Ultraschnelle abstimmbare Laser mit integrierter Lithiumniobat-Photonik

Nature Band 615, Seiten 411–417 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Frühe Arbeiten1 und jüngste Fortschritte bei Dünnschicht-Lithiumniobat (LiNbO3) auf Isolatoren haben verlustarme photonische integrierte Schaltkreise2,3, Modulatoren mit verbesserter Halbwellenspannung4,5, elektrooptische Frequenzkämme6 und elektrooptische Geräte auf dem Chip ermöglicht , mit Anwendungen, die von Mikrowellenphotonik bis hin zu Mikrowellen- und optischen Quantenschnittstellen reichen7. Obwohl jüngste Fortschritte abstimmbare integrierte Laser auf Basis von LiNbO3 gezeigt haben (Ref. 8,9), wurde das volle Potenzial dieser Plattform zur Demonstration frequenzagiler integrierter Laser mit schmaler Linienbreite noch nicht ausgeschöpft. Hier berichten wir über einen solchen Laser mit einer schnellen Abstimmrate, der auf einer hybriden photonischen Plattform aus Siliziumnitrid (Si3N4) und LiNbO3 basiert, und demonstrieren seine Verwendung für die kohärente Laserentfernungsmessung. Unsere Plattform basiert auf der heterogenen Integration extrem verlustarmer photonischer integrierter Si3N4-Schaltkreise mit Dünnschicht-LiNbO3 durch direktes Bonden auf Waferebene, im Gegensatz zur zuvor demonstrierten Integration auf Chiplet-Ebene10, die sich durch einen geringen Ausbreitungsverlust von 8,5 Dezibel pro Meter auszeichnet und eine schmale Bauweise ermöglicht -Linienbreitenlaser (intrinsische Linienbreite von 3 Kilohertz) durch Selbstinjektionskopplung mit einer Laserdiode. Der Hybridmodus des Resonators ermöglicht eine elektrooptische Laserfrequenzabstimmung mit einer Geschwindigkeit von 12 × 1015 Hertz pro Sekunde mit hoher Linearität und geringer Hysterese unter Beibehaltung der schmalen Linienbreite. Mit einem hybriden integrierten Laser führen wir ein Proof-of-Concept-Experiment mit kohärenter optischer Entfernungsmessung (FMCW LiDAR) durch. Durch die Ausstattung photonischer integrierter Si3N4-Schaltkreise mit LiNbO3 entsteht eine Plattform, die die einzelnen Vorteile von Dünnschicht-LiNbO3 mit denen von Si3N4 kombiniert, die sich durch präzise lithografische Steuerung, ausgereifte Fertigung und extrem geringe Verluste auszeichnen11,12.

Lithiumniobat (LiNbO3) ist ein attraktives Material für elektrooptische Geräte und wird seit vielen Jahrzehnten häufig verwendet. Es weist ein breites Transparenzfenster von ultravioletten bis mittleren Infrarotwellenlängen auf und verfügt über einen großen Pockels-Koeffizienten von 32 pm V−1, was eine effiziente Niederspannungs- und Hochgeschwindigkeitsmodulation ermöglicht. Integrierte Photonik basierend auf Materialien, die den Pockels-Effekt zeigen – wie Aluminiumnitrid13 – wurde bereits zuvor demonstriert, jedoch erst kürzlich für LiNbO3 (Lit. 14). Nach der kommerziellen Verfügbarkeit von LiNbO3 auf Isolatoren durch Wafer-Bonding und Smart-Cut gab es auch erhebliche Fortschritte beim Ätzen von verlustarmen LiNbO3-Wellenleitern, die in Ringresonatoren mit einem intrinsischen Q-Faktor von 10 × 106 gipfelten (Lit. 2). ). Bei den meisten dieser Errungenschaften wurde das Ätzen mit Argonionenstrahlen zur Herstellung teilweise geätzter Rippenwellenleiterstrukturen genutzt, was Modulatoren ermöglichte, die mit komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Spannungen (CMOS)4, Quadratur-Phasenumtastungsmodulatoren15 und elektrooptischen Frequenzkämmen6 betrieben wurden. Darüber hinaus hat die Plattform einen Weg zur Schaffung von Schnittstellen mithilfe von Hohlraumelektrooptiken bereitgestellt, die Mikrowellen- und optische Felder effizient koppeln7. Zusätzlich zum direkten Ätzen wurde kürzlich die heterogene Integration von LiNbO3-Chiplets auf photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs) aus Siliziumnitrid (Si3N4)10 oder Silizium16 demonstriert.

Über Anwendungen für elektrooptische Modulatoren hinaus erfüllt eine integrierte LiNbO3-Photonikplattform mit einem großen Pockels-Koeffizienten und geringem Ausbreitungsverlust alle Anforderungen für die Realisierung integrierter Laserquellen mit schmaler Linienbreite und Frequenzagilität, die ultraschnell, linear und modensprungfrei sind Tuning. Obwohl integrierte Laser in letzter Zeit große Fortschritte gemacht haben, die in hybriden selbstinjektionsverriegelten Lasern gipfelten, die auf integrierten Si3N4-Mikroresonatoren mit hoher Güte basieren und die Faserlaserkohärenz17,18, d. h. eine Lorentz-Linienbreite im Subhertz-Bereich, erreichen, fehlt diesen Lasern eine schnelle Frequenzaktivierung. Obwohl kürzlich integrierte Laser mit schmaler Linienbreite und ähnlicher Leistung mit monolithisch integrierter piezoelektrischer spannungsoptischer Betätigung demonstriert wurden, die flach ist und eine Betätigungsbandbreite im Megahertz-Bereich aufweist19,20, haben Laser, die auf integrierten photonischen Schaltkreisen von LiNbO3 basieren, das Potenzial für eine wesentlich schnellere Abstimmung mit flacher Frequenz Reaktion bei wesentlich niedrigeren Ansteuerspannungen und zeigen keine Anregung parasitärer Schwingungsmoden des photonischen Chips, wie im Fall der piezoelektrischen Betätigung. Ein elektrisch gepumpter Hybrid-LiNbO3/III-V-Laser wurde unter Verwendung eines Vernier-Filter-basierten Schemas8,9 demonstriert, hat diese Fähigkeit jedoch noch nicht erreicht. Auf photonischen integrierten LiNbO3-Schaltkreisen basierende Laser haben das Potenzial, eine Vielzahl von Laserstrukturen zu realisieren, wie etwa weit abstimmbare Vernier-Laser oder modensprungfreie Laser für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich frequenzmodulierter Dauerstrichlichtdetektion (FMCW) und Ranging (LiDAR)21, optische Kohärenztomographie, Frequenzmesstechnik oder Spurengasspektroskopie22, die sowohl Frequenzagilität als auch schmale Linienbreite nutzen. Hier demonstrieren wir LiNbO3-basierte integrierte Laser, die eine schmale Linienbreite (Kilohertz-Ebene) erreichen und gleichzeitig eine extreme Frequenzagilität aufweisen, was eine Abstimmrate von Petahertz pro Sekunde ermöglicht. Dies wird auf einer heterogen integrierten Plattform erreicht, die ultraverlustarme photonische Si3N4-Wellenleiter23 mit Dünnfilm-LiNbO3 durch Bonden im Wafermaßstab24 kombiniert. Unsere Hybridplattform verwendet einen Si3N4-LiNbO3-Chip, der stumpf an einen Indiumphosphid (InP)-DFB-Diodenlaser (Distributed Feedback) gekoppelt ist. Die photonischen integrierten Si3N4-Schaltkreise werden mithilfe des photonischen Damascene-Prozesses23 hergestellt und zeichnen sich durch einen engen optischen Einschluss, einen äußerst geringen Ausbreitungsverlust (<2 dB m−1), eine geringe Wärmeabsorptionserwärmung und eine hohe Belastbarkeit aus. Sie können im Wafer-Maßstab mit hoher Ausbeute hergestellt werden und sind bereits in einer kommerziellen Gießerei erhältlich. Zu den weiteren Vorteilen der Si3N4-Plattform gehören die geringe Verstärkung der Raman- und Brillouin-Nichtlinearitäten und die Strahlungshärte. Diese heterogene Si3N4-LiNbO3-Plattform ermöglicht Mikroresonatoren mit hohem Gütefaktor und einer mittleren intrinsischen Hohlraumlinienbreite von 44 MHz, bietet eine nahezu einsige Ausbeute an gebondeten Bauelementen und weist im Vergleich zu LiNbO3-Stegwellenleitern einen niedrigen Einfügungsverlust von 3,9 dB pro Facette auf24. Darüber hinaus weist die heterogene Si3N4-LiNbO3-Plattform aufgrund der Doppelbrechung keine biegungsinduzierte Modenmischung auf, wie dies typischerweise bei LiNbO3-Stegwellenleitern der Fall ist. Die Kombination der einzigartigen Eigenschaften beider Materialien in einer einzigen heterogenen integrierten Plattform ermöglicht die Selbstinjektionsverriegelung des Lasers mit einer Reduzierung des Laserfrequenzrauschens um zwei Größenordnungen und einer Frequenzabstimmungsrate von Petahertz pro Sekunde.

