Аннотация
Для метрологии, хронометража и управления квантовыми системами лазеры с шириной линии в герц в секундных масштабах имеют решающее значение. Стабильность частоты зависит от эталонных резонаторов и лазеров с объемной оптикой, увеличенный размер которой необходим для снижения шумов, но имеет нерелевантную стоимость и ограниченность в применении.
В качестве альтернативы, лазеры на основе плоских волноводов обладают дополнительной масштабируемостью на основе металлоксидных полупроводников, но принципиально ограничены в достижении ширины линии в герцах ввиду стохастического шума и тепловой чувствительности. В данной работе демонстрируется лазерная система с шириной линии 1.1 Гц за 1 секунду и нестабильностью дробной частоты от 10-14 до 1 секунды.
Низкий уровень шума достигается за счет встроенных лазеров и резонатора с вакуумным зазором объемом 8 мл, в котором используются микрозеркала. Все важные компоненты литографически определены на плоских подложках, что дает возможность для крупносерийного производства. Следовательно, данная работа обеспечивает важный шаг вперед в направлении компактных лазеров с шириной линии в герц для портативных оптических часов, радиочастотных фотонных генераторов и связанных с ними систем связи и навигации.
Введение
Лазеры с узкой шириной линии и стабильной частотой необходимы в прецизионных фотонных СВЧ генераторах и атомных системах, включая атомные часы, гироскопы и датчики. В частности, для атомных часов они необходимы для охлаждения, захвата и исследования атомных частиц. В данной области современный уровень техники демонстрирует ширину линии лазера ниже 10 мГц и нестабильность до 4 × 10–17. Однако такая замечательная производительность требует систем значительного размера, сложности и даже криогенных температур, что ограничивает их применение лабораторными установками.
По мере развития области применения растет интерес и потребность в полевом применении подобных систем. Точно так же современные малошумящие СВЧ генераторы на основе криогенных сапфировых резонаторов используют преимущества их более высокого коэффициента добротности (Q) при сверхнизких температурах, но за счет ограничения диапазона рабочих условий. Альтернативным методом генерации микроволн с низким уровнем шума при комнатной температуре является оптическое частотное разделение (ОЧР). ОЧР использует более высокую добротность оптических резонаторов и преобразует стабильность в оптической области в область радиочастот (РЧ) посредством фотодетектирования частотной гребенки.
Путем стабилизации гребенки на лазере с узкой шириной линии стабильность оптического эталона передается фотодетектируемому микроволновому сигналу, а фазовый шум делится значительно ниже того, что могут производить коммерчески доступные микроволновые генераторы. Однако лучшие системы ОЧР также основаны на объемных оптических лазерах и резонаторах, что препятствует развитию систем для полевых условий, требующих чрезвычайно низкого микроволнового фазового шума.
По мере роста потребности в сверхстабильных оптических и микроволновых источниках и атомных системах интегрированные лазеры и фотонные схемы открывают многообещающий путь к интеграции на системном уровне. Это видение сочетает в себе активные (лазеры, модуляторы и детекторы), пассивные (фильтры и т.п.) и нелинейные элементы (частотные гребенки и преобразователи частоты) при сохранении небольшого общего объема.
Кроме того, гетерогенная кремниевая фотоника предлагает путь к реализации сверхстабильных, высокоточных лазерных характеристик на компактной и мобильной платформе. Была продемонстрирована потрясающая масштабируемость при изготовлении фотонных приемопередатчиков в масштабе 300 мм со скоростью терабит в секунду для приложений центров обработки данных. Фотоника на основе нитрида кремния (Si3N4) еще больше расширяет функциональные возможности, используя преимущества комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП), широкой запрещенной зоны и интегрированных волноводов с малыми потерями.
Лазеры на основе Si3N4 отличаются низкими потерями и обеспечивают когерентность наравне с коммерческими волоконными лазерами. Однако в конечном итоге они ограничены терморефракционным шумом (ТРШ), который удерживает нестабильность относительной частоты планарных волноводов и резонаторов с твердым диэлектриком выше уровня 10−13, типичного для кварцевых генераторов.
В некоторых экспериментах демонстрируется лазер, использующий планарные критически важные компоненты, изготовленные из микрокомпонентов, и обеспечивающий интегрированную ширину линии на уровне 1 Гц – значение, совместимое с требованиями к производительности компактных оптических часов и малошумящих радиочастотных фотонных генераторов. Частотный шум при смещении в 1 Гц подавляется на 11 порядков по сравнению с шумом диодного лазера со свободной схемой вплоть до предела теплового шума резонатора около 1 Гц2/Гц, уменьшаясь до 10-3 Гц2/Гц при смещении в 4 кГц.
