DOI: https://doi.org/10.1063/5.0231827
تاريخ النشر: 2025-02-01
المؤلف: Cornelis A. A. Franken وآخرون
الموضوع الرئيسي: البصريات الضوئية الانكسارية وغير الخطية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدمات الأخيرة في مجال تقنيات الليثيوم نوبات الرقيقة (LN)، مع التركيز بشكل خاص على تطبيقاتها في مضاعفة التردد وتوليد أزواج الفوتونات. يبرز البحث دراستين هامتين: واحدة تحقق في أصول عيوب الطيف في المطابقات شبه الطورية في مضاعفات تردد LN الرقيقة، والتي نُشرت في APL Photonics في ديسمبر 2023، وأخرى تستكشف توليد أزواج الفوتونات من خلال محولات وضع LN المصممة عكسيًا، والتي من المقرر نشرها في مايو 2024.
بالإضافة إلى ذلك، تذكر النظرة العامة تطوير مصفوفة من الشبكات الموجية القابلة للتعديل كهربائيًا، المصنوعة على الليثيوم نوبات الرقيقة، مما يدل على تقدم في تعزيز الوظائف والمرونة لأجهزة LN. تساهم هذه النتائج بشكل جماعي في فهم وتحسين LN الرقيقة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الضوئية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث إمكانيات الفوتونيات المتكاملة، وخاصة من خلال استخدام الليثيوم نوبات الرقيقة (TFLN)، كحل فعال من حيث التكلفة وكفاءة الطاقة لمجموعة متنوعة من التطبيقات في الاتصالات والحوسبة والاستشعار. يتم تسليط الضوء على TFLN لخصائصه المادية المتفوقة، بما في ذلك معامل الكهروضوئية العالي، واللاخطية من الدرجة الثانية الكبيرة، ونطاق الشفافية الواسع، مما يمكّن بشكل جماعي تطوير مكونات ضوئية متقدمة مثل المعدلات الكهروضوئية ومحولات التردد غير الخطية. ومع ذلك، لا يزال هناك تحدٍ حاسم في دمج ليزر قابل للتعديل، ذو عرض خط ضيق، وعالي الطاقة مباشرة على الشريحة، وهو أمر ضروري لتعزيز الأداء والملاءمة لأنظمة الفوتونيات المتكاملة.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى طرق دمج قابلة للتوسع، خاصة في سياق تطوير الليزر، حيث واجهت الأساليب التقليدية قيودًا في الأداء وتعقيد التصنيع. تقدم تقنية الربط الضوئي (PWB) كتقنية واعدة تسهل الاتصالات الضوئية ذات الخسائر المنخفضة بين الشرائح الضوئية، مما قد يتغلب على مشاكل المحاذاة ويمكّن من دمج مكونات متنوعة. يقدم المؤلفون عملهم على ليزر ذو تجويف ممتد مرتبط بالأسلاك الضوئية، يجمع بين مضخمات الفوسفيد الإنديوم (InP) ودائرة تغذية راجعة من الليثيوم نوبات، مما يظهر القدرة على تحسين الأداء وقابلية التوسع من خلال إضافة عدة قنوات مضخمة. يتم وضع هذا النهج في الدمج كخطوة تقدم كبيرة نحو تحقيق أنظمة فوتونية فعالة وعالية الأداء تعتمد على TFLN.
طرق
في هذا القسم، يتم تقديم النتائج التجريبية لنظام الليزر، مع تسليط الضوء على مؤشرات الأداء الرئيسية مثل القدرة الناتجة، وقابلية ضبط الطول الموجي، واستقرار التردد. يظهر الليزر تيار عتبة قدره 100 مللي أمبير، مع زيادة خطية في القدرة الناتجة، حيث يحقق أقصى قدرة على الشريحة قدرها 76.2 مللي واط عند 800 مللي أمبير مع الحفاظ على نسبة كبت الوضع الجانبي (SMSR) تبلغ 51 ديسيبل. يمكن ضبط طول موجة الليزر على مدى 43.7 نانومتر حول 1530 نانومتر، مع تشغيل أحادي الوضع ثابت ونسبة SMSR تتجاوز 52.7 ديسيبل عبر نطاق الضبط. يُقدّر عرض الخط الداخلي بحوالي 100 هرتز، على الرغم من أن القياسات تشير إلى عرض خط ضيق للغاية يبلغ 550 هرتز باستخدام إعداد ذاتي هيتيروداين مؤجل.
