Bei all den jüngsten Fortschritten bei integrierten photonischen Schaltkreisen aus Lithiumniobat – von Frequenzkämmen bis hin zu Frequenzwandlern und Modulatoren – blieb eine große Komponente frustrierend schwierig zu integrieren: Laser.
Langstrecken-Telekommunikationsnetze, optische Verbindungen von Rechenzentren und photonische Mikrowellensysteme sind alle auf Laser angewiesen, um einen optischen Träger zu erzeugen, der bei der Datenübertragung verwendet wird. In den meisten Fällen sind Laser eigenständige Geräte außerhalb der Modulatoren, was das gesamte System teurer und weniger stabil und skalierbar macht.
Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Zusammenarbeit mit Industriepartnern von Freedom Photonics und HyperLight Corporation den ersten vollständig integrierten Hochleistungslaser auf einem Lithiumniobat-Chip entwickelt und damit den Weg geebnet für Hochleistungs-Telekommunikationssysteme, vollintegrierte Spektrometer, optische Fernerkundung und effiziente Frequenzumwandlung für Quantennetzwerke, neben anderen Anwendungen.
„Integrierte Lithiumniobat-Photonik ist eine vielversprechende Plattform für die Entwicklung von optischen Hochleistungssystemen im Chip-Maßstab, aber einen Laser auf einen Lithiumniobat-Chip zu bringen, hat sich als eine der größten Designherausforderungen erwiesen“, sagte Marko Loncar, der Tiantsai Lin Professor für Elektrotechnik und Angewandte Physik am SEAS und leitender Autor der Studie. „In dieser Forschung haben wir alle Tricks und Techniken der Nanoherstellung angewendet, die wir aus früheren Entwicklungen in der integrierten Lithiumniobat-Photonik gelernt haben, um diese Herausforderungen zu meistern und das Ziel zu erreichen, einen Hochleistungslaser auf einer Dünnschicht-Lithiumniobat-Plattform zu integrieren.“
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Optik.
Loncar und sein Team verwendeten kleine, aber leistungsstarke Laser mit verteilter Rückkopplung für ihren integrierten Chip. Auf dem Chip sitzen die Laser in kleinen Vertiefungen oder Gräben, die in das Lithiumniobat geätzt sind, und liefern bis zu 60 Milliwatt optische Leistung in den Wellenleitern, die auf derselben Plattform hergestellt werden. Die Forscher kombinierten den Laser mit einem elektrooptischen 50-Gigahertz-Modulator aus Lithiumniobat, um einen Hochleistungssender zu bauen.
„Die Integration von Hochleistungs-Plug-and-Play-Lasern würde die Kosten, die Komplexität und den Stromverbrauch zukünftiger Kommunikationssysteme erheblich reduzieren“, sagte Amirhassan Shams-Ansari, Doktorand am SEAS und Erstautor der Studie. „Es ist ein Baustein, der in größere optische Systeme für eine Reihe von Anwendungen in Sensorik, Lidar und Datentelekommunikation integriert werden kann.“
Durch die Kombination von Dünnfilm-Lithiumniobat-Geräten mit Hochleistungslasern unter Verwendung eines industriefreundlichen Prozesses stellt diese Forschung einen wichtigen Schritt in Richtung groß angelegter, kostengünstiger und leistungsstarker Senderarrays und optischer Netzwerke dar. Als nächstes will das Team die Leistung und Skalierbarkeit des Lasers für noch mehr Anwendungen erhöhen.
Amirhassan Shams-Ansari et al, Elektrisch gepumpter Lasersender integriert auf Dünnfilm-Lithiumniobat, Optik (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.448617