Соответствующая нестабильность частоты лазера составляет менее 1 × 10–14 для времени усреднения от 1 мс до 1 с, что значительно ниже, чем у кварцевых генераторов. Ограничения ТРШ, присущие планарным и другим эталонным резонаторам из твердого диэлектрика, удалось преодолеть, объединив изготовленный из микрофибры лазер и эталонный резонатор Фабри-Перо (ФП) с вакуумным зазором. Встроенный самоинъекционный лазер с блокировкой (СИБ) по технологии Паунда-Древера-Холла (ПДХ) подключается к полости с вакуумным зазором объемом 8 мл, сформированной из микрозеркал, изготовленных литографическим способом, с большим, определяемым пользователем радиусом кривизны, безупречным качеством поверхности и высокой тонкостью.
В отличие от планарного волновода и резонаторов из твердого диэлектрика оптическая мода в вакуумном резонаторе взаимодействует с веществом только на поверхностях зеркал с диэлектрическими покрытиями; ограничивая взаимодействие зеркалами, уменьшается влияние стохастических флуктуаций и термической чувствительности, присущих всем веществам при конечных температурах, и достигается чрезвычайно низкий уровень теплового шума. Компактные эталонные резонаторы демонстрируют превосходную стабильность частоты, но не имеют возможности масштабирования и интеграции.
С другой стороны, интегрированные планарные волноводные устройства демонстрируют четкий путь к эффективной масштабируемости, но страдают от высокочастотного шума, присущего волноводной среде. Используя литографически изготовленные микрозеркала в резонаторе, можно извлечь выгоду из шумовых характеристик систем с вакуумным зазором, одновременно вводя параллельную технологичность, ранее предназначенную для систем с планарными волноводами.
Таким образом, производительность лазера со стабилизированным резонатором беспрецедентна для устройств на базе чипов, обеспечивая ширину линии 1.1 Гц за 1 с, частотный шум, следующий за минимальным уровнем шума резонатора, снижается до 10-3 Гц2/Гц при смещении в килогерц, а девиация Аллана превышает 10−14 в среднем до 1 с.
Благодаря таким масштабируемым компонентам преодолевается разрыв между кремниевой фотоникой и лазерными характеристиками, необходимыми для предоставления новых возможностей для применений в области высокоточного позиционирования, навигации и синхронизации без использования GPS; радарах нового поколения; и коммерческой связи 5G.
На рис. 1А показаны изображения важнейших компонентов, использованных для эксперимента. Источником накачки является полностью интегрированный гетерогенный лазер III-V/Si/Si3N4 с электрическим приводом, изготовленный путем наклеивания пластин на 100-мм пластину с удлиненным распределенным брэгговским отражателем Si3N4 (У-РБО) длиной 20 мм, полностью интегрированным в резонатор лазера.
Лазер демонстрирует мгновенную ширину линии 400 Гц с встроенной выходной мощностью более 10 мВт. Ввиду узкополосной обратной связи У-РБО мгновенная ширина линии, соответствующая минимальному белому частотному шуму, значительно уменьшена (рис. 1B1) по сравнению с шириной одиночной секции усиления, типичной для монолитных лазеров III-V с распределенной обратной связью (РОС).
Рисунок 1. Важнейшие компоненты и концепция снижения частотного шума лазера со стабилизацией резонатором: (A) Изображения компонентов в масштабе чипа, используемых в данной работе, включая лазер, спиральный резонатор и микрозеркала резонатора. (B) Концепция частотного шума и уменьшения ширины линии на каждом этапе обратной связи.
Лазерный источник состоит из гетерогенного лазера III-V/Si/Si3N4 с электрическим приводом, оснащенного узкополосным удлиненным распределенным брэгговским отражателем Si3N4 (У-РБО), который значительно снижает собственный уровень белого шума по сравнению с монолитным лазером III-V РОС. Самоинжекционная синхронизация со спиральным резонатором Si3N4 с высокой добротностью дополнительно подавляет частотный шум, который в конечном итоге ограничивается ТРШ.
