Lasers accordables ultrarapides utilisant la photonique intégrée au niobate de lithium

Jun 27, 2023

Nature volume 615, pages 411-417 (2023)Citer cet article

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Les premiers travaux1 et les progrès récents dans le niobate de lithium en couche mince (LiNbO3) sur isolant ont permis de créer des circuits intégrés photoniques à faibles pertes2,3, des modulateurs avec une tension demi-onde améliorée4,5, des peignes de fréquence électro-optiques6 et des dispositifs électro-optiques sur puce. , avec des applications allant de la photonique micro-ondes aux interfaces quantiques micro-ondes-optiques7. Bien que des progrès récents aient démontré des lasers intégrés accordables basés sur LiNbO3 (réf. 8, 9), tout le potentiel de cette plate-forme pour démontrer des lasers intégrés à largeur de raie étroite et agiles en fréquence n'a pas été atteint. Nous rapportons ici un tel laser avec un taux de réglage rapide basé sur une plate-forme photonique hybride en nitrure de silicium (Si3N4) – LiNbO3 et démontrons son utilisation pour la télémétrie laser cohérente. Notre plate-forme est basée sur l'intégration hétérogène de circuits intégrés photoniques Si3N4 à très faible perte avec LiNbO3 en couche mince via une liaison directe au niveau de la tranche, contrairement à l'intégration au niveau des puces10 précédemment démontrée, présentant une faible perte de propagation de 8,5 décibels par mètre, permettant des -lasing de largeur de raie (largeur de raie intrinsèque de 3 kilohertz) par verrouillage par auto-injection sur une diode laser. Le mode hybride du résonateur permet un réglage électro-optique de la fréquence du laser à une vitesse de 12 × 1 015 hertz par seconde avec une linéarité élevée et une faible hystérésis tout en conservant une largeur de raie étroite. À l’aide d’un laser intégré hybride, nous effectuons une expérience de validation de principe de télémétrie optique cohérente (FMCW LiDAR). Doter les circuits intégrés photoniques Si3N4 de LiNbO3 crée une plate-forme qui combine les avantages individuels du LiNbO3 en couche mince avec ceux du Si3N4, qui présentent un contrôle lithographique précis, une fabrication mature et des pertes ultra faibles11,12.

Le niobate de lithium (LiNbO3) est un matériau attrayant pour les dispositifs électro-optiques et largement utilisé depuis de nombreuses décennies. Il présente une large fenêtre de transparence allant des longueurs d'onde ultraviolettes à infrarouge moyenne et possède un grand coefficient de Pockels de 32 pm V−1, permettant une modulation efficace, basse tension et haute vitesse. La photonique intégrée basée sur des matériaux présentant l'effet Pockels, tels que le nitrure d'aluminium13, a déjà été démontrée, mais seulement récemment pour LiNbO3 (réf. 14). Suite à la disponibilité commerciale du LiNbO3 sur isolant via le collage de tranches et la découpe intelligente, des progrès substantiels ont également été réalisés dans la gravure de guides d'ondes LiNbO3 à faibles pertes, aboutissant à des résonateurs en anneau avec un facteur Q intrinsèque de 10 × 106 (réf. 2 ). La majorité de ces réalisations ont utilisé la gravure par faisceau d'ions argon pour fabriquer des structures de guides d'ondes à crête partiellement gravées, ce qui a permis de fonctionner à des tensions complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS)4, de modulateurs à modulation de phase en quadrature15 et de peignes de fréquence électro-optiques6. En outre, la plate-forme a ouvert la voie à la création d’interfaces utilisant l’électro-optique à cavité qui couplent efficacement les champs micro-ondes aux champs optiques7. En plus de la gravure directe, l’intégration hétérogène de chipsets LiNbO3 sur des circuits intégrés photoniques (PIC) en nitrure de silicium (Si3N4)10 ou en silicium16 a récemment été démontrée.

