Neues Hochleistungs-Lasersystem für optische Anwendungen
Ein kompaktes Lasersystem mit TFLN zeigt tolle Leistung und Stabilität.
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Inhaltsverzeichnis
Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) wird immer wichtiger für die Entwicklung fortschrittlicher optischer Systeme. Diese Systeme haben viele Anwendungen, von Kommunikationstechnologien bis zu Mikrowellengeräten. Ein entscheidender Teil dieser Systeme ist der Laser, der oft kompakt und leistungsstark sein muss. Obwohl es schon viele Komponenten gibt, die gut mit TFLN funktionieren, war es eine grosse Herausforderung, einen Hochleistungslaser zu entwickeln, der leicht einstellbar ist.
Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher eine einzigartige Art von Laser entwickelt, der eine Methode namens photonische Drahtbondierung verwendet. Diese Methode ermöglicht es, optische Verstärker mit einem Feedback-Schaltkreis aus TFLN zu kombinieren. Das Ergebnis ist ein Laser, der einen beeindruckenden Output von 78 mW produziert und seine Wellenlänge über einen Bereich von 43 nm anpassen kann. Der Laser hat auch eine hervorragende Stabilität mit einer sehr schmalen intrinsischen Linienbreite von nur 550 Hz. Das bedeutet, dass die Frequenz des Lasers über die Zeit stabil bleibt, was ihn für Hochpräzisionsanwendungen geeignet macht.
Integrierte Photonik bietet viele potenzielle Vorteile wie reduzierte Kosten, Energieeffizienz und die Möglichkeit, grössere Systeme zu schaffen. TFLN hat im Vergleich zu anderen Materialien klare Vorteile. Es hat einen hohen elektro-optischen Koeffizienten, was es sehr effizient für Geräte wie Modulatoren macht. Seine Eigenschaften ermöglichen effektive nichtlineare Prozesse, die in vielen optischen Anwendungen essenziell sind. TFLN lässt Licht zudem mit minimalem Verlust über einen breiten Wellenlängenbereich durch.
In den letzten zehn Jahren haben Forscher erfolgreich verschiedene TFLN-Komponenten wie Modulatoren, Superkontinuum-Generierung und Frequenzumwandlung demonstriert. Eine wesentliche Komponente, die noch entwickelt werden muss, ist ein Laser, der in Bezug auf Ausgangsleistung und Wellenlänge leicht einstellbar ist. Ein solcher Laser würde vollständig integrierte photonische Systeme ermöglichen, ohne dass sperrige externe Laser benötigt werden.
Der neue Laser kombiniert Verstärker aus Indiumphosphid (InP) mit einem TFLN-Feedback-Schaltkreis. Das gesamte System ist über photonische Drahtbonds verbunden, die dünne optische Verbindungen schaffen, die verlustarme Wege für Licht bilden. Der Laser besteht aus zwei Verstärkern, die zusammenarbeiten, um die Ausgangsleistung erheblich zu steigern. Das Design beinhaltet einen Vernier-Filter, der hilft, die Ausgangswellenlänge fein abzustimmen und auch den Laserkavität zu verlängern.
Der Prozess zur Erstellung dieses Lasers besteht darin, die einzelnen Komponenten wie Verstärker und TFLN-Schaltungen zuerst separat zu bauen. Sobald diese bereit sind, werden sie ausgerichtet und mithilfe der photonischen Drahtbondierung verbunden. Diese Methode ermöglicht eine präzise Platzierung der Komponenten, sodass das Signal mit minimalem Verlust durch das System reisen kann.
Ein wesentlicher Vorteil dieses neuen Ansatzes ist, dass verschiedene Teile des Lasers in spezialisierten Einrichtungen hergestellt werden können. Dadurch wird eine hochwertige Fertigung für jede Komponente sichergestellt. Sind die Teile bereit, werden sie vorsichtig auf einer gemeinsamen Basis ausgerichtet, bevor die photonischen Drahtbonds angewendet werden. Dieser Schritt ist entscheidend, um die optische Leistung aufrechtzuerhalten.
Der Laser selbst ist so gestaltet, dass die Ausgangsleistung durch das Anwenden unterschiedlicher Ströme auf die Verstärker angepasst werden kann. Die Forscher fanden heraus, dass durch das Ändern der Ströme der Laser eine lineare Steigerung der Ausgangsleistung erzeugen kann. Bei optimalen Strömen erreichte der Laser eine maximale Ausgangsleistung von 78 mW, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren Designs darstellt.
Der Laser zeigt hervorragende Leistungseigenschaften, einschliesslich der Fähigkeit, unerwünschte Nebenmoden erheblich zu unterdrücken. Das bedeutet, dass er bei einer einzelnen Frequenz operieren kann, was für viele Anwendungen entscheidend ist. Auch die Wellenlänge des Lasers kann über einen breiten Bereich eingestellt werden, weit über das hinaus, was mit ähnlichen Geräten bisher erreicht wurde.
