ニオブ酸リチウム集積フォトニクスを使用した超高速波長可変レーザー

Nature volume 615、pages 411–417 (2023)この記事を引用

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99 オルトメトリック

メトリクスの詳細

絶縁体上の薄膜ニオブ酸リチウム (LiNbO3) の初期の研究 1 と最近の進歩により、低損失フォトニック集積回路 2、3、改善された半波長電圧を備えた変調器 4、5、電気光学周波数コム 6、およびオンチップ電気光学デバイスが可能になりました。、マイクロ波フォトニクスからマイクロ波と光の量子インターフェースに至るまでの応用が可能です7。最近の進歩により、LiNbO3 ベースの調整可能な集積レーザーが実証されましたが (参考文献 8、9)、周波数アジャイルで狭線幅の集積レーザーを実証するためのこのプラットフォームの潜在能力はまだ十分に達成されていません。今回我々は、ハイブリッド窒化ケイ素（Si3N4）-LiNbO3フォトニックプラットフォームに基づいた高速チューニングレートを備えたこのようなレーザーを報告し、コヒーレントレーザー測距へのその使用を実証します。当社のプラットフォームは、以前に実証されたチップレットレベルの統合10とは対照的に、ウェハレベルでの直接接合による超低損失Si3N4フォトニック集積回路と薄膜LiNbO3のヘテロジニアス統合に基づいており、1メートルあたり8.5デシベルの低い伝播損失を特徴としており、狭い伝送を可能にします。 - レーザーダイオードへの自己注入ロックによる線幅レーザー発振 (固有線幅 3 キロヘルツ)。共振器のハイブリッドモードにより、狭い線幅を維持しながら、高い直線性と低いヒステリシスを備えた 12 × 1015 ヘルツ/秒の速度で電気光学レーザー周波数を調整できます。ハイブリッド統合レーザーを使用して、概念実証コヒーレント光測距 (FMCW LiDAR) 実験を実行します。 Si3N4 フォトニック集積回路に LiNbO3 を与えることで、薄膜 LiNbO3 のそれぞれの利点と Si3N4 の利点を組み合わせたプラットフォームが作成され、正確なリソグラフィー制御、成熟した製造、超低損失を示します 11,12。

ニオブ酸リチウム (LiNbO3) は、電気光学デバイスにとって魅力的な材料であり、何十年にもわたって広く使用されてきました。紫外から中赤外の波長まで広い透過窓を示し、32 pm V-1 という大きなポッケルス係数を持ち、効率的な低電圧、高速の変調が可能です。ポッケルス効果を示す材料 (窒化アルミニウム 13 など) に基づいた集積フォトニクスは以前にも実証されていますが、LiNbO3 については最近になって初めて実証されました (参考文献 14)。ウェーハボンディングとスマートカットによる絶縁体上の LiNbO3 の商業利用に続いて、低損失 LiNbO3 導波路のエッチングも大幅に進歩し、10 × 106 の固有 Q 値を備えたリング共振器に到達しました (参考文献 2)。）。これらの成果の大部分は、部分的にエッチングされたリッジ導波路構造を製造するためにアルゴンイオンビームエッチングを利用しており、これにより相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) 電圧 4、直交位相偏移変調器 15 および電気光学周波数コム 6 で動作する変調器が可能になりました。さらに、このプラットフォームは、マイクロ波と光場を効率的に結合するキャビティ電気光学を使用してインターフェースを作成するためのルートを提供しました7。直接エッチングに加えて、LiNbO3 チップレットの窒化シリコン (Si3N4)10 またはシリコン 16 フォトニック集積回路 (PIC) への異種集積が最近実証されました。

電気光学変調器のアプリケーションを超えて、大きなポッケルス係数と低い伝播損失を備えた LiNbO3 統合フォトニクスプラットフォームは、超高速、線形、モードホップフリーを特徴とする統合狭線幅レーザー光源と周波数機敏なレーザー光源を実現するためのすべての要件を満たします。チューニング。集積レーザーは最近大きな進歩を遂げ、ファイバーレーザーのコヒーレンス17,18、つまりサブヘルツのローレンツ線幅に達する高Q Si3N4集積微小共振器に基づくハイブリッド自己注入同期レーザーに至っていますが、これらのレーザーには高速周波数駆動がありません。最近、同様の性能を持つ集積狭線幅レーザーが、平坦でメガヘルツの駆動帯域幅を備えたモノリシックに集積された圧電応力光駆動を使用して実証されていますが 19,20、LiNbO3 集積フォトニック回路に基づくレーザーは、平坦な周波数で非常に高速なチューニングが可能となる可能性があります。実質的に低い駆動電圧で応答し、圧電駆動の場合のようにフォトニックチップの寄生振動モードの励起を示さない。電気的に励起されるハイブリッド LiNbO3/III-V レーザーは、バーニアフィルターベースのスキームを使用して実証されています 8,9 が、この機能はまだ達成されていません。 LiNbO3 フォトニック集積回路に基づくレーザーは、周波数変調連続波 (FMCW) 光検出や、周波数変調連続波 (FMCW) 光検出、測距（LiDAR）21、光コヒーレンストモグラフィー、周波数計測学、または微量ガス分光法22。これらは、周波数俊敏性と狭い線幅の両方を利用します。今回我々は、極度の周波数俊敏性を示しながら狭い線幅（キロヘルツレベル）を実現し、ペタヘルツ/秒の調整速度を可能にするLiNbO3ベースの集積レーザーを実証します。これは、超低損失 Si3N4 フォトニック導波路 23 と薄膜 LiNbO3 をウェーハスケールボンディング 24 によって組み合わせた異種統合プラットフォーム上で実現されます。当社のハイブリッドプラットフォームは、リン化インジウム (InP) 分布帰還型 (DFB) ダイオードレーザーにバット結合された Si3N4 – LiNbO3 チップを使用しています。 Si3N4 フォトニック集積回路は、フォトニックダマシンプロセス 23 を使用して製造されており、厳密な光閉じ込め、超低伝播損失 (<2 dB m−1)、低熱吸収加熱、および高電力処理を特徴としています。これらはウェーハスケールで高歩留まりで製造でき、すでに商業ファウンドリから入手可能です。 Si3N4 プラットフォームのその他の利点には、ラマン非線形性とブリルアン非線形性によるゲインが低いこと、および放射線耐性が含まれます。この異種 Si3N4-LiNbO3 プラットフォームにより、固有キャビティ線幅の中央値が 44 MHz の高 Q 微小共振器が可能になり、接合デバイスの歩留まりがほぼ 1 になり、LiNbO3 リッジ導波路と比較して、ファセットあたり 3.9 dB という低い挿入損失を示します24。さらに、不均質な Si3N4 – LiNbO3 プラットフォームは、通常、LiNbO3 リッジ導波路の場合のように、複屈折による曲げ誘起モード混合を示しません。両方の材料のユニークな特性を単一の異種統合プラットフォームに組み合わせることで、2 桁のレーザー周波数ノイズ低減とペタヘルツ/秒の周波数同調速度を備えたレーザー自己注入ロッキングが可能になります。

