Láseres sintonizables ultrarrápidos que utilizan fotónica integrada de niobato de litio

Jun 27, 2023

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

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Los primeros trabajos1 y los avances recientes en niobato de litio de película delgada (LiNbO3) sobre aislantes han permitido circuitos integrados fotónicos de bajas pérdidas2,3, 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 ópticas y de microondas7. 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 ágiles en frecuencia. Aquí presentamos 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 alcances láser coherentes. 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 chiplet demostrada previamente10, que presenta una baja pérdida de propagación de 8,5 decibelios por metro, lo que permite una estrecha -láser 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 la sintonización de frecuencia del láser electroóptico a una velocidad de 12 × 1015 hercios por segundo con alta linealidad y baja histéresis, manteniendo al mismo tiempo el estrecho ancho de línea. Utilizando un láser híbrido integrado, realizamos un experimento de prueba de concepto de alcance óptico coherente (FMCW LiDAR). Dotar a los circuitos integrados fotónicos de Si3N4 con LiNbO3 crea una plataforma que combina las ventajas individuales del LiNbO3 de película delgada con las del 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. Exhibe una amplia ventana de transparencia desde longitudes de onda ultravioleta hasta 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 antes, pero solo recientemente para LiNbO3 (ref. 14). Tras la disponibilidad comercial de LiNbO3 en aisladores mediante unión de oblea y corte inteligente, también ha habido un progreso sustancial en el grabado de guías de ondas de LiNbO3 de bajas pérdidas, que culminaron 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 guías de ondas de cresta parcialmente grabadas, lo que permitió que los moduladores funcionaran con voltajes complementarios de semiconductores de óxido metálico (CMOS)4, moduladores de desplazamiento de fase en cuadratura15 y peines de frecuencia electroópticos6. Además, la plataforma ha proporcionado una ruta para crear interfaces utilizando electroóptica de cavidad que acopla eficientemente campos de microondas a ópticos7. Además del grabado directo, recientemente se ha demostrado la integración heterogénea de chips de LiNbO3 en circuitos integrados fotónicos (PIC) de nitruro de silicio (Si3N4)10 o silicio16.

