Láseres sintonizables ultrarrápidos que utilizan fotónica integrada de niobato de litio

Nature volumen 615, páginas 411–417 (2023)Citar este artículo

17k Accesos

2 citas

99 Altmetric

Detalles de métricas

Los primeros trabajos1 y los avances recientes en niobato de litio de película delgada (LiNbO3) en aisladores han permitido circuitos integrados fotónicos de baja pérdida2,3, moduladores con voltaje de media onda mejorado4,5, peines de frecuencia electroópticos6 y dispositivos electroópticos en chip , con aplicaciones que van desde la fotónica de microondas hasta las interfaces cuánticas de microondas a ópticas7. Aunque los avances recientes han demostrado láseres integrados sintonizables basados en LiNbO3 (refs. 8, 9), no se ha logrado todo el potencial de esta plataforma para demostrar láseres integrados de ancho de línea estrecho y frecuencia ágil. Aquí informamos sobre un láser de este tipo con una velocidad de sintonización rápida basada en una plataforma fotónica híbrida de nitruro de silicio (Si3N4)-LiNbO3 y demostramos su uso para el rango láser coherente. Nuestra plataforma se basa en la integración heterogénea de circuitos integrados fotónicos de Si3N4 de pérdida ultrabaja con LiNbO3 de película delgada mediante unión directa a nivel de oblea, en contraste con la integración a nivel de chiplet10 demostrada anteriormente, que presenta una pérdida de propagación baja de 8,5 decibeles por metro, lo que permite -lasing de ancho de línea (ancho de línea intrínseco de 3 kilohercios) mediante bloqueo de autoinyección a un diodo láser. El modo híbrido del resonador permite sintonizar la frecuencia del láser electroóptico a una velocidad de 12 × 1015 hercios por segundo con alta linealidad y baja histéresis, manteniendo el ancho de línea estrecho. Usando un láser híbrido integrado, realizamos un experimento de prueba de concepto de rango óptico coherente (FMCW LiDAR). Dotar a los circuitos integrados fotónicos de Si3N4 con LiNbO3 crea una plataforma que combina las ventajas individuales de la película delgada de LiNbO3 con las de Si3N4, que muestran un control litográfico preciso, una fabricación madura y una pérdida ultrabaja11,12.

El niobato de litio (LiNbO3) es un material atractivo para dispositivos electroópticos y se ha utilizado ampliamente durante muchas décadas. Presenta una amplia ventana de transparencia desde el ultravioleta hasta las longitudes de onda del infrarrojo medio y tiene un gran coeficiente de Pockels de 32 pm V−1, lo que permite una modulación eficiente, de bajo voltaje y alta velocidad. La fotónica integrada basada en materiales que exhiben el efecto Pockels, como el nitruro de aluminio13, se ha demostrado anteriormente, pero solo recientemente para LiNbO3 (ref. 14). Tras la disponibilidad comercial de LiNbO3 en aisladores a través de unión de obleas y corte inteligente, también ha habido un progreso sustancial en el grabado de guías de ondas de LiNbO3 de baja pérdida, que culminó en resonadores de anillo con un factor Q intrínseco de 10 × 106 (ref. 2 ). La mayoría de estos logros han utilizado el grabado con haz de iones de argón para fabricar estructuras de guía de ondas de cresta parcialmente grabadas, lo que permitió que los moduladores funcionaran con voltajes complementarios de metal-óxido-semiconductor (CMOS)4, moduladores de cambio de fase en cuadratura15 y peines de frecuencia electro-ópticos6. Además, la plataforma ha proporcionado una ruta para crear interfaces utilizando electro-óptica de cavidad que acopla de manera eficiente campos de microondas a ópticos7. Además del grabado directo, recientemente se ha demostrado la integración heterogénea de chips de LiNbO3 en nitruro de silicio (Si3N4)10 o circuitos integrados fotónicos (PIC) de silicio16.

Más allá de las aplicaciones para moduladores electro-ópticos, una plataforma fotónica integrada de LiNbO3 con un gran coeficiente de Pockels y baja pérdida de propagación cumple con todos los requisitos para realizar fuentes láser integradas de ancho de línea estrecho y frecuencia ágil, que se caracterizan por ser ultrarrápidas, lineales y sin saltos de modo. Afinación. Aunque los láseres integrados han hecho grandes avances recientemente, culminando en láseres bloqueados de autoinyección híbridos basados en microrresonadores integrados Si3N4 de alto Q que alcanzan la coherencia del láser de fibra17,18, es decir, el ancho de línea Lorentziano subhercios, estos láseres carecen de actuación de frecuencia rápida. Aunque los láseres de ancho de línea estrecho integrados con un rendimiento similar se han demostrado recientemente utilizando una actuación óptica de tensión piezoeléctrica monolíticamente integrada que es plana y con un ancho de banda de actuación de megahercios19,20, los láseres basados en circuitos fotónicos integrados de LiNbO3 tienen el potencial para una sintonización mucho más rápida, con frecuencia plana respuesta, a voltajes de accionamiento sustancialmente más bajos, y no exhiben excitaciones de modos vibracionales parásitos del chip fotónico, como en el caso de la activación piezoeléctrica. Se ha demostrado un láser LiNbO3/III-V híbrido bombeado eléctricamente utilizando un esquema basado en un filtro Vernier8,9, pero aún no ha logrado esta capacidad. Los láseres basados en circuitos integrados fotónicos de LiNbO3 tienen el potencial de realizar una gran cantidad de estructuras láser, como láseres Vernier ampliamente sintonizables o láseres sin saltos de modo para una multitud de aplicaciones, incluida la detección de luz de onda continua modulada en frecuencia (FMCW) y rango (LiDAR)21, tomografía de coherencia óptica, metrología de frecuencia o espectroscopia de gases traza22, que utilizan agilidad de frecuencia y ancho de línea estrecho. Aquí demostramos láseres integrados basados en LiNbO3 que logran un ancho de línea estrecho (nivel de kilohercios) mientras exhiben una agilidad de frecuencia extrema, lo que permite una tasa de sintonización de petahercios por segundo. Esto se logra en una plataforma heterogéneamente integrada que combina guías de ondas fotónicas de Si3N4 de pérdida ultrabaja23 con LiNbO3 de película delgada mediante unión a escala de obleas24. Nuestra plataforma híbrida utiliza un chip Si3N4-LiNbO3 acoplado a tope a un láser de diodo de retroalimentación distribuida (DFB) de fosfuro de indio (InP). Los circuitos integrados fotónicos de Si3N4 se fabrican mediante el proceso de damasceno fotónico23 y cuentan con confinamiento óptico estricto, pérdida de propagación ultrabaja (<2 dB m−1), calentamiento por absorción térmica baja y manejo de alta potencia. Se pueden fabricar a escala de obleas con un alto rendimiento y ya están disponibles en una fundición comercial. Las ventajas adicionales de la plataforma Si3N4 incluyen la baja ganancia de las no linealidades de Raman y Brillouin y la dureza de la radiación. Esta plataforma heterogénea de Si3N4-LiNbO3 permite microrresonadores de alto Q con un ancho de línea de cavidad intrínseco medio de 44 MHz, proporciona un rendimiento casi unitario de dispositivos enlazados y presenta una baja pérdida de inserción de 3,9 dB por faceta, en comparación con las guías de ondas de cresta de LiNbO3. Además, la plataforma heterogénea de Si3N4-LiNbO3 no muestra una mezcla de modo inducida por flexión debido a la birrefrigeración, como suele ser el caso de las guías de ondas de cresta de LiNbO3. La combinación de las propiedades únicas de ambos materiales en una sola plataforma integrada heterogénea permite el bloqueo de autoinyección láser con dos órdenes de magnitud de reducción de ruido de frecuencia láser y una tasa de sintonización de frecuencia de petahercios por segundo.

