Kristallines Lithiumniobat (LN) gilt aufgrund seiner herausragenden optischen Eigenschaften, darunter ein breites Transparenzfenster und hohe piezoelektrische, akusto-optische, nichtlineare und elektrooptische Koeffizienten zweiter Ordnung, die für die Photonik entscheidend sind, als das „Silizium der Photonik“. Anwendungen für integrierte Schaltkreise (PIC). Jüngste Durchbrüche in der Nanofabrikationstechnologie ermöglichen eine Vielzahl von hochleistungsfähigen integrierten photonischen Geräten auf Dünnschicht-LN, wie z. B. ultraschnelle elektrooptische Modulatoren, breitbandige optische Frequenzkämme und hocheffiziente optische Frequenzkonverter.
Als unverzichtbare Komponente für PICs wurden kürzlich On-Chip-Mikrolaser auf einem Seltenerd-dotierten LN-Chip in verschiedenen Wellenlängenbändern (~1550 nm und 1030 nm) realisiert. Um viele Anwendungen – von Lidar bis Metrologie – zu ermöglichen, sollten die LN-Mikrolaser mit ultraschmalen Linienbreiten und hoher Wellenlängenabstimmbarkeit arbeiten.
Ein hoher Q-Faktor ist ein Schlüsselparameter. Gemäß der Schawlow-Townes-Theorie führt eine Erhöhung des Q-Faktors zu einer quadratischen Verringerung der Linienbreite eines Mikrolasers. Die höchsten bisher nachgewiesenen Q-Faktoren sind die von Mikrokavitäten im Flüstergaleriemodus (WGM), bei denen Lichteinschluss durch die kontinuierliche interne Totalreflexion um den glatten kreisförmigen Umfang herum erreicht wird. Die dichten WGMs innerhalb der optischen Verstärkungsbandbreite führen jedoch normalerweise zu Multimode-Lasern in der Mikrokavität. Im Prinzip kann Single-Mode-Lasern erreicht werden, indem die Größe der WGM-Mikrokavität aufgrund der Verbreiterung des freien Spektralbereichs (FSR) reduziert wird. Leider führt eine solche Strategie zwangsläufig zu erhöhten Strahlungsverlusten, was für die Lasererzeugung ungünstig ist. Es bleibt also eine Herausforderung, Single-Mode-Laserbetrieb auf einem Resonator mit einer einzigen Mikroplatte zu erreichen.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, demonstrierten Forscher des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, der East China Normal University, der University of Victoria, der Zhejiang University und des Zhejiang Lab kürzlich einen einzigartigen Erbium-dotierten LN-Mikroscheibenlaser mit ultraschmaler Linienbreite und Einzelfrequenz. Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikerreichten sie dies durch gleichzeitige Anregung von High-Q-Polygonmoden bei Pump- und Laserwellenlängen. Sie verwendeten photolithographiegestütztes chemomechanisches Ätzen (PLACE), um die LN-Mikrokavitäten mit integrierten Mikroelektroden auf kontrollierbare und kostengünstige Weise herzustellen. Die Mikrohohlräume bieten eine ultraglatte Oberfläche, die ultrahohe Q-Faktoren für die Hohlraum-WGMs ermöglicht.
Die Polygonmoden wurden durch mehrere WGMs kohärent kombiniert, die durch eine schwache Störung von einer sich verjüngenden Faser ausgelöst wurden. Die Polygonmoden sind innerhalb der optischen Verstärkungsbandbreite im Vergleich zum WGM-Gegenstück spärlich, während ihre Q-Faktoren ultrahoch bleiben (z. B. ~10 Millionen), was zu Einzelfrequenz-Lasern mit einer so schmalen Linienbreite wie 322 Hz führt. Außerdem bietet das System dank des starken linearen elektrooptischen Koeffizienten von LN eine elektrooptische Abstimmung der Mikrolaserwellenlänge in Echtzeit; Das Forschungsteam demonstrierte eine hohe Abstimmeffizienz von ∼50 pm/100 V.
Die Bildung kohärenter Polygonmoden mit ultrahohen Q-Faktoren gewährleistet die Realisierung von Einzelmoden-Mikrolasern mit schmaler Linienbreite in einzelnen LN-Mikroplatten, was erhebliche Auswirkungen auf miniaturisierte optische Systeme hat, die hochkohärente Laserquellen enthalten müssen. Die weitere Erforschung der starken piezoelektrischen, akusto-optischen und nichtlinearen Eigenschaften zweiter Ordnung des LN-Substrats verspricht, die Leistung und Funktionalität des Single-Mode-Mikroscheibenlasers zu verbessern, um die Notwendigkeit heterogener Integrationen zu umgehen.
Jintian Lin et al., Elektrooptische Abstimmung eines Einzelfrequenz-Mikroscheibenlasers mit ultraschmaler Linienbreite, Fortgeschrittene Photonik (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.3.036001
Bereitgestellt von SPIE – International Society for Optics and Photonics