Последующая синхронизация ПДХ с высокоточным, изготовленным на микроуровне вакуумным зазором резонатора преодолевает эти ограничения, заметно снижая шум до уровня теплового шума резонатора при смещениях в пределах полосы пропускания сервопривода. В отличие от объемных оптических лазеров и резонаторов, важнейшие компоненты данного лазера определены литографически, что демонстрирует большие перспективы для масштабируемости на уровне пластины
Для дальнейшего подавления шума лазер У-РБО был подключен по краям и самоинжектирован со спиральным резонатором Si3N4 высокой добротности на отдельном чипе. В этой схеме обратное резонансное рэлеевское рассеяние возвращается в лазер, который подавляет частотный шум на частотах смещения в пределах ширины линии резонанса (рис. 1B2). Снижение шума пропорционально Q2 вплоть до предела ТРШ, который зависит от модального объема. При измеренной нагрузочной добротности Q 126 миллионов в свободном спектральном диапазоне (ССД) 135 МГц резонатор, использованный в данном эксперименте, обеспечивает частотный шум выше, чем у коммерческого волоконного лазера.
Впоследствии эксперимент также продемонстрировал работоспособность и преимущества использования встроенных лазеров по сравнению с волоконными лазерами с точки зрения размера, интеграции и шумовых характеристик. Эти резонаторы были изготовлены на 200-мм подложке КМОП и имеют ту же геометрию поперечного сечения волновода, что и волновод Si3N4 в лазере, что обеспечивает высокое модовое перекрытие.
Последним компонентом для улучшения шумоподавления является микрорезонатор ФП (мк-ФП) с вакуумным зазором, изготовленный с использованием литографического микрозеркала. Микроизготовление позволило вытравить изогнутые зеркала на подложке из плавленого кварца, которая затем была приклеена к стеклянной прокладке со сверхнизким расширением (СНР) длиной 10 мм и диаметром 25.4 мм; плоское зеркало из плавленого кварца было приклеено к противоположной стороне прокладки СНР.
Оба зеркала покрыты диэлектрическим слоем с высокой отражающей способностью (> 99.999%). Результирующий резонатор имеет точность 920 000 (Q 11.8 миллиарда) и ширину линии 16 кГц. Высокая точность необходима для стабилизации света на уровне теплового шума резонатора, поскольку точность напрямую ограничивает максимально достижимый наклон дискриминатора, используемого при захвате ПДХ.
Общий объем полости 8 мл; в то время как небольшой объем полости необходимый для интегрированных систем имеет дополнительное преимущество, заключающееся в снижении чувствительности полости к внешним вибрациям. При тщательном проектировании и изоляции резонатора моделируется минимальный уровень шума частоты 0.72/f Гц2/Гц (минимальный фазовый шум −4.4/f3 дБн/Гц) и наблюдается дрейф резонатора в несколько герц на секунды или в течение нескольких часов.
Результаты
Чтобы стабилизировать частоту лазера, длина волны лазера У-РБО сначала настраивается по току и температуре, чтобы соответствовать ближайшему резонансу мк-ФП. На рис. 2 показана карта настройки частоты лазера У-РБО с током возбуждения и температурой. После того, как лазер и мк-ФП выровнены, спиральный резонатор также настраивается термически для самоинжекции, а блокирующей лазер У-РБО находится на той же частоте для пассивной стабилизации лазера. Для дальнейшего захвата ПДХ лазер СИБ соединен оптоволокном и стабилизирован к мк-ФП с помощью акустооптического модулятора (AOM) в качестве частотного привода. На рис. 3А показана установка лазерной стабилизации и измерения.
Рисунок 2. Карта настройки частоты лазера У-РБО
Ток и температура лазера настраиваются в одномодовом и многомодовом режимах. Лазер настроен на ~ 232 мА и 22.5°C, так что он работает в одномодовом режиме при резонансе резонатора мк-ФП. Настройка частоты лазера в пределах половины 15 ГГц ССД мк-ФП гарантирует, что резонанс мк-ФП всегда может быть достигнут при произвольном выравнивании частот лазера и резонатора мк-ФП.
Рисунок 3. Настройка и частотный шум: (A) Выход лазера СИБ разделен для оптического анализатора спектра (ОАС) и измерения частотного шума с помощью оптического анализатора фазового шума (ОАФШ). Сигналы частотной и амплитудной модуляции (ЧМ и АМ) от сервоприводов ПДХ и шума относительной интенсивности (ШОИ) соответственно приводят в действие акустооптический модулятор (АОМ) для стабилизации лазерного излучения СИБ. Результирующий частотный шум, форма спектральной линии и девиация Аллана измеряются с помощью гетеродина со стабилизированной гребенкой частоты. Для взаимной корреляции отбираются две тактовые ноты с помощью отдельно стабилизированных гребенок, что обеспечивает большую чувствительность измерения при смещении выше 1 кГц. (B) Спектр частотного шума лазера У-РБО с автономным запуском и СИБ, показывающий более высокое снижение шума за счет синхронизации с резонатором с более высокой добротностью. (C) Спектр частотного шума лучшего лазера с СИБ и ПДХ синхронизацией, демонстрирующий пределы теплового поля резонатора и остаточный шум ПДХ. Линия β-разделения показывает пересечение с частотным шумом, используемым для оценки интегрированной ширины линии
Измерения частотного шума проводятся для сравнения самоинжекционной синхронизации с резонаторами с различной добротностью и с сервоприводом. На рис. 3B показана спектральная плотность мощности (СПМ) частотного шума лазера У-РБО, работающего в свободном режиме и с самоинжекцией, синхронизированного с резонаторами, с измеренными значениями Q и ССД, равными 30 миллионам на частоте 5 ГГц и 151 миллиону на частоте 135 МГц.