Nuestro método de fabricación combina los procesos de fabricación de guías de ondas fotónicas de damasquinado Si3N4 con unión a escala de obleas25 para permitir la modulación electroóptica en Si3N4 pasivo de pérdida ultrabaja, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 1a. Nuestro proceso comienza con la fabricación de un sustrato de Si3N4 modelado y planarizado mediante el proceso fotónico de damasquinado (ver detalles en Métodos). Se deposita una capa intermedia de dióxido de silicio (SiO2) sobre el sustrato, seguida de densificación. Luego, la capa intermedia se pule para reducir la topografía restante y establecer el grosor deseado. Para la unión se necesita una rugosidad cuadrática media de menos de 0,4 nm en un área de unos pocos micrómetros cuadrados y de solo unos pocos nanómetros en un área de varios cientos de micrómetros24. A continuación, se deposita una capa de alúmina de unos pocos nanómetros de espesor por deposición de la capa atómica tanto en las obleas donantes (LiNbO3 en el aislador) como en las obleas aceptoras (circuito fotónico planarizado de Si3N4 que contiene una oblea de 100 mm) antes de la unión por contacto y la eliminación de la oblea donante. Luego, los electrodos de tungsteno se fabrican mediante pulverización catódica y grabado con iones reactivos. En este punto, las áreas de las facetas de acoplamiento y las secciones ahusadas de las guías de ondas de Si3N4 se eliminan del LiNbO3 mediante grabado físico con iones de argón, de modo que la luz láser pueda acoplarse primero al chip utilizando ahusamientos inversos26 antes de entrar en la transición a LiNbO3. -área cubierta. Finalmente, la liberación de la viruta se realiza mediante la definición de la faceta de la viruta mediante un grabado profundo de SiO2 y silicio, seguido de la separación de la viruta mediante el lapeado de la parte posterior del silicio. La Figura 1b muestra una sección transversal de microscopio electrónico de barrido (SEM) de la guía de ondas LiNbO3-on-Si3N4 heterogéneamente integrada con los siguientes espesores de capa: revestimiento inferior de sílice, 4 μm; Si3N4, 950 nm; revestimiento superior de sílice, 150 nm; LiNbO3, 300 nm; electrodos metálicos, 200 nm (la imagen SEM original se muestra en Datos extendidos Fig. 1). El recuadro de la Fig. 1b muestra una simulación de la distribución espacial de la amplitud del campo eléctrico en el modo híbrido de nuestro dispositivo con una tasa de participación del 12% en LiNbO3. El análisis estadístico de los espectros de transmisión del resonador revela un ancho de línea de cavidad intrínseco medio de 44 MHz correspondiente a un factor Q de 4,8 × 106 y una pérdida de propagación lineal de 8,5 dB m−1 (datos ampliados, figura 8c).

a, Ilustración esquemática de la plataforma heterogénea de Si3N4–LiNbO3 realizada mediante la integración heterogénea de una oblea de película delgada de 4″ (100 mm) de LiNbO3 en una oblea de Si3N4 de 4″, con secciones transversales de ambas obleas. b, imagen SEM en falso color de una sección transversal heterogénea de guía de ondas de Si3N4-LiNbO3. Los datos de la imagen SEM original se muestran en Datos extendidos Fig. 1. Recuadro: una simulación en el dominio del tiempo de diferencia finita de la distribución espacial de la amplitud del campo eléctrico del modo eléctrico transversal híbrido con una participación del 12 % en LiNbO3, el máximo del campo eléctrico es coloreado en rojo y mínimo en azul. c, Ilustración esquemática del principio de bloqueo de autoinyección. El camino óptico está marcado con la línea roja discontinua. La flecha roja muestra la onda óptica directa y la flecha azul muestra la onda óptica reflejada de un microrresonador. El ajuste de la longitud de onda del láser se logra aplicando una señal de voltaje (por ejemplo, una rampa lineal) en los electrodos de tungsteno. Las estructuras en amarillo son los electrodos de tungsteno. d, Foto de la configuración con un láser DFB acoplado a tope a un chip heterogéneo Si3N4–LiNbO3 (muestra D67_01b C16 WG 4.2). Un par de sondas tocan los electrodos para la modulación electroóptica y una fibra con lente recoge la radiación de salida.

El bloqueo de la autoinyección del láser se inicia mediante el acoplamiento a tope de un láser de diodo InP DFB al chip heterogéneo Si3N4-LiNbO3 (Fig. 1c, d) y ajustando la corriente del láser para que coincida con la frecuencia de salida con la frecuencia de resonancia del heterogéneo Si3N4 –Microrresonador LiNbO3. La retrorreflexión óptica en la superficie o las faltas de homogeneidad volumétrica dentro del microrresonador proporciona retroalimentación de banda angosta espectral al diodo láser al acoplar los modos de propagación en sentido horario y antihorario. La luz en el sentido de las agujas del reloj se irradia de vuelta al láser con la fracción de potencia dada por el coeficiente de reflexión R, que depende de la fuerza de interacción de los modos y la eficiencia de acoplamiento del resonador.

El diodo láser es forzado a oscilar a la frecuencia de resonancia de la cavidad en el régimen de bloqueo de autoinyección. Suponiendo que el ruido de frecuencia del láser es blanco, la relación de supresión de ruido de frecuencia27 es:

donde δωfree/2π es el ancho de línea del láser DFB de funcionamiento libre; δω/2π es el ancho de línea del láser DFB bloqueado por autoinyección; QDFB y Q = ω/κ son los factores de calidad de la cavidad del diodo láser y del modo microrresonador, respectivamente (con κ = κex + κ0, donde κ0 y κex son la tasa de decaimiento de la cavidad intrínseca y la tasa de acoplamiento de la guía de ondas, respectivamente) ; y αg es el factor de acoplamiento fase-amplitud. El bloqueo de autoinyección ocurre dentro de un intervalo de frecuencia finito alrededor de la resonancia de la cavidad. El ancho de banda de bloqueo Δωbloqueo se da, asumiendo una gran fuerza de interacción intermodal y una alta eficiencia de acoplamiento, por27:

Para reducir fuertemente el ancho de línea del láser y aumentar el rango de bloqueo de frecuencia, son deseables una resonancia de alto Q y una fuerte reflexión. El dispositivo utilizado en nuestros experimentos presenta un rango espectral libre (FSR) de 102 GHz y un ancho de línea total de resonancia de κ/2π = 100 MHz (Fig. 2a, b) operado cerca del acoplamiento crítico. La pérdida intrínseca del microrresonador κ0/2π ≈ 50 MHz indica una pérdida de propagación lineal en la guía de ondas de 8,5 dB m−1. La reflexión de potencia del dispositivo alcanza el 3 % (consulte la Fig. 2a y la Fig. 2 de datos ampliados para conocer el espectro completo) y presenta tanto la reflexión de banda estrecha (R) del microrresonador como la modulación sinusoidal de banda ancha mediante reflexiones espurias de la faceta del chip, como así como las transiciones entre los ahusamientos inversos y la guía de onda heterogénea Si3N4-LiNbO3, que se pueden mitigar utilizando transiciones ahusadas. La transición cónica en LiNbO3 también reduce las pérdidas de inserción a 2,5 dB por faceta24. El reflejo de las facetas del chip se puede reducir mediante el uso de conos de salida en ángulo. A pesar del débil contraste de retrorreflexión (ver la caracterización de otros dispositivos de la oblea en Datos extendidos Fig. 8), se observa bloqueo de inyección debido al estrecho ancho de línea de la resonancia óptica. La estabilización del láser para cualquier nivel de retrodispersión intrínseca se puede mejorar aún más mediante la introducción de un espejo de bucle acoplado al puerto de caída en el chip. El ajuste de la retroalimentación óptica ajustando el acoplamiento del espejo del puerto de caída y la fase de retroalimentación permite mejorar el rango de bloqueo y la supresión del ruido de frecuencia28. El espectro de emisión DFB bloqueado por autoinyección (Fig. 2c) indica una longitud de onda de láser de 1555,4 nm con una relación de supresión de modo lateral de 50 dB. Para caracterizar el bloqueo de autoinyección del láser, se genera una nota heterodina del láser DFB desbloqueado o bloqueado con un láser de referencia en un fotodiodo rápido y se procesa con un analizador de espectro eléctrico (Fig. 2d). Observamos un estrechamiento del beatnote al bloquear el láser DFB (Fig. 2e). Al variar la corriente láser del DFB, encontramos las regiones donde casi no hay sintonización de frecuencia láser debido al bloqueo de autoinyección (Fig. 2f). Para revelar el ancho de banda de bloqueo, configuramos la corriente DFB dentro del estado bloqueado y escaneamos la resonancia de la cavidad aplicando un chirrido de voltaje triangular a los electrodos (Fig. 2g). El bloqueo de autoinyección se logra dentro de un rango de frecuencia de alrededor de 1 GHz; sin embargo, la sintonización lineal se observa solo dentro de una banda de 600 MHz debido a la baja retrorreflexión del microrresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3.

a, Espectros de transmisión (T, azul) y reflexión (R, naranja) de un microrresonador heterogéneo Si3N4–LiNbO3 de 102 GHz-FSR (consulte Datos extendidos, Fig. 2, para ver el conjunto de datos completo). b, El histograma muestra la distribución de anchos de línea de 532 resonancias para el modo eléctrico transversal fundamental TE00 del dispositivo FSR de 102 GHz con un ancho de línea mediano de aproximadamente 100 MHz, correspondiente a un factor de calidad de 1,9 × 106 (κ0 es el intrínseco tasa de descomposición de la cavidad). c, Espectro óptico del diodo láser DFB de funcionamiento libre con relación de supresión de modo lateral (SMSR) de 50 dB. d, Configuración experimental para mediciones de ancho de línea con el láser integrado híbrido utilizando el método de nota de ritmo heterodino. AFG, generador de funciones arbitrarias; DSO, osciloscopio de almacenamiento digital. La onda de bombeo hacia adelante a+ está marcada por una línea roja continua, y la onda hacia atrás reflejada a− por una línea roja discontinua. e, Comparación del ancho de línea del láser para el caso del DFB de funcionamiento libre y el caso en el que el DFB está bloqueado por autoinyección a un microrresonador heterogéneo Si3N4–LiNbO3. f, mapa de tiempo-frecuencia de la nota de ritmo que muestra el cambio de frecuencia del láser en la modulación lineal de la corriente del diodo. Las líneas discontinuas blancas marcan los límites del ancho de banda de bloqueo de la autoinyección, donde casi no se observa ningún cambio de frecuencia del láser. g, mapa de tiempo-frecuencia de la nota de ritmo que muestra el cambio de frecuencia del láser tras la sintonización lineal de la resonancia de la cavidad al aplicar voltaje a los electrodos. La corriente DFB permaneció fija en el rango de bloqueo de autoinyección. h, Espectros de ruido de frecuencia del DFB de funcionamiento libre (azul) y el DFB autoinyectado bloqueado en el microrresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3 de 102 GHz-FSR (naranja). El límite de ruido termorrefractivo (TRN) evaluado y la línea beta se proporcionan como referencia (líneas de puntos naranja y rayas rojas, respectivamente).

A continuación, medimos la densidad espectral del ruido de frecuencia (de un solo lado) Sff (f) del láser de diodo DFB en los regímenes de funcionamiento libre y bloqueo de autoinyección (consulte Métodos para obtener detalles y la Fig. 2h para obtener resultados). El bloqueo de autoinyección láser suprime el ruido de frecuencia en al menos 20 dB en todas las compensaciones de frecuencia. Encontramos el punto de intersección de la curva de ruido de frecuencia y la línea beta29 a 30 kHz (Fig. 2h). El ancho de línea de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM), que se calcula mediante la integración del ruido de frecuencia de la línea beta al tiempo de integración inverso, es de 56 kHz con un tiempo de integración de 0,1 ms, 262 kHz con 1 ms y 1,1 MHz. a los 100ms El ruido de la frecuencia del láser alcanza una meseta horizontal (piso de ruido blanco) de 103 Hz2 Hz−1 con un desplazamiento de 3 MHz, lo que corresponde a un ancho de línea láser intrínseco de 3,14 kHz.

Para medir la respuesta de voltaje a frecuencia del microrresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3, se aplicó la señal de un analizador de red a los electrodos y se fijó la frecuencia del láser en la pendiente de la resonancia de la cavidad. Esta medición revela una ventaja clave de la plataforma heterogénea Si3N4-LiNbO3: la función de respuesta de modulación para el microrresonador FSR de 102 GHz es plana hasta el ancho de línea de la cavidad de 100 MHz (Fig. 3a). Para demostrar la agilidad de frecuencia del láser y la respuesta de la frecuencia del láser a una modulación de voltaje de gran amplitud, el láser DFB se bloqueó por autoinyección a la resonancia del microrresonador y una señal de voltaje triangular de 25 Vpp con frecuencias de modulación que van desde 1 se aplicó kHz a 10 MHz. No se aplicaron señales de predistorsión ni retroalimentación activa a la señal de conducción. El voltaje aplicado modula el índice de refracción de LiNbO3 a través del efecto Pockels y cambia la resonancia de la cavidad, obligando al láser a seguir la resonancia siempre que permanezca dentro del rango de bloqueo general. Para revelar las características de sintonización de frecuencia variable en el tiempo para la modulación de señal grande en el estado de bloqueo de autoinyección, la nota de ritmo heterodino del láser integrado híbrido con el láser de referencia se grabó en un fotodiodo rápido. Las excursiones de frecuencia permanecieron en el nivel de 500 MHz, independientemente de la frecuencia de modulación, mientras que la no linealidad tendió a aumentar con el aumento de la frecuencia de modulación. La no linealidad mínima del 1% de la excursión de frecuencia se observa a una tasa de sintonización de 100 kHz con una eficiencia de sintonización de 28 MHz V−1. La fila superior en la Fig. 3c muestra los espectrogramas de frecuencia láser procesados, que se calculan mediante la transformación de Fourier segmentada en el tiempo, y la fila inferior muestra los residuos correspondientes después de ajustar una modulación triangular perfecta a los datos. La figura 3b muestra la excursión de frecuencia del láser y la desviación de la raíz cuadrática media de los perfiles medidos a partir de una modulación de frecuencia triangular perfecta determinada por el ajuste de la curva. Los datos adicionales sobre la eficiencia de sintonización y la histéresis se muestran en las figuras de datos extendidos. 3 y 4. La excursión de frecuencia demostrada de 600 MHz en 50 ns equivale a una agilidad de frecuencia ultrarrápida de 12 PHz s−1.