私たちの製造方法は、図1aに概略的に示されているように、フォトニックダマシンSi3N4導波路製造プロセスとウェーハスケールボンディング25を組み合わせて、パッシブな超低損失Si3N4上の電気光学変調を可能にします。私たちのプロセスは、フォトニックダマシンプロセスを使用して、パターン化され平坦化された Si3N4 基板を製造することから始まります (詳細は「方法」を参照)。二酸化シリコン (SiO2) 中間層が基板上に堆積され、その後緻密化されます。次に中間層を研磨して、残りのトポグラフィーを減らし、所望の厚さを設定します。接合には、数平方マイクロメートルの領域で 0.4 nm 未満の二乗平均平方根粗さ、数百マイクロメートルの領域でわずか数ナノメートルの二乗平均平方根粗さが必要です24。次に、数ナノメートルの厚さのアルミナ層が原子層堆積によってドナー (絶縁体上の LiNbO3) ウェハーとアクセプター (100 mm ウェハーを含む平坦化された Si3N4 フォトニック回路) ウェハーの両方に堆積され、その後、接着とドナーウェハーの除去が行われます。次に、スパッタリングと反応性イオンエッチングによりタングステン電極を製造します。この時点で、Si3N4 導波路の結合面とテーパー部分の領域は、アルゴンイオンによる物理エッチングによって LiNbO3 から除去されます。これにより、レーザー光は、LiNbO3 への遷移に入る前に、逆テーパー 26 を使用してチップに最初に結合できるようになります。 -カバーされたエリア。最後に、深い SiO2 とシリコンエッチングによるチップファセットの定義によってチップのリリースが実行され、続いて裏面シリコンラッピングによってチップが分離されます。図 1b は、次の層厚を持つ異種集積型 Si3N4 導波路の走査型電子顕微鏡 (SEM) 断面図を示しています。 Si3N4、950nm。シリカ上部クラッド、150 nm。 LiNbO3、300 nm。金属電極、200 nm (元の SEM 画像は拡張データ図 1 に示されています)。図1bの挿入図は、LiNbO3の参加率が12％である本発明のデバイスのハイブリッドモードにおける電場振幅の空間分布のシミュレーションを示しています。共振器透過スペクトルの統計解析により、4.8 × 106 の Q 値と 8.5 dB m−1 の線形伝播損失に対応する 44 MHz の中央値の固有空洞線幅が明らかになりました（拡張データ図 8c）。

a、4 インチ (100 mm) 薄膜 LiNbO3 ウェハを 4 インチ Si3N4 ウェハ上に異種集積することによって実現された異種 Si3N4 – LiNbO3 プラットフォームの概略図。両方のウェハの断面図。 b、不均一な Si3N4 – LiNbO3 導波路断面の疑似カラー SEM 画像。元の SEM 画像データを拡張データ図 1 に示します。挿入図: LiNbO3 が 12% 関与しているハイブリッド横電気モードの電場振幅の空間分布の有限差分時間領域シミュレーション。電場の最大値は色は赤、最小値は青です。 c、自己注入ロック原理の概略図。光路は赤い破線で示されています。赤い矢印は前進光波を示し、青い矢印は微小共振器からの反射光波を示します。レーザー波長の調整は、タングステン電極に電圧信号 (線形ランプなど) を印加することによって実現されます。黄色の構造はタングステン電極です。 d, 異種 Si3N4 – LiNbO3 チップにバット結合された DFB レーザーを備えたセットアップの写真 (サンプル D67_01b C16 WG 4.2)。一対のプローブが電気光学変調のために電極に触れ、レンズ付きファイバーが出力放射線を収集します。

