Le niobate de lithium cristallin (LN) est considéré comme le « silicium de la photonique » en raison de ses propriétés optiques exceptionnelles, notamment une large fenêtre de transparence et des coefficients piézoélectriques, acousto-optiques, non linéaires de second ordre et électro-optiques élevés, qui sont essentiels pour la photonique. applications de circuits intégrés (PIC). Les percées récentes dans la technologie de nanofabrication facilitent une variété de dispositifs photoniques intégrés haute performance sur LN à couche mince, tels que des modulateurs électro-optiques ultrarapides, des peignes de fréquence optique à large bande et des convertisseurs de fréquence optique à haut rendement.
En tant que composant indispensable pour les PIC, des microlasers sur puce ont récemment été réalisés sur une puce LN dopée aux terres rares à différentes bandes de longueur d’onde (~ 1550 nm et 1030 nm). Pour permettre de nombreuses applications, allant du lidar à la métrologie, les microlasers LN doivent fonctionner avec des largeurs de raie ultra-étroites et une accordabilité de longueur d’onde élevée.
Un facteur Q élevé est un paramètre clé. Selon la théorie de Schawlow-Townes, l’augmentation du facteur Q conduira à une réduction quadratique de la largeur de raie d’un microlaser. Les facteurs Q les plus élevés démontrés à ce jour sont ceux des microcavités en mode galerie chuchotant (WGM) où le confinement de la lumière est obtenu par la réflexion interne totale continue autour de la périphérie circulaire lisse. Cependant, les WGM denses dans la bande passante du gain optique donnent généralement lieu à un effet laser multimode dans la microcavité. En principe, le laser monomode peut être obtenu en réduisant la taille de la microcavité WGM, en raison de l’élargissement de la plage spectrale libre (FSR). Malheureusement, une telle stratégie conduit inévitablement à une perte de rayonnement accrue, ce qui est défavorable à la génération laser. Il reste donc un défi d’obtenir un laser monomode sur un résonateur à microdisque unique.
Pour relever ce défi, des chercheurs de l’Institut d’optique et de mécanique fine de Shanghai, de l’Université normale de Chine orientale, de l’Université de Victoria, de l’Université du Zhejiang et du laboratoire du Zhejiang ont récemment fait la démonstration d’un laser unique à microdisque LN à largeur de raie ultra-étroite et dopé à l’erbium. Comme rapporté dans Photonique avancée, ils y sont parvenus grâce à l’excitation simultanée de modes polygonaux à Q élevé aux longueurs d’onde de la pompe et du laser. Ils ont utilisé la gravure chimiomécanique assistée par photolithographie (PLACE) pour fabriquer les microcavités LN intégrées aux microélectrodes de manière contrôlable et rentable. Les microcavités fournissent une surface ultra-lisse, ce qui permet des facteurs Q ultra-élevés pour les WGM de cavité.
Les modes polygonaux ont été combinés de manière cohérente par plusieurs WGM déclenchés par une faible perturbation provenant d’une fibre effilée. Les modes polygonaux sont rares dans la bande passante du gain optique par rapport à l’homologue WGM, tandis que leurs facteurs Q restent ultra-élevés (par exemple, ~ 10 millions), ce qui entraîne un laser à fréquence unique avec une largeur de raie aussi étroite que 322 Hz. De plus, le système offre un réglage électro-optique en temps réel de la longueur d’onde du microlaser, grâce au fort coefficient électro-optique linéaire de LN ; l’équipe de recherche a démontré une efficacité de réglage élevée de ∼50 pm/100V.
La formation de modes polygonaux cohérents avec des facteurs Q ultra-élevés assure la réalisation de microlasers monomodes à largeur de raie étroite dans des microdisques LN uniques, ce qui a des implications importantes pour les systèmes optiques miniaturisés qui doivent incorporer des sources laser hautement cohérentes. Une exploration plus poussée des propriétés piézoélectriques, acousto-optiques et non linéaires de second ordre du substrat LN promet de faire progresser les performances et les fonctionnalités du laser à microdisque monomode, afin de contourner le besoin d’intégrations hétérogènes.
Jintian Lin et al, Réglage électro-optique d’un laser à microdisque à largeur de raie ultra-étroite à fréquence unique, Photonique avancée (2022). DOI : 10.1117/1.AP.4.3.036001
Fourni par SPIE – Société internationale d’optique et de photonique