DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202503251
تاريخ النشر: 2026-05-17
المؤلف: Yingnuo Qiu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نقدم منصة ميكرورينغ من ليثيوم نيبات على العازل (LNOI) بتصميم Z-cut، والتي تولد بنجاح ميكروليزرات متعددة الألوان قابلة للتعديل وميكروكومب سوليتون مدعوم برامان، مما يعالج التحديات في تطوير مصادر ضوء متماسكة عريضة النطاق عالية الأداء للتطبيقات المتقدمة. من خلال الاستفادة من النشاط القوي لرامان واللاخطية من الدرجة الثانية العالية لـ LNOI، قمنا بتصميم ميكرورينغ محسن للتشتت مع عامل Q محمل قدره \(3.86 \times 10^6\)، مما يسهل توليد مصادر ضوء فعالة على الشريحة. ومن الجدير بالذكر أننا حققنا تكوين مطابقة طور جديدة تسمح بعمليات غير خطية رامان-تربيعية متطابقة الطور، مما يمدد إشارات الليزر إلى الطيف المرئي.
تحت ضخ ليزر مستمر عند 3.73 مللي واط في نطاق الاتصالات، سجلنا ميكروكومب سوليتون مدعوم برامان مركزي عند 1624.49 نانومتر، محققين عتبة ضخ منخفضة قياسية. بالإضافة إلى ذلك، تم ملاحظة مخرجات ليزر رامان متعددة الألوان عند حوالي 1700 نانومتر، 813 نانومتر، و535 نانومتر ضمن نفس الميكرورينغ، مع تعديل فعال لطول الموجة لهذه المخرجات من خلال تغيير قدره 5 نانومتر في طول موجة الضخ. يمثل هذا العمل تقدمًا كبيرًا في البصريات المتكاملة، مما يمكّن من توليد إشارات ضوئية متعددة الاستخدامات من خلال الإثارة المتزامنة لفرعين بارزين نشطين برامان واللاخطية القوية الموروثة \(\chi^{(2)}\) لليثيوم نيبات، التي تسهلها تكوين مطابقة الطور المبتكر.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التقدم في تكنولوجيا ليثيوم نيبات على العازل (LNOI)، والتي مكنت من تطوير أجهزة ضوئية مدمجة لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك معالجة المعلومات عالية النطاق والتكنولوجيا الكمومية. يركز البحث على توليد ميكروليزرات قابلة للتعديل وميكروكومب سوليتون، مما يعزز الوظائف على الشريحة من خلال اللاخطية كير في رنينات LNOI وخصائص بصرية غير خطية مثل تشتت رامان المحفز (SRS) واللاخطية من الدرجة الثانية ($\chi^{(2)}$).
تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا باستخدام ميكرورينغ LNOI مصمم للتشتت لتوليد ميكروكومب سوليتون مدعوم برامان وميكروليزرات رامان متعددة الألوان في وقت واحد. تم تنفيذ تكوين مطابقة الطور الفريد، الذي يستخدم جميع الموجات بنفس الاستقطاب العادي (o)، بنجاح للمرة الأولى، مما يسهل تحويل التردد غير الخطي رامان-تربيعي. تسجل الدراسة ملاحظة ميكروكومب سوليتون مدعوم برامان مركزي عند 1624.486 نانومتر ومخرجات متعددة الأطوال الموجية عند حوالي 1700 نانومتر، 813 نانومتر، و535 نانومتر، مما يوسع بشكل كبير عرض النطاق الطيفي المتماسك. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت إشارات رامان متعددة الألوان عرض نطاق تعديل يبلغ عدة نانومترات من خلال ضبط طول موجة الضخ ضمن نطاق 5 نانومترات.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون إعداد التجربة المستخدم لتحفيز وتوصيف أوضاع التجويف في رنان ميكرورينغ من ليثيوم نيبات (TFLN) رقيق، بهدف تشكيل مصادر ضوء متماسكة عريضة النطاق غير خطية رامان على الشريحة. استخدم ليزر قابل للتعديل ذو عرض نطاق ضيق (عرض نطاق قصير < 200 كيلوهرتز) كمصدر للضخ، مع التحكم في طاقة الخرج بواسطة مخفف بصري متغير. تم توصيل ضوء الضخ إلى جهاز الميكرورينغ باستخدام ألياف مزودة بعدسة، حيث تم ضبط موضعها بدقة عبر مرحلة بيزوكهربائية