Laser sintonizzabili ultraveloci che utilizzano fotonica integrata nel niobato di litio

Natura volume 615, pagine 411–417 (2023) Citare questo articolo

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I primi lavori1 e i recenti progressi nel niobato di litio a film sottile (LiNbO3) sugli isolanti hanno consentito circuiti integrati fotonici a bassa perdita2,3, modulatori con tensione a semionda migliorata4,5, pettini di frequenza elettro-ottici6 e dispositivi elettro-ottici su chip , con applicazioni che vanno dalla fotonica a microonde alle interfacce quantistiche dalle microonde all'ottica7. Sebbene i recenti progressi abbiano dimostrato laser integrati sintonizzabili basati su LiNbO3 (rif. 8,9), il pieno potenziale di questa piattaforma per dimostrare laser integrati agili in frequenza e con larghezza di linea stretta non è stato raggiunto. Qui riportiamo un laser di questo tipo con una velocità di sintonizzazione rapida basata su una piattaforma fotonica ibrida di nitruro di silicio (Si3N4) –LiNbO3 e dimostriamo il suo utilizzo per la gamma laser coerente. La nostra piattaforma si basa sull'integrazione eterogenea di circuiti integrati fotonici Si3N4 a bassissima perdita con LiNbO3 a film sottile attraverso il legame diretto a livello di wafer, in contrasto con l'integrazione a livello di chiplet precedentemente dimostrata10, caratterizzata da una bassa perdita di propagazione di 8,5 decibel per metro, consentendo -Laser a larghezza di linea (larghezza di linea intrinseca di 3 kilohertz) mediante autoiniezione agganciata a un diodo laser. La modalità ibrida del risonatore consente la sintonizzazione della frequenza del laser elettroottico a una velocità di 12 × 1015 hertz al secondo con elevata linearità e bassa isteresi pur mantenendo la larghezza di linea ridotta. Utilizzando un laser ibrido integrato, eseguiamo un esperimento di prova di concetto di portata ottica coerente (FMCW LiDAR). Dotare i circuiti integrati fotonici Si3N4 di LiNbO3 crea una piattaforma che combina i vantaggi individuali del LiNbO3 a film sottile con quelli del Si3N4, che mostrano un controllo litografico preciso, una produzione matura e una perdita ultrabassa11,12.

Il niobato di litio (LiNbO3) è un materiale interessante per i dispositivi elettro-ottici ed è ampiamente utilizzato da molti decenni. Presenta un'ampia finestra di trasparenza dalle lunghezze d'onda dell'ultravioletto al medio infrarosso e ha un ampio coefficiente di Pockels di 32 pm V−1, consentendo una modulazione efficiente, a bassa tensione e ad alta velocità. La fotonica integrata basata su materiali che mostrano l'effetto Pockels, come il nitruro di alluminio13, è stata dimostrata in precedenza, ma solo di recente per LiNbO3 (rif. 14). In seguito alla disponibilità commerciale di LiNbO3 su isolante tramite wafer bonding e smart-cut, ci sono stati progressi sostanziali anche nell'incisione di guide d'onda LiNbO3 a basse perdite, culminati nei risonatori ad anello con un fattore Q intrinseco di 10 × 106 (rif. 2 ). La maggior parte di questi risultati hanno utilizzato l'attacco del fascio di ioni di argon per produrre strutture di guida d'onda a cresta parzialmente incise, che hanno consentito modulatori che funzionano a tensioni complementari di metallo-ossido-semiconduttore (CMOS)4, modulatori con spostamento di fase in quadratura15 e pettini di frequenza elettro-ottici6. Inoltre, la piattaforma ha fornito un percorso per creare interfacce utilizzando cavi elettro-ottici che accoppiano in modo efficiente i campi dalle microonde ai campi ottici7. Oltre all'attacco diretto, recentemente è stata dimostrata l'integrazione eterogenea di chiplet LiNbO3 su circuiti integrati fotonici (PIC) di nitruro di silicio (Si3N4)10 o silicio16.