Más allá de las aplicaciones para moduladores electroópticos, una plataforma fotónica integrada LiNbO3 con un gran coeficiente de Pockels y baja pérdida de propagación cumple todos los requisitos para realizar fuentes láser integradas de ancho de línea estrecho y ágiles en frecuencia, que presentan características ultrarrápidas, lineales y sin saltos de modo. Afinación. Aunque los láseres integrados han logrado importantes avances recientemente, culminando en láseres bloqueados de autoinyección híbridos basados ​​en microresonadores integrados de Si3N4 de alta calidad que alcanzan la coherencia del láser de fibra17,18, es decir, un ancho de línea subhertziano de Lorentz, estos láseres carecen de actuación de frecuencia rápida. Aunque recientemente se ha demostrado que láseres integrados de ancho de línea estrecho con rendimiento similar utilizan accionamiento óptico de tensión piezoeléctrico monolíticamente integrado que es plano y con ancho de banda de actuación de megahercios19,20, los láseres basados ​​en circuitos fotónicos integrados de LiNbO3 tienen el potencial de una sintonización mucho más rápida, con frecuencia plana. respuesta, a voltajes de accionamiento sustancialmente más bajos, y no exhiben excitaciones de modos vibratorios parásitos del chip fotónico, como en el caso del accionamiento piezoeléctrico. Se ha demostrado un láser híbrido LiNbO3/III-V 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 LiNbO3 tienen el potencial de realizar una serie de estructuras láser, como láseres Vernier ampliamente sintonizables o láseres sin salto de modo para una multitud de aplicaciones, incluida la detección de luz de onda continua de frecuencia modulada (FMCW) y (LiDAR)21, tomografía de coherencia óptica, metrología de frecuencia o espectroscopia de gases traza22, que utilizan tanto agilidad de frecuencia como ancho de línea estrecho. Aquí demostramos láseres integrados basados ​​en LiNbO3 que logran un ancho de línea estrecho (nivel de kilohercios) al tiempo que exhiben una agilidad de frecuencia extrema, lo que permite una velocidad 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 oblea24. Nuestra plataforma híbrida utiliza un chip Si3N4-LiNbO3 acoplado a tope a un diodo láser de retroalimentación distribuida (DFB) de fosfuro de indio (InP). Los circuitos integrados fotónicos de Si3N4 se fabrican mediante el proceso fotónico Damasceno23 y presentan un confinamiento óptico estricto, una pérdida de propagación ultrabaja (<2 dB m-1), un calentamiento de baja absorción térmica y un manejo de alta potencia. Se pueden fabricar a escala de oblea con 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 Raman y Brillouin y la dureza de la radiación. Esta plataforma heterogénea de Si3N4-LiNbO3 permite microresonadores de alta Q con un ancho de línea de cavidad intrínseca mediana de 44 MHz, proporciona un rendimiento casi unitario de dispositivos unidos y presenta una pérdida de inserción baja, en comparación con las guías de ondas de cresta LiNbO3, de 3,9 dB por faceta24. Además, la plataforma heterogénea Si3N4-LiNbO3 no muestra una mezcla de modos inducida por curvatura debido a la birrefrigencia, como suele ser el caso de las guías de ondas de cresta LiNbO3. La combinación de las propiedades únicas de ambos materiales en una única plataforma integrada heterogénea permite el bloqueo de la autoinyección del láser con dos órdenes de magnitud de reducción del ruido de la frecuencia del 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 Damascenas Si3N4 con unión a escala de oblea25 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 utilizando el proceso fotónico Damasceno (ver detalles en Métodos). Se deposita una capa intermedia de dióxido de silicio (SiO2) sobre el sustrato, seguido de una densificación. Luego se pule la capa intermedia para reducir la topografía restante y establecer el espesor 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 sólo 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 mediante deposición de capas atómicas tanto en las obleas donante (LiNbO3 en el aislante) como en el aceptor (circuito fotónico planarizado de Si3N4 que contiene 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 cónicas de las guías de ondas de Si3N4 se limpian de LiNbO3 mediante grabado físico con iones de argón, de modo que la luz láser pueda acoplarse primero en el chip usando conos inversos26 antes de entrar en la transición a LiNbO3. -área cubierta. Finalmente, la liberación del chip se realiza mediante la definición de las facetas del chip mediante grabado profundo de SiO2 y silicio, seguido de la separación del chip mediante 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-sobre-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 la Fig. 1 de datos ampliados). 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 relación de participación del 12% en LiNbO3. El análisis estadístico de los espectros de transmisión del resonador revela un ancho de línea de cavidad intrínseca mediana 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 Si3N4-LiNbO3 realizada mediante la integración heterogénea de una oblea de LiNbO3 de película delgada de 4" (100 mm) en una oblea de Si3N4 de 4", con secciones transversales de ambas obleas. b, Imagen SEM en color falso de una sección transversal heterogénea de guía de ondas Si3N4-LiNbO3. Los datos de la imagen SEM original se muestran en la Fig. 1 de datos ampliados. Recuadro: una simulación en el dominio del tiempo de diferencias finitas 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 la 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 microresonador. La sintonización 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 de Si3N4-LiNbO3 (muestra D67_01b C16 WG 4.2). Un par de sondas tocan los electrodos para realizar una modulación electroóptica y una fibra con lentes recoge la radiación de salida.

El bloqueo de autoinyección del láser se inicia acoplando a tope un láser de diodo InP DFB al chip heterogéneo Si3N4-LiNbO3 (Fig. 1c, d) y ajustando la corriente del láser para hacer coincidir la frecuencia de salida con la frecuencia de resonancia del Si3N4 heterogéneo. –Microresonador LiNbO3. La retrorreflexión óptica sobre las heterogeneidades superficiales o volumétricas dentro del microresonador proporciona retroalimentación espectral de banda estrecha al diodo láser acoplando los modos de propagación en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. La luz en el modo de las agujas del reloj se irradia de regreso 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 del acoplamiento del resonador.

