리튬 니오베이트 통합 포토닉스를 사용한 초고속 가변 레이저

Nature 615권, 411~417페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

절연체에 대한 니오브산 리튬(LiNbO3)의 초기 연구와 최근의 발전으로 저손실 광자 집적 회로2,3, 개선된 반파장 전압4,5를 갖춘 변조기, 전기 광학 주파수 빗6 및 온칩 전기 광학 장치가 가능해졌습니다. , 마이크로파 포토닉스에서 마이크로파-광학 양자 인터페이스에 이르는 다양한 응용 분야를 갖추고 있습니다7. 최근 발전을 통해 LiNbO3(참조 8,9)를 기반으로 한 조정 가능한 통합 레이저가 입증되었지만, 주파수에 민첩하고 선폭이 좁은 통합 레이저를 입증하는 이 플랫폼의 전체 잠재력은 달성되지 않았습니다. 여기에서는 하이브리드 질화 규소(Si3N4)-LiNbO3 광자 플랫폼을 기반으로 빠른 튜닝 속도를 갖춘 레이저를 보고하고 일관성 있는 레이저 거리 측정에 대한 사용을 보여줍니다. 우리의 플랫폼은 이전에 시연된 칩렛 수준 통합10과 달리 웨이퍼 수준에서 직접 결합을 통해 박막 LiNbO3와 초저손실 Si3N4 광자 집적 회로의 이종 통합을 기반으로 하며 미터당 8.5데시벨의 낮은 전파 손실을 특징으로 합니다. -레이저 다이오드에 고정되는 자체 주입에 의한 선폭 레이징(3킬로헤르츠의 고유 선폭). 공진기의 하이브리드 모드를 사용하면 좁은 선폭을 유지하면서 높은 선형성과 낮은 히스테리시스로 초당 12×1015Hz의 속도로 전기광학 레이저 ​​주파수 튜닝이 가능합니다. 하이브리드 통합 레이저를 사용하여 FMCW LiDAR(개념 증명 일관성 광학 범위 측정) 실험을 수행합니다. Si3N4 광자 집적 회로에 LiNbO3를 부여하면 박막 LiNbO3의 개별 장점과 Si3N4의 개별 장점을 결합한 플랫폼이 생성되어 정밀한 리소그래피 제어, 성숙한 제조 및 초저 손실을 보여줍니다.

니오브산리튬(LiNbO3)은 전기광학 장치에 매력적인 재료이며 수십 년 동안 널리 사용되어 왔습니다. 자외선부터 중적외선 파장까지 넓은 투명창을 나타내며 32pm V−1의 큰 포켈 계수를 갖고 있어 효율적인 저전압 및 고속 변조가 가능합니다. 질화알루미늄과 같은 포켈스 효과를 나타내는 재료를 기반으로 한 통합 포토닉스는 이전에 시연되었지만 LiNbO3에 대해서는 최근에야 시연되었습니다(참조 14). 웨이퍼 본딩 및 스마트 컷을 통해 절연체에 LiNbO3를 상업적으로 사용할 수 있게 된 이후, 저손실 LiNbO3 도파관 에칭에도 상당한 진전이 있었고, 이는 본질적인 Q 인자가 10×106인 링 공진기로 정점에 달했습니다(참조 2). ). 이러한 성과의 대부분은 부분적으로 에칭된 능선 도파관 구조를 제조하기 위해 아르곤 이온 빔 에칭을 활용하여 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 전압4, 직교 위상 편이 변조기15 및 전기 광학 주파수 빗6에서 작동하는 변조기를 가능하게 했습니다. 또한, 플랫폼은 마이크로파-광학 필드를 효율적으로 결합하는 공동 전기 광학을 사용하여 인터페이스를 생성하는 경로를 제공했습니다. 직접 에칭 외에도 LiNbO3 칩렛을 질화규소(Si3N4)10 또는 실리콘16 광자 집적 회로(PIC)에 이종 통합하는 방법이 최근 시연되었습니다.

