Modo de polígono combinado coherente para láser de microdisco de frecuencia única y ancho de línea ultraestrecho. Crédito:Jintian Lin, Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai.
El niobato de litio cristalino (LN) se considera el "silicio de la fotónica" debido a sus excelentes propiedades ópticas, que incluyen una amplia ventana de transparencia y altos coeficientes piezoeléctricos, acústico-ópticos, no lineales de segundo orden y electro-ópticos, que son críticos para la fotónica. aplicaciones de circuitos integrados (PIC). Los avances recientes en la tecnología de nanofabricación facilitan una variedad de dispositivos fotónicos integrados de alto rendimiento en LN de película delgada, como moduladores electroópticos ultrarrápidos, peines de frecuencia óptica de banda ancha y convertidores de frecuencia óptica de alta eficiencia.
Como componente indispensable para los PIC, los microláseres en chip se han realizado recientemente en un chip LN dopado con tierras raras en varias bandas de longitud de onda (~1550 nm y 1030 nm). Para habilitar muchas aplicaciones, que van desde lidar hasta metrología, los microláseres LN deben operar con anchos de línea ultraestrechos y alta capacidad de sintonización de longitud de onda.
Un factor Q alto es un parámetro clave. De acuerdo con la teoría de Schawlow-Townes, aumentar el factor Q conducirá a una reducción cuadrática del ancho de línea de un microláser. Los factores Q más altos demostrados hasta la fecha son los de las microcavidades del modo de galería susurrante (WGM) donde el confinamiento de la luz se logra mediante la reflexión interna total continua alrededor de la periferia circular suave. Sin embargo, los WGM densos dentro del ancho de banda de ganancia óptica generalmente dan lugar a láser multimodo en la microcavidad. En principio, el láser monomodo se puede lograr reduciendo el tamaño de la microcavidad WGM, debido a la ampliación del rango espectral libre (FSR). Desafortunadamente, tal estrategia conduce inevitablemente a una mayor pérdida de radiación, lo que es desfavorable para la generación de láser. Por lo tanto, sigue siendo un desafío lograr un láser monomodo en un resonador de un solo microdisco.
Láser de microdisco de ancho de línea ultraestrecho de frecuencia única:(a) Espectro de láser monomodo, Recuadro:el microdisco acoplado con una fibra cónica, donde la barra de escala es de 10 μm. (b) La potencia de salida del láser frente a la potencia de la bomba caída en la cavidad muestra un umbral de bomba de 25 μW. ( c ) El espectro de la señal de latido detectada para dos microláseres independientes, que indica un ancho de línea láser de 322 Hz. ( d ) Las distribuciones de intensidad de los modos poligonales experimentales y las contrapartes simuladas, y la superposición del modo de bomba y el modo láser es 0.86. Crédito:Lin et al.
Para hacer frente a este desafío, los investigadores del Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái, la Universidad Normal de China Oriental, la Universidad de Victoria, la Universidad de Zhejiang y el Laboratorio de Zhejiang demostraron recientemente un láser de microdisco LN dopado con erbio de ancho de línea ultraestrecho de frecuencia única. Como se informó en Advanced Photonics , lograron esto a través de la excitación simultánea de modos de polígono de alto Q en longitudes de onda de bomba y láser. Utilizaron grabado quimiomecánico asistido por fotolitografía (PLACE) para fabricar las microcavidades LN integradas con microelectrodos de una manera controlable y rentable. Las microcavidades proporcionan una superficie ultrasuave, lo que permite factores Q ultraaltos para los WGM de cavidad.
Los modos de polígono se combinaron coherentemente por múltiples WGM activados por una perturbación débil de una fibra cónica. Los modos poligonales son escasos dentro del ancho de banda de ganancia óptica en comparación con la contraparte WGM, mientras que sus factores Q siguen siendo muy altos (p. ej., ~10 millones), lo que da como resultado un láser de frecuencia única con un ancho de línea tan estrecho como 322 Hz. Además, el sistema ofrece ajuste electroóptico en tiempo real de la longitud de onda del microláser, gracias al fuerte coeficiente electroóptico lineal de LN; el equipo de investigación demostró una alta eficiencia de sintonización de ~50 pm/100 V.
La formación de modos poligonales coherentes con factores Q ultraaltos garantiza la realización de microláseres de ancho de línea estrecho monomodo en microdiscos LN únicos, lo que tiene implicaciones significativas para los sistemas ópticos miniaturizados que deben incorporar fuentes láser altamente coherentes. La exploración adicional de las fuertes propiedades piezoeléctricas, acústico-ópticas y no lineales de segundo orden del sustrato LN promete mejorar el rendimiento y la funcionalidad del láser de microdisco monomodo, para evitar la necesidad de integraciones heterogéneas. Control de modo para láseres de microrresonadores cuadrados aptos para integración