Für die kurzfristige Stabilität zeigt der Laser eine ultra-schmale intrinsische Linienbreite, die seine Eignung für rauschfreie Anwendungen bestätigt. Tests zeigen, dass der Laser diese stabile Frequenz über die Zeit aufrechterhalten kann, mit nur geringen Schwankungen. Das Design ermöglicht es dem Laser, über längere Zeiträume kontinuierlich zu arbeiten, was seine Robustheit bestätigt.
In einer Langzeitbewertung arbeitete der Laser ohne Modensprünge 58 Stunden lang, was für diese Art von Gerät beeindruckend ist. Während dieser Zeit blieb die Ausgangsleistung stabil und zeigte eine ausgezeichnete passive Frequenzstabilität. Diese Ergebnisse sind vielversprechend für zukünftige Anwendungen, bei denen konsistente Leistung entscheidend ist.
Trotz dieser starken Ergebnisse bleiben einige Herausforderungen. Wenn der Laser bei höheren Strömen betrieben wird, kann er manchmal von einem Einzelmodus- in einen Mehrmodusbetrieb umschalten. Dieses Verhalten ähnelt dem, was auch in anderen Laserd designs beobachtet wurde. Verbesserungen in der Verbindung zwischen den InP-Verstärkern und den TFLN-Schaltungen könnten die Leistung weiter steigern.
Ein weiteres Anliegen ist die Langlebigkeit des Lasers. Im Laufe der Zeit bemerkten die Forscher einen allmählichen Rückgang der maximalen Ausgangsleistung, was auf das Eindringen von Feuchtigkeit in die Materialien zurückzuführen ist. Obwohl Massnahmen ergriffen wurden, um dies zu mindern, wird die laufende Entwicklung darauf abzielen, die Haltbarkeit und Langlebigkeit der Komponenten zu verbessern.
Zukünftige Verbesserungen werden sich darauf konzentrieren, die Leistung und Effizienz des Lasers zu steigern. Durch die Optimierung der Verbindungen und die Reduzierung von Verlusten im System erwarten die Forscher, noch höhere Ausgangsleistungen zu erzielen. Die fortlaufende Entwicklung der photonischen Drahtbondierungstechnologie könnte auch die Integration weiterer Komponenten in ein einziges System ermöglichen und den Weg für noch fortschrittlichere Anwendungen ebnen.
Zusammenfassend stellt dieses neue Hochleistungslasersystem auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat einen bedeutenden Fortschritt in der integrierten Photonik dar. Es zeigt das Potenzial zur Schaffung kompakter, effizienter und hochstabiler Laser, die den Anforderungen moderner Anwendungen gerecht werden können. Mit fortlaufender Forschung und Entwicklung werden diese Systeme eine wichtige Rolle in der Zukunft der optischen Technologien spielen.
Titel: High-power and narrow-linewidth laser on thin-film lithium niobate enabled by photonic wire bonding
Zusammenfassung: Thin-film lithium niobate (TFLN) has emerged as a promising platform for the realization of high performance chip-scale optical systems, spanning a range of applications from optical communications to microwave photonics. Such applications rely on the integration of multiple components onto a single platform. However, while many of these components have already been demonstrated on the TFLN platform, to date, a major bottleneck of the platform is the existence of a tunable, high-power, and narrow-linewidth on-chip laser. Here, we address this problem using photonic wire bonding to integrate optical amplifiers with a thin-film lithium niobate feedback circuit, and demonstrate an extended cavity diode laser yielding high on-chip power of 78 mW, side mode suppression larger than 60 dB and wide wavelength tunability over 43 nm. The laser frequency stability over short timescales shows an ultra-narrow intrinsic linewidth of 550 Hz. Long-term recordings indicate a high passive stability of the photonic wire bonded laser with 58 hours of mode-hop-free operation, with a trend in the frequency drift of only 4.4 MHz/h. This work verifies photonic wire bonding as a viable integration solution for high performance on-chip lasers, opening the path to system level upscaling and Watt-level output powers.
Autoren: Cornelis A. A. Franken, Rebecca Cheng, Keith Powell, Georgios Kyriazidis, Victoria Rosborough, Juergen Musolf, Maximilian Shah, David R. Barton, Gage Hills, Leif Johansson, Klaus-J. Boller, Marko Lončar
Letzte Aktualisierung: 2024-07-05 00:00:00
Sprache: English
Quell-URL: https://arxiv.org/abs/2407.00269
Quell-PDF: https://arxiv.org/pdf/2407.00269
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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