レーザーの自己注入ロックは、InP DFBダイオードレーザーを異種Si3N4-LiNbO3チップにバットカップリングし（図1c、d）、出力周波数を異種Si3N4の共振周波数に一致させるようにレーザー電流を調整することによって開始されます。 –LiNbO3微小共振器。微小共振器内部の表面または体積の不均一性での光学的後方反射は、時計回りと反時計回りの伝播モードを結合することにより、スペクトル的に狭帯域のフィードバックをレーザーダイオードに提供します。時計回りモードの光は、モードの相互作用の強さと共振器の結合効率に依存する反射係数 R によって与えられるパワー部分を担うレーザーに放射して戻ります。

レーザーダイオードは、自己注入ロック領域の空洞共振周波数で強制的に発振します。レーザーの周波数ノイズが白色であると仮定すると、周波数ノイズ抑制率 27 は次のようになります。

ここで、δωfree/2πは自走DFBレーザーの線幅です。 δω/2πは自己注入ロックDFBレーザーの線幅です。 QDFB と Q = ω/κ は、それぞれレーザーダイオードキャビティと微小共振器モードの品質係数です (κ = κex + κ0、ここで κ0 と κex はそれぞれ固有のキャビティ減衰率とバスと導波路の結合率です) ; αg は位相と振幅の結合係数です。自己注入ロックは、空洞共振の周囲の有限の周波数間隔内で発生します。ロッキング帯域幅 Δωlock は、大きな相互作用強度と高い結合効率を仮定すると、次のように与えられます 27:

レーザーの線幅を大幅に縮小し、周波数ロック範囲を拡大するには、高 Q の共振と強い反射が望ましいです。私たちの実験で使用されたデバイスは、102 GHzの自由スペクトル範囲（FSR）と臨界結合近くで動作するκ/2π = 100 MHzの共振総線幅（図2a、b）を特徴としています。微小共振器の固有損失 κ0/2π ≈ 50 MHz は、8.5 dB m-1 の導波路線形伝播損失を示します。デバイスのパワー反射は 3% に達し (フルスペクトルについては図 2a と拡張データ図 2 を参照)、以下に示すように、微小共振器の狭帯域反射 (R) とチップ端面からのスプリアス反射による広帯域正弦波変調の両方を特徴としています。逆テーパーと異種 Si3N4 – LiNbO3 導波路の間の遷移も同様で、テーパー遷移を使用することで緩和できます。 LiNbO3 のテーパ状遷移により、挿入損失もファセットあたり 2.5 dB に減少します24。チップ端面からの反射は、角度を付けた出力テーパを使用することで低減できます。弱い後方反射コントラストにもかかわらず (拡張データ図 8 のウェハからの他のデバイスの特性を参照)、光共振の線幅が狭いため、注入同期が観察されます。あらゆるレベルの固有後方散乱に対するレーザーの安定化は、オンチップのドロップポート結合ループミラーを導入することでさらに改善できます。ドロップポートミラー結合とフィードバック位相を調整することで光フィードバックを調整すると、ロッキングレンジと周波数ノイズ抑制を改善できます28。自己注入ロックDFB発光スペクトル（図2c）は、50 dBのサイドモード抑制比で1,555.4 nmの発振波長を示します。レーザー自己注入ロックを特徴付けるために、ロック解除またはロックされたDFBレーザーと基準レーザーのヘテロダインビートノートが高速フォトダイオード上で生成され、電気スペクトルアナライザーを使用して処理されます（図2d）。 DFBレーザーのロック時にビートノートが狭くなることが観察されます（図2e）。 DFBのレーザー電流を変化させると、自己注入ロックによりレーザー周波数の調整がほとんど行われない領域が見つかりました（図2f）。ロック帯域幅を明らかにするために、ロック状態内のDFB電流を設定し、電極に三角電圧チャープを適用して空洞共振をスキャンしました（図2g）。自己注入ロックは、約 1 GHz の周波数範囲内で実現されます。ただし、異種 Si3N4-LiNbO3 微小共振器の後方反射が低いため、線形同調は 600 MHz 帯域内でのみ観察されます。

a、異種 Si3N4–LiNbO3 102 GHz-FSR 微小共振器の透過 (T、青) スペクトルと反射 (R、オレンジ) スペクトル (完全なデータセットについては拡張データ図 2 を参照)。 b. ヒストグラムは、102 GHz-FSR デバイスの基本横電気モード TE00 の 532 の共振の線幅の分布を示しています。線幅の中央値は約 100 MHz、品質係数 1.9 × 106 に相当します (κ0 は固有の値です)。空洞の減衰率）。 c. 50 dB のサイドモード抑圧比 (SMSR) を備えたフリーランニング DFB レーザーダイオードの光スペクトル。 d、ヘテロダインビートノート法を使用したハイブリッド集積レーザーによる線幅測定の実験セットアップ。 AFG、任意の関数発生器。 DSO、デジタルストレージオシロスコープ。前方ポンプ波 a+ は赤い実線で示され、後方反射波 a- は赤い破線で示されます。 e、自走DFBの場合とDFBが異種Si3N4-LiNbO3微小共振器に自己注入ロックされている場合のレーザー線幅の比較。 f、ダイオード電流の線形変調によるレーザー周波数の変化を示すビートノートの時間周波数マップ。白い破線は自己注入ロック帯域幅の境界を示しており、レーザー周波数の変化はほとんど観察されません。 g、電極に電圧を印加することによる空洞共鳴の線形調整時のレーザー周波数の変化を示すビートノートの時間-周波数マップ。 DFB 電流は自己注入ロック範囲内で一定のままでした。 h、フリーランニング DFB (青) と 102 GHz-FSR 異種 Si3N4 – LiNbO3 微小共振器に自己注入ロックされた DFB の周波数ノイズスペクトル (オレンジ)。評価された熱屈折ノイズ (TRN) 限界とベータ線は参考のために示されています (それぞれオレンジ色の一点鎖線と赤色の点線)。