a, Respuesta medida de la modulación electro-óptica para el dispositivo heterogéneo Si3N4-LiNbO3 que utiliza electrodos de tungsteno. b, Excursión de frecuencia (azul) y la desviación cuadrática media absoluta (RMS) del perfil de sintonización medido desde una rampa triangular perfecta (naranja). La desviación se calculó como la diferencia entre los datos experimentales y el ajuste de mínimos cuadrados. c, Arriba: espectrogramas de tiempo-frecuencia de beatnote heterodino para frecuencias de modulación de 1 kHz a 10 MHz. Abajo: la desviación de los datos de sintonización experimentales del ajuste de mínimos cuadrados para las mismas frecuencias de modulación. d, perfil de voltaje aplicado a los electrodos desde un generador de forma de onda arbitraria, que se asemeja al logotipo de EPFL. e, Beatnote heterodino láser medido que muestra la evolución de la frecuencia del láser en forma del logotipo de la EPFL a una frecuencia de sintonización de 450 Hz s−1.

Aunque la modulación de frecuencia de rampa altamente lineal es esencial para la aplicación FMCW LiDAR, la frecuencia se puede modular de manera arbitraria mientras se conserva una alta tasa de sintonización. Para ilustrar esto, programamos un generador de forma de onda arbitraria para reproducir el logotipo de EPFL (Fig. 3d) y aplicamos la señal al dispositivo heterogéneo Si3N4-LiNbO3. La frecuencia del láser se determinó nuevamente mediante una nota heterodina con el láser de referencia, y el resultado del análisis de tiempo-frecuencia se muestra en la Fig. 3e, que muestra una tasa de sintonización de 450 THz s−1 y un tiempo de permanencia entre puntos de 200 ns.

Para demostrar el potencial de aplicación de nuestro láser, realizamos un experimento de alcance óptico de prueba de concepto en un entorno de laboratorio. El método FMCW LiDAR consiste en la modulación de frecuencia de forma triangular de la fuente láser y la detección homodina retardada con la señal óptica reflejada desde el objetivo. El ruido de fase del láser limita la distancia operativa máxima y la precisión de rango en este método. Sin embargo, un requisito clave para FMCW LiDAR a largo alcance es la agilidad de la frecuencia, es decir, lograr una sintonización rápida, lineal y sin histéresis30. La configuración experimental se muestra en la Fig. 4a (ver Métodos para una descripción detallada). El rayo láser se escanea a través de la escena del objetivo por medio de dos espejos galvo con señales de conducción triangulares. Usamos un objeto similar a una dona de poliestireno y una pared lateral de metal de una caja de rack como objetivo. Ambos objetos se ubicaron aproximadamente a 3 m del colimador. Una fotografía de la escena del objetivo y el patrón de escaneo del haz se muestran en Datos extendidos Fig. 5. La nota de latido entre la señal reflejada desde el objetivo y el oscilador local se detecta con un fotodiodo balanceado y se registra con un osciloscopio. Ajustamos la polarización óptica con un controlador de polarización de fibra en el brazo de referencia de la configuración autohomodina retardada para maximizar la relación señal-ruido (SNR) de la señal del beatnote. A continuación, se aplica la transformación de Fourier de tiempo corto con relleno de ceros a los datos recopilados del oscilograma para recuperar la evolución del espectro de las notas de pulsación en 128 000 intervalos de tiempo. Los espectrogramas de tiempo-frecuencia obtenidos tanto para el objetivo como para el interferómetro de Mach-Zehnder (MZI) de referencia se muestran en la Fig. 6 de datos extendidos. El MZI se usó solo para la calibración de distancia (obtuvimos una resolución de 15 cm), y ninguna señal se aplicó predistorsión ni retroalimentación activa. La figura 4b muestra tres marcos de tiempo diferentes con beatnotes del oscilador local con los reflejos de la pared, la rosquilla y el colimador, y sus respectivos valores de SNR. Por último, las frecuencias centrales de los espectros de beatnote se identificaron y mapearon en el dominio de la distancia utilizando la longitud MZI como referencia. La distribución resultante de los valores de distancia se traza como un histograma en la Fig. 4c, que muestra dos picos que representan la rosquilla a 2,1 m y la pared a 2,8 m. El ajuste doble gaussiano revela la distribución estadística de los valores de distancia para ambos objetos (Fig. 4c). La nube de puntos del rango óptico tridimensional se deduce de los datos de distancia y la conversión de voltaje a ángulo del controlador de espejo galvo; se muestra en la Fig. 4d,e, donde el color del punto codifica la distancia desde el colimador.

a, Esquemas de la configuración experimental para el alcance óptico coherente basado en LiDAR de onda continua modulada en frecuencia (FMCW). La señal de salida de la fuente de láser sintonizable con un chirrido de frecuencia lineal se divide en dos canales para la detección homodina retardada. La señal en el primer canal se amplifica y, por medio de la dirección mecánica del haz, escanea el objetivo. La señal en el segundo canal se mezcla con la fracción de la potencia del primer canal que fue dispersada por el objetivo. La evolución de la potencia del beatnote es registrada por un osciloscopio. AFG, generador de funciones arbitrarias; DSO, osciloscopio de almacenamiento digital; EDFA, amplificador de fibra dopada con erbio; CIRC, circulador óptico; BPD, fotodiodo balanceado; COL, colimador; FPC, controlador de polarización de fibra. b, Ejemplos del beatnote homodino retrasado correspondiente a las señales del colimador (región sombreada en azul en los 3 trazos), la rosquilla (región sombreada en naranja en el trazo naranja) y la pared (región sombreada en verde en el trazo verde) con los valores SNR respectivos . c, Histograma que muestra la distribución de los valores calculados de distancia al objetivo. Los dos picos corresponden a los reflejos de la rosquilla y la pared. Ambos picos están equipados con una función de doble gaussiana con parámetros de ajuste, la distancia media (d) y la desviación estándar (σ), indicados. d,e, Representación de nube de puntos de la escena objetivo medida desde diferentes ángulos de visión.

