ニオブ酸リチウム集積フォトニクスを使用した超高速波長可変レーザー

Nature volume 615、pages 411–417 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

絶縁体上の薄膜ニオブ酸リチウム (LiNbO3) の初期の研究 1 と最近の進歩により、低損失フォトニック集積回路 2、3、改善された半波長電圧を備えた変調器 4、5、電気光学周波数コム 6、およびオンチップ電気光学デバイスが可能になりました。 、マイクロ波フォトニクスからマイクロ波と光の量子インターフェースに至るまでの応用が可能です7。 最近の進歩により、LiNbO3 ベースの調整可能な集積レーザーが実証されましたが (参考文献 8、9)、周波数アジャイルで狭線幅の集積レーザーを実証するためのこのプラットフォームの潜在能力はまだ十分に達成されていません。 今回我々は、ハイブリッド窒化ケイ素（Si3N4）-LiNbO3フォトニックプラットフォームに基づいた高速チューニングレートを備えたこのようなレーザーを報告し、コヒーレントレーザー測距へのその使用を実証します。 当社のプラットフォームは、以前に実証されたチップレットレベルの統合10とは対照的に、ウェハレベルでの直接接合による超低損失Si3N4フォトニック集積回路と薄膜LiNbO3のヘテロジニアス統合に基づいており、1メートルあたり8.5デシベルの低い伝播損失を特徴としており、狭い伝送を可能にします。 - レーザー ダイオードへの自己注入ロックによる線幅レーザー発振 (固有線幅 3 キロヘルツ)。 共振器のハイブリッド モードにより、狭い線幅を維持しながら、高い直線性と低いヒステリシスを備えた 12 × 1015 ヘルツ/秒の速度で電気光学レーザー周波数を調整できます。 ハイブリッド統合レーザーを使用して、概念実証コヒーレント光測距 (FMCW LiDAR) 実験を実行します。 Si3N4 フォトニック集積回路に LiNbO3 を与えることで、薄膜 LiNbO3 のそれぞれの利点と Si3N4 の利点を組み合わせたプラットフォームが作成され、正確なリソグラフィー制御、成熟した製造、超低損失を示します 11,12。

ニオブ酸リチウム (LiNbO3) は、電気光学デバイスにとって魅力的な材料であり、何十年にもわたって広く使用されてきました。 紫外から中赤外の波長まで広い透過窓を示し、32 pm V-1 という大きなポッケルス係数を持ち、効率的な低電圧、高速の変調が可能です。 ポッケルス効果を示す材料 (窒化アルミニウム 13 など) に基づいた集積フォトニクスは以前にも実証されていますが、LiNbO3 については最近になって初めて実証されました (参考文献 14)。 ウェーハボンディングとスマートカットによる絶縁体上の LiNbO3 の商業利用に続いて、低損失 LiNbO3 導波路のエッチングも大幅に進歩し、10 × 106 の固有 Q 値を備えたリング共振器に到達しました (参考文献 2)。 ）。 これらの成果の大部分は、部分的にエッチングされたリッジ導波路構造を製造するためにアルゴン イオン ビーム エッチングを利用しており、これにより相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) 電圧 4、直交位相偏移変調器 15 および電気光学周波数コム 6 で動作する変調器が可能になりました。 さらに、このプラットフォームは、マイクロ波と光場を効率的に結合するキャビティ電気光学を使用してインターフェースを作成するためのルートを提供しました7。 直接エッチングに加えて、LiNbO3 チップレットの窒化シリコン (Si3N4)10 またはシリコン 16 フォトニック集積回路 (PIC) への異種集積が最近実証されました。

電気光学変調器のアプリケーションを超えて、大きなポッケルス係数と低い伝播損失を備えた LiNbO3 統合フォトニクス プラットフォームは、超高速、線形、モードホップフリーを特徴とする統合狭線幅レーザー光源と周波数機敏なレーザー光源を実現するためのすべての要件を満たします。チューニング。 集積レーザーは最近大きな進歩を遂げ、ファイバーレーザーのコヒーレンス17,18、つまりサブヘルツのローレンツ線幅に達する高Q Si3N4集積微小共振器に基づくハイブリッド自己注入同期レーザーに至っていますが、これらのレーザーには高速周波数駆動がありません。 最近、同様の性能を持つ集積狭線幅レーザーが、平坦でメガヘルツの駆動帯域幅を備えたモノリシックに集積された圧電応力光駆動を使用して実証されていますが 19,20、LiNbO3 集積フォトニック回路に基づくレーザーは、平坦な周波数で非常に高速なチューニングが可能となる可能性があります。実質的に低い駆動電圧で応答し、圧電駆動の場合のようにフォトニックチップの寄生振動モードの励起を示さない。 電気的に励起されるハイブリッド LiNbO3/III-V レーザーは、バーニアフィルターベースのスキームを使用して実証されています 8,9 が、この機能はまだ達成されていません。 LiNbO3 フォトニック集積回路に基づくレーザーは、周波数変調連続波 (FMCW) 光検出や、周波数変調連続波 (FMCW) 光検出、測距（LiDAR）21、光コヒーレンストモグラフィー、周波数計測学、または微量ガス分光法22。これらは、周波数俊敏性と狭い線幅の両方を利用します。 今回我々は、極度の周波数俊敏性を示しながら狭い線幅（キロヘルツレベル）を実現し、ペタヘルツ/秒の調整速度を可能にするLiNbO3ベースの集積レーザーを実証します。 これは、超低損失 Si3N4 フォトニック導波路 23 と薄膜 LiNbO3 をウェーハスケールボンディング 24 によって組み合わせた異種統合プラットフォーム上で実現されます。 当社のハイブリッド プラットフォームは、リン化インジウム (InP) 分布帰還型 (DFB) ダイオード レーザーにバット結合された Si3N4 – LiNbO3 チップを使用しています。 Si3N4 フォトニック集積回路は、フォトニック ダマシン プロセス 23 を使用して製造されており、厳密な光閉じ込め、超低伝播損失 (<2 dB m−1)、低熱吸収加熱、および高電力処理を特徴としています。 これらはウェーハスケールで高歩留まりで製造でき、すでに商業ファウンドリから入手可能です。 Si3N4 プラットフォームのその他の利点には、ラマン非線形性とブリルアン非線形性によるゲインが低いこと、および放射線耐性が含まれます。 この異種 Si3N4-LiNbO3 プラットフォームにより、固有キャビティ線幅の中央値が 44 MHz の高 Q 微小共振器が可能になり、接合デバイスの歩留まりがほぼ 1 になり、LiNbO3 リッジ導波路と比較して、ファセットあたり 3.9 dB という低い挿入損失を示します24。 さらに、不均質な Si3N4 – LiNbO3 プラットフォームは、通常、LiNbO3 リッジ導波路の場合のように、複屈折による曲げ誘起モード混合を示しません。 両方の材料のユニークな特性を単一の異種統合プラットフォームに組み合わせることで、2 桁のレーザー周波数ノイズ低減とペタヘルツ/秒の周波数同調速度を備えたレーザー自己注入ロッキングが可能になります。