El diodo láser se ve obligado a oscilar a la frecuencia de resonancia de la cavidad en el régimen bloqueado 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 de microresonador, respectivamente (con κ = κex + κ0, donde κ0 y κex son la tasa de caída de la cavidad intrínseca y la tasa de acoplamiento bus-guía de onda, respectivamente) ; y αg es el factor de acoplamiento fase-amplitud. El bloqueo de autoinyección se produce dentro de un intervalo de frecuencia finito alrededor de la resonancia de la cavidad. El ancho de banda de bloqueo Δωlock viene dado, suponiendo una gran fuerza de interacción intermodal y una alta eficiencia de acoplamiento, por27:

Para reducir fuertemente el ancho de la línea láser y aumentar el rango de bloqueo de frecuencia, es deseable una resonancia Q alta y una reflexión fuerte. 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 microresonador κ0/2π ≈ 50 MHz indica una pérdida de propagación lineal de 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 ver el espectro completo) y presenta tanto la reflexión de banda estrecha (R) del microresonador como la modulación sinusoidal de banda ancha mediante reflexiones espurias de la faceta del chip, como así como las transiciones entre los conos inversos y la guía de ondas heterogénea Si3N4-LiNbO3, que pueden mitigarse mediante transiciones cónicas. La transición gradual en LiNbO3 también reduce las pérdidas de inserción a 2,5 dB por faceta24. El reflejo de las facetas del chip se puede reducir utilizando conos de salida en ángulo. A pesar del débil contraste de retrorreflexión (consulte la caracterización de otros dispositivos de la oblea en Datos ampliados, figura 8), se observa bloqueo de inyección debido al estrecho ancho de línea de la resonancia óptica. La estabilización 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 mediante el ajuste del 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 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 utilizando un analizador de espectro eléctrico (Fig. 2d). Observamos el estrechamiento de las notas de ritmo al bloquear el láser DFB (Fig. 2e). Al variar la corriente láser del DFB, encontramos regiones donde casi no hay sintonización de frecuencia del 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 consigue en un rango de frecuencia de aproximadamente 1 GHz; sin embargo, la sintonización lineal se observa solo dentro de una banda de 600 MHz debido a la baja retrorreflexión del microresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3.

a, Espectros de transmisión (T, azul) y reflexión (R, naranja) de un microresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3 102-GHz-FSR (consulte Datos ampliados en la figura 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 medio 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 una relación de supresión de modo lateral (SMSR) de 50 dB. d, Configuración experimental para mediciones de ancho de línea con el láser híbrido integrado utilizando el método heterodino beatnote. 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 microresonador heterogéneo de 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 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 aplicando voltaje a los electrodos. La corriente DFB permaneció fija en el rango de bloqueo de la autoinyección. h, Espectros de ruido de frecuencia del DFB de funcionamiento libre (azul) y del DFB autoinyectable bloqueado al microresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3 de 102 GHz-FSR (naranja). El límite de ruido termorrefractivo (TRN) evaluado y la línea beta se dan como referencia (líneas de puntos de color naranja y líneas de puntos de color rojo, 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 de bloqueo de autoinyección (consulte Métodos para obtener más detalles y Fig. 2h para obtener resultados). El bloqueo de autoinyección del láser suprime el ruido de frecuencia en al menos 20 dB en todos los desplazamientos 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 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 100 ms. El ruido de frecuencia del láser alcanza una meseta horizontal (piso de ruido blanco) de 103 Hz2 Hz−1 con un desplazamiento de 3 MHz, que corresponde a un ancho de línea láser intrínseco de 3,14 kHz.