علاوة على ذلك، يظهر الليزر استقرارًا استثنائيًا في التردد على المدى الطويل بشكل سلبي، حيث يحافظ على تشغيل خالي من القفزات لمدة 58 ساعة مع انحراف ترددي قدره 4.4 ميغاهرتز/ساعة. خلال هذه الفترة، تبقى القدرة الناتجة مستقرة مع تباين طفيف، وتظل نسبة SMSR عند 55.5 ± 0.4 ديسيبل. تشير النتائج إلى أن استقرار الليزر غير متأثر بشكل أساسي بالاضطرابات الميكانيكية أو الشيخوخة، مع احتمال حدوث قفزات في الوضع تعزى إلى تغييرات في درجة الحرارة المحيطة. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج ملاءمة الليزر للتطبيقات التي تتطلب تشغيلًا منخفض الضوضاء ومستقرًا، مثل الفوتونيات الميكروويفية.
نقاش
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون ليزرًا عالي الطاقة، مستقرًا بشكل سلبي، وعرض خط ضيق للغاية مع تجويف ممتد مدمج مع الربط الضوئي (PWB). يحقق الليزر قدرة ناتجة على الشريحة تتجاوز ليزرات الصمام الثنائي ذات التجويف الممتد من الليثيوم نوبات الرقيقة (TFLN) الحالية بمقدار 1-2 مرتبة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في الأداء مقارنةً بالليزرات ذات التجويف الممتد ذات الكسب الواحد عبر منصات فوتونية متنوعة. يتميز التصميم بتكوين مضخمين مزدوجين يعزز من زيادة القدرة ويشمل فلتر فيرنيير مع رنانات ميكروية قابلة للتعديل، مما يسمح بضبط دقيق لطول الموجة وتعديلات فعالة لطول التجويف.
تشير النتائج إلى أن الليزر يظهر أدنى عرض خط داخلي لأي ليزر على الشريحة يستخدم TFLN، ويعزى ذلك إلى تجويفه الممتد ذو الخسائر المنخفضة والذي يبلغ طوله حوالي 24 سم. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى انخفاض في الاستقرار عند التيارات العالية، من المحتمل أن يكون بسبب خسائر الاقتران بين قنوات الفوسفيد الإنديوم (InP) وTFLN. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد انتشار الرطوبة في الطلاء الأكسيدي كعامل يساهم في تدهور الأداء مع مرور الوقت. يقترح المؤلفون أنه يمكن تحقيق تحسينات مستقبلية من خلال تحسين نقل PWB، وتقليل خسائر الانتشار، ودمج أكاسيد ذات كثافة أعلى متوافقة مع عملية تصنيع TFLN. بشكل عام، تؤكد هذه العمل على PWB كحل دمج قابل للتوسع وتفتح آفاقًا لمزيد من التطبيقات في العمليات غير الخطية والفوتونيات الميكروويفية.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0231827
Publication Date: 2025-02-01
Author(s): Cornelis A. A. Franken et al.
Primary Topic: Photorefractive and Nonlinear Optics
Overview
The section provides an overview of recent advancements in the field of thin-film lithium niobate (LN) technologies, particularly focusing on their applications in frequency doubling and photon-pair generation. The paper highlights two significant studies: one that investigates the origins of quasi-phase matching spectral imperfections in thin-film LN frequency doublers, published in APL Photonics in December 2023, and another that explores photon-pair generation through inverse-designed thin-film LN mode converters, set to be published in May 2024.
