[논문 리뷰] Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics

Viacheslav Snigirev, Annina Riedhauser외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 03.

Photonic and Optical Devices인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 이방성 리튬니오브산탄(리튬니오브산탄) 기반의 고체광학 집적회로(LNOD)를 사용하여 최초로 자기주입 잠금(self-injection-locked), 초고속으로 주파수를 조절할 수 있는 레이저를 제안한다. 웨이퍼 복합 공정을 통해 초저손실 Si3N4 웨이브가이드와 전기광학적 성질을 지닌 박막 리튬니오브산탄을 통합함으로써, 이 플랫폼은 3 kHz의 내재된 선폭(선폭)과 12 × 10^15 Hz/s의 주파수 조절 속도를 실현하여 개념 증명 단계의 FMCW 라이다 실험에서 15 cm의 거리 해상도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공진기 기반의 협대역 레이저 소스를 개발하여, 간섭형 라이다 및 광학 센싱 응용 분야에서 초고속, 선형적이고 모드 점프 없는 주파수 조절을 실현한다.
• 기존 집적 레이저의 한계를 극복하기 위해 실리콘 질화물의 저손실 특성과 리튬니오브산탄의 고전기광학 계수를 융합한다.
• 반도체 광학 간섭 촬영 및 마이크로파-광학 양자 인터페이스와 같은 고정밀 응용 분야에 적합한 칩스케일 협대역 레이저를 실현한다.
• 저위상 노이즈 및 고Q 인덕터를 유지하면서도 고속 전기광학 조절을 실현하는 하이브리드 플랫폼을 활용한다.
• 삼각파형 전압 램프를 적용하여 주파수 변조 연속파(FMCW) 라이다 실험을 통해 1m 이내의 해상도를 입증한다.

제안 방법

• 웨이퍼 수준의 복합 공정을 통해 초저손실, 다마스케인 처리된 실리콘 질화물(Si3N4) 웨이브가이드와 박막 리튬니오브산탄(LNOI)을 이방성 통합한다.
• 심층 자외선(DUV) 스테퍼 리소그래피 및 고온 리플로우 공정을 통해 초미세 표면 거칠기를 확보하여 고수율의 접합을 달성한다.
• 알루미나의 원자층 증착(ALD) 및 LiNbO3의 물리적 에칭을 통해 결합 패시브를 정의하고 Si3N4 웨이브가이드로의 저손실 광 커플링을 가능하게 한다.
• III–V 반도체 레이저 다이오드를 고Q의 LNOD 마이크로레지오너터에 자기주입 잠금하여 협대역 레이저 작동을 실현한다.
• LNOD 칩의 전극에 삼각파형 전압 램프를 적용하여 전기광학 주파수 조절 속도를 12 × 10^15 Hz/s로 실현하고, 고선형성과 저히스테리시스를 확보한다.
• 갈바노 스캔 시스템과 동위상 검출을 사용하여 FMCW 라이다 실험을 수행하고, 15 cm 이내의 고해상도 거리 측정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 리튬니오브산탄–실리콘 질화물 플랫폼이 1kHz 이하 선폭과 초고속 주파수 조절을 가능하게 하는 자기주입 잠금 레이저를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이방성 통합된 LNOD 플랫폼에서 전기광학 주파수 조절의 도달 가능한 조절 속도와 선형성은 어느 정도인가?
• RQ3 이 플랫폼은 실험실 환경에서 15 cm 이내의 고해상도 FMCW 라이다를 지원할 수 있는가?
• RQ4 초저손실 Si3N4와 고전기광학 계수 LiNbO3의 조합이 기존 집적 레이저 플랫폼 대비 위상 노이즈와 선폭을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 이방성 통합 과정이 저손실 전파 및 고Q 인덕터를 유지하면서도 효율적인 전기광학 조절을 가능하게 하는가?

주요 결과

• LNOD 플랫폼은 내재된 레이저 선폭 3 kHz를 달성하여 자유 주행 레이저 다이오드 대비 주파수 노이즈를 20 dB 감소시켰다.
• 전기광학 주파수 조절 속도는 12 페타헤르츠/초(12 × 10^15 Hz/s)에 도달하여 초고속, 모드 점프 없는 주파수 민첩성을 실현했다.
• 고Q 공진기에서 시스템은 적재된 선폭 100 MHz를 확보하였고, 100 MHz까지 평탄한 작동 대역폭을 확보하였다.
• FMCW 라이다 실험에서 갈바노 스캔 거울을 사용한 실험실 기반 장비로 15 cm의 거리 해상도를 달성하였다.
• 하이브리드 플랫폼은 전파 손실 8.5 dB/m 및 한 면당 삽입 손실 3.9 dB를 보이며, CMOS 호환 전압 및 고출력 작동에 적합함을 확인하였다.
• 주파수 조절에서 히스테리시스가 최소화되었고, 상향 및 하향 램프 간의 편차는 측정 가능한 한계 이하로 유지되어 고선형성과 재현성을 입증하였다.