Para medir la respuesta voltaje-frecuencia del microresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3, se aplicó la señal de un analizador de red a los electrodos y la frecuencia del láser se fijó 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 microresonador 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 autoinyectó bloqueado a la resonancia del microresonador 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 aplicó predistorsión de señal 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, lo que obliga al láser a seguir la resonancia siempre que permanezca dentro del rango de bloqueo general. Para revelar las características de sintonización de frecuencia que varían en el tiempo para una modulación de señal grande en el estado de autoinyección bloqueada, se registró la nota de ritmo heterodina del láser híbrido integrado con el láser de referencia en un fotodiodo rápido. Las excursiones de frecuencia se mantuvieron 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 velocidad de sintonización de 100 kHz con una eficiencia de sintonización de 28 MHz V-1. La fila superior de la Fig. 3c muestra los espectrogramas de frecuencia del láser procesados, que se calculan mediante la transformación de Fourier segmentada en el tiempo, y la fila inferior muestra los residuos correspondientes después de que se ajusta a los datos una modulación triangular perfecta. La Figura 3b muestra la excursión de frecuencia del láser y la desviación cuadrática media de los perfiles medidos de una modulación de frecuencia triangular perfecta determinada mediante ajuste de curva. En las figuras de datos ampliados se muestran datos adicionales sobre la eficiencia de sintonización y la histéresis. 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 electroóptica para el dispositivo heterogéneo Si3N4-LiNbO3 que utiliza electrodos de tungsteno. b, excursión de frecuencia (azul) y 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, parecido al logotipo de EPFL. e, Nota de ritmo heterodina láser medida que muestra la evolución de la frecuencia del láser en forma del logotipo de EPFL a una velocidad de sintonización de 450 Hz s-1.