Unsere Herstellungsmethode kombiniert die Prozesse der photonischen Damaszener-Si3N4-Wellenleiterherstellung mit Bonden im Wafermaßstab25, um eine elektrooptische Modulation auf passivem, extrem verlustarmem Si3N4 zu ermöglichen, wie in Abb. 1a schematisch dargestellt. Unser Prozess beginnt mit der Herstellung eines strukturierten und planarisierten Si3N4-Substrats mithilfe des photonischen Damascene-Prozesses (Details siehe Methoden). Auf dem Substrat wird eine Zwischenschicht aus Siliziumdioxid (SiO2) abgeschieden und anschließend verdichtet. Anschließend wird die Zwischenschicht poliert, um die verbleibende Topographie zu reduzieren und die gewünschte Dicke einzustellen. Für die Verklebung ist eine quadratische Rauheit von weniger als 0,4 nm auf einer Fläche von wenigen Quadratmikrometern und von nur wenigen Nanometern auf einer Fläche von mehreren hundert Mikrometern erforderlich24. Anschließend wird durch Atomlagenabscheidung eine wenige Nanometer dicke Aluminiumoxidschicht sowohl auf dem Donor-Wafer (LiNbO3 auf dem Isolator) als auch auf dem Akzeptor-Wafer (planarisierter photonischer Si3N4-Schaltkreis mit 100-mm-Wafer) abgeschieden, bevor das Kontaktbonden erfolgt und der Donor-Wafer entfernt wird. Anschließend werden Wolframelektroden durch Sputtern und reaktives Ionenätzen hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Bereiche der Kopplungsfacetten und die verjüngten Abschnitte der Si3N4-Wellenleiter durch physikalisches Ätzen mit Argonionen von LiNbO3 befreit, sodass das Laserlicht zunächst über inverse Verjüngungen26 in den Chip einkoppeln kann, bevor es in den Übergang zum LiNbO3 eintritt -überdachter Bereich. Schließlich erfolgt die Chipfreigabe durch Definition der Chipfacetten durch tiefes SiO2- und Siliziumätzen, gefolgt von der Chiptrennung durch rückseitiges Siliziumläppen. Abbildung 1b zeigt einen Rasterelektronenmikroskop-Querschnitt (SEM) des heterogen integrierten LiNbO3-auf-Si3N4-Wellenleiters mit den folgenden Schichtdicken: untere Silica-Umhüllung, 4 μm; Si3N4, 950 nm; Silica-Obermantel, 150 nm; LiNbO3, 300 nm; Metallelektroden, 200 nm (das Original-REM-Bild ist in Extended Data Abb. 1 dargestellt). Der Einschub in Abb. 1b zeigt eine Simulation der räumlichen Verteilung der elektrischen Feldamplitude im Hybridmodus unseres Geräts mit einem Beteiligungsverhältnis von 12 % in LiNbO3. Die statistische Analyse der Resonator-Transmissionsspektren zeigt eine mittlere intrinsische Hohlraumlinienbreite von 44 MHz, die einem Q-Faktor von 4,8 × 106 und einem linearen Ausbreitungsverlust von 8,5 dB m−1 entspricht (Extended Data Abb. 8c).

a, Schematische Darstellung der heterogenen Si3N4-LiNbO3-Plattform, die durch heterogene Integration eines 4″ (100 mm) Dünnschicht-LiNbO3-Wafers auf einem 4″ Si3N4-Wafer realisiert wurde, mit Querschnitten beider Wafer. b, Falschfarben-REM-Bild eines heterogenen Si3N4-LiNbO3-Wellenleiterquerschnitts. Die ursprünglichen SEM-Bilddaten sind in „Extended Data“ Abb. 1 dargestellt. Einschub: eine Finite-Differenzen-Zeitbereichssimulation der räumlichen Verteilung der elektrischen Feldamplitude des hybriden transversalen elektrischen Modus mit 12 % Beteiligung an LiNbO3, maximales elektrisches Feld in Rot und Minimum in Blau gefärbt. c, Schematische Darstellung des Selbstinjektions-Verriegelungsprinzips. Der optische Weg ist mit der gestrichelten roten Linie markiert. Der rote Pfeil zeigt die vorwärts gerichtete optische Welle und der blaue Pfeil zeigt die reflektierte optische Welle von einem Mikroresonator. Die Abstimmung der Laserwellenlänge wird durch Anlegen eines Spannungssignals (z. B. einer linearen Rampe) an die Wolframelektroden erreicht. Die gelben Strukturen sind die Wolframelektroden. d, Foto des Aufbaus mit einem DFB-Laser, der stumpf an einen heterogenen Si3N4-LiNbO3-Chip gekoppelt ist (Probe D67_01b C16 WG 4.2). Ein Sondenpaar berührt die Elektroden zur elektrooptischen Modulation, und eine Linsenfaser sammelt die Ausgangsstrahlung.