Известна зависимость ТРШ от модального объема (обратно пропорционального ССД) этих резонаторов, а также снижение шума при более высокой добротности. 1/f шум преобладает при малых смещениях. Лазер СИБ со спиральным резонатором ССД 135 МГц демонстрирует мгновенную ширину линии на уровне Герца и используется для последующей синхронизации ПДХ. Его частотный шум показан нижней кривой на рис. 3B и верхней кривой на рис. 3C.
На рис. 3C показан частотный шум лазера СИБ, синхронизированного с ПДХ в резонаторе мк-ФП. Измеренный шум следует за тепловым уровнем смоделированного резонатора близко к смещениям в килогерцах, где начинает преобладать остаточный шум ПДХ (взятый из сигнала СПМ ошибки сервопривода ПДХ). Этот эксперимент показывает, что при смещении ниже килогерца, благодаря стабильности лазера СИБ, контур обратной связи может обеспечить достаточное усиление для блокировки резонаторов с еще более низким уровнем шума.
Однако при смещениях выше 10 кГц усиление и фаза обратной связи начинают спадать. Спад фазы, вероятно, ограничивается управляемым напряжением генератором (ГУН), который управляет AOM, а скачок сервопривода на 222 кГц подтверждается увеличением пропорционального усиления сервопривода до тех пор, пока в сигнале ПДХ не возникнут колебания. При еще более высоких частотах смещения данные кросс-спектра начинают становиться ограниченными по среднему значению.
Отличительным преимуществом использования данного встроенного лазера СИБ по сравнению с волоконным лазером (кроме более чем в 10 раз меньшего объема) является более низкий частотный шум при больших смещениях. В применениях с атомными часами шум с высоким смещением может проявляться через наложение спектров, которое становится все более важным при длительном времени обращения атомов.
В случае привязки ПДХ к мк-ФП с помощью лазера СИБ по сравнению с малошумящим волоконным лазером существует разница в частотном шуме до 10 дБ на частотах смещения между 1 кГц и 1 МГц, несмотря на спад петли обратной связи. Еще более низкий уровень шума высоких частот смещения можно получить, используя порт спирального резонатора, который сам по себе действует как фильтр нижних частот.
Таким образом, результаты демонстрируют, что данный СИБ-лазер может заменить волоконные лазеры в точной синхронизации резонатора с еще лучшими характеристиками на высоких частотах смещения.
Чтобы сохранить мгновенную ширину линии лазера СИБ на уровне герц, необходима большая ширина полосы обратной связи. Электрооптический модулятор (ЭОМ) может использоваться в качестве преобразователя частоты с высоким коэффициентом усиления по производной, что позволяет подавлять частотные шумы со смещениями в несколько мегагерц.
Несмотря на это, за счет ПДХ, синхронизирующего лазер СИБ, частотный шум снижается более чем на шесть, шесть и три порядка при смещениях 1 Гц, 100 Гц и 10 кГц соответственно. Фазовый шум при смещениях 100 Гц и 10 кГц составляет около −65 и −106 дБн/Гц, соответственно, с минимальным уровнем фазового шума ниже −115 дБн/Гц. В самореферентной схеме ОЧР лазер может поддерживать микроволновую генерацию на частоте 10 ГГц с фазовым шумом -150 дБн/Гц при смещении 100 Гц; следует отметить, однако, что минимальный уровень микроволнового фазового шума, вероятно, будет ограничен фотодетектированием, а не уровнем лазерного фазового шума.
В дополнение к частотному шуму важной характеристикой является интегральная ширина лазерной линии, особенно для спектроскопии узких атомных переходов. Оценка ширины линии по частотному шуму обычно зависит от упрощенных предположений о форме СПМ. Используются два общих определения для оценки интегрированной ширины линии.