Au-delà des applications pour les modulateurs électro-optiques, une plate-forme photonique intégrée LiNbO3 avec un coefficient de Pockels élevé et une faible perte de propagation répond à toutes les exigences pour la réalisation de sources laser intégrées à largeur de raie étroite et agiles en fréquence, ultrarapides, linéaires et sans saut de mode. réglage. Bien que les lasers intégrés aient récemment fait des progrès majeurs, aboutissant à des lasers hybrides verrouillés à auto-injection basés sur des microrésonateurs intégrés Si3N4 à Q élevé qui atteignent la cohérence du laser à fibre, c'est-à-dire une largeur de raie lorentzienne subhertzienne, ces lasers manquent d'actionnement rapide en fréquence. Bien que des lasers intégrés à largeur de raie étroite offrant des performances similaires aient récemment été démontrés en utilisant un actionnement optique à contrainte piézoélectrique monolithique intégré qui est plat et avec une bande passante d'actionnement en mégahertz 19,20, les lasers basés sur des circuits photoniques intégrés LiNbO3 ont le potentiel d'un réglage beaucoup plus rapide, avec une fréquence plate. réponse, à des tensions de commande sensiblement inférieures, et ne présentent pas d'excitations de modes de vibration parasites de la puce photonique, comme dans le cas d'un actionnement piézoélectrique. Un laser hybride LiNbO3/III-V pompé électriquement a été démontré à l’aide d’un schéma basé sur un filtre Vernier8,9, mais n’a pas encore atteint cette capacité. Les lasers basés sur des circuits intégrés photoniques LiNbO3 ont le potentiel de réaliser une multitude de structures laser, telles que des lasers Vernier largement accordables ou des lasers sans saut de mode pour une multitude d'applications, y compris la détection de lumière à onde continue modulée en fréquence (FMCW) et la télémétrie (LiDAR)21, la tomographie par cohérence optique, la métrologie de fréquence ou la spectroscopie de gaz traces22, qui utilisent à la fois l'agilité de fréquence et la largeur de raie étroite. Nous démontrons ici des lasers intégrés basés sur LiNbO3 qui atteignent une largeur de raie étroite (niveau kilohertz) tout en présentant une agilité de fréquence extrême, permettant un taux de réglage de pétahertz par seconde. Ceci est réalisé sur une plate-forme intégrée de manière hétérogène combinant des guides d'ondes photoniques Si3N4 à très faible perte23 avec du LiNbO3 en couche mince par liaison à l'échelle d'une tranche24. Notre plate-forme hybride utilise une puce Si3N4-LiNbO3 couplée bout à bout à une diode laser à rétroaction distribuée (DFB) au phosphure d'indium (InP). Les circuits intégrés photoniques Si3N4 sont fabriqués à l'aide du procédé photonique Damascene23 et présentent un confinement optique étroit, une perte de propagation ultrafaible (<2 dB m−1), un chauffage à faible absorption thermique et une gestion de puissance élevée. Ils peuvent être fabriqués à l’échelle d’une tranche avec un rendement élevé et sont déjà disponibles auprès d’une fonderie commerciale. Les avantages supplémentaires de la plate-forme Si3N4 incluent un faible gain dû aux non-linéarités Raman et Brillouin et à la dureté aux radiations. Cette plate-forme hétérogène Si3N4 – LiNbO3 permet des microrésonateurs à Q élevé avec une largeur de raie de cavité intrinsèque médiane de 44 MHz, fournit un rendement proche de l'unité des dispositifs liés et présente une faible perte d'insertion de 3,9 dB par facette, par rapport aux guides d'ondes à crête LiNbO3. De plus, la plate-forme hétérogène Si3N4 – LiNbO3 ne présente pas de mélange de modes induit par la courbure en raison de la biréfrience, comme c'est généralement le cas pour les guides d'ondes à crête LiNbO3. La combinaison des propriétés uniques des deux matériaux en une seule plate-forme intégrée hétérogène permet un verrouillage par auto-injection laser avec deux ordres de grandeur de réduction du bruit de fréquence laser et un taux de réglage de fréquence pétahertz par seconde.