Aunque la modulación de frecuencia de rampa altamente lineal es esencial para la aplicación LiDAR FMCW, la frecuencia se puede modular de manera arbitraria manteniendo una alta tasa de sintonización. Para ilustrar esto, programamos un generador de formas de onda arbitrarias 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 beatnote heterodino con el láser de referencia, y el resultado del análisis de tiempo-frecuencia se muestra en la Fig. 3e, que muestra una velocidad 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 prueba de concepto de alcance óptico en un entorno de laboratorio. El método FMCW LiDAR consiste en una modulación de frecuencia de forma triangular de la fuente láser y una 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 alcance en este método. Sin embargo, un requisito clave para FMCW LiDAR a largo alcance es la agilidad de frecuencia, es decir, lograr una sintonización rápida, lineal y sin histéresis30. La configuración experimental se muestra en la Fig. 4a (consulte Métodos para una descripción detallada). El rayo láser recorre el lugar de destino mediante dos espejos galvánicos con señales de conducción triangulares. Usamos un objeto parecido a un donut de poliestireno y una pared lateral metálica de un gabinete de rack como objetivo. Ambos objetos se ubicaron a aproximadamente 3 m del colimador. En la figura 5 de datos extendidos se muestra una fotografía de la escena del objetivo y el patrón de escaneo del haz. La nota de ritmo entre la señal reflejada por 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 de beatnote. Luego se aplica una transformación de Fourier de tiempo corto con relleno de ceros a los datos de oscilograma recopilados para recuperar la evolución del espectro de notas de ritmo en 128.000 intervalos de tiempo. Los espectrogramas de tiempo-frecuencia obtenidos tanto para el objetivo como para el interferómetro 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 No se aplicó predistorsión ni retroalimentación activa. La Figura 4b muestra tres marcos de tiempo diferentes con notas de tiempo del oscilador local con los reflejos de la pared, el donut 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 representa como un histograma en la Fig. 4c, que muestra dos picos que representan el donut a 2,1 my 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 alcance óptico tridimensional se infiere a partir de los datos de distancia y la conversión de voltaje a ángulo del controlador de galvoespejo; 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 alcance óptico coherente basado en LiDAR de onda continua de frecuencia modulada (FMCW). La señal de salida de la fuente láser sintonizable con un chirrido de frecuencia lineal se divide en dos canales para la detección homodina retardada. La señal del primer canal se amplifica y explora el objetivo mediante una dirección mecánica del haz. 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 de las notas se registra mediante 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 de la nota de ritmo homodina retardada correspondiente a las señales del colimador (región sombreada en azul en los 3 trazos), el donut (región sombreada en naranja en el trazo naranja) y la pared (región sombreada en verde en el trazo verde) con los respectivos valores de SNR . c, Histograma que muestra la distribución de los valores calculados de distancia al objetivo. Los dos picos corresponden a los reflejos del donut y la pared. Ambos picos están equipados con una función doble gaussiana con parámetros de ajuste, la distancia media (d) y la desviación estándar (σ), indicadas. d,e, Representación en 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 electroópticos que integra guías de ondas de Si3N4 de pérdida ultrabaja y LiNbO3 de película delgada. Mostramos microresonadores ópticos con un ancho de línea de cavidad intrínseca mediana de 44 MHz, correspondiente a pérdidas de propagación lineal de 8,5 dB m-1, acoplamiento bus-guía de onda uniforme de banda ancha y respuesta de actuación de frecuencia electroóptica plana de hasta 100 MHz. Dotar a circuitos integrados fotónicos de Si3N4 de pérdida ultrabaja con modulación electroóptica LiNbO3 en el chip permite un láser híbrido de autoinyección bloqueado con un ancho de línea estrecho y una sintonización rápida de 12 PHz s-1 simultáneamente. Este láser permite un alcance óptico FMCW sin necesidad de predistorsión de la señal ni retroalimentación activa y con una resolución de alrededor de 15 cm. En la Tabla de datos ampliados 1 se ofrece una comparación detallada con otros láseres fotónicos sintonizables integrados basados ​​en chips InP y con otras plataformas LiNbO3 integradas en la Tabla de datos ampliados 2. Con futuras mejoras en el diseño y fabricación de circuitos fotónicos, como la reducción del espesor de la capa intermedia de SiO2 y la optimización 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 salto de modo en decenas de gigahercios y anchos de línea fundamentales por debajo de 100 Hz y una longitud de coherencia a nivel de kilómetros. Al aprovechar al máximo el alto coeficiente electroóptico del LiNbO3, con mejoras adicionales en el diseño de circuitos integrados fotónicos, estos dispositivos pueden funcionar con voltajes complementarios compatibles con semiconductores de óxido metálico o alcanzar una resolución de distancia en escala milimétrica. Más allá de los láseres integrados, la plataforma híbrida también se puede utilizar para realizar otras funciones, como generadores fotónicos de seguimiento de ondas milimétricas y microondas31, redes de conmutación para computación fotónica32, muestreo de bosones33 y transceptores integrados. Además, la amplia ventana de transparencia tanto del LiNbO3 como del 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 detección de gases traza34.

Nuestro proceso comienza con la fabricación de un sustrato de Si3N4 modelado y planarizado utilizando el proceso fotónico Damasceno23,35. La litografía paso a paso ultravioleta profunda se utiliza para modelar guías de ondas y microresonadores sobre un sustrato de silicio con SiO2 húmedo térmico de 4 μm de espesor. Luego, el patrón se graba en seco en la capa de SiO2 para formar la preforma de guía de ondas, seguido de un reflujo a alta temperatura de la preforma de guía de ondas36 para reducir la rugosidad de la superficie. El Si3N4 estequiométrico se deposita mediante deposición química de vapor a baja presión sobre el sustrato estampado, llenando la preforma y formando los núcleos de la guía de ondas. Se utiliza pulido químico mecánico para eliminar el exceso de Si3N4 y planarizar la superficie superior de la oblea. Posteriormente, todo el sustrato se recoce térmicamente a 1200 °C para eliminar 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 químico mecánico. Antes de la unión, se deposita una capa de alúmina de unos pocos nanómetros de espesor sobre las obleas donante (LiNbO3 en el aislante) y aceptora (Si3N4). Después de eso, ambas obleas se ponen en contacto y se recuecen 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 ataca 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 en esta capa mediante grabado con iones reactivos a base de fluoruro. Finalmente, se graba LiNbO3 para abrir las áreas de las facetas del chip para mejorar el acoplamiento de entrada del dispositivo en los chips mediante el 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 Bosch y rectificado de la parte posterior de la oblea.