Die Selbstinjektionsverriegelung des Lasers wird durch die stumpfe Kopplung eines InP-DFB-Diodenlasers mit dem heterogenen Si3N4-LiNbO3-Chip (Abb. 1c, d) und durch Abstimmung des Laserstroms eingeleitet, um die Ausgangsfrequenz an die Resonanzfrequenz des heterogenen Si3N4 anzupassen –LiNbO3-Mikroresonator. Die optische Rückreflexion an Oberflächen- oder volumetrischen Inhomogenitäten innerhalb des Mikroresonators sorgt für eine spektral schmalbandige Rückkopplung zur Laserdiode, indem sie sich im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn ausbreitende Moden koppelt. Licht im Uhrzeigersinn strahlt zurück zum Laser und trägt den durch den Reflexionskoeffizienten R gegebenen Leistungsanteil, der von der Wechselwirkungsstärke der Moden und der Resonatorkopplungseffizienz abhängt.

Die Laserdiode wird gezwungen, mit der Frequenz der Hohlraumresonanz im selbstinjektionsgesperrten Bereich zu schwingen. Unter der Annahme, dass das Frequenzrauschen des Lasers weiß ist, beträgt das Unterdrückungsverhältnis des Frequenzrauschens27:

wobei δωfree/2π die Linienbreite des freilaufenden DFB-Lasers ist; δω/2π ist die Linienbreite des selbstinjektionsgesperrten DFB-Lasers; QDFB und Q = ω/κ sind die Qualitätsfaktoren des Laserdiodenhohlraums bzw. des Mikroresonatormodus (mit κ = κex + κ0, wobei κ0 und κex die intrinsische Hohlraumzerfallsrate bzw. Bus-Wellenleiter-Kopplungsrate sind) ; und αg ist der Phasen-Amplituden-Kopplungsfaktor. Die Selbstinjektionsverriegelung erfolgt innerhalb eines endlichen Frequenzintervalls um die Hohlraumresonanz. Die Sperrbandbreite Δωlock ist unter der Annahme einer großen intermodalen Wechselwirkungsstärke und einer hohen Kopplungseffizienz durch27 gegeben:

Um die Laserlinienbreite stark zu reduzieren und den Frequenzverriegelungsbereich zu vergrößern, sind eine Resonanz mit hohem Gütefaktor und eine starke Reflexion wünschenswert. Das in unseren Experimenten verwendete Gerät verfügt über einen freien Spektralbereich (FSR) von 102 GHz und eine Resonanz-Gesamtlinienbreite von κ/2π = 100 MHz (Abb. 2a, b), betrieben nahe der kritischen Kopplung. Der intrinsische Verlust des Mikroresonators κ0/2π ≈ 50 MHz weist auf einen linearen Ausbreitungsverlust des Wellenleiters von 8,5 dB m−1 hin. Die Leistungsreflexion des Geräts erreicht 3 % (siehe Abb. 2a und Extended Data Abb. 2 für das gesamte Spektrum) und zeichnet sich sowohl durch die schmalbandige Reflexion (R) des Mikroresonators als auch durch die breitbandige Sinusmodulation durch Störreflexionen von der Chipfacette aus sowie die Übergänge zwischen den inversen Verjüngungen und dem heterogenen Si3N4-LiNbO3-Wellenleiter, die durch verjüngte Übergänge gemildert werden können. Der konische Übergang in LiNbO3 verringert auch die Einfügungsverluste auf 2,5 dB pro Facette24. Die Reflexion von den Chipfacetten kann durch die Verwendung abgewinkelter Ausgangskegel reduziert werden. Trotz des schwachen Rückreflexionskontrasts (siehe die Charakterisierung anderer Geräte aus dem Wafer in Extended Data Abb. 8) wird aufgrund der schmalen Linienbreite der optischen Resonanz eine Injektionsverriegelung beobachtet. Die Laserstabilisierung für jeden Grad der intrinsischen Rückstreuung kann durch die Einführung eines Drop-Port-gekoppelten Schleifenspiegels auf dem Chip weiter verbessert werden. Die Anpassung der optischen Rückkopplung durch Abstimmung der Drop-Port-Spiegelkopplung und der Rückkopplungsphase ermöglicht eine Verbesserung des Verriegelungsbereichs und der Unterdrückung von Frequenzrauschen28. Das selbstinjektionsgesperrte DFB-Emissionsspektrum (Abb. 2c) zeigt eine Laserwellenlänge von 1.555, 4 nm mit einem Seitenmodus-Unterdrückungsverhältnis von 50 dB. Um die Selbstinjektionsverriegelung des Lasers zu charakterisieren, wird auf einer schnellen Fotodiode eine Heterodyn-Beatnote des entsperrten oder des verriegelten DFB-Lasers mit einem Referenzlaser erzeugt und mit einem elektrischen Spektrumanalysator verarbeitet (Abb. 2d). Wir beobachten eine Verengung der Beatnote beim Einrasten des DFB-Lasers (Abb. 2e). Bei der Variation des Laserstroms des DFB haben wir Bereiche gefunden, in denen aufgrund der Selbstinjektionsverriegelung fast keine Laserfrequenzabstimmung erfolgt (Abb. 2f). Um die Sperrbandbreite aufzudecken, stellten wir den DFB-Strom in den gesperrten Zustand und scannten die Hohlraumresonanz, indem wir einen dreieckigen Spannungschirp an die Elektroden anlegten (Abb. 2g). Die Selbstinjektionsverriegelung wird innerhalb eines Frequenzbereichs von etwa 1 GHz erreicht; Aufgrund der geringen Rückreflexion des heterogenen Si3N4-LiNbO3-Mikroresonators wird jedoch eine lineare Abstimmung nur innerhalb eines 600-MHz-Bandes beobachtet.

a, Transmissions- (T, blau) und Reflexionsspektren (R, orange) eines heterogenen Si3N4-LiNbO3 102-GHz-FSR-Mikroresonators (siehe Extended Data Abb. 2 für den vollständigen Datensatz). b, Das Histogramm zeigt die Verteilung der Linienbreiten von 532 Resonanzen für den grundlegenden transversalen elektrischen Modus TE00 des 102-GHz-FSR-Geräts mit einer mittleren Linienbreite von etwa 100 MHz, was einem Qualitätsfaktor von 1,9 × 106 entspricht (κ0 ist der intrinsische). Kavitätenzerfallsrate). c, Optisches Spektrum der freilaufenden DFB-Laserdiode mit 50 dB Seitenmodenunterdrückungsverhältnis (SMSR). d, Versuchsaufbau für Linienbreitenmessungen mit dem hybrid integrierten Laser unter Verwendung der Heterodyne-Beatnote-Methode. AFG, Arbiträrfunktionsgenerator; DSO, digitales Speicheroszilloskop. Die Vorwärtspumpwelle a+ ist durch eine durchgezogene rote Linie markiert, die reflektierte Rückwärtswelle a− durch eine gestrichelte rote Linie. e, Vergleich der Laserlinienbreite für den freilaufenden DFB-Fall und den Fall, bei dem der DFB durch Selbstinjektion an einen heterogenen Si3N4-LiNbO3-Mikroresonator gekoppelt ist. f, Zeit-Frequenz-Karte der Beatnote, die die Änderung der Laserfrequenz bei linearer Modulation des Diodenstroms zeigt. Die weißen gestrichelten Linien markieren die Grenzen der Selbstinjektions-Verriegelungsbandbreite, bei der nahezu keine Änderung der Laserfrequenz beobachtet wird. g, Zeit-Frequenz-Karte der Beatnote, die die Änderung der Laserfrequenz bei linearer Abstimmung der Hohlraumresonanz durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden zeigt. Der DFB-Strom blieb im Sperrbereich der Selbsteinspritzung fixiert. h, Frequenzrauschspektren des freilaufenden DFB (blau) und des DFB, der durch Selbstinjektion an den heterogenen 102-GHz-FSR-Si3N4-LiNbO3-Mikroresonator gekoppelt ist (orange). Der bewertete Grenzwert des thermorefraktiven Rauschens (TRN) und die Beta-Linie dienen als Referenz (orange gestrichelte bzw. rote gestrichelte Linien).