Первая оценка определяет линию β-разделения для разделения областей с высоким и низким индексом модуляции в СПМ частотного шума, которая различает вклады в ширину линии по сравнению с крыльями формы линии. В данном расчете частотный шум интегрируется от 1 Гц до пересечения с линией β-разделения, что дает интегрированную ширину линии 2.5 Гц на шкале времени 1 с.
Это, вероятно, представляет собой верхний предел, учитывая редкую выборку спектра частотного шума около 1 Гц. Используя тот же метод, рассчитанная интегральная ширина линии от лазера СИБ и автономного У-РБО составляет 8.7 кГц и 1.4 МГц соответственно.
Другой метод оценки ширины линии интегрирует фазовый шум от высоких частот смещения (короткие временные масштабы) до более низких частот смещения (вплоть до длинных временных масштабов) до тех пор, пока интеграл не превысит 1/π рад2.
Соответствующая частота смещения определяется как ширина линии. Предельные значения в 1 или π2 рад2 также были определены ранее, что соответствует накопленному среднеквадратичному отклонению фазы, превышающему 1 радиан или половину цикла соответственно. В данном случае получены значения одного порядка.
Используя отсечку 1/π рад2, получаем ширину линии 8.9 кГц (свободная работа), 620 Гц (СИБ) и 1.3 Гц (ПДХ). Несоответствие между методами линии β-разделения и фазового интегрирования в случае автономного лазера и лазера СИБ подчеркивает чрезмерное упрощение оценки для нетривиальной СПМ частотного шума. Однако в случае лазера с синхронизацией резонатора эти оценки совпадают по ширине линии на уровне герц.
Тем не менее, другим способом оценки ширины линии является измерение ширины и формы спектра мощности через гетеродин с источником, имеющим более узкую ширину линии. На рис. 4А показан спектр радиочастотных тактов, измеренный с полосой разрешения 500 мГц на векторном анализаторе спектра (ВАС). Подгонка данных и интегрирование мощности показывают, что 79% мощности приходится на гауссову диаграмму с полной шириной на половине максимума 1.1 Гц.
Рисунок 4. РЧ-спектр и девиация Аллана: (A) Спектр радиочастотного излучения лазерного гетеродина с полосой разрешения (ПР) 500 мГц. Подгонка по Гауссу показывает полную ширину 1.1 Гц на половине максимума, при этом 79% мощности приходится на гауссовские условные единицы.. (B) Девиация Аллана, полученная путем преобразования межспектрального частотного шума (интегрированного от 250 мГц до 10 кГц) для более короткого времени усреднения и частотомера (время стробирования 0.1 с) для более длительного времени усреднения. Данные частотомера с удалением линейного дрейфа 2.8 Гц/с показывают относительную стабильность частоты 10-14, усредненную до 1 с
Девиация Аллана является мерой относительной стабильности частоты δf/f как функции времени усреднения. Это показано на рис. 4B, рассчитанном для короткого времени усреднения путем интегрирования частотного шума кросс-спектра от 250 мГц до 10 кГц. Для более длительных периодов усреднения данные частотомера (время стробирования 0.1 с) преобразуются в девиацию Аллана с устранением линейного дрейфа 2.8 Гц/с и без него.
Сравнение этих двух наборов данных при времени усреднения 200 мс показывает совпадение, давая неустойчивость относительной частоты более, чем 10-14 от 1 мс до 1 с усреднения после удаления дрейфа. Результат на порядок ниже, чем для интегрированного планарного волновода, волокна и компактных твердых диэлектрических резонаторов, что иллюстрирует явное преимущество подхода с вакуумным зазором. При 1-секундной нестабильности частоты 10-14 и ширине линии 1.1 Гц лазер со стабилизированным резонатором способен исследовать сравнимые 1-герцовые атомные линии в масштабе времени 1 с и быстрее.
Обсуждение результатов
Таким образом, рассматривается лазер со стабилизированным резонатором, использующий планарный полупроводниковый лазер и литографически сформированные микрозеркала, с шириной линии 1.1 Гц на шкале времени 1 с, минимальным частотным шумом 10-3 Гц2/Гц при смещении в килогерц и нестабильность дробной частоты 10-14 усредняется до 1 с. По сравнению со свободным лазером, СИБ-лазер с ПДХ-синхронизацией демонстрирует уменьшение частотного шума на 11 порядков при смещении 1 Гц.
Все важные компоненты представляют собой литографически изготовленные устройства с масштабируемостью на уровне пластины. Микрозеркала, используемые в данном резонаторе мк-ФП, открывают путь к изготовлению эталонных резонаторов высокой точности, а небольшой размер микрозеркал также позволяет еще больше миниатюризировать резонаторы в будущем. Кроме того, поскольку лазер накачки и спиральный резонатор имеют одинаковую геометрию поперечного сечения Si3N4, полная интеграция гетерогенного лазера СИБ не представляет сложности.
