Lithiumniobat-Dünnfilme (TFLN) mit den erheblichen Vorteilen eines breiten Transparenzfensters, eines hohen Brechungsindex und großer akusto-optischer/elektrooptischer/nichtlinearer optischer Koeffizienten haben sich als vielversprechende Materialplattform für die Herstellung von hochentwickelten Materialien erwiesen. leistungsstarke photonische integrierte Geräte für klassische und Quantenanwendungen, bei denen inzwischen photonische Geräte wie verlustarme Wellenleiter, hochwertige Mikroresonatoren, Hochgeschwindigkeitsmodulatoren und hocheffiziente optische Frequenzwandler realisiert wurden. Allerdings mangelt es einkristallinem Lithiumniobat an effektiven Lumineszenz- und Nachweisfähigkeiten.
Vor kurzem haben sich mit Seltenerdionen dotierte Lithiumniobatkristalle als praktische Lösung für die Realisierung der optischen Verstärkungsfunktion von TFLN-Plattformen erwiesen, und mit Seltenerdionen dotierte optisch gepumpte Mikrolaser wurden experimentell demonstriert. Mit Seltenerdionen dotierte Laser bieten die Vorteile einer großen Bandbreite, Polarisationsunempfindlichkeit, hoher Anwendbarkeitstemperatur und guter Kompatibilität. Darüber hinaus sind mit seltenen Erden dotierte Laser vielversprechender bei der Erzielung hoher Ausgangsleistungen, modengekoppeltem Betrieb und kohärenten Strahlkombinationen. Allerdings werden derzeit alle mit seltenen Erden dotierten TFLN-Laser optisch durch externe Laser gepumpt, die über optische Fasern verbunden sind, was die Entwicklung integrierter Photonik auf TFLNs behindert.
Kürzlich wurde vom Team von Prof. Cheng Ya an der East China Normal University ein kompakter Hybrid-Lithiumniobat-Mikroringlaser demonstriert. Abbildung 1 zeigt ein schematisches Diagramm des vorgeschlagenen kompakten hybriden Lithiumniobat-Mikroringlasers, der von einem Halbleiterlaser gepumpt wird und aus einem kommerziell erhältlichen Halbleiterlaser mit CoS-Gehäuse und einem hochqualitativen Er3 plus-dotierten Mikroring besteht. Die Ausrichtung zwischen dem Eingangsanschluss des Mikrorings und dem Ausgangsanschluss der CoS-gekapselten Halbleiterlaserröhre wird durch ein {{10}}Achsen-Ausrichtungssystem mit einer einstellbaren Genauigkeit von 10 nm erreicht, das in wiederum ermöglicht eine effiziente optische Kopplung. Um eine stabile und dichte Verbindung zu erreichen, wird UV-Kleber mit einem Dispenser aufgetragen und die beiden Chips durch UV-Bestrahlung fixiert. Der Schlüssel zu dieser Arbeit liegt darin, dass der Er3plus-dotierte Mikroring bei der Pumpwellenlänge des Halbleiterlasers einen hohen Q-Wert aufweist. Wie in Abb. 2 dargestellt, beträgt die Mittenwellenlänge des Pumplasers des Halbleiters 976,24 nm, und bei dieser Wellenlänge beträgt der Q-Wert des Mikrorings 7,3×105. Die Mittenwellenlänge des Lasers, der durch den mit Er3 plus dotierten Mikroring unter dem Pumplicht erzeugt wird, beträgt 1531,27 nm, und die Linienbreite des Lasers beträgt 0,05 nm, und die Einmoden-Laseremission ist auf den modenabhängigen Verlust und zurückzuführen Konkurrenz gewinnen. Darüber hinaus ist die Linienbreite des emittierten Lasers zwei Größenordnungen schmaler als die Linienbreite des Pumplichts, das vom CoS-Halbleiterlaser erzeugt wird.
Abb. 1. (a) Schematische Darstellung eines kompakten Hybrid-Lithiumniobat-Mikroringlasers, bestehend aus einem CoS-verpackten Halbleiterlaser und einem Er:TFLN-Mikroringlaser mit hoher Güte. (b) Draufsicht auf den kompakten Hybrid-Lithiumniobat-Mikroringlaser. (c) Nahaufnahme der Grenzfläche zwischen dem CoS-gekapselten Halbleiterlaser und dem Er:TFLN-Mikroring unter einem optischen Mikroskop.
Abb. 2. (a) Q des Mikrorings bei 976 nm beträgt 7,3 × 105. (b) Q des Mikrorings bei 1531 nm beträgt 1,85 × 105. (c) Spektrum nahe der Mittenwellenlänge des Halbleiterlasers. (d) Spektrum nahe der Wellenlänge des mit Er3 plus dotierten Mikrorings, der einen Einzelfrequenzlaser bei 1531,27 nm mit einer Linienbreite von 0,05 nm emittiert.
In dieser Arbeit wird eine leistungsstarke hybride Lithiumniobat-Mikroringlaserquelle untersucht, die potenzielle Anwendungen in der kohärenten optischen Kommunikation und Präzisionsmesstechnik bietet. Die Ergebnisse werden online in OpticsLetters veröffentlicht.