次に、DFB ダイオードレーザーの (片面) 周波数ノイズスペクトル密度 Sff(f) を、フリーランニングおよび自己注入ロック領域で測定しました (詳細については方法を、結果については図 2h を参照)。レーザーの自己注入ロックにより、すべての周波数オフセットにわたって周波数ノイズが少なくとも 20 dB 抑制されます。周波数ノイズ曲線と 30 kHz のベータ線 29 の交点が見つかります (図 2h)。ベータ線からの周波数ノイズと逆積分時間の積分によって計算される半値全幅 (FWHM) 線幅は、0.1 ms 積分時間で 56 kHz、1 ms および 1.1 MHz で 262 kHz です。 100ミリ秒で。レーザー周波数ノイズは、3 MHz オフセットで 103 Hz2 Hz-1 の水平プラトー (ホワイトノイズフロア) に達します。これは、3.14 kHz の固有レーザー線幅に対応します。

異種 Si3N4-LiNbO3 微小共振器の電圧対周波数応答を測定するために、ネットワークアナライザーからの信号を電極に印加し、レーザー周波数を空洞共振の傾斜に固定しました。この測定により、異種 Si3N4-LiNbO3 プラットフォームの重要な利点が明らかになります。102 GHz-FSR 微小共振器の変調応答関数は、100 MHz のキャビティ線幅まで平坦です (図 3a)。レーザーの周波数俊敏性と大振幅電圧変調に対するレーザー周波数の応答を実証するために、DFB レーザーは微小共振器の共振と 1 ～ 10 の範囲の変調周波数を持つ 25 Vpp の三角電圧信号に自己注入ロックされました。 kHz〜10MHzを適用した。信号のプリディストーションもアクティブフィードバックも駆動信号には適用されませんでした。印加された電圧は、ポッケルス効果によって LiNbO3 の屈折率を変調し、空洞共振をシフトさせ、全体のロック範囲内にある限り、レーザーを強制的に共振に追従させます。自己注入ロック状態における大信号変調の時間変化する周波数同調特性を明らかにするために、基準レーザーを備えたハイブリッド集積レーザーのヘテロダインビートノートが高速フォトダイオードに記録されました。周波数偏移は、変調周波数とは無関係に 500 MHz レベルに留まりましたが、非線形性は変調周波数が増加するにつれて増加する傾向がありました。周波数偏移の 1% という最小の非線形性は、28 MHz V-1 の調整効率で 100 kHz の調整レートで観察されます。図3cの上の行は、時間分割フーリエ変換によって計算された、処理されたレーザー周波数スペクトログラムを示し、下の行は、完全な三角変調がデータに適合された後の対応する残差を示します。図 3b は、レーザー周波数偏移と、曲線フィッティングによって決定された完全な三角周波数変調からの測定プロファイルの二乗平均平方根偏差を示しています。調整効率とヒステリシスに関する追加データは、拡張データ図に示されています。実証された 50 ns で 600 MHz の周波数偏移は、12 PHz s-1 の超高速周波数アジリティに相当します。

a, タングステン電極を使用した異種 Si3N4 – LiNbO3 デバイスの電気光学変調の応答測定。 b. 周波数偏位 (青) と、完全な三角ランプ (オレンジ) からの測定された調整プロファイルの絶対二乗平均平方根 (RMS) 偏差。偏差は、実験データと最小二乗フィッティングの間の差として計算されました。 c、上: 1 kHz ～ 10 MHzの変調周波数に対するヘテロダインビートノートの時間周波数スペクトログラム。下: 同じ変調周波数に対する最小二乗適合からの実験的調整データの偏差。 d. 任意波形発生器から電極に印加された電圧プロファイル。EPFL ロゴに似ています。 e、450 Hz s-1 の同調速度で EPFL ロゴの形でレーザー周波数の変化を示す、測定されたレーザーヘテロダインビートノート。

FMCW LiDAR アプリケーションには線形性の高いランプ周波数変調が不可欠ですが、周波数は高いチューニングレートを維持しながら任意の方法で変調できます。これを説明するために、EPFLのロゴを再現するように任意波形発生器をプログラムし（図3d）、その信号を異種Si3N4–LiNbO3デバイスに適用しました。レーザー周波数は、参照レーザーを使用したヘテロダインビートノートによって再び決定され、時間周波数分析の結果が図3eに示されており、450 THz s-1の調整速度と200 nsのポイント間の滞留時間を示しています。

