Proprietà del microlaser al niobato di litio

Il microlaser al niobato di litio offre larghezze di linea ultraristrette e sintonizzabilità della lunghezza d'onda, per sistemi ottici miniaturizzati per far avanzare il lidar, la metrologia e altro ancora

Il niobato di litio cristallino (LN) è considerato il “silicio della fotonica” per le sue eccezionali proprietà ottiche, tra cui un'ampia gamma di trasparenza e coefficienti piezoelettrici, acusto-ottici, non lineari ed elettro-ottici di secondo ordine, che sono fondamentali per la fotonica nell'ambito delle applicazioni di circuiti integrati (PIC).

Le recenti scoperte nella tecnologia della nanofabbricazione facilitano una varietà di dispositivi fotonici integrati ad alte prestazioni su LN a film sottile, come modulatori elettro-ottici ultraveloci, pettini di frequenza ottici a banda larga e convertitori di frequenza ottici ad alta efficienza.

Come componente indispensabile per i PIC, i microlaser su chip sono stati recentemente realizzati su un chip LN drogato con terre rare a varie bande di lunghezze d'onda (~1550 nm e 1030 nm). Per consentire molte applicazioni, che vanno dal lidar alla metrologia, i microlaser LN dovrebbero funzionare con larghezze di linea ultrastrette e sintonizzabilità della lunghezza d'onda elevata.

Un fattore Q elevato è un parametro chiave. Secondo la teoria di Schawlow-Townes, l'aumento del fattore Q porterà alla riduzione quadratica della larghezza di linea di un microlaser. La Q più alta i fattori dimostrati fino ad oggi sono quelli delle microcavità in modalità galleria sussurrante (WGM) in cui il confinamento della luce è ottenuto dalla riflessione interna totale continua attorno alla periferia circolare liscia.

Tuttavia, i WGM densi all'interno della larghezza di banda del guadagno ottico di solito danno origine a laser multimodali nella microcavità. In linea di principio, il laser monomodale può essere ottenuto riducendo le dimensioni della microcavità WGM, a causa dell'ampliamento della gamma spettrale libera (FSR). Sfortunatamente, una tale strategia porta inevitabilmente a una maggiore perdita di radiazioni, che è sfavorevole per la generazione di laser. Quindi rimane una sfida ottenere il laser a modalità singola su un risonatore a microdisco singolo.

Per affrontare questa sfida, gli scienziati dello Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, della East China Normal University, della Victoria University, della Zhejiang University e del Zhejiang Lab hanno recentemente dimostrato un laser microdisco LN drogato con erbio a larghezza di linea ultrasottile a singola frequenza.

Come riportato in Advanced Photonics, (1) essi hanno raggiunto questo obiettivo attraverso l'eccitazione simultanea di modalità poligonali ad alto Q a lunghezze d'onda sia della pompa che del laser. Hanno utilizzato l'incisione chemiomeccanica assistita dalla fotolitografia (PLACE) per fabbricare le microcavità LN integrate con i microelettrodi in modo controllabile ed economico. Le microcavità forniscono una superficie ultra liscia, che consente fattori Q ultra elevati per i WGM della cavità.

Le modalità poligonali sono state combinate in modo coerente da più WGM innescati da una debole perturbazione da una fibra rastremata. Le modalità poligonali sono sparse all'interno della larghezza di banda del guadagno ottico rispetto alla controparte WGM, mentre i loro fattori Q rimangono ultra elevati (ad esempio, ~ 10 milioni), risultando in un laser a frequenza singola con una larghezza di linea stretta fino a 322 Hz. Inoltre, il sistema offre una regolazione elettro-ottica in tempo reale della lunghezza d'onda del microlaser, grazie al forte coefficiente elettro-ottico lineare di LN; il team di ricerca ha dimostrato un'elevata efficienza di sintonizzazione di ~ 50 pm/100 V.

La formazione di modalità poligonali coerenti con fattori Q ultra elevati garantisce la realizzazione di microlaser a larghezza di linea stretta monomodali in singoli microdischi LN, il che ha implicazioni significative per i sistemi ottici miniaturizzati che devono incorporare sorgenti laser altamente coerenti. Un'ulteriore esplorazione delle forti proprietà piezoelettriche, acusto-ottiche e non lineari del secondo ordine del substrato LN promette di migliorare le prestazioni e la funzionalità del laser a microdisco monomodale, per aggirare la necessità di integrazioni eterogenee.

Riferimenti:

(1) Electro-optic tuning of a single-frequency ultranarrow linewidth microdisk laser

Descrizione foto: Modalità poligonale combinata coerente per laser microdisco a larghezza di linea ultra-stretta e frequenza singola. - Credit: Jintian Lin, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tunable single-mode lasing on a high-Q resonator