Полная интеграция не только снижает потери связи между лазером и резонатором, но также обеспечивает гибкость интеграции полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) на кристалле для достижения выходной мощности, необходимой для вышеупомянутых приложений. Регулировка силы лазерной решетки также может увеличить выходную мощность. Наконец, встроенные нагреватели могут быть размещены над оболочкой спирального резонатора, так что лазер СИБ становится перестраиваемым по частоте.
Хотя данные результаты были получены при отдельном расположении резонатора мк-ФП, с использованием планарного изготовления ключевых компонентов, предполагается путь к полной интеграции. AOM, используемый в захвате частоты ПДХ, может быть устранен в пользу тепловой настройки лазера СИБ для медленной обратной связи с большим динамическим диапазоном и срабатывания ЭОМ для высокоскоростного управления. Гибкость гетерогенной кремниевой фотонной платформы хорошо зарекомендовала себя, и будущие полностью интегрированные фотонные схемы III-V/Si/Si3N4 могут включать модуляторы и детекторы, обеспечивающие встроенные возможности блокировки ПДХ.
Было продемонстрировано пассивное поддержание вакуума в атомных системах миллиметрового масштаба с лазерным охлаждением, и ожидается, что это может быть адаптировано для резонаторов мк-ФП с вакуумным зазором. Для лазера и спирального резонатора теперь требуется упаковка объемом менее 50 мл, и мы предполагаем индивидуальный тепловой экран и вакуумный корпус для резонатора мк-ФП объемом менее 100 мл; они оба более чем на порядок меньше по объему по сравнению с ранее осаждавшимся волоконным лазером на 900 мл и 2.5-литровым алюминиевым корпусом вакуумной камеры для сопоставимого компактного резонатора на 52 мл с девиацией Аллана 7.5 × 10–15 до 1 с соответственно.
Как и во всех подобных сверхстабильных лазерах, компактное и надежное подавление вибрации имеет решающее значение для работы за пределами лабораторной среды и требует дальнейшего изучения. Упреждающее подавление инерционных сил в реальном времени было продемонстрировано с использованием акселерометров и гироскопов, расположенных вокруг резонатора, и может быть аналогичным образом применено для замены виброизолирующего стола в компактном форм-факторе.
Для дальнейшей интеграции подключение к резонатору мк-ФП из схемы планарного волновода через соединение может быть достигнуто с помощью метаповерхностей и решетчатых соединителей, аналогичных тем, которые успешно используются в атомных системах; в качестве альтернативы резонатор может быть соединен краем с фотонной схемой с линзой с градиентным показателем преломления.
В заключение, с недавними достижениями в области гетерогенно интегрированных лазеров на основе Si3N4 в масштабе пластины и компактных резонаторов мк-ФП на основе чипов можно продемонстрировать лазеры с чрезвычайно узкой интегрированной шириной линии с малыми размерами и весом и возможностью масштабирования до массового производства с использованием КМОП.
Наряду с прогрессом в фотонике данная работа иллюстрирует путь к компактному гибридно-интегрированному лазерному устройству со стабилизированным резонатором с интегрированной шириной линии 1 Гц для использования в компактных атомных часах и малошумящих радиочастотных фотонных генераторах.
Материалы и методы
У-РБО лазер
Гетерогенный У-РБО лазер III-V/Si/Si3N4 был изготовлен с использованием последовательного склеивания пластин и обработки кремния на изоляторе (КНИ) и InP на предварительно обработанной пластине Si3N4 толщиной 100 мм с возможностью литографического выравнивания с помощью шагового лазера с ультрафиолетовым излучением глубиной 248 нм. При химическом осаждении из паровой фазы под низким давлением Si3N4 толщиной 90 нм был протравлен и покрыт дейтерированным SiO2 для формирования волноводов и решеток Si3N4 с малыми потерями.
После планаризации оксидной оболочки с помощью химико-механической полировки затем приклеивается кусок КНИ размером 60 мм на 60 мм с последующим удалением подложки и обработкой Si для формирования кремниевых цепей. Затем склеивают расщепленные чиплеты с усилением в несколько квантовых ям на основе InP (выращенные на 2-дюймовой подложке InP) с последующим удалением подложки, обработкой III-V, пассивацией оксидом и металлизацией. Длина гибридной секции усиления III-V/Si составляет 1.5 мм, а 20-мм Si3N4 У-РБО спроектирован с нормированной прочностью решетки kLg 1.75, что обеспечивает измеренную полосу отражения ≈5 ГГц и лазерные колебания при 1548 нм.