当社のレーザーの応用可能性を実証するために、実験室環境で概念実証の光学測距実験を実行します。 FMCW LiDAR 方式は、レーザー光源の三角波周波数変調と、ターゲットから反射された光信号による遅延ホモダイン検出で構成されます。この方法では、レーザー位相ノイズにより最大動作距離と測距精度が制限されます。ただし、長距離での FMCW LiDAR の重要な要件は、周波数の機敏性、つまり、高速で線形でヒステリシスのない調整を達成することです30。実験のセットアップを図4aに示します（詳細な説明については「方法」を参照）。レーザービームは、三角形の駆動信号を持つ 2 つのガルボミラーによってターゲットシーン全体に走査されます。ターゲットとして、ポリスチレンのドーナツ状の物体とラック筐体の金属側壁を使用しました。両方の物体はコリメータから約 3 m 離れたところにありました。ターゲットシーンの写真とビーム走査パターンを拡張データ図5に示します。ターゲットから反射された信号と局部発振器の間のビートノートは平衡型フォトダイオードで検出され、オシロスコープで記録されます。ビートノート信号の信号対雑音比 (SNR) を最大化するために、遅延セルフホモダインセットアップのリファレンスアームにあるファイバー偏光コントローラーを使用して光偏光を調整します。次に、ゼロパディングされた短時間フーリエ変換が収集されたオシログラムデータに適用され、128,000 タイムスライスにわたるビートノートスペクトルの展開が取得されます。ターゲットとリファレンスマッハツェンダー干渉計 (MZI) の両方で得られた時間周波数スペクトログラムを拡張データ図 6 に示します。MZI は距離校正のみに使用され (分解能 15 cm を取得しました)、どちらの信号も使用しませんでした。プリディストーションもアクティブフィードバックも適用されませんでした。図 4b は、壁、ドーナツ、コリメータからの反射を含む局部発振器のビートノートを含む 3 つの異なるタイムフレームと、それぞれの SNR 値を示しています。最後に、ビートノートのスペクトルの中心周波数が特定され、MZI 長を基準として使用して距離領域にマッピングされました。結果として生じる距離値の分布は、図 4c にヒストグラムとしてプロットされており、2.1 m のドーナツと 2.8 m の壁を表す 2 つのピークが示されています。ダブルガウスフィットにより、両方のオブジェクトの距離値の統計的分布が明らかになります (図 4c)。 3 次元光学測距の点群は、距離データとガルボミラーコントローラーの電圧から角度への変換から推測されます。それは図4d、eに示されており、点の色はコリメータからの距離をエンコードしています。

a、周波数変調連続波（FMCW）LiDARに基づくコヒーレント光測距の実験セットアップの概略図。線形周波数チャープを備えた同調可能レーザー光源の出力信号は、遅延ホモダイン検出のために 2 つのチャネルに分割されます。最初のチャネルの信号は増幅され、機械的なビームステアリングによってターゲットをスキャンします。 2 番目のチャネルの信号は、ターゲットによって散乱された最初のチャネルのパワーの一部と混合されます。ビートノートのパワーの進化はオシロスコープによって記録されます。 AFG、任意の関数発生器。 DSO、デジタルストレージオシロスコープ。 EDFA、エルビウムドープファイバー増幅器。 CIRC、光サーキュレータ。 BPD、バランス型フォトダイオード。 COL、コリメータ。 FPC、ファイバー偏波コントローラー。 b. コリメータ (3 つのトレースすべての青い網掛け領域)、ドーナツ (オレンジ色のトレース内のオレンジ色の網掛け領域)、および壁 (緑のトレース内の緑の網掛け領域) からの信号に対応する遅延ホモダインビートノートの例とそれぞれの SNR 値。 c、ターゲットまでの距離の計算値の分布を示すヒストグラム。 2 つのピークは、ドーナツと壁からの反射に対応します。両方のピークは、平均距離 (d) と標準偏差 (σ) が示されたフィッティングパラメーターを使用してダブルガウス関数でフィッティングされます。 d、e、さまざまな視野角から測定されたターゲットシーンの点群表現。

要約すると、超低損失 Si3N4 導波路と薄膜 LiNbO3 を統合した電気光学フォトニック集積回路用の異種ウェーハスケールプラットフォームを実証しました。 8.5 dB m−1 の線形伝播損失、広帯域の均一なバス導波路結合、および最大 100 MHz までの平坦な電気光学周波数駆動応答に対応する、中央値 44 MHz の固有キャビティ線幅を持つ光微小共振器を示します。オンチップ LiNbO3 電気光学変調を備えた超低損失 Si3N4 フォトニック集積回路により、狭い線幅と 12 PHz s−1 の高速チューニングを同時に備えたハイブリッド自己注入ロックレーザーが可能になります。このレーザーにより、信号のプリディストーションやアクティブなフィードバックを必要とせず、約 15 cm の分解能で FMCW 光測距が可能になります。 InP チップをベースとした他のフォトニック統合チューナブルレーザーとの詳細な比較は拡張データ表 1 に、他の統合型 LiNbO3 プラットフォームとの詳細な比較は拡張データ表 2 に示します。当社のプラットフォームは、10 ns レベルのスイッチング時間、数十 GHz を超えるモードホップフリーの調整、100 Hz 未満の基本線幅とキロメートルレベルのコヒーレンス長を備えた高速波長可変レーザーの基礎を形成すると考えています。 LiNbO3 の高い電気光学係数を最大限に活用し、フォトニック集積回路設計をさらに改善することで、これらのデバイスは相補的な金属酸化物半導体互換の電圧で動作したり、ミリメートルスケールの距離分解能を達成したりすることができます。統合レーザー以外にも、ハイブリッドプラットフォームを使用して、フォトニックマイクロ波およびミリ波追跡発生器 31、フォトニックコンピューティング用のスイッチングネットワーク 32、ボソンサンプリング 33、統合トランシーバーなどの他の機能を実現することもできます。さらに、LiNbO3 と Si3N4 の両方の広い透明度ウィンドウにより、このような周波数アジリティを中赤外や可視などの他の波長範囲に拡張することができ、微量ガスセンシング用途向けの高速波長可変レーザーのプラットフォームを提供します34。

