Koherent kombinerat polygonläge för ultrasmal linjebredd, enkelfrekvens mikrodisklaser. Kredit:Jintian Lin, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics.
Kristallint litiumniobat (LN) anses vara "fotonikens kisel" på grund av dess enastående optiska egenskaper, inklusive ett brett transparensfönster och höga piezoelektriska, akustooptiska, andra ordningens olinjära och elektrooptiska koefficienter, som är kritiska för fotoniska integrerade kretsar (PIC) tillämpningar. Nyligen genomförda genombrott inom nanotillverkningsteknologi underlättar en mängd olika högpresterande integrerade fotoniska enheter på tunnfilms-LN, såsom ultrasnabba elektrooptiska modulatorer, bredbandsoptiska frekvenskammar och högeffektiva optiska frekvensomvandlare.
Som en oumbärlig komponent för PICs har mikrolasrar på chip nyligen realiserats på ett sällsynt jordartsdopat LN-chip vid olika våglängdsband (~1550 nm och 1030 nm). För att möjliggöra många applikationer – allt från lidar till metrologi – bör LN-mikrolasrarna fungera med ultrasmala linjebredder och hög våglängdsavstämning.
En hög Q-faktor är en nyckelparameter. Enligt Schawlow-Townes-teorin kommer en ökning av Q-faktorn att leda till kvadratisk minskning av en mikrolaserlinjebredd. De högsta Q-faktorerna som visats hittills är de för mikrokaviteter i whispering gallery mode (WGM) där ljusinstängning uppnås genom den kontinuerliga totala inre reflektionen runt den jämna cirkulära periferin. Emellertid ger de täta WGM:erna inom den optiska förstärkningsbandbredden vanligtvis upphov till multimodlasring i mikrokaviteten. I princip kan singelmodslasring uppnås genom att minska storleken på WGM-mikrokaviteten, på grund av breddningen av det fria spektralområdet (FSR). Tyvärr leder en sådan strategi oundvikligen till ökad strålningsförlust, vilket är ogynnsamt för lasergenerering. Så det är fortfarande en utmaning att uppnå singelmodslasring på en en-mikrodiskresonator.
Enfrekvent mikrodisklaser med ultrasmal linjebredd:(a) Spektrum av singelmodslasring, insättning:mikrodisken kopplad med en avsmalnande fiber, där skalstången är 10 μm. (b) Laseruteffekt kontra pumpeffekt som sjunkit till kaviteten visar en pumptröskel på 25 μW. (c) Spektrum för den detekterade slagsignalen för två oberoende mikrolasrar, vilket indikerar en laserlinjebredd på 322 Hz. (d) Intensitetsfördelningarna för de experimentella polygonlägena och de simulerade motsvarigheterna, och överlappningen av pumpläge och laserläge är 0,86. Kredit:Lin et al.
För att möta denna utmaning demonstrerade forskare från Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, East China Normal University, University of Victoria, Zhejiang University och Zhejiang Lab nyligen en unik enkelfrekvens ultrasmal linjebredd erbiumdopad LN mikrodisklaser. Som rapporterats i Avancerad fotonik , uppnådde de detta genom samtidig excitering av hög-Q polygonlägen vid både pump- och laservåglängder. De använde fotolitografi-assisterad kemomekanisk etsning (PLACE) för att tillverka LN-mikrokaviteterna integrerade med mikroelektroder på ett kontrollerbart och kostnadseffektivt sätt. Mikrokaviteterna ger en ultraslät yta, vilket möjliggör ultrahöga Q-faktorer för kavitets-WGM.
Polygonlägena kombinerades koherent av flera WGMs utlösta av en svag störning från en avsmalnande fiber. Polygonlägena är sparsamma inom den optiska förstärkningsbandbredden jämfört med WGM-motsvarigheten, medan deras Q-faktorer förblir ultrahöga (t.ex. ~10 miljoner), vilket resulterar i enkelfrekvenslasring med en linjebredd så smal som 322 Hz. Dessutom erbjuder systemet elektrooptisk inställning i realtid av mikrolaservåglängden, tack vare den starka linjära elektrooptiska koefficienten för LN; forskargruppen visade en hög inställningseffektivitet på ~50 pm/100V.
Bildandet av koherenta polygonlägen med ultrahöga Q-faktorer säkerställer realiseringen av enkelmodiga mikrolasrar med smal linjebredd i enstaka LN-mikrodiskar, vilket har betydande implikationer för miniatyriserade optiska system som måste inkorporera mycket koherenta laserkällor. Ytterligare utforskning av de starka piezoelektriska, akusto-optiska och andra ordningens olinjära egenskaperna hos LN-substratet lovar att förbättra prestandan och funktionaliteten hos singelmodsmikrodisklasern, för att kringgå behovet av heterogena integrationer. + Utforska vidare