전기광학 변조기 응용 분야 외에도 포켈 계수가 크고 전파 손실이 낮은 LiNbO3 통합 포토닉스 플랫폼은 초고속, 선형 및 모드 홉이 없는 통합 좁은 선폭 및 주파수 가변 레이저 소스를 구현하기 위한 모든 요구 사항을 충족합니다. 동조. 통합 레이저가 최근 큰 발전을 이루었고 섬유 레이저 일관성, 즉 서브헤르츠 로렌츠 선폭에 도달하는 높은 Q Si3N4 통합 마이크로 공진기를 기반으로 하는 하이브리드 자체 주입 고정 레이저로 정점을 이루었지만 이러한 레이저에는 빠른 주파수 작동이 부족합니다. 유사한 성능을 가진 통합된 좁은 선폭 레이저가 최근에 평평하고 메가헤르츠 작동 대역폭을 갖는 모놀리식으로 통합된 압전 응력-광 작동을 사용하여 시연되었지만19,20 LiNbO3 통합 광자 회로를 기반으로 하는 레이저는 평평한 주파수로 훨씬 더 빠른 튜닝이 가능한 잠재력을 가지고 있습니다. 실질적으로 낮은 구동 전압에서 응답하고 압전 작동의 경우처럼 광자 칩의 기생 진동 모드의 여기를 나타내지 않습니다. 전기적으로 펌핑되는 하이브리드 LiNbO3/III-V 레이저는 버니어 필터 기반 체계8,9를 사용하여 시연되었지만 아직 이 기능을 달성하지 못했습니다. LiNbO3 광자 집적 회로를 기반으로 하는 레이저는 주파수 변조 연속파(FMCW) 광 감지 및 범위 조정(LiDAR)21, 광학 일관성 단층 촬영, 주파수 계측 또는 추적 가스 분광학22은 주파수 민첩성과 좁은 선폭을 모두 활용합니다. 여기에서는 극도의 주파수 민첩성을 나타내면서 좁은 선폭(킬로헤르츠 수준)을 달성하여 초당 페타헤르츠 튜닝 속도를 허용하는 LiNbO3 기반 통합 레이저를 시연합니다. 이는 웨이퍼 규모 본딩을 통해 초저손실 Si3N4 광자 도파관23과 박막 LiNbO3를 결합한 이종 통합 플랫폼에서 달성됩니다. 당사의 하이브리드 플랫폼은 인듐 인화물(InP) 분산 피드백(DFB) 다이오드 레이저에 맞대기 결합된 Si3N4-LiNbO3 칩을 사용합니다. Si3N4 광자 집적 회로는 광자 Damascene 프로세스23를 사용하여 제조되며 엄격한 광학 감금, 초저 전파 손실(<2dBm−1), 낮은 열 흡수 가열 및 높은 전력 처리 기능을 갖추고 있습니다. 이는 높은 수율로 웨이퍼 규모로 제조할 수 있으며 이미 상업용 주조소에서 사용 가능합니다. Si3N4 플랫폼의 추가적인 장점은 라만 및 브릴루인 비선형성과 방사선 경도로 인한 낮은 이득을 포함합니다. 이 이종 Si3N4-LiNbO3 플랫폼은 중앙 고유 공동 선폭이 44MHz인 높은 Q 마이크로 공진기를 가능하게 하고 결합된 장치의 거의 1에 가까운 수율을 제공하며 LiNbO3 리지 도파관과 비교하여 패싯당 3.9dB의 낮은 삽입 손실을 나타냅니다24. 또한, 이종 Si3N4-LiNbO3 플랫폼은 일반적으로 LiNbO3 능선 도파관의 경우처럼 복굴절로 인해 굽힘 유발 모드 혼합을 나타내지 않습니다. 두 재료의 고유한 특성을 단일 이종 통합 플랫폼에 결합하면 2배 크기의 레이저 주파수 소음 감소와 초당 페타헤르츠 주파수 조정 속도로 레이저 자체 주입 잠금이 가능합니다.