La caracterización del rendimiento del DFB de funcionamiento libre se muestra en la figura 7 de datos ampliados. Realizamos espectroscopia de beatnote heterodina37 superando el láser de diodo de cavidad externa de referencia (Toptica CTL 1550) con el láser híbrido integrado para revelar el ruido de frecuencia de este último. La nota de las dos señales se detectó en un fotodiodo y su salida eléctrica luego se envió a un analizador de espectro eléctrico (Rohde & Schwarz FSW43). Los datos registrados para los componentes en fase y en cuadratura de la nota de ritmo se procesaron mediante el método de Welch38 para recuperar la densidad espectral de potencia del ruido de fase unilateral Sϕϕ, que se convirtió en ruido de frecuencia Sff usando: Sff = f2 × Sϕϕ. Para calcular el ancho de la línea láser, integramos los espectros de ruido de frecuencia de la intersección de la densidad espectral de potencia con la línea beta \({S}_{f}(f)=8\,{\rm{ln}}\, 2\times f\,/{{\rm{\pi }}}^{2}\) hasta el tiempo de integración de la medición29. Luego, 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 óptica depende del tiempo de integración de la medición, evaluamos el ancho de línea FWHM como 56 kHz con un tiempo de integración de 0,1 ms, 262 kHz con 1 ms y 1,1 MHz con 100 ms. El ruido de fase del láser de referencia se determina mediante otra medición de beatnote con un láser ultraestable comercial (Menlo ORS).

La estabilidad de frecuencia del dispositivo heterogéneo Si3N4-LiNbO3 de 102 GHz-FSR está limitada principalmente por las fluctuaciones del índice de refracción del material debido a las fluctuaciones relativamente grandes de la temperatura del material en la escala del microresonador, es decir, el ruido termo-refractivo. Para cuantificar el nivel de ruido en nuestro sistema, seguimos el enfoque basado en el teorema de fluctuación-disipación (FDT), descrito en las referencias. 39,40,41, que fue proporcionado originalmente por Levin y aplicado 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 energía, simulamos los niveles de ruido con el método de elementos finitos probando cómo el sistema se disipa en respuesta a una fuerza de sonda. Como 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 vector de radio r, para averiguarlo 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) que imita la distribución de campo, a nuestro sistema en la simulación. La potencia disipada Wdiss correspondiente en el sistema se recupera de la simulación y se utiliza para calcular la densidad espectral de potencia del ruido termorrefractivo \({S}_{\frac{{\delta }\omega }{\omega }}(\ ,f)\) en esta frecuencia particular usando FDT. La distribución del campo del dispositivo y la propagación del calor simuladas en los pasos descritos se realizan en COMSOL Multiphysics.

El diodo láser está acoplado por 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 sobre LiNbO3. La sintonización de la frecuencia del láser se logra bloqueando el láser a una resonancia de cavidad, fijando la corriente DFB y sintonizando la resonancia de la cavidad mediante el 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 ningún procesamiento previo o posterior (linealización) adicional para la rampa de frecuencia del láser para el experimento de alcance coherente. Utilizamos la resonancia de 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 involucró un escaneo láser de diodo sintonizable calibrado mediante un peine de frecuencia. Tomando los valores medidos de longitud óptica MZI y frecuencia de 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 objetivo (90%). La señal en la trayectoria 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 coincidir con el rango de distancia del objetivo de 3 m. Utilizamos el escáner galvo (Thorlabs GVS112) para la dirección del haz. Se controlaron dos espejos mediante señales de rampa lineal de frecuencias 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 recogieron 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 localizar los elementos de la escena en el espacio. Primero, se evaluaron las transformadas de Fourier de tiempo corto con relleno de ceros de los oscilogramas de notas de ritmo del objetivo y el MZI de referencia. Se utilizó la función de ventana de Blackman-Harris con el tamaño de la ventana establecido en un período de la señal modulada en frecuencia. En segundo lugar, los mapas de tiempo-frecuencia obtenidos se utilizaron para buscar en cualquier período de tiempo los valores de frecuencia correspondientes al pico de beatnote. Este conjunto se filtró para que solo se consideraran para un análisis posterior los puntos de datos con amplitudes de beatnote por encima de algún umbral. Luego restamos la distancia del láser al colimador para que la distancia de la nube de puntos esté dada 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 los componentes cartesianos de cada punto se calcularon a partir del perfil de voltaje aplicado a los galvoespejos.

