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

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

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Trabalhos iniciais1 e avanços recentes em niobato de lítio de filme fino (LiNbO3) no isolador permitiram circuitos integrados fotônicos de baixa perda2,3, moduladores com tensão de meia onda aprimorada4,5, pentes de frequência eletro-óptica6 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), o potencial total dessa plataforma para demonstrar lasers integrados de largura de linha estreita e agilidade em frequência não foi alcançado. Aqui, relatamos um laser com uma taxa de ajuste rápida baseada em uma plataforma fotônica de nitreto de silício híbrido (Si3N4)–LiNbO3 e demonstramos seu uso para alcance de laser coerente. Nossa plataforma é baseada na integração heterogênea de circuitos integrados fotônicos de Si3N4 de perda ultrabaixa com LiNbO3 de filme fino por meio de ligação direta no nível do wafer, em contraste com a integração em nível de chiplet10 demonstrada anteriormente, apresentando baixa perda de propagação de 8,5 decibéis por metro, permitindo estreita - laser de largura de linha (largura de linha intrínseca de 3 quilohertz) por bloqueio de auto-injeção a 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 estreita largura de linha. Usando um laser integrado híbrido, realizamos um experimento de alcance óptico coerente de prova de conceito (FMCW LiDAR). Dotar os circuitos integrados fotônicos Si3N4 com LiNbO3 cria uma plataforma que combina as vantagens individuais do filme fino LiNbO3 com as do Si3N4, que mostram controle litográfico preciso, fabricação madura e perda ultrabaixa11,12.

O niobato de lítio (LiNbO3) é um material atraente para dispositivos eletro-ópticos e tem sido amplamente utilizado por muitas décadas. Ele exibe uma ampla janela de transparência dos comprimentos de onda do ultravioleta ao infravermelho médio e possui um grande coeficiente de Pockels de 32 pm V−1, permitindo uma modulação eficiente de baixa tensão e alta velocidade. A fotônica integrada baseada em materiais exibindo o efeito Pockels – como nitreto de alumínio13 – já foi demonstrada antes, mas apenas recentemente para 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 ondas 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 corrosão por feixe de íons de argônio para fabricar estruturas de guia de onda de cume parcialmente gravadas, o que permitiu moduladores operando em voltagens complementares de metal-óxido-semicondutor (CMOS)4, moduladores de mudança de fase em quadratura15 e pentes de frequência eletro-óptica6. Além disso, a plataforma forneceu uma rota para a criação de interfaces usando eletro-óptica de cavidade que acopla eficientemente campos de micro-ondas a campos ópticos7. Além da gravação direta, a integração heterogênea de chiplets LiNbO3 em nitreto de silício (Si3N4)10 ou circuitos fotônicos integrados (PICs) de silício16 foi recentemente demonstrada.

Além das aplicações para moduladores eletro-ópticos, uma plataforma fotônica integrada 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 frequência ágil, que apresentam ultrarrápido, linear e sem salto de modo afinação. Embora os lasers integrados tenham feito grandes avanços recentemente, culminando em lasers bloqueados de auto-injeção híbridos baseados em microrressonadores integrados Si3N4 de alto Q que atingem a coerência do laser de fibra17,18, 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 integrada monoliticamente que é plana e com largura de banda de atuação de megahertz19,20, lasers baseados em circuitos fotônicos integrados LiNbO3 têm o potencial para 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 de atuação piezoelétrica. Um laser LiNbO3/III–V híbrido bombeado eletricamente foi demonstrado usando um esquema baseado em filtro Vernier8,9, mas ainda não alcançou essa capacidade. Os lasers baseados em circuitos fotônicos integrados de 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 por 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 ajuste de petahertz por segundo. Isso é obtido em uma plataforma heterogeneamente integrada que combina guias de ondas fotônicas de Si3N4 de perda ultrabaixa23 com película fina de LiNbO3 por ligação em escala de wafer24. Nossa plataforma híbrida usa um chip Si3N4–LiNbO3 acoplado a um laser de diodo de fosfeto de índio (InP) com feedback distribuído (DFB). Os circuitos integrados fotônicos Si3N4 são fabricados usando o processo fotônico Damasceno23 e apresentam confinamento óptico rígido, perda de propagação ultrabaixa (<2 dB m-1), aquecimento de baixa absorção térmica e manuseio de alta potência. Eles podem ser fabricados em escala de wafer com alto rendimento e já estão disponíveis em uma fundição comercial. Vantagens adicionais da plataforma Si3N4 incluem baixo ganho das não linearidades Raman e Brillouin e dureza da radiação. Esta plataforma heterogênea 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 baixo, em comparação com os guias de onda LiNbO3, perda de inserção de 3,9 dB por faceta24. Além disso, a plataforma heterogênea Si3N4-LiNbO3 não exibe modo de mistura induzida por curvatura devido à birrefrigência, como é tipicamente o caso de guias de onda LiNbO3. A combinação das propriedades únicas de ambos os materiais em uma única plataforma integrada heterogênea permite o bloqueio de auto-injeção de laser com duas ordens de magnitude de redução de ruído de frequência de laser e uma taxa de ajuste de frequência de petahertz por segundo.