Als nächstes haben wir die (einseitige) spektrale Frequenzrauschdichte Sff (f) des DFB-Diodenlasers im freilaufenden und selbstinjektionsgesperrten Modus gemessen (Einzelheiten siehe Methoden und Ergebnisse in Abb. 2h). Die Laser-Selbstinjektionsverriegelung unterdrückt das Frequenzrauschen über alle Frequenzversätze hinweg um mindestens 20 dB. Wir finden den Schnittpunkt der Frequenzrauschkurve und der Betalinie29 bei 30 kHz (Abb. 2h). Die Vollbreite bei Halbwertsbreite (FWHM), die durch Integration des Frequenzrauschens von der Betalinie zur inversen Integrationszeit berechnet wird, beträgt 56 kHz bei 0,1 ms Integrationszeit, 262 kHz bei 1 ms und 1,1 MHz bei 100 ms. Das Laserfrequenzrauschen erreicht ein horizontales Plateau (weißer Rauschboden) von 103 Hz2 Hz−1 bei einem Versatz von 3 MHz, was einer intrinsischen Laserlinienbreite von 3,14 kHz entspricht.

Um die Spannungs-Frequenz-Reaktion des heterogenen Si3N4-LiNbO3-Mikroresonators zu messen, wurde das Signal eines Netzwerkanalysators an die Elektroden angelegt und die Laserfrequenz auf die Steigung der Hohlraumresonanz festgelegt. Diese Messung zeigt einen entscheidenden Vorteil der heterogenen Si3N4-LiNbO3-Plattform: Die Modulationsantwortfunktion für den 102-GHz-FSR-Mikroresonator ist bis zur Hohlraumlinienbreite von 100 MHz flach (Abb. 3a). Um die Frequenzagilität des Lasers und die Reaktion der Laserfrequenz auf eine Spannungsmodulation mit großer Amplitude zu demonstrieren, wurde der DFB-Laser durch Selbstinjektion an die Mikroresonatorresonanz und ein dreieckiges Spannungssignal von 25 Vpp mit Modulationsfrequenzen im Bereich von 1 gekoppelt kHz bis 10 MHz angewendet. Auf das Antriebssignal wurde weder eine Signalvorverzerrung noch eine aktive Rückkopplung angewendet. Die angelegte Spannung moduliert den Brechungsindex von LiNbO3 über den Pockels-Effekt und verschiebt die Hohlraumresonanz, wodurch der Laser gezwungen wird, der Resonanz zu folgen, solange er innerhalb des Gesamtverriegelungsbereichs bleibt. Um die zeitlich variierenden Frequenzabstimmungseigenschaften für die Großsignalmodulation im selbstinjektionsgesperrten Zustand aufzudecken, wurde die Heterodyn-Schlagnote des hybriden integrierten Lasers mit dem Referenzlaser auf einer schnellen Fotodiode aufgezeichnet. Die Frequenzausschläge blieben unabhängig von der Modulationsfrequenz auf dem Niveau von 500 MHz, wohingegen die Nichtlinearität mit zunehmender Modulationsfrequenz tendenziell zunahm. Die minimale Nichtlinearität von 1 % der Frequenzabweichung wird bei einer Abstimmrate von 100 kHz und einer Abstimmeffizienz von 28 MHz V−1 beobachtet. Die obere Reihe in Abb. 3c zeigt die verarbeiteten Laserfrequenzspektrogramme, die durch zeitsegmentierte Fourier-Transformation berechnet werden, und die untere Reihe zeigt die entsprechenden Residuen, nachdem eine perfekte Dreiecksmodulation an die Daten angepasst wurde. Abbildung 3b zeigt die Laserfrequenzabweichung und die quadratische Abweichung der gemessenen Profile von einer perfekten dreieckigen Frequenzmodulation, die durch Kurvenanpassung ermittelt wurde. Zusätzliche Daten zur Abstimmungseffizienz und Hysterese sind in den erweiterten Datenabbildungen dargestellt. 3 und 4. Die nachgewiesene Frequenzabweichung von 600 MHz in 50 ns entspricht einer ultraschnellen Frequenzagilität von 12 PHz s−1.

a: Gemessene Reaktion der elektrooptischen Modulation für das heterogene Si3N4-LiNbO3-Gerät unter Verwendung von Wolframelektroden. b, Frequenzabweichung (blau) und die absolute quadratische Mittelwertabweichung (RMS) des gemessenen Abstimmungsprofils von einer perfekten dreieckigen Rampe (orange). Die Abweichung wurde als Differenz zwischen den experimentellen Daten und der Anpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate berechnet. c, oben: Zeit-Frequenz-Spektrogramme der Heterodyn-Beatnote für Modulationsfrequenzen von 1 kHz bis 10 MHz. Unten: die Abweichung der experimentellen Abstimmungsdaten von der Anpassung der kleinsten Quadrate für die gleichen Modulationsfrequenzen. d, Spannungsprofil, das von einem beliebigen Wellenformgenerator an die Elektroden angelegt wird und dem EPFL-Logo ähnelt. e, gemessene Laser-Heterodyn-Beatnote, die die Entwicklung der Laserfrequenz in Form des EPFL-Logos bei einer Abstimmrate von 450 Hz s−1 zeigt.

Obwohl eine hochlineare Rampenfrequenzmodulation für FMCW-LiDAR-Anwendungen unerlässlich ist, kann die Frequenz auf beliebige Weise moduliert werden, während eine hohe Abstimmrate erhalten bleibt. Um dies zu veranschaulichen, haben wir einen Generator für beliebige Wellenformen programmiert, um das Logo der EPFL zu reproduzieren (Abb. 3d) und das Signal an das heterogene Si3N4-LiNbO3-Gerät angelegt. Die Laserfrequenz wurde erneut durch Heterodyn-Beatnote mit dem Referenzlaser bestimmt. Das Ergebnis der Zeit-Frequenz-Analyse ist in Abb. 3e dargestellt und zeigt eine Abstimmrate von 450 THz s−1 und eine Verweilzeit zwischen Punkten von 200 ns.