私たちのプロセスは、フォトニックダマシンプロセスを使用してパターン化および平坦化された Si3N4 基板の製造から始まります23,35。深紫外ステッパーリソグラフィーを使用して、厚さ 4 μm のサーマルウェット SiO2 を備えたシリコン基板上に導波路と微小共振器をパターン化します。次に、パターンを SiO2 層にドライエッチングして導波路プリフォームを形成し、続いて導波路プリフォーム 36 を高温でリフローして表面粗さを低減します。化学量論的Si3N4は、低圧化学蒸着によってパターン化された基板上に堆積され、プリフォームを充填して導波路コアを形成します。化学機械研磨は、余分な Si3N4 を除去し、ウェーハ上面を平坦化するために使用されます。続いて基板全体を1,200℃で熱アニールし、Si3N4に含まれる残留水素を追い出します。 SiO2 中間層は Si3N4 基板上に堆積され、緻密化された後、化学機械研磨を使用して研磨されます。接合前に、数ナノメートルの厚さのアルミナ層がドナー (絶縁体上の LiNbO3) ウェハーとアクセプター (Si3N4) ウェハー上に堆積されます。その後、両方のウェーハを接触させ、250 °C で数時間アニールします。ドナーウェーハ裏面のシリコンを研削し、研削後に残ったシリコンを水酸化テトラメチルアンモニウムのウェットエッチングで除去する。熱SiO2はバッファードフッ酸でウェットエッチングされます。ウェーハ接合の歩留まりは 100% で、3 回の異なる製造実行中に 5 枚中 5 枚のウェーハの接合に成功しました。タングステンの層が LiNbO3 表面にスパッタリングされ、電極パターンがフッ化物ベースの反応性イオンエッチングによってこの層に転写されます。最後に、アルゴンイオンビームエッチングを使用して、LiNbO3 をエッチングしてチップのファセット領域を開口し、チップ上のデバイスの入力結合を改善します。その後のチップのリリースは、フッ素ベースの化学物質を使用した SiO2 のチップ境界のドライエッチング、ボッシュプロセスによるシリコンキャリアのさらなるエッチング、および裏面ウェーハの研削という 3 つのステップで実行されます。

フリーランニング DFB の性能特性評価を拡張データの図 7 に示します。参照外部共振器ダイオードレーザー (Toptica CTL 1550) をハイブリッド集積レーザーでビートするヘテロダインビートノート分光法 37 を実行し、後者の周波数ノイズを明らかにしました。 2 つの信号のビートノートがフォトダイオードで検出され、その電気出力が電気スペクトルアナライザー (Rohde & Schwarz FSW43) に送信されました。ビートノートの同相成分と直交成分の記録データは、Welch の方法 38 によって処理され、片面位相雑音パワースペクトル密度 Sϕϕ が取得され、Sff = f2 × Sϕϕ を使用して周波数雑音 Sff に変換されました。レーザーの線幅を計算するには、パワースペクトル密度とベータ線 \({S}_{f}(f)=8\,{\rm{ln}}\, 2\times f\,/{{\rm{\pi }}}^{2}\) を測定の積分時間まで計算します29。次に、曲線 A の下の面積が再計算され、\({\rm{FWHM}}=\sqrt{8\,{\rm{ln}}\,2\times A}\ を使用して線幅の FWHM 測定値が得られます。）。光線幅の厳密な定義は測定の積分時間に依存するため、FWHM 線幅は 0.1 ms の積分時間で 56 kHz、1 ms で 262 kHz、100 ms で 1.1 MHz と評価されます。基準レーザーの位相ノイズは、市販の超安定レーザー (Menlo ORS) を使用した別のビートノート測定によって決定されます。

102 GHz-FSR ヘテロジニアス Si3N4 – LiNbO3 デバイスの周波数安定性は主に、微小共振器スケールでの比較的大きな材料温度変動による材料の屈折率変動、つまり熱屈折ノイズによって制限されます。システムのノイズレベルを定量化するには、参考文献で説明されている変動散逸定理（FDT）に基づくアプローチに従います。 39,40,41、これはもともと Levin によって与えられ、LIGO のミラーの熱雑音解析に適用することに成功しました。 FDT はシステムの変動をシステムがエネルギーをどのように散逸するかに関連付けるため、プローブの力に応じてシステムがどのように散逸するかをテストすることにより、有限要素法を使用してノイズレベルをシミュレートします。分数熱屈折ノイズとして \(\frac{{\delta }\omega }{\omega }=\int {\rm{d}}{\bf{r}}q({\bf{r}})私たちのデバイスの {\delta }T({\bf{r}})\) は、半径ベクトル r の光場分布 e(r) によって決定される温度変動 δT(r) の加重平均です。特定のフーリエ周波数 f におけるその大きさに応じて、場の分布を模倣する同じ重み q(r) を持つこの周波数での正弦波エントロピー振動 (温度と共役するエネルギー) をシミュレーションのシステムに適用します。システム内の対応する電力損失 Wdiss がシミュレーションから取得され、熱屈折ノイズパワースペクトル密度 \({S}_{\frac{{\delta }\omega }{\omega }}(\ ,f)\) FDT を使用してこの特定の周波数で。説明した手順でシミュレートされたデバイスの電界分布と熱伝播は、COMSOL Multiphysics で実行されます。