Additionally, the overview mentions the development of an electro-optically tunable arrayed waveguide grating fabricated on thin-film lithium niobate, which signifies progress in enhancing the functionality and versatility of LN devices. These findings collectively contribute to the understanding and optimization of thin-film LN for various photonic applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the potential of integrated photonics, particularly through the use of thin-film lithium niobate (TFLN), as a cost-effective and energy-efficient solution for various applications in communications, computation, and sensing. TFLN is highlighted for its superior material properties, including a high electro-optic coefficient, significant second-order nonlinearity, and a wide transparency window, which collectively enable the development of advanced photonic components such as electro-optic modulators and nonlinear frequency converters. However, a critical challenge remains in the integration of a tunable, narrow-linewidth, high-power laser directly on-chip, which is essential for enhancing the performance and compactness of integrated photonic systems.
The paper emphasizes the need for scalable integration methods, particularly in the context of laser development, where traditional approaches have faced limitations in performance and fabrication complexity. It introduces photonic wire bonding (PWB) as a promising technology that facilitates low-loss optical connections between photonic chips, potentially overcoming alignment issues and enabling the integration of various components. The authors present their work on a photonic wire bonded, extended cavity laser that combines indium phosphide (InP) amplifiers with a lithium niobate feedback circuit, demonstrating the capability for performance enhancement and scalability through the addition of multiple amplifier waveguides. This integration approach is positioned as a significant advancement in the realization of efficient, high-performance TFLN-based photonic systems.
Methods
In this section, the experimental results of a laser system are presented, highlighting key performance metrics such as output power, wavelength tunability, and frequency stability. The laser exhibits a threshold current of 100 mA, with a linear increase in output power, achieving a maximum on-chip power of 76.2 mW at 800 mA while maintaining a side mode suppression ratio (SMSR) of 51 dB. The laser’s wavelength can be tuned over a range of 43.7 nm around 1530 nm, with consistent single-mode operation and an SMSR exceeding 52.7 dB across the tuning range. The intrinsic linewidth is estimated to be around 100 Hz, although measurements indicate an ultra-narrow linewidth of 550 Hz using a delayed self-heterodyne setup.
Furthermore, the laser demonstrates exceptional passive long-term frequency stability, maintaining mode-hop-free operation for 58 hours with a frequency drift of 4.4 MHz/h. During this period, the output power remains stable with minimal variation, and the SMSR is sustained at 55.5 ± 0.4 dB. The results suggest that the laser’s stability is primarily unaffected by mechanical perturbations or aging, with potential mode hopping attributed to ambient temperature changes. Overall, these findings underscore the laser’s suitability for applications requiring low-noise and stable operation, such as in microwave photonics.
Discussion
In this study, the authors present a high-power, passively stable, and ultra-narrow linewidth extended cavity laser integrated with photonic wire bonding (PWB). The laser achieves an on-chip output power that surpasses existing thin-film lithium niobate (TFLN) extended cavity diode lasers by 1-2 orders of magnitude, marking a significant advancement in performance compared to single-gain extended cavity lasers across various photonic platforms. The design features a dual amplifier configuration that enhances power scaling and incorporates a Vernier filter with tunable micro-ring resonators, allowing for precise wavelength tuning and effective cavity length adjustments.
The findings indicate that the laser exhibits the lowest intrinsic linewidth for any on-chip laser utilizing TFLN, attributed to its low-loss extended cavity of approximately 24 cm. However, the authors note a decrease in stability at higher currents, likely due to coupling losses between the indium phosphide (InP) and TFLN waveguides. Additionally, moisture diffusion into the oxide cladding was identified as a factor contributing to performance degradation over time. The authors suggest that future improvements could be made by optimizing PWB transmission, reducing propagation loss, and integrating higher-density oxides compatible with the TFLN fabrication process. Overall, this work validates PWB as a scalable integration solution and opens avenues for further applications in nonlinear processes and microwave photonics.