Um das Anwendungspotenzial unseres Lasers zu demonstrieren, führen wir ein Proof-of-Concept-Experiment zur optischen Entfernungsmessung in einer Laborumgebung durch. Die FMCW-LiDAR-Methode besteht aus einer dreieckförmigen Frequenzmodulation der Laserquelle und einer verzögerten Homodyn-Detektion mit dem vom Ziel reflektierten optischen Signal. Das Phasenrauschen des Lasers begrenzt bei dieser Methode den maximalen Arbeitsabstand und die Entfernungsgenauigkeit. Eine wichtige Voraussetzung für FMCW-LiDAR im großen Bereich ist jedoch die Frequenzagilität, d. h. die Erzielung einer schnellen, linearen und hysteresefreien Abstimmung30. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 4a dargestellt (ausführliche Beschreibung siehe Methoden). Der Laserstrahl wird mithilfe von zwei Galvospiegeln mit dreieckigen Antriebssignalen über die Zielszene gescannt. Als Ziel dienten ein Donut-ähnliches Objekt aus Polystyrol und eine Metallseitenwand eines Rackgehäuses. Beide Objekte befanden sich etwa 3 m vom Kollimator entfernt. Ein Foto der Zielszene und das Strahlabtastmuster sind in Extended Data Abb. 5 dargestellt. Die Schwebung zwischen dem vom Ziel reflektierten Signal und dem lokalen Oszillator wird mit einer symmetrischen Fotodiode erfasst und von einem Oszilloskop aufgezeichnet. Wir passen die optische Polarisation mit einem Faserpolarisationsregler im Referenzarm des verzögerten Selbsthomodyn-Aufbaus an, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Beatnote-Signals zu maximieren. Anschließend wird eine mit Nullen aufgefüllte Kurzzeit-Fourier-Transformation auf die gesammelten Oszillogrammdaten angewendet, um die Entwicklung des Beatnote-Spektrums über 128.000 Zeitscheiben abzurufen. Die Zeit-Frequenz-Spektrogramme, die sowohl für das Ziel als auch für das Referenz-Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) erhalten wurden, sind in Abb. 6 der erweiterten Daten dargestellt. Das MZI wurde nur zur Entfernungskalibrierung verwendet (wir haben eine Auflösung von 15 cm ermittelt) und keines der Signale Es wurde weder eine Vorverzerrung noch eine aktive Rückkopplung angewendet. Abbildung 4b zeigt drei verschiedene Zeitrahmen mit Beatnotes des lokalen Oszillators mit den Reflexionen von der Wand, dem Donut und dem Kollimator und ihren jeweiligen SNR-Werten. Zuletzt wurden die Mittenfrequenzen der Beatnote-Spektren identifiziert und unter Verwendung der MZI-Länge als Referenz in den Distanzbereich abgebildet. Die resultierende Verteilung der Abstandswerte ist in Abb. 4c als Histogramm dargestellt. Es zeigt zwei Spitzen, die den Donut bei 2,1 m und die Wand bei 2,8 m darstellen. Die Doppel-Gauß-Anpassung zeigt die statistische Verteilung der Abstandswerte für beide Objekte (Abb. 4c). Die Punktwolke der dreidimensionalen optischen Entfernungsmessung wird aus den Entfernungsdaten und der Spannungs-Winkel-Umwandlung des Galvo-Spiegel-Controllers abgeleitet; es ist in Abb. 4d,e dargestellt, wo die Punktfarbe den Abstand vom Kollimator kodiert.

a, Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus für kohärente optische Entfernungsmessung basierend auf frequenzmoduliertem Dauerstrich-LiDAR (FMCW). Das Ausgangssignal der abstimmbaren Laserquelle mit linearem Frequenz-Chirp wird zur verzögerten Homodyn-Erkennung in zwei Kanäle aufgeteilt. Das Signal im ersten Kanal wird verstärkt und tastet mittels mechanischer Strahllenkung das Ziel ab. Das Signal im zweiten Kanal wird mit dem Anteil der Leistung des ersten Kanals gemischt, der vom Ziel gestreut wurde. Die Entwicklung der Beatnote-Leistung wird mit einem Oszilloskop aufgezeichnet. AFG, Arbiträrfunktionsgenerator; DSO, digitales Speicheroszilloskop; EDFA, Erbium-dotierter Faserverstärker; CIRC, optischer Zirkulator; BPD, symmetrische Fotodiode; COL, Kollimator; FPC, Faserpolarisationsregler. b, Beispiele für die verzögerte Homodyn-Beatnote, die Signalen vom Kollimator (blau schattierter Bereich in allen drei Spuren), dem Donut (orange schattierter Bereich in oranger Spur) und der Wand (grün schattierter Bereich in grüner Spur) mit den jeweiligen SNR-Werten entspricht . c, Histogramm, das die Verteilung der berechneten Entfernungswerte zum Ziel zeigt. Die beiden Peaks entsprechen den Reflexionen des Donuts und der Wand. Beide Peaks werden mit einer Doppel-Gauß-Funktion mit den angegebenen Anpassungsparametern, dem mittleren Abstand (d) und der Standardabweichung (σ), angepasst. d,e, Punktwolkendarstellung der gemessenen Zielszene aus verschiedenen Blickwinkeln.

Zusammenfassend haben wir eine heterogene Plattform im Wafermaßstab für elektrooptische photonische integrierte Schaltkreise demonstriert, die extrem verlustarme Si3N4-Wellenleiter und Dünnfilm-LiNbO3 integriert. Wir zeigen optische Mikroresonatoren mit einer mittleren intrinsischen Hohlraumlinienbreite von 44 MHz, was linearen Ausbreitungsverlusten von 8,5 dB m−1, einer breitbandigen, gleichmäßigen Bus-Wellenleiter-Kopplung und einem flachen elektrooptischen Frequenzansprechverhalten bis zu 100 MHz entspricht. Die Ausstattung extrem verlustarmer photonischer integrierter Si3N4-Schaltkreise mit elektrooptischer LiNbO3-Modulation auf dem Chip ermöglicht einen hybriden selbstinjektionsverriegelten Laser mit gleichzeitig schmaler Linienbreite und schneller Abstimmung von 12 kHz s−1. Dieser Laser ermöglicht eine optische FMCW-Entfernung ohne Signalvorverzerrung oder aktive Rückkopplung und mit einer Auflösung von etwa 15 cm. Ein detaillierter Vergleich mit anderen photonisch integrierten abstimmbaren Lasern auf Basis von InP-Chips ist in der erweiterten Datentabelle 1 und mit anderen integrierten LiNbO3-Plattformen in der erweiterten Datentabelle 2 aufgeführt. Mit zukünftigen Verbesserungen im Design und der Herstellung photonischer Schaltkreise, wie z. B. Reduzierung der SiO2-Zwischenschichtdicke und Optimierung Wir glauben, dass unsere Plattform die Grundlage für schnell abstimmbare Laser mit einer Schaltzeit im 10-ns-Bereich, einer modensprungfreien Abstimmung über mehrere zehn Gigahertz und Grundlinienbreiten unter 100 Hz und einer Kohärenzlänge im Kilometerbereich bilden wird. Durch die vollständige Nutzung des hohen elektrooptischen Koeffizienten von LiNbO3 und weitere Verbesserungen im photonischen integrierten Schaltkreisdesign können diese Geräte mit komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-kompatiblen Spannungen betrieben werden oder eine Abstandsauflösung im Millimeterbereich erreichen. Über integrierte Laser hinaus kann die Hybridplattform auch zur Realisierung anderer Funktionen genutzt werden, etwa photonische Mikrowellen- und Millimeterwellen-Tracking-Generatoren31, Schaltnetzwerke für photonisches Computing32, Boson-Sampling33 und integrierte Transceiver. Darüber hinaus ermöglicht das große Transparenzfenster von LiNbO3 und Si3N4 die Ausweitung dieser Frequenzagilität auf andere Wellenlängenbereiche, beispielsweise das mittlere Infrarot oder den sichtbaren Bereich, und bietet so eine Plattform für schnell abstimmbare Laser für Anwendungen in der Spurengaserkennung34.