レーザーダイオードは、LiNbO3 上の Si3N4 導波路に沿って堆積された厚さ 200 nm のタングステン電極を備えた異種 Si3N4-LiNbO3 チップにエッジ結合されています。レーザー周波数の調整は、レーザーを空洞共振にロックし、DFB 電流を固定し、電極に印加される電圧によるポッケルス効果によって空洞共振を調整することによって実現されます。振幅 0.5 Vpp、周波数 100 kHz の任意波形発生器からの三角ランプ信号は、帯域幅 5 MHz の高電圧アンプ (Falco Systems) によってさらに最大 25 Vpp まで増幅されます。コヒーレント測距実験のレーザー周波数ランプには、追加の前処理または後処理 (線形化) は使用されませんでした。 179mAのDFB電流に対応する空洞共振を使用しました。周波数偏移を校正するために、光信号の 5% 部分が基準 MZI ファイバー干渉計に送信されました。 13.18 m の MZI 光学長は、周波数コムによって校正された波長可変ダイオードレーザースキャンを含む独立した測定によって判明しました。測定された MZI 光学長とビートノート周波数の値を考慮すると、距離分解能は 15 cm であると推定されます。光の 95% は、局部発振器パス (10%) とターゲットパス (90%) の 2 つのパスに分割されます。ターゲットパス内の信号は、エルビウムドープファイバーアンプ (Calmar) によって 150 μW から最大 4 mW まで増幅され、3 m のターゲット距離範囲に一致するように設定された 8 mm の口径を備えたコリメータに送られます。ビームステアリングにはガルボスキャナー (Thorlabs GVS112) を使用します。 2 つのミラーは、スキャンパターンがターゲットシーンを完全にカバーするように選択された振幅とオフセット値を備えた 3 Hz および 60 Hz レートの線形ランプ信号によって制御されました。点群のデータは、合計 1.3 秒以内に収集されました。フレームレートは、ガルバノスキャン速度と、急速に傾斜するミラーによってもたらされるドップラーの広がりによって制限されました。

FMCW LiDAR 実験で収集されたデータは、空間内のシーン要素の位置を特定するためにデジタル信号処理ステップを受けました。まず、ターゲットおよび基準 MZI からのビートノートオシログラムのゼロパディングされた短時間フーリエ変換が評価されました。 Blackman-Harris 窓関数は、周波数変調信号の 1 周期に設定された窓サイズで使用されました。次に、取得した時間周波数マップを使用して、任意の時間フレームでビートノートのピークに対応する周波数値を検索しました。このセットはフィルタリングされ、あるしきい値を超えるビートノート振幅を持つデータポイントのみがさらなる分析の対象となります。次に、レーザーからコリメータまでの距離を差し引くことで、点群間の距離がコリメータの開口位置に対して求められます。最後に、MZI 長を基準として周波数データを距離領域に変換し、ガルボミラーに印加された電圧プロファイルから各点のデカルト成分を計算しました。

外部共振器ダイオードレーザー (Toptica CTL 1550) からの 1,550 nm、出力 300 μW の連続波 (CW) レーザーは、レンズ付きファイバー 26 を使用してデバイスに結合されます。入力レーザーは光共振の傾斜でバイアスされます。 -5 dBm 電力の無線周波数電気信号がネットワークアナライザのポート 1 からデバイスの電極に印加され、光強度変調が 12 GHz フォトダイオード (New Focus 1544) によって検出され、ポートに送り返されます。 2のネットワークアナライザー。

波長可変レーザーシステムの性能比較9、17、20、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54 を拡張データ表 1 に示します。この表は、さまざまな波長可変レーザーを比較しています。周波数同調範囲、同調率、直線性、光出力パワー、白色周波数ノイズフロアの観点からシステムを評価します。さまざまな統合型 LiNbO3 ベースプラットフォーム 2、55、56、57、58、59、60、61、62 の性能比較を拡張データ表 2 に示します。

この論文内のプロットを作成するために使用されたデータは、https://doi.org/10.5281/zenodo.7371066 で入手できます。

この論文内のプロットの作成に使用されるコードは、https://doi.org/10.5281/zenodo.7371066 で入手できます。

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この研究は、Marie Sklodowska-Curie 助成契約番号 812818 (MICROCOMB) および 722923 (OMT)、FET-Proactive 助成契約番号 732894 (HOT) および助成契約番号に基づく欧州連合 H2020 研究イノベーションプログラムからの資金提供によって支援されました。 847471 (QUSTEC)。また、補助金契約番号 186364 (QuantEOM) および 201923 (AMBIZIONE) に基づくスイス国立科学財団からの資金提供、および賞番号 FA9550-19-1-0250 に基づく空軍科学研究局 (AFOSR) からも支援されました。および国防高等研究計画局 (DARPA) からの契約 HR0011-20-2-0046 (NOVEL) によって。サンプルは、IBM Research の MicroNanoTechnology (CMi) の EPFL センターと Binnig and Rohrer Nanotechnology Center (BRNC) で製造されました。 BRNC のクリーンルーム運営チーム、特に D. Davila Pineda と R. Grundbacher の支援と支援に感謝します。