En resumen, hemos demostrado una plataforma heterogénea a escala de oblea para circuitos integrados fotónicos electro-ópticos que integra guías de onda de Si3N4 de pérdida ultrabaja y LiNbO3 de película delgada. Mostramos microrresonadores ópticos con un ancho de línea de cavidad intrínseco medio de 44 MHz, correspondiente a pérdidas de propagación lineal de 8,5 dB m−1, acoplamiento de guía de onda de bus uniforme de banda ancha y respuesta de activación de frecuencia electroóptica plana de hasta 100 MHz. La dotación de circuitos integrados fotónicos de Si3N4 de pérdida ultrabaja con modulación electroóptica de LiNbO3 en el chip permite un láser híbrido bloqueado por autoinyección con un ancho de línea estrecho y un ajuste rápido de 12 PHz s-1 al mismo tiempo. Este láser permite la medición óptica FMCW sin necesidad de predistorsión de la señal ni realimentación activa y con una resolución en torno a los 15 cm. En la Tabla 1 de datos ampliados se proporciona una comparación detallada con otros láseres sintonizables integrados fotónicos basados en chips InP y con otras plataformas integradas de LiNbO3 en la Tabla 2 de datos ampliados. posiciones de los electrodos, creemos que nuestra plataforma formará la base de láseres sintonizables rápidos con un tiempo de conmutación de nivel de 10 ns, sintonización sin saltos de modo sobre decenas de gigahercios y anchos de línea fundamentales por debajo de 100 Hz y longitud de coherencia de nivel de kilómetro. Al aprovechar completamente el alto coeficiente electroóptico de LiNbO3, con mejoras adicionales en el diseño de circuitos integrados fotónicos, estos dispositivos pueden operar con voltajes compatibles con semiconductores de óxido de metal complementarios, o lograr una resolución de distancia de escala milimétrica. Más allá de los láseres integrados, la plataforma híbrida también se puede utilizar para realizar otras funciones, como generadores de seguimiento de ondas milimétricas y microondas fotónicas31, redes de conmutación para computación fotónica32, muestreo de bosones33 y transceptores integrados. Además, la amplia ventana de transparencia tanto de LiNbO3 como de Si3N4 permite que dicha agilidad de frecuencia se extienda a otros rangos de longitud de onda, como el infrarrojo medio o el visible, proporcionando una plataforma para láseres sintonizables rápidos para aplicaciones en la detección de gases traza34.

Nuestro proceso comienza con la fabricación de un sustrato de Si3N4 modelado y planarizado utilizando el proceso fotónico Damasquinado23,35. La litografía paso a paso ultravioleta profunda se utiliza para modelar guías de ondas y microrresonadores en un sustrato de silicio con SiO2 térmico húmedo de 4 μm de espesor. Luego, el patrón se graba en seco en la capa de SiO2 para formar la preforma de la guía de ondas, seguido de un reflujo a alta temperatura de la preforma de la guía de ondas36 para reducir la rugosidad de la superficie. El Si3N4 estequiométrico se deposita mediante deposición de vapor químico a baja presión sobre el sustrato modelado, llenando la preforma y formando los núcleos de guía de ondas. El pulido mecánico químico se utiliza para eliminar el exceso de Si3N4 y para aplanar la superficie superior de la oblea. Posteriormente, todo el sustrato se recoce térmicamente a 1200 °C para expulsar el hidrógeno residual contenido en el Si3N4. La capa intermedia de SiO2 se deposita sobre el sustrato de Si3N4, se densifica y posteriormente se pule mediante pulido mecánico químico. Antes de la unión, se deposita una capa de alúmina de unos pocos nanómetros de espesor en las obleas donadoras (LiNbO3 en el aislador) y aceptoras (Si3N4). Después de eso, ambas obleas se ponen en contacto y se templan durante varias horas a 250 °C. El silicio en la parte posterior de la oblea donante se muele, y el silicio residual después de la molienda se elimina con grabado húmedo con hidróxido de tetrametilamonio. El SiO2 térmico se graba en húmedo con ácido fluorhídrico tamponado. El rendimiento de unión de obleas es del 100 % y unimos con éxito 5 de 5 obleas durante 3 procesos de fabricación diferentes. Se pulveriza una capa de tungsteno sobre la superficie de LiNbO3 y el patrón del electrodo se transfiere a esta capa a través de un grabado de iones reactivos basado en fluoruro. Finalmente, LiNbO3 se graba para abrir las áreas de las facetas del chip para mejorar el acoplamiento de entrada del dispositivo en los chips por medio del grabado con haz de iones de argón. La posterior liberación del chip se realiza en tres pasos: grabado en seco de los límites del chip en SiO2 con química basada en flúor, grabado adicional del soporte de silicio mediante el proceso de Bosch y rectificado de obleas en la parte posterior.

La caracterización del rendimiento del DFB de ejecución libre se muestra en la Fig. 7 de datos ampliados. Realizamos una espectroscopia heterodina de notas de latido37 superando el láser de diodo de cavidad externa de referencia (Topica CTL 1550) con el láser integrado híbrido para revelar el ruido de frecuencia de este último. El beatnote de las dos señales se detectó en un fotodiodo y su salida eléctrica se envió luego a un analizador de espectro eléctrico (Rohde & Schwarz FSW43). Los datos registrados para los componentes en fase y en cuadratura del beatnote se procesaron mediante el método de Welch38 para recuperar la densidad espectral de potencia de ruido de fase de un solo lado Sϕϕ, que se convirtió en ruido de frecuencia Sff usando: Sff = f2 × Sϕϕ. Para calcular el ancho de línea del láser, integramos los espectros de ruido de frecuencia de la intersección de la densidad espectral de potencia con la línea beta \({S}_{f}(f)=8\,{\rm{ln}}\, 2\veces f\,/{{\rm{\pi }}}^{2}\) hasta el tiempo de integración de la medición29. El área bajo la curva A se vuelve a calcular para proporcionar la medida FWHM del ancho de línea usando: \({\rm{FWHM}}=\sqrt{8\,{\rm{ln}}\,2\times A}\ ). Debido a que una definición rigurosa del ancho de línea óptico depende del tiempo de integración de la medición, evaluamos el ancho de línea FWHM como 56 kHz a 0,1 ms de tiempo de integración, 262 kHz a 1 ms y 1,1 MHz a 100 ms. El ruido de fase del láser de referencia se determina mediante otra medición de notas con un láser ultraestable comercial (Menlo ORS).

La estabilidad de frecuencia del dispositivo heterogéneo de Si3N4-LiNbO3 de 102 GHz-FSR está limitada principalmente por las fluctuaciones del índice de refracción del material debido a las fluctuaciones de temperatura del material relativamente grandes en la escala del microrresonador, es decir, el ruido termorrefractivo. Para cuantificar el nivel de ruido en nuestro sistema, seguimos el enfoque basado en el teorema de disipación de fluctuación (FDT), descrito en las refs. 39,40,41, que originalmente proporcionó Levin y se aplicó con éxito al análisis de ruido térmico de los espejos de LIGO. Como FDT relaciona las fluctuaciones de un sistema con la forma en que el sistema disipa la energía, simulamos los niveles de ruido con el método de elementos finitos probando cómo el sistema se disipa en respuesta a la fuerza de una sonda. Como el ruido termorrefractivo fraccional \(\frac{{\delta }\omega }{\omega }=\int {\rm{d}}{\bf{r}}q({\bf{r}}) {\delta }T({\bf{r}})\) de nuestro dispositivo es un promedio ponderado de las fluctuaciones de temperatura δT(r) determinadas por la distribución del campo óptico e(r) con radio vector r, para averiguar su magnitud a una frecuencia de Fourier particular f, aplicamos una oscilación de entropía sinusoidal (energía conjugada con temperatura) a esta frecuencia, con el mismo peso q(r) imitando la distribución del campo, a nuestro sistema en la simulación. La correspondiente potencia disipada Wdiss en el sistema se recupera de la simulación y se utiliza para calcular la densidad espectral de potencia del ruido termorrefractivo \({S}_{\frac{{\delta }\omega }{\omega }}(\ ,f)\) a esta frecuencia particular usando FDT. La distribución del campo del dispositivo y la propagación del calor simulada en los pasos descritos se realizan en COMSOL Multiphysics.