Сила обратной связи У-РБО, необходимая для генерации лазера, обеспечивается внутрирезонаторными преобразователями мод III-V/Si и Si/Si3N4 с малыми потерями, а также решеткой Si3N4. Этот лазер был нарезан на кубики и упакован вместе с термистором и термоэлектрическим охладителем для краевого соединения с чипом резонатора.
Спиральный резонатор
Планарные резонаторы Si3N4 изготавливаются на 200-мм пластинах на КМОП-основании. Длина спирали, используемой для последующей фиксации ПДХ, составляет 1.41 м, занимая площадь 9.2 мм на 7.2 мм, ограниченная минимальным радиусом изгиба 2 мм и шагом волновода 40 мкм для сердцевины волновода толщиной 100 нм. Нагруженная (собственная) добротность составляет 126 (164) миллионов, что дает средние потери при распространении 0.17 дБ/м.
Эти значения потерь достигаются за счет отжига при высоких температурах свыше 1000°C для удаления остаточного водорода. После синхронизации с самоинжекцией частотный шум, ограниченный ТРШ, находится на одном уровне с шумом волоконных лазеров, которые обычно необходимы для синхронизации ПДХ с резонаторами сверхвысокой точности. В эксперименте спиральный резонатор размещается на терморегулируемом столике для смещения резонансных частот, а управление фазой осуществляется посредством пьезоэлектрического управления зазором между чипами.
Мк-ФП резонатор
Процесс изготовления микрозеркал состоял из нанесения трех дисков фоторезиста на суперполированную стеклянную подложку, которая затем подвергалась оплавлению в парах растворителя. По мере того как пары растворителя поглощались фоторезистом, диски фоторезиста изменяли форму, в результате чего на вершине каждого из них образовывались небольшие углубления. Параболическая форма этой лунки служила шаблоном для вогнутого зеркала, которое затем переносилось на подложку с помощью реактивного ионного травления.
Одно плоское зеркало из плавленого кварца образует противоположное зеркало. После покрытия обеих зеркальных подложек диэлектрическим покрытием с высокой отражающей способностью (> 99.999% при 1550 нм) они прикрепляются оптическим контактом к противоположным сторонам стеклянной прокладки СНР длиной 10 мм и диаметром 25.4 мм. С помощью трех вогнутых микрозеркал, протравленных с одной стороны, в одной тестовой структуре были сформированы три различных оптических резонатора.
Для данного эксперимента необходима только одна оптическая мода, поэтому используется микрозеркало с радиусом кривизны 1.1 м, точностью 920 000 (Q 11.8 млрд) и шириной линии 16 кГц. В то время как общий объем полости составляет 8 мл, объем полости может быть значительно уменьшен при использовании только одного микрозеркала.
Кроме того, возможность изготовления нескольких зеркал одновременно на одной и той же подложке могла бы обеспечить параллельное изготовление множества полостей с одним микрозеркалом путем соединения подложки с массивом микрозеркал, разделительного диска с соответствующим набором отверстий и плоского зеркала, а затем нарезания кубиками.
Стабильность резонатора по длине определяется броуновскими флуктуациями в диэлектрических зеркальных покрытиях в коротких временных масштабах и тепловым дрейфом в более длительных временных масштабах, которые минимизируются за счет конструкции резонатора и изоляции от окружающей среды. Используя универсальность технологии изготовления микрозеркал, максимально увеличивается радиус кривизны микрозеркала, что приводит к большому размеру пятна на обоих торцевых зеркалах и эффективному усреднению случайных колебаний длины резонатора по большей площади.
Плавленый кварц для зеркальных подложек обеспечивает низкий уровень шума благодаря высокой механической добротности материала, в то время как прокладка СНР снижает температурную чувствительность режима резонатора. Для дальнейшего подавления температурных дрейфов резонатор мк-ФП монтируется в специальном теплозащитном экране внутри вакуумного корпуса при 10-7 торр, в то время как обратная связь по температуре применяется снаружи вакуумного корпуса для обеспечения стабильности в течение длительного периода времени.
Результатом этих конструктивных решений и соображений изоляции является минимальный уровень шума на основной частоте примерно 0.72/f Гц2/Гц (минимальный уровень фазового шума -4.4/f3 дБк/Гц) и долгосрочный дрейф резонатора в несколько герц или выше в течение часовых периодов времени.
Настройка лазера и спирального резонатора
Как показано на рис. 2, частота лазера настраивается путем изменения тока усиления лазера и температуры каскада. Одномодовые и многомодовые состояния, типичные для РБО-лазеров, показаны в каждом цикле перестройки мод, которые были разрешены с помощью анализатора оптического спектра высокого разрешения Apex. Для многомодовых состояний показана только самая сильная мода генерации.
