Когерентный комбинированный полигональный режим для одночастотного микродискового лазера со сверхтонкой шириной линии. Авторы и права: Цзиньтянь Линь, Шанхайский институт оптики и точной механики.

В качестве обязательного компонента для PIC встроенные микролазеры недавно были реализованы на чипе LN, легированном редкоземельными элементами, в различных диапазонах длин волн (~ 1550 нм и 1030 нм). Чтобы использовать множество приложений — от лидара до метрологии — микролазеры LN должны работать со сверхтонкой шириной линии и высокой возможностью перестройки длины волны.

Ключевым параметром является высокая добротность. Согласно теории Шавлова-Таунса увеличение добротности приводит к квадратичному уменьшению ширины линии микролазера. Самые высокие коэффициенты добротности, продемонстрированные на сегодняшний день, имеют микрорезонаторы в режиме шепчущей галереи (WGM), где удержание света достигается за счет непрерывного полного внутреннего отражения вокруг гладкой круглой периферии. Однако плотные МШГ в полосе оптического усиления обычно вызывают многомодовую генерацию в микрорезонаторе. В принципе одномодовая генерация может быть реализована за счет уменьшения размера микрорезонатора МШГ за счет расширения свободного спектрального диапазона (ССП). К сожалению, такая стратегия неизбежно приводит к повышенным потерям излучения, что неблагоприятно для лазерной генерации. Таким образом, остается проблемой достижение одномодовой генерации на одномикродисковом резонаторе.

Одночастотный микродисковый лазер со сверхтонкой шириной линии: (а) Спектр одномодовой генерации, вставка: микродиск, соединенный с коническим волокном, где масштабная линейка составляет 10 мкм. (b) Выходная мощность лазера в зависимости от мощности накачки, падающей на резонатор, показывает порог накачки 25 мкВт. (c) Спектр обнаруженного сигнала биений для двух независимых микролазеров, указывающий на ширину линии лазера 322 Гц. (d) Распределение интенсивности экспериментальных многоугольных мод и смоделированных аналогов, а также перекрытие режима накачки и режима генерации 0,86. Кредит: Лин и др.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Шанхайского института оптики и точной механики, Восточно-китайского педагогического университета, Университета Виктории, Чжэцзянского университета и лаборатории Чжэцзян недавно продемонстрировали уникальный одночастотный микродисковый лазер LN со сверхтонкой шириной линии, легированный эрбием. Как сообщается в Advanced Photonics , они достигли этого за счет одновременного возбуждения высокодобротных полигональных мод на длинах волн как накачки, так и лазера. Они использовали химико-механическое травление с помощью фотолитографии (PLACE) для изготовления микрополостей LN, интегрированных с микроэлектродами, контролируемым и экономичным способом. Микрорезонаторы обеспечивают сверхгладкую поверхность, что обеспечивает сверхвысокую добротность резонаторных МШГ.

Многоугольные моды были когерентно объединены несколькими МШГ, вызванными слабыми возмущениями от сужающегося волокна. Полигональные моды разрежены в полосе оптического усиления по сравнению с аналогом WGM, в то время как их добротность остается сверхвысокой (например, ~ 10 миллионов), что приводит к одночастотной генерации с шириной линии всего 322 Гц. Кроме того, система предлагает электрооптическую настройку длины волны микролазера в реальном времени благодаря сильному линейному электрооптическому коэффициенту LN; исследовательская группа продемонстрировала высокую эффективность настройки ~ 50 пм/100 В.

Формирование когерентных полигональных мод со сверхвысокой добротностью обеспечивает реализацию одномодовых микролазеров с узкой шириной линии в одиночных микродисках LN, что имеет важное значение для миниатюрных оптических систем , которые должны включать высококогерентные лазерные источники. Дальнейшее изучение сильных пьезоэлектрических, акустооптических и нелинейных свойств второго порядка подложки LN обещает улучшить производительность и функциональность одномодового микродискового лазера, чтобы обойти необходимость гетерогенных интеграций.