Afstembar single-mode lasering på en high-Q resonator

Krystallinsk lithiumniobat (LN) betragtes som "fotonikens silicium" på grund af dets enestående optiske egenskaber, herunder et bredt gennemsigtighedsvindue og høje piezoelektriske, akusto-optiske, anden-ordens ikke-lineære og elektro-optiske koefficienter, som er kritiske for fotoniske integrerede kredsløb (PIC) applikationer. Nylige gennembrud inden for nanofremstillingsteknologi muliggør en række højtydende integrerede fotoniske enheder på tyndfilm LN, såsom ultrahurtige elektrooptiske modulatorer, bredbånds optiske frekvenskamme og højeffektive optiske frekvensomformere.

Som en uundværlig komponent til PIC'er er mikrolasere på chip for nylig blevet realiseret på en sjælden jordart-doteret LN-chip ved forskellige bølgelængdebånd (~1550 nm og 1030 nm). For at muliggøre mange applikationer – lige fra lidar til metrologi – bør LN-mikrolaserne fungere med ultrasnævre linjebredder og høj bølgelængdejustering.

En høj Q-faktor er en nøgleparameter. Ifølge Schawlow-Townes-teorien vil en forøgelse af Q-faktoren føre til kvadratisk reduktion af en mikrolasers linjebredde. De højeste Q-faktorer, der er demonstreret til dato, er dem fra whispering gallery mode (WGM) mikrokaviteter, hvor lysindskrænkning opnås ved den kontinuerlige totale indre refleksion omkring den glatte cirkulære periferi. Imidlertid giver de tætte WGM'er inden for den optiske forstærkningsbåndbredde normalt anledning til multimode-lasing i mikrohulrummet. I princippet kan single-mode lasering opnås ved at reducere størrelsen af ​​WGM-mikrohulrummet på grund af udvidelsen af ​​det frie spektralområde (FSR). Desværre fører en sådan strategi uundgåeligt til øget strålingstab, hvilket er ugunstigt for lasergenerering. Så det er stadig en udfordring at opnå single-mode lasering på en enkelt-mikrodisk resonator.

For at imødekomme denne udfordring har forskere fra Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, East China Normal University, University of Victoria, Zhejiang University og Zhejiang Lab for nylig demonstreret en unik enkeltfrekvens ultrasnæver liniebredde erbium-doteret LN mikrodisklaser. Som rapporteret i Avanceret fotonik , opnåede de dette gennem samtidig excitation af høj-Q polygontilstande ved både pumpe- og laserbølgelængder. De brugte fotolitografi-assisteret kemomekanisk ætsning (PLACE) til at fremstille LN-mikrohulrummene integreret med mikroelektroder på en kontrollerbar og omkostningseffektiv måde. Mikrokaviteterne giver en ultraglat overflade, som muliggør ultrahøje Q-faktorer for hulrums-WGM'erne.

Polygontilstandene blev kohærent kombineret af flere WGM'er udløst af en svag forstyrrelse fra en tilspidset fiber. Polygontilstandene er sparsomme inden for den optiske forstærkningsbåndbredde sammenlignet med WGM-modstykket, mens deres Q-faktorer forbliver ultrahøje (f.eks. ~10 millioner), hvilket resulterer i enkeltfrekvenslasering med en linjebredde så smal som 322 Hz. Plus, systemet tilbyder elektro-optisk tuning i realtid af mikrolaserens bølgelængde, takket være den stærke lineære elektro-optiske koefficient af LN; forskerholdet demonstrerede en høj tuning effektivitet på ~50 pm/100V.

Dannelsen af ​​kohærente polygontilstande med ultrahøje Q-faktorer sikrer realiseringen af ​​single-mode small-linewidth mikrolasere i enkelte LN mikrodiske, hvilket har betydelige implikationer for miniaturiserede optiske systemer, der skal inkorporere meget kohærente laserkilder. Yderligere udforskning af de stærke piezoelektriske, akusto-optiske og andenordens ikke-lineære egenskaber af LN-substratet lover at fremme ydeevnen og funktionaliteten af ​​single-mode mikrodisklaseren for at omgå behovet for heterogene integrationer. + Udforsk yderligere

Modekontrol til firkantede mikroresonatorlasere, der er egnet til integration