Для достижения устойчивости лазер настраивают на одномодовое состояние. Использован лазер при ~232 мА и 22.5°C ввиду высокой одномодовой выходной мощности на частоте, перекрывающей ближайший резонанс мк-ФП. Показана достаточная настройка, чтобы охватить более половины 15-ГГц мк-ФП ССД с помощью контроля температуры, обеспечивая, что при произвольном выравнивании частоты лазера и резонатора мк-ФП всегда может быть достигнут резонанс. Как только частота лазера настроена на мк-ФП, спиральный резонатор охлаждается до ~ 20.13 ° C, так что результирующая частота лазера СИБ находится в центре резонанса резонатора мк-ФП.
При частоте ССД 135 МГц и скорости настройки ∼ГГц/K необходима лишь умеренная тепловая настройка. Поместив лазерную установку СИБ в закрытую коробку для защиты от воздушных потоков, состояние СИБ сохраняется в течение нескольких часов.
Настройка стабилизации
Как показано на рис. 3А, СИБ-лазер имеет оптоволоконную связь, изолирован, усиливается от 1 до 12 мВт с помощью ПОУ и фильтруется оптическим полосовым фильтром с длиной волны 1 нм. AOM служит частотным приводом в контуре обратной связи, а боковые полосы ПДХ добавляются с помощью ЭОМ. Для сопряжения с полостью ЭОМ подается на циркулятор в свободном пространстве и линзу согласования мод. После АОМ стабилизированный свет отделяется для измерения, оставляя около 500 мкВт, падающих на резонатор для фиксации.
Для снижения шума окружающей среды полость в его вакуумном корпусе установлена на платформе с активной виброизоляцией внутри кожуха с тепловым и акустическим поглощением. Как и в типичной схеме синхронизации ПДХ, боковые полосы смешиваются с несущей при отражении от резонатора, так что оптическая фаза фотодетектируется. Сигнал ошибки извлекается после демодуляции с помощью смесителя, который затем фильтруется сервоприводом пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления и подается обратно на генератор, управляемый напряжением, для управления частотой AOM.
Чтобы еще больше уменьшить колебания частоты ниже смещения 1 кГц, добавляется сервопривод относительного шума интенсивности (ШОИ) для корректировки изменений внутрирезонаторной мощности. Флуктуации оптической интенсивности в резонаторе вызывают небольшие сдвиги резонансной частоты за счет локального фототермического расширения в зеркалах, которые имеют небольшой, но конечный коэффициент поглощения. Используя детектор передачи для генерации сигнала ошибки, сервопривод ШОИ применяет амплитудную модуляцию к радиочастотной мощности AOM для стабилизации передаваемой оптической мощности.
Измерение частотного шума
Используются два отдельно проверенных метода измерения частотного шума, которые показаны на рис. 3А. Частотный шум лазера свободного хода и СИБ-лазера измерялся с помощью оптического анализатора фазового шума OE4000, основанного на частотном дискриминаторе интеферометра Маха-Цендера. После подключения ПДХ к резонатору мк-ФП между лазером и самодельной оптической частотной гребенкой регистрируется гетеродинный импульс, который стабилизируется на тактовом лазере с иттербиевой решеткой из соседней лаборатории. Фаза извлекается с помощью синфазной/квадратурной (СК) демодуляции с использованием Agilent HP 89441A VSA.
Такты также используются для измерения частоты счетчика и формы спектральных линий. Чтобы обеспечить более высокую чувствительность измерений на частотах смещения выше 1 кГц, стабилизированный свет разделяется, направляется по двум физически разделенным волокнам и смешивается с двумя независимо стабилизированными частотными гребенками, чтобы удалить некоррелированный шум окружающей среды и измерений, т.е. шум от волокон или гребенок. Записи фазы во временной области двух тактовых сигналов одновременно отбираются со скоростью 2 выборки в секунду с помощью программно-определяемого радио (ПОР) и цифровой перекрестной корреляции (XКорр) для выделения общего лазерного шума. На рис. 3C данные VSA и ПОР с перекрестным спектром объединены на частоте смещения 100 Гц.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
В обзоре сравниваются наиболее востребованные модели наносекундных лазеров производства Litron Lasers и СОЛАР ЛС, в том числе лазеры с модуляцией добротности с высокой и сверхвысокой энергией импульса, высокой частотой повторения импульсов, компактные лазеры и лазеры с диодной накачкой.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