El diodo láser está acoplado en el borde al chip heterogéneo Si3N4-LiNbO3 con electrodos de tungsteno de 200 nm de espesor depositados a lo largo de la guía de ondas Si3N4 en LiNbO3. El ajuste de la frecuencia del láser se logra bloqueando el láser en una resonancia de cavidad, fijando la corriente DFB y ajustando la resonancia de la cavidad a través del efecto Pockels mediante un voltaje aplicado a los electrodos. La señal de rampa triangular del generador de forma de onda arbitraria con una amplitud de 0,5 Vpp y una frecuencia de 100 kHz se amplifica aún más hasta 25 Vpp mediante un amplificador de alto voltaje (Falco Systems) con un ancho de banda de 5 MHz. No se utilizó procesamiento previo o posterior (linealización) adicional para la rampa de frecuencia láser para el experimento de rango coherente. Utilizamos la resonancia de la cavidad correspondiente a la corriente DFB de 179 mA. Para calibrar la excursión de frecuencia, la fracción del 5% de la señal óptica se envió a un interferómetro de fibra MZI de referencia. La longitud óptica MZI de 13,18 m se encontró mediante una medición independiente que involucra un escaneo láser de diodo sintonizable calibrado por un peine de frecuencia. Tomando la longitud óptica MZI medida y los valores de frecuencia del beatnote, se infiere una resolución de distancia de 15 cm. El noventa y cinco por ciento de la luz se divide en dos caminos: el camino del oscilador local (10%) y el camino del objetivo (90%). La señal en la ruta del objetivo se amplifica mediante un amplificador de fibra dopada con erbio (Calmar) desde 150 μW hasta 4 mW y se dirige al colimador con la apertura de 8 mm configurada para que coincida con el rango de distancia del objetivo de 3 m. Usamos el escáner galvo (Thorlabs GVS112) para la dirección del haz. Se controlaron dos espejos mediante señales de rampa lineal de 3 Hz y 60 Hz con los valores de amplitud y compensación elegidos para garantizar que el patrón de escaneo cubra completamente la escena objetivo. Los datos de la nube de puntos se recopilaron en un intervalo de tiempo total de 1,3 s. La velocidad de fotogramas estaba limitada por la velocidad de escaneo galvo y el ensanchamiento Doppler que imparten los espejos que se inclinan rápidamente.

Los datos recopilados en el experimento FMCW LiDAR se sometieron a pasos de procesamiento de señales digitales para ubicar los elementos de la escena en el espacio. En primer lugar, se evaluaron las transformadas de Fourier de tiempo corto con relleno de ceros de los oscilogramas de notas de latido del objetivo y el MZI de referencia. La función de ventana de Blackman-Harris se utilizó con el tamaño de ventana establecido en un período de la señal modulada en frecuencia. En segundo lugar, los mapas de tiempo-frecuencia obtenidos se usaron para buscar en cualquier marco de tiempo los valores de frecuencia correspondientes al pico de la nota. Este conjunto se filtró para que solo los puntos de datos con amplitudes de beatnote por encima de algún umbral se consideraran para un análisis posterior. Luego restamos la distancia del láser al colimador para que la distancia de la nube de puntos se dé con respecto a la posición de apertura del colimador. Finalmente, los datos de frecuencia se convirtieron al dominio de la distancia, utilizando la longitud MZI como referencia, y las componentes cartesianas de cada punto se calcularon a partir del perfil de tensión aplicado a los galvoespejos.

Un láser de onda continua (CW) a 1550 nm de 300 μW de potencia de un láser de diodo de cavidad externa (Toptica CTL 1550) se acopla al dispositivo mediante una fibra con lente26. El láser de entrada está polarizado en la pendiente de la resonancia óptica. Se aplica una señal eléctrica de radiofrecuencia de −5 dBm de potencia desde el puerto 1 del analizador de redes a los electrodos del dispositivo, y la modulación de la intensidad de la luz es detectada por un fotodiodo de 12 GHz (New Focus 1544), que se envía de vuelta al puerto 2 del analizador de red.

La comparación de rendimiento de los sistemas láser sintonizables9,17,20,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54 se presenta en la Tabla 1 de datos ampliados. La tabla compara diferentes láseres sintonizables sistemas en términos de rango de sintonía de frecuencia, velocidad de sintonía, linealidad, potencia de salida óptica y piso de ruido de frecuencia blanco. La comparación de rendimiento de diferentes plataformas integradas basadas en LiNbO32,55,56,57,58,59,60,61,62 se presenta en la Tabla 2 de datos ampliados.

Los datos utilizados para producir los gráficos de este documento están disponibles en https://doi.org/10.5281/zenodo.7371066.

El código utilizado para producir los gráficos de este documento está disponible en https://doi.org/10.5281/zenodo.7371066.

Guarino, A., Poberaj, G., Rezzonico, D., Degl'Innocenti, R. & Günter, P. Resonadores de microanillo sintonizables electroópticamente en niobato de litio. Nat. Fotón. 1, 407–410 (2007).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhang, M., Wang, C., Cheng, R., Shams-Ansari, A. y Lončar, M. Resonador monolítico de microanillo de niobato de litio de Q ultra alto. Óptica 4, 1536-1537 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Krasnokutska, I., Tambasco, J.-LJ, Li, X. & Peruzzo, A. Circuitos fotónicos de pérdida ultrabaja en niobato de litio sobre aislador. Optar. Expreso 26, 897–904 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, C. et al. Moduladores electroópticos de niobato de litio integrados que funcionan con voltajes compatibles con CMOS. Naturaleza 562, 101–104 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Él, M. et al. Moduladores mach-zehnder híbridos de silicio y niobato de litio de alto rendimiento para 100 gbit s-1 y más. Nat. Fotón. 13, 359–364 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhang, M. et al. Generación de peine de frecuencia electroóptica de banda ancha en un resonador de microanillo de niobato de litio. Naturaleza 568, 373–377 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Lambert, NJ, Rueda, A., Sedlmeir, F. & Schwefel, HGL Conversión coherente entre microondas y fotones ópticos: una descripción general de las implementaciones físicas. Adv. Tecnología Cuántica. 3, 1900077 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Han, Y. et al. Láser híbrido de niobita de litio/III-V de banda O bombeado eléctricamente y ampliamente sintonizable. Optar. Letón. 46, 5413–5416 (2021).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Op de Beeck, C. et al. Amplificadores y láseres de niobato de litio III-V. Óptica 8, 1288–1289 (2021).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Chang, L. et al. Integración heterogénea de guías de ondas de niobato de litio y nitruro de silicio para circuitos integrados fotónicos a escala de oblea en silicio. Optar. Letón. 42, 803–806 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Puckett, MW et al. 422 millones de factor de calidad intrínseco planar integrado resonador de guía de ondas con ancho de línea sub-mHz. Nat. común 12, 934 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, K. et al. Fotónica integrada a escala de oblea con pérdida ultrabaja de 0,034 db/m que realiza 720 millones de Q y láser Brillouin de umbral de 380 μW. Optar. Letón. 47, 1855–1858 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Xiong, C., Pernice, WHP & Tang, HX Circuitos fotónicos de nitruro de aluminio integrados en silicio y de baja pérdida y su uso para el procesamiento de señales electroópticas. Nano Lett. 12, 3562–3568 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, C. et al. Resonadores integrados de microdisco de niobato de litio de factor de alta calidad. Optar. Expreso 22, 30924–30933 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Xu, M. et al. Moduladores ópticos coherentes de alto rendimiento basados en una plataforma de niobato de litio de película delgada. Nat. común 11, 3911 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Weigel, PO et al. Circuitos de ondas de luz en niobato de litio mediante guías de ondas híbridas con fotónica de silicio. ciencia Rep. 6, 22301 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jin, W. et al. Láseres semiconductores de ancho de línea Hertz que utilizan microrresonadores de Q ultra alto preparados para cmos. Nat. Fotón. 15, 346–353 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Li, B. et al. Alcanzando la coherencia fibra-láser en fotónica integrada. Optar. Letón. 46, 5201–5204 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Liu, J. et al. Control piezoeléctrico monolítico de micropeines de solitón. Naturaleza 583, 385–390 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Lihachev, G. et al. Láseres integrados fotónicos ágiles de frecuencia y bajo ruido para un rango coherente. Nat. común 13, 3522 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Martín, A. et al. Lidar coherente FMCW basado en circuitos integrados fotónicos. J. Lightw. Tecnología 36, 4640–4645 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Debecker, I., Mohamed, AK y Romanini, D. Espectroscopía de anillo descendente de cavidad de alta velocidad con mayor resolución espectral mediante ajuste simultáneo de láser y cavidad. Optar. Expreso 13, 2906–2915 (2005).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Liu, J. et al. Fabricación a escala de obleas de alto rendimiento de circuitos fotónicos de nitruro de silicio con ingeniería de dispersión y pérdidas ultrabajas. Nat. común 12, 2236 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Churaev, M. et al. Una plataforma fotónica de niobato de litio sobre nitruro de silicio heterogéneamente integrada. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2112.02018 (2021).