Unser Prozess beginnt mit der Herstellung eines strukturierten und planarisierten Si3N4-Substrats mithilfe des photonischen Damascene-Prozesses23,35. Mithilfe der Tief-Ultraviolett-Stepper-Lithographie werden Wellenleiter und Mikroresonatoren auf einem Siliziumsubstrat mit 4 μm dickem, thermisch nassem SiO2 strukturiert. Das Muster wird dann trocken in die SiO2-Schicht geätzt, um die Wellenleiter-Vorform zu bilden, gefolgt von einem Hochtemperatur-Reflow der Wellenleiter-Vorform36, um die Oberflächenrauheit zu reduzieren. Stöchiometrisches Si3N4 wird durch chemische Niederdruckdampfabscheidung auf dem strukturierten Substrat abgeschieden, füllt die Vorform und bildet die Wellenleiterkerne. Durch chemisch-mechanisches Polieren wird überschüssiges Si3N4 entfernt und die Oberfläche des Wafers planarisiert. Anschließend wird das gesamte Substrat bei 1.200 °C thermisch getempert, um den im Si3N4 enthaltenen Restwasserstoff auszutreiben. Die SiO2-Zwischenschicht wird auf dem Si3N4-Substrat abgeschieden, verdichtet und anschließend durch chemisch-mechanisches Polieren poliert. Vor dem Bonden wird eine wenige Nanometer dicke Aluminiumoxidschicht auf dem Donor- (LiNbO3 auf Isolator) und dem Akzeptor-Wafer (Si3N4) abgeschieden. Anschließend werden beide Wafer in Kontakt gebracht und mehrere Stunden lang bei 250 °C getempert. Das Silizium auf der Rückseite des Spenderwafers wird geschliffen und das nach dem Schleifen verbleibende Silizium wird durch Nassätzen mit Tetramethylammoniumhydroxid entfernt. Das thermische SiO2 wird mit gepufferter Flusssäure nassgeätzt. Die Wafer-Bondausbeute beträgt 100 % und wir haben 5 von 5 Wafern in 3 verschiedenen Fertigungsläufen erfolgreich gebondet. Auf die LiNbO3-Oberfläche wird eine Wolframschicht gesputtert und das Elektrodenmuster durch reaktives Ionenätzen auf Fluoridbasis in diese Schicht übertragen. Abschließend wird LiNbO3 geätzt, um die Facettenbereiche des Chips zu öffnen und die Eingangskopplung des Geräts auf den Chips durch Ätzen mit Argonionenstrahlen zu verbessern. Die anschließende Chipfreigabe erfolgt in drei Schritten: Trockenätzen der Chipgrenzen in SiO2 mit fluorbasierter Chemie, weiteres Ätzen des Siliziumträgers durch den Bosch-Prozess und Schleifen der Rückseite des Wafers.

Die Leistungscharakterisierung des freilaufenden DFB ist in Extended Data Abb. 7 dargestellt. Wir führten eine Heterodyn-Beatnote-Spektroskopie37 durch, bei der wir den Referenz-Diodenlaser mit externem Resonator (Toptica CTL 1550) mit dem integrierten Hybridlaser schlugen, um dessen Frequenzrauschen aufzudecken. Die Schwebung der beiden Signale wurde auf einer Fotodiode erfasst und deren elektrische Ausgabe dann an einen elektrischen Spektrumanalysator (Rohde & Schwarz FSW43) gesendet. Die aufgezeichneten Daten für die Inphase- und Quadraturkomponenten der Beatnote wurden mit der Welch-Methode38 verarbeitet, um die einseitige spektrale Leistungsdichte Sϕϕ des Phasenrauschens abzurufen, die unter Verwendung von Sff = f2 × Sϕϕ in Frequenzrauschen Sff umgewandelt wurde. Um die Laserlinienbreite zu berechnen, integrieren wir die Frequenzrauschspektren aus dem Schnittpunkt der spektralen Leistungsdichte mit der Betalinie \({S}_{f}(f)=8\,{\rm{ln}}\, 2\times f\,/{{\rm{\pi }}}^{2}\) bis zur Integrationszeit der Messung29. Die Fläche unter der Kurve A wird dann neu berechnet, um das FWHM-Maß der Linienbreite zu liefern, unter Verwendung von: \({\rm{FWHM}}=\sqrt{8\,{\rm{ln}}\,2\times A}\ ). Da eine genaue Definition der optischen Linienbreite von der Integrationszeit der Messung abhängt, bewerten wir die FWHM-Linienbreite mit 56 kHz bei 0,1 ms Integrationszeit, 262 kHz bei 1 ms und 1,1 MHz bei 100 ms. Das Phasenrauschen des Referenzlasers wird durch eine weitere Beatnote-Messung mit einem kommerziellen ultrastabilen Laser (Menlo ORS) bestimmt.

