticos, uma plataforma fotônica integrada de LiNbO3 com um grande coeficiente de Pockels e baixa perda de propagação atende a todos os requisitos para a realização de fontes de laser integradas de largura de linha estreita e ágeis em frequência, que apresentam ultra-rápidas, lineares e sem salto de modo. sintonia. Embora os lasers integrados tenham feito grandes avanços recentemente, culminando em lasers híbridos bloqueados por autoinjeção baseados em microrressonadores integrados Si3N4 de alto Q que atingem a coerência do laser de fibra , ou seja, largura de linha Lorentziana subhertz, esses lasers carecem de atuação de frequência rápida. Embora lasers integrados de largura de linha estreita com desempenho semelhante tenham sido recentemente demonstrados usando atuação óptica de tensão piezoelétrica monoliticamente integrada que é plana e com largura de banda de atuação de megahertz , os lasers baseados em circuitos fotônicos integrados de LiNbO3 têm o potencial para um ajuste muito mais rápido, com frequência plana resposta, em tensões de acionamento substancialmente mais baixas, e não exibem excitações de modos vibracionais parasitas do chip fotônico, como no caso da atuação piezoelétrica. Um laser híbrido LiNbO3 / III-V bombeado eletricamente foi demonstrado usando um esquema baseado em filtro Vernier , mas ainda não alcançou essa capacidade. Lasers baseados em circuitos integrados fotônicos LiNbO3 têm o potencial de realizar uma série de estruturas de laser, como lasers Vernier amplamente sintonizáveis ​​ou lasers sem salto de modo para uma infinidade de aplicações, incluindo detecção de luz de onda contínua modulada em frequência (FMCW) e variando (LiDAR)21, tomografia de coerência óptica, metrologia de frequência ou espectroscopia de gás traço22, que utilizam agilidade de frequência e largura de linha estreita. Aqui demonstramos lasers integrados baseados em LiNbO3 que atingem largura de linha estreita (nível de quilohertz) enquanto exibem extrema agilidade de frequência, permitindo uma taxa de sintonia de petahertz por segundo. Isto é conseguido em uma plataforma heterogeneamente integrada que combina guias de onda fotônicos Si3N4 de perda ultrabaixa com LiNbO3 de filme fino por ligação em escala de wafer. Nossa plataforma híbrida usa um chip Si3N4 – LiNbO3 que é acoplado a um laser de diodo de feedback distribuído (DFB) de fosfeto de índio (InP). Os circuitos integrados fotônicos Si3N4 são fabricados usando o processo fotônico Damasceno e apresentam confinamento óptico rígido, perda de propagação ultrabaixa (<2 dB m-1), baixo aquecimento por absorção térmica e manuseio de alta potência. Eles podem ser fabricados em escala de wafer com alto rendimento e já estão disponíveis em fundição comercial. Vantagens adicionais da plataforma Si3N4 incluem baixo ganho das não linearidades Raman e Brillouin e dureza de radiação. Esta plataforma heterogênea de Si3N4-LiNbO3 permite microrressonadores de alto Q com uma largura de linha de cavidade intrínseca mediana de 44 MHz, fornece um rendimento quase unitário de dispositivos ligados e exibe baixa, em comparação com guias de onda de cume LiNbO3, perda de inserção de 3,9 dB por faceta . Além disso, a plataforma heterogênea Si3N4-LiNbO3 não exibe modo de mistura induzido por curvatura devido à birrefrigência, como é tipicamente o caso dos guias de ondas de crista LiNbO3. A combinação das propriedades exclusivas de ambos os materiais em uma única plataforma integrada heterogênea permite o travamento por autoinjeção do laser com duas ordens de magnitude de redução de ruído de frequência do laser e uma taxa de sintonia de frequência de petahertz por segundo.