O niobato de lítio cristalino (LN) é considerado o "silício da fotônica" por causa de suas excelentes propriedades ópticas, incluindo uma ampla janela de transparência e altos coeficientes piezoelétricos, acusto-ópticos, não lineares de segunda ordem e eletro-ópticos, que são críticos para a fotônica. aplicações de circuito integrado (PIC). Avanços recentes na tecnologia de nanofabricação facilitam uma variedade de dispositivos fotônicos integrados de alto desempenho em LN de filme fino, como moduladores eletro-ópticos ultrarrápidos, pentes de frequência óptica de banda larga e conversores de frequência óptica de alta eficiência.
Como um componente indispensável para PICs, microlasers on-chip foram recentemente realizados em um chip LN dopado com terras raras em várias bandas de comprimento de onda (~1550 nm e 1030 nm). Para permitir muitas aplicações – desde lidar até metrologia – os microlasers LN devem operar com larguras de linha ultraestreitas e alta capacidade de comprimento de onda.

Um fator Q alto é um parâmetro chave. De acordo com a teoria de Schawlow-Townes, o aumento do fator Q levará à redução quadrática da largura de linha de um microlaser. Os fatores Q mais altos demonstrados até o momento são aqueles das microcavidades do modo de galeria sussurrante (WGM) onde o confinamento da luz é alcançado pela reflexão interna total contínua em torno da periferia circular lisa. No entanto, os WGMs densos dentro da largura de banda de ganho óptico geralmente dão origem ao laser multimodo na microcavidade. Em princípio, o laser monomodo pode ser alcançado reduzindo o tamanho da microcavidade WGM, devido ao alargamento da faixa espectral livre (FSR). Infelizmente, tal estratégia inevitavelmente leva ao aumento da perda de radiação, o que é desfavorável para a geração de laser. Portanto, continua sendo um desafio alcançar o laser monomodo em um ressonador de microdisco único.

Para enfrentar esse desafio, pesquisadores do Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai, da Universidade Normal do Leste da China, da Universidade de Victoria, da Universidade de Zhejiang e do Laboratório de Zhejiang demonstraram recentemente um laser de microdisco LN dopado com érbio de largura de linha única de frequência única. Conforme relatado em Fotônica avançada , eles conseguiram isso através da excitação simultânea de modos de polígono de Q alto nos comprimentos de onda da bomba e do laser. Eles usaram o ataque químico-mecânico assistido por fotolitografia (PLACE) para fabricar as microcavidades LN integradas com microeletrodos de maneira controlável e econômica. As microcavidades fornecem uma superfície ultrassuave, que permite fatores Q ultraelevados para os WGMs de cavidade.

Os modos de polígono foram combinados de forma coerente por vários WGMs desencadeados por uma perturbação fraca de uma fibra cônica. Os modos de polígono são esparsos dentro da largura de banda de ganho óptico em comparação com a contraparte WGM, enquanto seus fatores Q permanecem ultra-altos (por exemplo, ~ 10 milhões), resultando em um laser de frequência única com uma largura de linha tão estreita quanto 322 Hz. Além disso, o sistema oferece ajuste eletro-óptico em tempo real do comprimento de onda do microlaser, graças ao forte coeficiente eletro-óptico linear de LN; a equipe de pesquisa demonstrou uma alta eficiência de ajuste de ~50 pm/100V.

A formação de modos de polígonos coerentes com fatores Q ultra-altos garante a realização de microlasers monomodo de largura de linha estreita em microdiscos LN únicos, o que tem implicações significativas para sistemas ópticos miniaturizados que devem incorporar fontes de laser altamente coerentes. A exploração adicional das fortes propriedades não lineares piezoelétricas, acústicas e de segunda ordem do substrato LN promete melhorar o desempenho e a funcionalidade do laser de microdisco monomodo, para contornar a necessidade de integrações heterogêneas. + Explorar mais

Controle de modo para lasers de microrressonadores quadrados adequados para integração