Die Frequenzstabilität des heterogenen 102-GHz-FSR-Si3N4-LiNbO3-Geräts wird hauptsächlich durch die Schwankungen des Materialbrechungsindex aufgrund der relativ großen Schwankungen der Materialtemperatur auf der Mikroresonatorebene, d. h. durch thermorefraktives Rauschen, begrenzt. Um den Geräuschpegel in unserem System zu quantifizieren, folgen wir dem Ansatz, der auf dem Fluktuations-Dissipations-Theorem (FDT) basiert und in Lit. beschrieben ist. 39,40,41, das ursprünglich von Levin gegeben und erfolgreich auf die thermische Rauschanalyse von LIGO-Spiegeln angewendet wurde. Da FDT Schwankungen eines Systems mit der Art und Weise in Beziehung setzt, wie das System Energie dissipiert, simulieren wir die Geräuschpegel mit der Finite-Elemente-Methode, indem wir testen, wie das System als Reaktion auf eine Sondenkraft dissipiert. Da das fraktionierte thermorefraktive Rauschen \(\frac{{\delta }\omega }{\omega }=\int {\rm{d}}{\bf{r}}q({\bf{r}}) {\delta }T({\bf{r}})\) unseres Geräts ist ein gewichteter Durchschnitt der Temperaturschwankungen δT(r), bestimmt durch die optische Feldverteilung e(r) mit Radiusvektor r, um das herauszufinden Wenn wir seine Größe bei einer bestimmten Fourier-Frequenz f messen, wenden wir auf unser System in der Simulation eine sinusförmige Entropieschwingung (energiekonjugiert mit der Temperatur) bei dieser Frequenz mit dem gleichen Gewicht q(r) an, das die Feldverteilung nachahmt. Die entsprechende Verlustleistung Wdiss im System wird aus der Simulation abgerufen und zur Berechnung der spektralen Leistungsdichte des thermorefraktiven Rauschens \({S}_{\frac{{\delta }\omega }{\omega }}(\ ,f)\) bei dieser bestimmten Frequenz mit FDT. Die in den beschriebenen Schritten simulierte Gerätefeldverteilung und Wärmeausbreitung werden auf COMSOL Multiphysics durchgeführt.

Die Laserdiode ist kantengekoppelt an den heterogenen Si3N4-LiNbO3-Chip mit 200 nm dicken Wolframelektroden, die entlang des Si3N4-Wellenleiters auf LiNbO3 abgeschieden sind. Die Laserfrequenzabstimmung wird erreicht, indem der Laser auf eine Hohlraumresonanz fixiert wird, der DFB-Strom festgelegt wird und die Hohlraumresonanz über den Pockels-Effekt durch eine an die Elektroden angelegte Spannung abgestimmt wird. Das dreieckige Rampensignal des Arbitrary-Waveform-Generators mit 0,5 Vpp Amplitude und 100 kHz Frequenz wird durch einen Hochspannungsverstärker (Falco Systems) mit 5 MHz Bandbreite weiter auf bis zu 25 Vpp verstärkt. Für die Laserfrequenzrampe für das Experiment zur kohärenten Entfernungsmessung wurde keine zusätzliche Vor- oder Nachbearbeitung (Linearisierung) verwendet. Wir haben die Hohlraumresonanz verwendet, die einem DFB-Strom von 179 mA entspricht. Um die Frequenzabweichung zu kalibrieren, wurde der 5 %-Anteil des optischen Signals an ein Referenz-MZI-Faserinterferometer gesendet. Die optische MZI-Länge von 13,18 m wurde durch eine unabhängige Messung mit einem durch einen Frequenzkamm kalibrierten abstimmbaren Diodenlaser-Scan ermittelt. Aus der gemessenen optischen MZI-Länge und den Werten der Beatnote-Frequenz lässt sich auf eine Entfernungsauflösung von 15 cm schließen. 95 % des Lichts werden in zwei Pfade aufgeteilt: den lokalen Oszillatorpfad (10 %) und den Zielpfad (90 %). Das Signal im Zielpfad wird durch einen Erbium-dotierten Faserverstärker (Calmar) von 150 μW auf bis zu 4 mW verstärkt und zum Kollimator geleitet, dessen 8-mm-Apertur auf den Zielentfernungsbereich von 3 m eingestellt ist. Für die Strahlsteuerung verwenden wir den Galvo-Scanner (Thorlabs GVS112). Zwei Spiegel wurden durch lineare Rampensignale mit 3-Hz- und 60-Hz-Raten gesteuert, wobei die Amplituden- und Offset-Werte so gewählt wurden, dass das Scanmuster die Zielszene vollständig abdeckt. Die Daten für die Punktwolke wurden innerhalb des Gesamtzeitintervalls von 1,3 s erfasst. Die Bildrate wurde durch die Galvo-Scangeschwindigkeit und die Doppler-Verbreiterung begrenzt, die durch die schnell kippenden Spiegel verursacht wird.

Die im FMCW-LiDAR-Experiment gesammelten Daten wurden digitalen Signalverarbeitungsschritten unterzogen, um die Szenenelemente im Raum zu lokalisieren. Zunächst wurden die mit Nullen aufgefüllten Kurzzeit-Fourier-Transformationen der Beatnote-Oszillogramme des Ziels und des Referenz-MZI ausgewertet. Die Blackman-Harris-Fensterfunktion wurde verwendet, wobei die Fenstergröße auf eine Periode des frequenzmodulierten Signals eingestellt war. Zweitens wurden die erhaltenen Zeit-Frequenz-Karten verwendet, um in einem beliebigen Zeitrahmen die Frequenzwerte zu suchen, die dem Beatnote-Peak entsprechen. Dieser Satz wurde gefiltert, sodass nur die Datenpunkte mit Beatnote-Amplituden über einem bestimmten Schwellenwert für die weitere Analyse berücksichtigt wurden. Anschließend subtrahieren wir den Abstand vom Laser zum Kollimator, sodass sich der Punktwolkenabstand in Bezug auf die Position der Kollimatoröffnung ergibt. Schließlich wurden die Frequenzdaten unter Verwendung der MZI-Länge als Referenz in den Distanzbereich umgewandelt und die kartesischen Komponenten jedes Punktes aus dem an die Galvospiegel angelegten Spannungsprofil berechnet.

Ein Dauerstrichlaser (CW) bei 1.550 nm mit 300 μW Leistung von einem Diodenlaser mit externem Resonator (Toptica CTL 1550) wird über eine Linsenfaser26 in das Gerät eingekoppelt. Der Eingangslaser ist auf die Steigung der optischen Resonanz vorgespannt. Ein hochfrequentes elektrisches Signal mit einer Leistung von –5 dBm wird von Port 1 des Netzwerkanalysators an die Elektroden des Geräts angelegt und die Lichtintensitätsmodulation wird von einer 12-GHz-Fotodiode (New Focus 1544) erfasst, die an den Port zurückgesendet wird 2 des Netzwerkanalysators.

Der Leistungsvergleich abstimmbarer Lasersysteme9,17,20,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54 ist in der erweiterten Datentabelle 1 dargestellt. Die Tabelle vergleicht verschiedene abstimmbare Laser hinsichtlich Frequenzabstimmbereich, Abstimmrate, Linearität, optischer Ausgangsleistung und Weißfrequenz-Grundrauschen. Der Leistungsvergleich verschiedener integrierter LiNbO3-basierter Plattformen2,55,56,57,58,59,60,61,62 ist in der erweiterten Datentabelle 2 dargestellt.

Die zur Erstellung der Diagramme in diesem Dokument verwendeten Daten sind unter https://doi.org/10.5281/zenodo.7371066 verfügbar.

Der zur Erstellung der Diagramme in diesem Dokument verwendete Code ist unter https://doi.org/10.5281/zenodo.7371066 verfügbar.