EPFL ローザンヌによって提供されるオープンアクセス資金。

これらの著者は同様に貢献しました: Viacheslav Snigirev、Annina Riedhauser、Grigory Lihachev、Mikhail Churaev

スイス連邦工科大学ローザンヌ物理学研究所 (EPFL)、スイス、ローザンヌ

ヴィアチェスラフ・スニギレフ、グリゴリー・リハチョフ、ミハイル・チュラエフ、ヨハン・リーメンスベルガー、ルイ・ニン・ワン、アナト・シッダース、グアンハオ・ファン、ジュンチウ・リウ、トビアス・J・キッペンバーグ

量子科学工学センター、EPFL、ローザンヌ、スイス

IBM Research - ヨーロッパ、チューリッヒ、ルシュリコン、スイス

アンニーナ・リートハウザー、チャールズ・モール、ユーリ・ポポフ、ウテ・ドレクスラー、ダニエレ・カイミ、シモン・ヘンル、ポール・ザイドラー

ディープライトAT https://deeplight.pro/

ヨハン・リーメンスベルガー

スイス連邦工科大学チューリッヒ校 (ETH Zürich)、スイス、チューリッヒの統合システム研究所

ユーリ・ポポフ

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MCはリソグラフィマスクを設計し、PICシミュレーションを実行しました。 VSとGLはJR、MC、ASRNWの協力を得て実験を実施し、AR、CM、JLはSHUD、YP、AR、RNWの支援を受けてプロセスを開発しサンプルを製作し、JLは接合のための化学機械研磨を実施した。 DCはウェーハボンディングを実行しました。 VS、GL、JR がデータを分析しました。 VS と GH は、熱屈折ノイズ制限シミュレーションを実行しました。 VS、GL、JR、TJK が AR、AS、JL、PSPS からの意見をもとに原稿を執筆し、TJK がプロジェクトを監督しました。

ポール・サイドラーまたはトビアス・J・キッペンバーグへの通信。

TJK は、Si3N4 フォトニック集積回路を商業化するファウンドリである LiGenTec SA と、Si3N4 フォトニック集積回路ベースの周波数アジャイル低ノイズレーザーを商業化する新興企業である DEEPLIGHT SA の共同創設者および株主です。

Nature は、この研究の査読に貢献してくれた Antonella Bogoni と他の匿名の査読者に感謝します。査読者レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

本文の図 1b を作成するために使用された元の未処理の SEM データ。

(a) 透過スペクトル。 (b) 反射スペクトル。サンプル D67_01b F2 C16 からのデータ 4.3。

最初の行 (a) は、1 kHz、10 kHz、100 kHz、1 MHz のチャープレートのヘテロダインビートノートの展開と、完全な三角ランプとの適合を表しています。 2 行目 (b) は同じデータですが、0 MHz の横軸に関してミラーリングされています。 3 行目 (c) では、データは左に半周期シフトされます。たとえば、1 行目の上りランプが 3 行目では下りランプになり、その逆になります。最後の行 (d) では、1 行目と 3 行目のデータパターンを加算し、合計から平均値を引くと、上昇ランプと下降ランプの間のヒステリシスによる偏差が観察されます。

(a) 変調周波数の選択された値 (10 kHz、100 kHz、および 1 MHz) で不均質 Si3N4-LiNbO3 デバイスの電極に三角ランプ電圧波形を印加し、信号のピークツーピーク振幅を徐々に増加させると、線形成長を観察できます。 DFB 周波数偏移の。 (b) 調整効率値を取得するには、エクスカーションがロック帯域幅制限の約 1 GHz よりも小さい電圧範囲でデータの線形モデルフィットを実行できます (挿入図を参照)。

(a) ターゲットを含むコヒーレント光測距実験のセットアップの写真。ステージに取り付けられたポリスチレンドーナツと後ろの計器箱の壁、およびガルボミラーの走査パターン。 (b、c) スキャン用の 2 つの角度自由度 (ϕ と θ) を可能にする 2 つのガルボミラーに適用される電圧信号プロファイルと、それらの完全な三角形ランプへの適合。 (d) 走査パターンの実際のデータと、角度座標を当てはめた後のその再構成。

(a) ターゲット応答に対して計算された時間-周波数マップ。 (b) 基準マッハツェンダー干渉計の時間周波数マップ。

(a) 自由空間におけるレーザーダイオードの光パワーとダイオード電流の関係。 (b) 異なる駆動電流でのフリーランニング DFB 光スペクトル。

(a、d、g、j) ウェーハの 3 つのフィールドおよびチップ上の異なる微小共振器からの自由スペクトル範囲 (FSR) 102 GHz (C11) を持つ異種 Si3N4-LiNbO3 微小共振器に結合されたバス導波路の伝送 (F7 WG3.3) 、F1 WG3.3、F7 WG4.2、F5 WG4.1）。 (b、e、h、k) 周波数依存の固有微小共振器損失 κ0/2π (緑) およびバスと導波路結合 κex/2π (青)。 (c、f、i、l) ウェーハ D67_01b の固有微小共振器損失率のヒストグラム。

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転載と許可

Snigirev、V.、Riedhauser、A.、Lihachev、G. 他。ニオブ酸リチウム集積フォトニクスを使用した超高速波長可変レーザー。 Nature 615、411–417 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41586-023-05724-2

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受信日: 2021 年 10 月 8 日

受理日: 2023 年 1 月 11 日

公開日: 2023 年 3 月 15 日

発行日: 2023 年 3 月 16 日

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

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