Un láser de onda continua (CW) a 1550 nm de 300 μW de potencia procedente 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 red 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 regreso al puerto. 2 del analizador de redes.

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 de datos ampliados 1. La tabla compara diferentes sistemas láser sintonizables. sistemas en términos de rango de sintonización de frecuencia, velocidad de sintonización, linealidad, potencia de salida óptica y piso de ruido de frecuencia blanca. La comparación de rendimiento de diferentes plataformas integradas basadas en LiNbO32,55,56,57,58,59,60,61,62 se presenta en la Tabla de datos ampliados 2.

Los datos utilizados para producir los gráficos de este artículo 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.

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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 el acuerdo de subvención número 847471 (QUSTEC). También contó con el apoyo de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia en virtud del acuerdo de subvención número 186364 (QuantEOM) y 201923 (AMBIZIONE), así como de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR) con el número de concesión FA9550-19-1-0250. y por 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 en el Centro de Nanotecnología Binnig y Rohrer (BRNC) de 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 igualmente: 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, Zurich, 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 Zurich (ETH Zürich), Zurich, Suiza

Youri Popoff

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MC diseñó las máscaras de litografía y realizó simulaciones 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 químico mecánico para la unión. DC realizó la unión de la oblea. 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 aportaciones 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 nueva empresa que comercializa láseres de bajo ruido y frecuencia ágil basados ​​en circuitos integrados fotónicos de Si3N4.

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

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a 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 de las notas heterodinas para la frecuencia 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 en la primera fila se convierte en la rampa descendente en la tercera y viceversa. En la última fila (d), sumando los patrones de datos de la primera y tercera fila y restando el valor medio de la suma, se observan las desviaciones inducidas por la histéresis entre la rampa ascendente y la rampa descendente.

(a) Al aplicar una forma de onda de voltaje de rampa triangular a electrodos heterogéneos de dispositivos Si3N4-LiNbO3 con valores seleccionados de la frecuencia de modulación (10 kHz, 100 kHz y 1 MHz) y aumentar gradualmente la amplitud de pico a pico de la señal, se puede observar un crecimiento lineal. de la excursión de frecuencia de la 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 fotografía de la configuración para el experimento de alcance óptico coherente que contiene el objetivo: un donut de poliestireno montado en el escenario y una pared de la caja de instrumentos detrás, y el patrón de escaneo de los galvoespejos. ( b, c ) Los perfiles de señal de voltaje aplicados a dos galvoespejos que permiten dos grados de libertad angulares, ϕ y θ, para el escaneo, 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 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 impulsoras.

(a,d,g,j) Transmisión de bus-guía de ondas acoplado a microresonador heterogéneo Si3N4-LiNbO3 con rango espectral libre (FSR) 102 GHz (C11) desde 3 campos de la oblea y diferentes microresonadores en un chip (F7 WG3.3 , F1 GT3.3, F7 GT4.2, F5 GT4.1); ( b, e, h, k ) Pérdida de microresonador intrínseca dependiente de la frecuencia κ0/2π (verde) y acoplamiento bus-guía de ondas κex/2π (azul). (c,f,i,l) Histograma de la tasa de pérdida del microresonador intrínseco de la oblea D67_01b.

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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

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Recibido: 08 de octubre de 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

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