[論文レビュー] Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics

Viacheslav Snigirev, Annina Riedhauser+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、ホモジュネアスなリチウムニオブート化物/シリコンナイトライド（LNOD）フォトニクス集積回路を用いた、初めての自己注入ロック型、超高速可変周波数レーザーを提案する。ウェーハボンディングにより、超低損失なSi3N4波導と電気光学効果を示す薄膜リチウムニオブート化物を統合することで、プラットフォームは3 kHzの固有線幅を実現し、周波数変調速度が12ペタヘルツ/秒に達する。これにより、概念実証のFMCW LiDAR実験で15 cmの距離分解能を達成した。

ABSTRACT

Recent advances in the processing of thin-film LNOI have enabled low-loss photonic integrated circuits, modulators with improved half-wave voltage, electro-optic frequency combs and novel on-chip electro-optic devices, with applications ranging from 5G telecommunication and microwave photonics to microwave-to-optical quantum interfaces. Lithium niobate integrated photonic circuits could equally be the basis of integrated narrow-linewidth frequency-agile lasers. Pioneering work on polished lithium niobate crystal resonators has led to the development of electrically tunable narrow-linewidth lasers. Here we report low-noise frequency-agile lasers based on lithium niobate integrated photonics and demonstrate their use for coherent laser ranging. This is achieved through heterogeneous integration of ultra-low-loss silicon nitride photonic circuits with thin-film lithium niobate via direct wafer bonding. This platform features low propagation loss of 8.5 dB/m enabling narrow-linewidth lasing (intrinsic linewidth of 3 kHz) by self-injection locking to a III-V semiconductor laser diode. The hybrid mode of the resonator allows electro-optical laser frequency tuning at a speed of 12 PHz/s with high linearity, low hysteresis and while retaining narrow linewidth. Using this hybrid integrated laser, we perform a proof-of-concept FMCW LiDAR ranging experiment, with a resolution of 15 cm. By fully leveraging the high electro-optic coefficient of lithium niobate, with further improvements in photonic integrated circuits design, these devices can operate with CMOS-compatible voltages, or achieve mm-scale distance resolution. Endowing low loss silicon nitride integrated photonics with lithium niobate, gives a platform with wide transparency window, that can be used to realize ultrafast tunable lasers from the visible to the mid-infrared, with applications from OCT and LiDAR to environmental sensing.

研究の動機と目的

• コherent LiDAR や光センシング用途に適した、コンパクトで統合型の、超高速かつ線形的でモードホップのない周波数変調が可能なレーザー源の開発。
• 既存の統合レーザーの限界を克服するため、シリコンナイトライドの低損失特性とリチウムニオブート化物の高い電気光学係数を組み合わせること。
• 光学コherenceトモグラフィーやマイクロ波〜光量子インターフェースなど、高精度応用に適したチップスケールの狭帯域レーザーの実現。
• 低位相ノイズと高Qファクターを維持したまま、ハイブリッドプラットフォームを用いて高速な電気光学的周波数変調を実現すること。
• 周波数変調連続波（FMCW）LiDAR実験を通じて、実用的価値を実証し、1m未満の分解能を達成すること。

提案手法

• ウェーハスケールボンディングを用いた、低損失でダメスケン加工されたシリコンナイトライド（Si3N4）波導と薄膜リチウムニオブート化物（LNOI）のヘテロジニアス統合。
• 深紫外線（DUV）ステッパー光リソグラフィーと高溫リフロー処理を用い、サブナノメートルレベルの表面粗さを実現し、高効率ボンディングを達成。
• アルミナの原子層エピタクシー（ALD）とLiNbO3の物理エッチングを用いて、結合フェーストを定義し、Si3N4波導への低損失光結合を可能にした。
• III-V半導体レーザーダイオードを高QのLNODマイクロレゾネータに自己注入ロックすることで、狭帯域レーザー発振を実現。
• LNODチップの電極に三角波電圧ラムプを印加し、12 × 10^15 Hz/sの高い線形性と低ヒステリシスを達成する電気光学的周波数変調を実現。
• ガルバノスキャン系とアンビダイン検出を用いたFMCW LiDAR実験により、15 cm未満の分解能で距離測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドリチウムニオブート化物-シリコンナイトライドプラットフォームは、1 kHz未満の線幅と超高速変調を実現する自己注入ロック型レーザーを可能にするか？
• RQ2 ヘテロジニアス統合LNODプラットフォームにおける電気光学的周波数変調の達成可能な変調速度と線形性はどの程度か？
• RQ3 このプラットフォームは、ラボ環境下で15 cm未満の距離分解能を達成できるFMCW LiDARをサポートできるか？
• RQ4 超低損失Si3N4と高電気光学係数LiNbO3の組み合わせは、既存の統合レーザープラットフォームと比較して、位相ノイズと線幅をどのように改善するか？
• RQ5 ヘテロジニアス統合は、低損失伝送と高Qファクターを維持しながら、効率的な電気光学モード変調を可能にするか？

主な発見

• LNODプラットフォームは、自由運転レーザーダイオードと比較して周波数ノイズが20 dB低減した3 kHzの固有線幅を達成した。
• 電気光学的変調速度は12ペタヘルツ/秒（12 × 10^15 Hz/s）に達し、超高速かつモードホップのない周波数の俊敏性を実現した。
• 高Qレゾネータでは、負荷線幅が100 MHzであり、100 MHzまで平坦な駆動帯域が得られた。
• FMCW LiDAR実験では、ガルバノスキャンミラーを用いたラボベースのセットアップで15 cmの距離分解能を達成した。
• ハイブリッドプラットフォームは、伝送損失が8.5 dB/m、1フェーストあたりの挿入損失が3.9 dBであり、CMOS互換電圧と高出力動作に適していることが確認された。
• 周波数変調におけるヒステリシスは最小限に抑えられ、上行と下行のラムプ間の偏差は測定可能な範囲を下回り、高い線形性と再現性を確認した。