ثلاثية الأبعاد. تم استخدام نظام ميكروسكوب بصري لمراقبة الاقتران بين الألياف والدليل الموجي، باستخدام عدسة موضوع وكاميرا CCD للأشعة تحت الحمراء/المرئية للتصوير في الوقت الحقيقي. لتوصيف هيكل الوضع، تم الحفاظ على طاقة ليزر الضخ منخفضة (5 ميكروواط) لمنع التأثيرات غير الخطية، وتم تحليل إشارة الخرج باستخدام كاشف ضوئي متصل بمذبذب. شمل تحليل الطيف غير الخطي زيادة طاقة الضخ فوق العتبة لتحفيز اللاخطية رامان، مع تحليل الإشارات الناتجة باستخدام محلل طيفي بصري ومطياف، يغطي نطاق طول موجي من 330 نانومتر إلى 2300 نانومتر. لاحظ المؤلفون أن الأوضاع الكهربائية المستعرضة الأساسية (TE0) أظهرت نطاق طيفي حر (FSR) يبلغ حوالي 0.81 نانومتر، مع تحديد وضع TE0 عند حوالي 1559.14 نانومتر. كما أخذت المنهجية في الاعتبار كفاءة الاقتران من الألياف إلى الشريحة عند حساب عتبة تشتت رامان المحفز (SRS) وكفاءة التحويل للإشارات الناتجة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصنيع وأداء رنان ميكرورينغ من ليثيوم نيبات (TFLN) رقيق مصمم لتطبيقات اللاخطية رامان. تم إنشاء الميكرورينغ باستخدام شريحة تجارية من ليثيوم نيبات على العازل (LNOI)، مع استخدام تقنية حفر كيميائي ميكانيكي مساعد بالليزر فمتوثانية (PLACE). أظهر الميكرورينغ الناتج، الذي يبلغ نصف قطره 200 ميكرومتر وسمكه 640 نانومتر، خصائص هيكلية عالية الجودة ودعم أوضاع غاليري همس عالية Q، مع قياس عامل Q يصل إلى $3.86 \times 10^6$. أظهر الجهاز تداخل فعال مدعوم برامان، مما مكن من توليد مخرجات ليزر متعددة الألوان، بما في ذلك إشارات ستوك عند أطوال موجية 1624 نانومتر و1700 نانومتر، مع كفاءات تحويل تبلغ 27.75% و42.48%، على التوالي.
يحلل المؤلفون أيضًا شروط مطابقة الطور اللازمة لعمليات اللاخطية رامان-تربيعية داخل الميكرورينغ. يبرزون كيف يسمح هندسة التشتت بمطابقة الطور الفعالة، وهو أمر حاسم لتوليد إشارة رامان بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR-R) عند 813.16 نانومتر من خلال عملية غير خطية من الدرجة الثانية جديدة. تم أيضًا التحقيق في قابلية تعديل ليزر رامان، مما يكشف عن انزياح أحمر خطي في أطوال الموجة الناتجة مع تعديل طول موجة الضخ. بشكل عام، تظهر هذه الدراسة توليدًا متزامنًا لميكروكومب سوليتون مدعوم برامان وميكروليزرات رامان متعددة الألوان في ميكرورينغ LNOI مصمم للتشتت، مما يبرز الإمكانيات لمصادر ضوء متماسكة متقدمة في التطبيقات الضوئية.
DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202503251
Publication Date: 2026-05-17
Author(s): Yingnuo Qiu et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
In this study, we present a monolithic Z-cut lithium niobate on insulator (LNOI) microring platform that successfully generates tunable multi-chromatic microlasers and Raman-assisted soliton microcombs, addressing the challenges in developing high-performance integrated broadband coherent light sources for advanced applications. By leveraging the strong Raman activity and high second-order nonlinearity of LNOI, we engineered a dispersion-optimized microring with a loaded Q factor of \(3.86 \times 10^6\), which facilitates efficient on-chip light source generation. Notably, we achieved a novel phase-matching configuration that allows for modal-phase matched Raman-quadratic nonlinear processes, extending lasing signals into the visible spectrum.
