Første integrerede laser på lithiumniobat-chip

For alle de seneste fremskridt inden for integrerede lithiumniobat fotoniske kredsløb - fra frekvenskamme til frekvensomformere og modulatorer - er en stor komponent forblevet frustrerende vanskelig at integrere:lasere.

Langdistance telekommunikationsnetværk, optiske sammenkoblinger til datacentre og mikrobølgefotoniske systemer er alle afhængige af lasere til at generere en optisk bærer, der bruges til datatransmission. I de fleste tilfælde er lasere stand-alone enheder, eksternt i forhold til modulatorerne, hvilket gør hele systemet dyrere og mindre stabilt og skalerbart.

Nu har forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) i samarbejde med industripartnere hos Freedom Photonics og HyperLight Corporation udviklet den første fuldt integrerede højeffektlaser på en lithiumniobatchip, hvilket baner vejen til højtydende telekommunikationssystemer, fuldt integrerede spektrometre, optisk fjernmåling og effektiv frekvenskonvertering til kvantenetværk, blandt andre applikationer.

"Integreret lithiumniobatfotonik er en lovende platform for udvikling af højtydende optiske systemer i chipskala, men at få en laser på en lithiumniobatchip har vist sig at være en af ​​de største designudfordringer," siger Marko Loncar, Tiantsai Lin. Professor i elektroteknik og anvendt fysik ved SEAS og seniorforfatter til undersøgelsen. "I denne forskning brugte vi alle de nanofremstillingstricks og -teknikker, vi har lært fra tidligere udviklinger inden for integreret lithiumniobatfotonik for at overvinde disse udfordringer og nå målet om at integrere en kraftig laser på en tyndfilms lithiumniobatplatform."

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Optica .

Loncar og hans team brugte små, men kraftfulde distribuerede feedback-lasere til deres integrerede chip. På chip sidder laserne i små brønde eller skyttegrave, der er ætset ind i lithiumniobatet og leverer op til 60 milliwatt optisk effekt i bølgelederne, der er fremstillet i den samme platform. Forskerne kombinerede laseren med en 50 gigahertz elektro-optisk modulator i lithiumniobat for at bygge en højeffektssender.

"Integration af højtydende plug-and-play-lasere ville reducere omkostningerne, kompleksiteten og strømforbruget af fremtidige kommunikationssystemer betydeligt," siger Amirhassan Shams-Ansari, en kandidatstuderende ved SEAS og førsteforfatter af undersøgelsen. "Det er en byggeklods, der kan integreres i større optiske systemer til en række applikationer inden for sansning, lidar og datatelekommunikation."

Ved at kombinere tyndfilmslithiumniobat-enheder med højeffektlasere ved hjælp af en industrivenlig proces repræsenterer denne forskning et vigtigt skridt hen imod storskala, billige og højtydende transmitter-arrays og optiske netværk. Dernæst sigter teamet efter at øge laserens kraft og skalerbarhed til endnu flere applikationer. + Udforsk yderligere

On-chip frekvensskiftere i gigahertz-området kan bruges i næste generation af kvantecomputere og netværk