Oltre alle applicazioni per modulatori elettro-ottici, una piattaforma fotonica integrata LiNbO3 con un ampio coefficiente di Pockels e una bassa perdita di propagazione soddisfa tutti i requisiti per la realizzazione di sorgenti laser integrate con larghezza di linea stretta e agili in frequenza, che presentano caratteristiche ultraveloci, lineari e prive di mode-hop messa a punto. Sebbene i laser integrati abbiano fatto importanti progressi di recente, culminando in laser ibridi bloccati con autoiniezione basati su microrisonatori integrati Si3N4 ad alto Q che raggiungono la coerenza del laser in fibra17,18, cioè la larghezza di linea lorentziana subhertz, questi laser mancano di un'attuazione a frequenza rapida. Sebbene siano stati recentemente dimostrati laser integrati a larghezza di linea stretta con prestazioni simili utilizzando un'attuazione piezoelettrica-ottica monolitica integrata piatta e con larghezza di banda di attuazione di megahertz19,20, i laser basati su circuiti fotonici integrati LiNbO3 hanno il potenziale per una sintonizzazione molto più rapida, con frequenza piatta risposta, a tensioni di pilotaggio sostanzialmente inferiori, e non mostrano eccitazioni di modi vibrazionali parassiti del chip fotonico, come nel caso dell'attuazione piezoelettrica. È stato dimostrato un laser ibrido LiNbO3/III–V pompato elettricamente utilizzando uno schema basato su filtro Vernier8,9, ma non ha ancora raggiunto questa capacità. I laser basati su circuiti integrati fotonici LiNbO3 hanno il potenziale per realizzare una serie di strutture laser, come laser Vernier ampiamente sintonizzabili o laser mode-hop-free per una moltitudine di applicazioni, tra cui il rilevamento della luce a onda continua modulata in frequenza (FMCW) e range (LiDAR)21, tomografia a coerenza ottica, metrologia di frequenza o spettroscopia di gas in tracce22, che utilizzano sia l'agilità di frequenza che la larghezza di linea ridotta. Qui dimostriamo i laser integrati basati su LiNbO3 che raggiungono una larghezza di linea ridotta (livello di kilohertz) pur mostrando un'estrema agilità di frequenza, consentendo una velocità di sintonizzazione di petahertz al secondo. Ciò si ottiene su una piattaforma integrata eterogenea che combina guide d'onda fotoniche Si3N4 a bassissima perdita23 con LiNbO3 a film sottile mediante incollaggio su scala wafer24. La nostra piattaforma ibrida utilizza un chip Si3N4–LiNbO3 accoppiato di testa a un laser a diodi a feedback distribuito (DFB) con fosfuro di indio (InP). I circuiti integrati fotonici Si3N4 sono fabbricati utilizzando il processo Damasceno fotonico23 e presentano uno stretto confinamento ottico, una perdita di propagazione ultrabassa (<2 dB m−1), un basso assorbimento termico e una gestione ad alta potenza. Possono essere prodotti su scala wafer con un rendimento elevato e sono già disponibili presso una fonderia commerciale. Ulteriori vantaggi della piattaforma Si3N4 includono il basso guadagno derivante dalle non linearità Raman e Brillouin e la durezza della radiazione. Questa piattaforma eterogenea Si3N4–LiNbO3 consente microrisonatori ad alto Q con una larghezza di linea mediana della cavità intrinseca di 44 MHz, fornisce una resa quasi unitaria dei dispositivi incollati e presenta una perdita di inserzione bassa, rispetto alle guide d'onda della cresta LiNbO3, di 3,9 dB per sfaccettatura24. Inoltre, la piattaforma eterogenea Si3N4–LiNbO3 non mostra modalità di miscelazione indotta dalla piegatura a causa della birefrigerazione, come è tipicamente il caso delle guide d'onda della cresta LiNbO3. La combinazione delle proprietà uniche di entrambi i materiali in un'unica piattaforma integrata eterogenea consente il bloccaggio dell'autoiniezione laser con due ordini di grandezza di riduzione del rumore della frequenza laser e una velocità di sintonizzazione della frequenza di petahertz al secondo.