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Diese Arbeit wurde durch Mittel des Forschungs- und Innovationsprogramms H2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Sklodowska-Curie-Finanzhilfevereinbarung Nr. 812818 (MICROCOMB) und 722923 (OMT), im Rahmen der FET-Proactive-Finanzhilfevereinbarung Nr. 732894 (HOT) und der Finanzhilfevereinbarungsnummer unterstützt 847471 (QUSTEC). Es wurde außerdem durch Mittel des Schweizerischen Nationalfonds unter den Fördervereinbarungsnummern 186364 (QuantEOM) und 201923 (AMBIZIONE) sowie durch das Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) unter der Fördernummer FA9550-19-1-0250 unterstützt und durch Vertrag HR0011-20-2-0046 (NOVEL) von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Die Proben wurden im EPFL-Zentrum für MicroNanoTechnology (CMi) und im Binnig and Rohrer Nanotechnology Center (BRNC) bei IBM Research hergestellt. Wir danken dem Cleanroom Operations Team des BRNC, insbesondere D. Davila Pineda und R. Grundbacher, für ihre Hilfe und Unterstützung.

Open-Access-Finanzierung durch die EPFL Lausanne.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Viacheslav Snigirev, Annina Riedhauser, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev

Institut für Physik, Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne (EPFL), Lausanne, Schweiz

Viacheslav Snigirev, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Anat Siddharth, Guanhao Huang, Junqiu Liu & Tobias J. Kippenberg

Zentrum für Quantenwissenschaft und -technik, EPFL, Lausanne, Schweiz

Viacheslav Snigirev, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Anat Siddharth, Guanhao Huang, Junqiu Liu & Tobias J. Kippenberg

IBM Research – Europa, Zürich, Rüschlikon, Schweiz

Annina Riedhauser, Charles Möhl, Youri Popoff, Ute Drechsler, Daniele Caimi, Simon Hönl & Paul Seidler

Deep Light AT https://deeplight.pro/

Johann Riemensberger

Integrated Systems Laboratory, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), Zürich, Schweiz

Youri Popoff

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MC entwarf die Lithographiemasken und führte PIC-Simulationen durch. VS und GL führten Experimente mit Hilfe von JR, MC und ASRNW durch, AR, CM und JL entwickelten die Prozesse und stellten die Proben mit Unterstützung von SHUD her, YP, AR, RNW und JL führten das chemisch-mechanische Polieren für die Bindung durch. DC führte das Waferbonden durch. VS, GL und JR analysierten die Daten. VS und GH führten Simulationen der Grenzwerte des thermorefraktiven Rauschens durch. VS, GL, JR und TJK haben das Manuskript mit Input von AR, AS, JL und PSPS geschrieben und TJK hat das Projekt überwacht.

Korrespondenz mit Paul Seidler oder Tobias J. Kippenberg.

TJK ist Mitbegründer und Anteilseigner von LiGenTec SA, einer Gießerei, die photonische integrierte Si3N4-Schaltkreise vermarktet, sowie von DEEPLIGHT SA, einem Start-up-Unternehmen, das frequenzagile, rauscharme Laser auf der Basis photonischer integrierter Si3N4-Schaltkreise vermarktet.

Nature dankt Antonella Bogoni und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Ursprüngliche, unverarbeitete REM-Daten, die zur Erstellung von Abb. 1b des Haupttextes verwendet wurden.

(a) Transmissionsspektrum. (b) Reflexionsspektrum. Daten aus der Stichprobe D67_01b F2 C16 4.3.

Die erste Zeile (a) stellt die Heterodyn-Beatnote-Entwicklung für die Chirping-Rate von 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz und 1 MHz dar und ihre Anpassung an eine perfekte dreieckige Rampe. Die zweite Zeile (b) enthält dieselben Daten, jedoch gespiegelt in Bezug auf eine horizontale Achse von 0 MHz. In der dritten Zeile (c) werden die Daten um eine halbe Periode nach links verschoben, so dass die Aufwärtsrampe in der ersten Zeile zur Abwärtsrampe in der dritten Zeile wird und umgekehrt. In der letzten Zeile (d) beobachtet man durch Addition der Datenmuster der ersten und dritten Zeile und Subtraktion des Mittelwerts von der Summe die hysteresebedingten Abweichungen zwischen der Aufwärtsrampe und der Abwärtsrampe.

(a) Durch Anlegen einer dreieckigen Rampenspannungswellenform an die Elektroden heterogener Si3N4-LiNbO3-Geräte mit ausgewählten Werten der Modulationsfrequenz (10 kHz, 100 kHz und 1 MHz) und schrittweiser Erhöhung der Signalamplitude von Spitze zu Spitze kann man ein lineares Wachstum beobachten der DFB-Frequenzabweichung. (b) Um die Abstimmeffizienzwerte abzurufen, kann die lineare Modellanpassung der Daten in dem Spannungsbereich durchgeführt werden, in dem die Abweichung kleiner als die Sperrbandbreitengrenze von ~1 GHz ist (siehe Einschub).

(a) Das Foto des Aufbaus für kohärente optische Entfernungsexperimente mit dem Ziel – einem auf der Bühne montierten Styropor-Donut und einer Instrumentenkastenwand dahinter – und dem Scanmuster der Galvospiegel. (b,c) Die an zwei Galvospiegel angelegten Spannungssignalprofile, die zwei Winkelfreiheitsgrade – ϕ und θ – für das Scannen ermöglichen, und ihre Anpassungen an eine perfekte dreieckige Rampe. (d) Die tatsächlichen Daten des Scanmusters und seine Rekonstruktion nach Anpassung der Winkelkoordinaten.

(a) Für die Zielreaktion berechnete Zeit-Frequenz-Karte. (b) Zeit-Frequenz-Karte für das Referenz-Mach-Zehnder-Interferometer.

(a) Optische Leistung der Laserdiode im freien Raum vs. Diodenstrom. (b) Freilaufende optische DFB-Spektren bei verschiedenen Antriebsströmen.

(a,d,g,j) Übertragung von Bus-Wellenleiter gekoppelt an heterogenen Si3N4-LiNbO3-Mikroresonator mit freiem Spektralbereich (FSR) 102 GHz (C11) aus 3 Feldern des Wafers und verschiedenen Mikroresonatoren auf einem Chip (F7 WG3.3 , F1 WG3.3, F7 WG4.2, F5 WG4.1); (b,e,h,k) Frequenzabhängiger intrinsischer Mikroresonatorverlust κ0/2π (grün) und Bus-Wellenleiter-Kopplung κex/2π (blau). (c,f,i,l) Histogramm der intrinsischen Mikroresonator-Verlustrate des Wafers D67_01b.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Snigirev, V., Riedhauser, A., Lihachev, G. et al. Ultraschnelle abstimmbare Laser mit integrierter Lithiumniobat-Photonik. Natur 615, 411–417 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05724-2

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Eingegangen: 08. Oktober 2021

Angenommen: 11. Januar 2023

Veröffentlicht: 15. März 2023

Ausgabedatum: 16. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05724-2

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