Komljenovic, T. et al. Circuitos integrados fotónicos heterogéneos de silicio. J. Lightw. Tecnología 34, 20–35 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Liu, J. et al. Nanotapers inversos dobles para un acoplamiento de luz eficiente a dispositivos fotónicos integrados. Optar. Letón. 43, 3200–3203 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kondratiev, NM et al. Bloqueo de autoinyección de un diodo láser a un microrresonador WGM de alto Q. Optar. Expreso 25, 28167–28178 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Galiev, RR, Kondratiev, NM, Lobanov, VE, Matsko, AB y Bilenko, IA Bloqueo de autoinyección asistido por espejo de un láser a un microrresonador en modo de galería susurrante. física Aplicación Rev. 16, 064043 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Domenico, GD, Schilt, S. & Thomann, P. Enfoque simple de la relación entre el ruido de la frecuencia del láser y la forma de la línea del láser. aplicación Optar. 49, 4801–4807 (2010).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Behroozpour, B. et al. Circuito integrado electrónico-fotónico para microimágenes 3D. IEEE J. Circuitos de estado sólido 52, 161–172 (2017).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Chao, R.-L. et al. Generadores de seguimiento de ondas milimétricas fotónicas totalmente integrados en la plataforma heterogénea III-V/Si. Fotón IEEE. Tecnología Letón. 30, 919–922 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Drake, BL, Bocker, RP, Lasher, ME, Patterson, RH & Miceli, WJ Computación fotónica utilizando la representación de números de dígitos con signo modificada. Optar. Ing. 25, 38–43 (1986).

Artículo Google Académico

Primavera, JB et al. Muestreo de bosones en un chip fotónico. Ciencia 339, 798–801 (2013).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Truong, G.-W. et al. Espectroscopia de barrido rápido y ágil en frecuencia. Nat. Fotón. 7, 532–534 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Pfeiffer, MHP et al. Proceso de damasquinado fotónico para guías de onda de nitruro de silicio de baja pérdida y alto confinamiento. IEEE J. Sel. Arriba. Electrón Cuántico. 24, 1–11 (2018).

Artículo Google Académico

Pfeiffer, MHP et al. Guías de ondas de nitruro de silicio ultrasuaves basadas en el proceso de reflujo damasceno: fabricación y orígenes de pérdidas. Óptica 5, 884–892 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Duthel, T. et al. Estimación de ancho de línea láser mediante detección coherente. Fotón IEEE. Tecnología Letón. 21, 1568–1570 (2009).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Welch, P. El uso de la transformada rápida de Fourier para la estimación de espectros de potencia: un método basado en el promedio de tiempo en periodogramas modificados cortos. Trans. IEEE. Electroacústica de audio. 15, 70–73 (1967).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Levin, Y. Ruido térmico interno en las masas de prueba LIGO: un enfoque directo. física Rev. D 57, 659–663 (1998).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kondratiev, N. & Gorodetsky, M. Ruido termorrefractivo en microrresonadores en modo galería susurrante: resultados analíticos y simulación numérica. física Letón. A 382, 2265–2268 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Huang, G. et al. Ruido termorrefractivo en microrresonadores de nitruro de silicio. física Rev. A 99, 061801 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Fan, Y. et al. Láser de diodo híbrido integrado InP–Si3N4 con un ancho de línea intrínseco de 40 Hz. Optar. Expreso 28, 21713–21728 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Tran, MA et al. Láseres integrados Si/InP de ancho de línea estrecha y ampliamente sintonizables basados en resonador de anillo. IEEE J. Sel. Arriba. Electrón Cuántico. 26, 1–14 (2020).

Artículo Google Académico

Malik, A. et al. Láseres de banda O de puntos cuánticos heterogéneamente integrados y ampliamente sintonizables en silicio. Fotón. Res. 8, 1551–1557 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Wan, Y. et al. Láseres de puntos cuánticos evanescentes de alta velocidad en Si. Fotón láser. Rev. 15, 2100057 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Poulton, CV et al. LiDAR coherente de estado sólido con matrices en fase ópticas fotónicas de silicio. Optar. Letón. 42, 4091–4094 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Satyan, N., Vasilyev, A., Rakuljic, G., Leyva, V. y Yariv, A. Control preciso de chirridos de frecuencia de banda ancha mediante retroalimentación optoelectrónica. Optar. Expreso 17, 15991–15999 (2009).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang, X., Pouls, J. & Wu, MC Linealización de barrido de frecuencia láser mediante distorsión previa de aprendizaje iterativo para lidar FMCW. Optar. Expreso 27, 9965–9974 (2019).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Okano, M. & Chong, C. Lidar de fuente de barrido: rango FMCW simultáneo y dirección de haz no mecánico con una fuente de barrido de banda ancha. Optar. Expreso 28, 23898–23915 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

DiLazaro, T. & Nehmetallah, G. Tomografía FMCW de gran volumen, bajo costo y alta precisión con DFBS cosido. Optar. Expreso 26, 2891–2904 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Han, Y. et al. Láser híbrido de niobita de litio/III-V bombeado eléctricamente y ampliamente sintonizable. Optar. Letón. 46, 5413–5416 (2021).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Shams-Ansari, A. et al. Transmisor láser bombeado eléctricamente integrado en niobato de litio de película delgada. Óptica 9, 408–411 (2022).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Werner, CS, Yoshiki, W., Herr, SJ, Breunig, I. & Buse, K. Ajuste geométrico: espectroscopia usando sintetizadores de frecuencia de resonador de galería susurrante. Óptica 4, 1205–1208 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Minet, Y. et al. Conversión de frecuencia adiabática basada en el efecto Pockels en microrresonadores de Q ultraalto. Optar. Expreso 28, 2939–2947 (2020).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Boynton, N. et al. Un modulador electro-óptico de onda viajera de niobato de litio/fotónico de silicio heterogéneamente integrado. Optar. Expreso 28, 1868–1884 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang, M. et al. Molécula fotónica programable electrónicamente. Nat. Fotón. 13, 36–40 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Lucas, K. et al. Circuitos integrados fotónicos de niobato de litio de baja pérdida a escala de oblea. Optar. Expreso 28, 24452–24458 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ahmed, ANR, Shi, S., Mercante, AJ & Prather, DW Resonador de pista de carreras de alto rendimiento en una plataforma híbrida de nitruro de silicio y niobato de litio de película delgada. Optar. Expreso 27, 30741–30751 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Rao, A. et al. Moduladores Mach-Zehnder de niobato de litio de película delgada lineal y de alto rendimiento en silicio hasta 50 GHz. Optar. Letón. 41, 5700–5703 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Jin, S., Xu, L., Zhang, H. y Li, Y. Moduladores de película delgada de LiNbO3 que utilizan guías de ondas de cresta de superficie de nitruro de silicio. Fotón IEEE. Tecnología Letón. 28, 736–739 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Ghosh, S., Yegnanarayanan, S., Ricci, M., Kharas, D. y Juodawlkis, P. Niobato de litio de película delgada de baja pérdida unido a guías de ondas de nitruro de silicio. En Conferencia sobre Láseres y Electroóptica: OSA Technical Digest STh1F.1 (Optica, 2020); http://opg.optica.org/abstract.cfm?URI=CLEO_SI-2020-STh1F.1