Under continuous-wave laser pumping at 3.73 mW in the telecom band, we recorded a Raman-assisted soliton comb centered at 1624.49 nm, achieving a record-low pump threshold. Additionally, multi-chromatic Raman lasing outputs were observed at approximately 1700 nm, 813 nm, and 535 nm within the same microring, with efficient wavelength tuning of these outputs through a 5 nm shift in pump wavelength. This work marks a significant advancement in integrated photonics, enabling versatile optical signal generation through the concurrent excitation of two prominent Raman-active phonon branches and the inherent strong \(\chi^{(2)}\) nonlinearity of lithium niobate, facilitated by the innovative modal phase matching configuration.
Introduction
The introduction highlights the advancements in lithium niobate on insulator (LNOI) technology, which has enabled the development of compact photonic devices for diverse applications, including high-bandwidth information processing and quantum technology. The focus is on the generation of tunable microlasers and soliton microcombs, which enhance on-chip functionalities through Kerr nonlinearity in LNOI microresonators and nonlinear optical properties such as stimulated Raman scattering (SRS) and second-order nonlinearity ($\chi^{(2)}$).
This research presents a novel approach using a dispersion-engineered LNOI microring to simultaneously generate Raman-assisted soliton microcombs and multi-chromatic Raman lasers. A unique phase matching configuration, utilizing all waves of the same ordinary (o) polarization, was successfully implemented for the first time, facilitating the Raman-quadratic nonlinear frequency conversion. The study reports the observation of a Raman-assisted soliton comb centered at 1624.486 nm and multi-wavelength outputs at approximately 1700 nm, 813 nm, and 535 nm, significantly broadening the coherent spectral bandwidth. Additionally, the multi-chromatic Raman signals demonstrated a tuning bandwidth of several nanometers by adjusting the pump wavelength within a 5 nm range.
Methods
In this section, the authors describe the experimental setup used for exciting and characterizing cavity modes in a thin-film lithium niobate (TFLN) microring resonator, aimed at forming on-chip broadband Raman-nonlinearity coherent light sources. A narrow-linewidth tunable laser (short-term linewidth < 200 kHz) served as the pump source, with its output power controlled by a variable optical attenuator. The pump light was edge-coupled into the microring device using a lensed fiber, whose positioning was finely adjusted via a 3D piezoelectric stage. An optical microscope system was employed to monitor the coupling between the fiber and waveguide, utilizing an objective lens and an infrared/visible CCD camera for real-time imaging. For mode structure characterization, the pump laser power was kept low (5 µW) to prevent nonlinear effects, with the output signal analyzed using a photodetector connected to an oscilloscope. Nonlinear spectrum analysis involved increasing the pump power above the threshold to excite Raman nonlinearity, with the resulting signals analyzed using an optical spectrum analyzer and a spectrometer, covering a wavelength range from 330 nm to 2300 nm. The authors noted that the fundamental transverse electric (TE0) whispering gallery modes (WGMs) exhibited a free spectral range (FSR) of approximately 0.81 nm, with the TE0 mode identified at around 1559.14 nm. The methodology also accounted for fiber-to-chip coupling efficiency in calculating the stimulated Raman scattering (SRS) threshold and conversion efficiency of the generated signals.
Discussion
In this section, the authors discuss the fabrication and performance of a monolithic thin-film lithium niobate (TFLN) microring resonator designed for Raman nonlinearity applications. The microring was created using a commercial lithium niobate on insulator (LNOI) wafer, employing a femtosecond laser lithography-assisted chemo-mechanical etching (PLACE) technique. The resulting microring, with a radius of 200 μm and a thickness of 640 nm, exhibited high-quality structural characteristics and supported high-Q whispering gallery modes (WGMs), with a measured Q factor of up to $3.86 \times 10^6$. The device demonstrated effective Raman-assisted four-wave mixing, enabling the generation of multi-chromatic laser outputs, including Stokes signals at wavelengths of 1624 nm and 1700 nm, with conversion efficiencies of 27.75% and 42.48%, respectively.
The authors further analyze the phase matching conditions necessary for the Raman-quadratic nonlinear processes within the microring. They highlight how dispersion engineering allows for effective phase matching, which is crucial for generating the near-infrared Raman (NIR-R) signal at 813.16 nm through a novel second-order nonlinear process. The tunability of the Raman laser was also investigated, revealing a linear red-shift in the output wavelengths as the pump wavelength was adjusted. Overall, this research demonstrates the concurrent generation of Raman-assisted soliton microcombs and multi-color Raman lasers in a dispersion-engineered LNOI microring, showcasing the potential for advanced coherent light sources in photonic applications.