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por fondos del Programa de Investigación e Innovación H2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie número 812818 (MICROCOMB) y 722923 (OMT), bajo el acuerdo de subvención FET-Proactive número 732894 (HOT) y número de acuerdo de subvención 847471 (QUSTEC). También recibió el apoyo financiero de la Swiss National Science Foundation bajo el acuerdo de subvención número 186364 (QuantEOM) y 201923 (AMBIZIONE), así como de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR) bajo el número de concesión FA9550-19-1-0250. y por el Contrato HR0011-20-2-0046 (NOVEL) de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). Las muestras se fabricaron en el centro EPFL de MicroNanoTechnology (CMi) y el Centro de Nanotecnología Binnig and Rohrer (BRNC) en IBM Research. Agradecemos al Equipo de Operaciones de Sala Blanca del BRNC, especialmente a D. Dávila Pineda y R. Grundbacher por su ayuda y apoyo.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por EPFL Lausanne.

Estos autores contribuyeron por igual: Viacheslav Snigirev, Annina Riedhauser, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev

Instituto de Física, Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (EPFL), Lausana, Suiza

Viacheslav Snigirev, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Anat Siddharth, Guanhao Huang, Junqiu Liu y Tobias J. Kippenberg

Centro de Ciencia e Ingeniería Cuántica, EPFL, Lausana, Suiza

Viacheslav Snigirev, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Anat Siddharth, Guanhao Huang, Junqiu Liu y Tobias J. Kippenberg

IBM Research - Europa, Zúrich, Ruschlikon, Suiza

Annina Riedhauser, Charles Möhl, Youri Popoff, Ute Drechsler, Daniele Caimi, Simon Hönl y Paul Seidler

Luz profunda EN https://deeplight.pro/

johann riemensberger

Laboratorio de Sistemas Integrados, Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (ETH Zürich), Zúrich, Suiza

Turi Popoff

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

MC diseñó las máscaras de litografía y realizó simulaciones de PIC. VS y GL realizaron experimentos con la ayuda de JR, MC y ASRNW, AR, CM y JL desarrollaron los procesos y fabricaron las muestras con la ayuda de SHUD, YP, AR, RNW y JL realizaron el pulido mecánico químico para la unión. DC realizó la unión de obleas. VS, GL y JR analizaron los datos. VS y GH realizaron simulaciones de límite de ruido termorrefractivo. VS, GL, JR y TJK escribieron el manuscrito con aportes de AR, AS, JL y PSPS y TJK supervisó el proyecto.

Correspondencia a Paul Seidler o Tobias J. Kippenberg.

TJK es cofundador y accionista de LiGenTec SA, una fundición que comercializa circuitos integrados fotónicos de Si3N4, así como de DEEPLIGHT SA, una empresa emergente que comercializa circuitos integrados fotónicos de Si3N4 basados en láseres de frecuencia ágil y bajo ruido.

Nature agradece a Antonella Bogoni y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Datos SEM originales sin procesar utilizados para preparar la Fig. 1b del texto principal.

(a) Espectro de transmisión. (b) Espectro de reflexión. Datos de la muestra D67_01b F2 C16 4.3.

La primera fila (a) representa la evolución del beatnote heterodino para la tasa de chirrido de 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz y 1 MHz, y su ajuste con una rampa triangular perfecta. La segunda fila (b) son los mismos datos pero reflejados con respecto a un eje horizontal de 0 MHz. En la tercera fila (c), los datos se desplazan medio período hacia la izquierda, de modo que la rampa ascendente de la primera fila se convierte en la rampa descendente de la tercera y viceversa. En la última fila (d), sumando los patrones de datos de la primera y la tercera fila y restando el valor medio de la suma, se observan las desviaciones inducidas por histéresis entre la rampa ascendente y la rampa descendente.

(a) Aplicando una forma de onda de voltaje de rampa triangular a los electrodos del dispositivo heterogéneo Si3N4-LiNbO3 con valores seleccionados de la frecuencia de modulación (10 kHz, 100 kHz y 1 MHz) y aumentando gradualmente la amplitud de pico a pico de la señal, se puede observar un crecimiento lineal de la excursión de frecuencia DFB. (b) Para recuperar los valores de eficiencia de sintonización, el ajuste del modelo lineal de los datos se puede realizar en el rango de voltajes donde la excursión es menor que el límite de ancho de banda de bloqueo de ~1 GHz (ver recuadro).

(a) La foto de la configuración para el experimento de alcance óptico coherente que contiene el objetivo: una rosquilla de poliestireno montada en el escenario y una pared de la caja de instrumentos detrás, y el patrón de escaneo de los espejos galvo. ( b, c ) Los perfiles de señal de voltaje aplicados a dos galvo-espejos que permiten dos grados angulares de libertad, ϕ y θ, para escanear, y sus ajustes con una rampa triangular perfecta. (d) Los datos reales del patrón de escaneo y su reconstrucción después de ajustar las coordenadas angulares.

(a) Mapa de tiempo-frecuencia calculado para la respuesta objetivo. (b) Mapa de tiempo-frecuencia para el interferómetro Mach-Zehnder de referencia.

(a) Potencia óptica del diodo láser en el espacio libre frente a la corriente del diodo. ( b ) Espectros ópticos DFB de funcionamiento libre a diferentes corrientes de conducción.

(a,d,g,j) Transmisión de bus-guía de onda acoplado a microrresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3 con rango espectral libre (FSR) 102 GHz (C11) desde 3 campos de la oblea y diferentes microrresonadores en un chip (F7 WG3.3 , F1 WG3.3, F7 WG4.2, F5 WG4.1); ( b, e, h, k ) Pérdida intrínseca del microrresonador dependiente de la frecuencia κ0 / 2π (verde) y acoplamiento de guía de ondas de bus κex / 2π (azul). ( c, f, i, l ) Histograma de la tasa de pérdida intrínseca del microrresonador de la oblea D67_01b.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Snigirev, V., Riedhauser, A., Lihachev, G. et al. Láseres sintonizables ultrarrápidos que utilizan fotónica integrada de niobato de litio. Naturaleza 615, 411–417 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05724-2

Descargar cita

Recibido: 08 Octubre 2021

Aceptado: 11 de enero de 2023

Publicado: 15 de marzo de 2023

Fecha de emisión: 16 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05724-2

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.