Фемтосекундный лазер превратили в модуль с питанием и волокном
Гибридный фотонный модуль сам запускает синхронизацию мод: к нему подводят электрическое питание, а из волокна выходит гигагерцовый поезд ультракоротких импульсов. Усилитель, дисперсионную оптику, зеркала и пассивный затвор авторы заменили волноводами, литографическими решётками и полупроводниковым зеркалом. Фемтосекундный лазер начинает помещаться в корпус компонента, а не занимать оптический стол.
КОРОТКО
Электрически питаемый гибридный модуль сам формирует гигагерцовый поезд импульсов без ручной юстировки лазерного резонатора.
Эрбиевый SiN-волновод усиливает свет, чирпированные брэгговские решётки задают дисперсию, а SESAM пассивно синхронизирует продольные моды.
Работа превращает резонатор фемтосекундного лазера в проектируемую топологию фотонной схемы и приближает компактные источники оптических гребёнок.
Гибридный фотонный модуль сам запускает синхронизацию мод: к нему подводят электрическое питание, а из волокна выходит гигагерцовый поезд ультракоротких импульсов. Усилитель, дисперсионную оптику, зеркала и пассивный затвор авторы заменили волноводами, литографическими решётками и полупроводниковым зеркалом. Фемтосекундный лазер начинает помещаться в корпус компонента, а не занимать оптический стол.
Фемтосекундный лазер превратили в гибридный модуль: электричество подаётся на 980-нм насосный диод, а на волоконном выходе возникает самозапускающийся гигагерцовый поезд импульсов. Группа EPFL, HZDR и EDWATEC перенесла в фотонную сборку функции, которые обычно распределены по оптическому столу: усиление, зеркала резонатора, управление дисперсией и пассивную синхронизацию мод. Это ещё не монолитный кристалл, однако объёмная оптика перестаёт быть каркасом лазера.
В основе лежит Si3N4-чип площадью 5×5 мм², несущий двенадцать параллельных лазерных структур. Эрбиевый волновод сечением 1.6×0.2 мкм даёт усиление в телекоммуникационном диапазоне. Встроенные чирпированные брэгговские решётки одновременно работают с отражением, вводом и выводом света и дисперсией. Их измеренная group-delay dispersion равна −0.226 пс². Волновод вносит нормальную дисперсию, решётки — аномальную, поэтому импульс за каждый обход резонатора проходит заданный литографией цикл растяжения и чирпа.
На втором конце установлен SESAM, полупроводниковое насыщаемое поглощающее зеркало. Для слабого света оно остаётся поглощающим, яркий пик короткого импульса насыщает поглощение и проходит с меньшими потерями. Такой отбор постепенно собирает согласованные продольные моды без электронной петли обратной связи. Линейная оптическая длина резонатора около 7 см задаёт частоту повторения 1.2 ГГц. Для чиповой фотоники это сознательно длинный путь: при одинаковой средней мощности энергия импульса растёт как 1/frep, поэтому источник на единицах гигагерц даёт заметно более энергичные импульсы, чем гребёнки с шагом в десятки гигагерц.
В стендовой версии с внешней 1480-нм накачкой синхронизация мод устойчиво запускалась от 27.3 мВт мощности, введённой в чип. При 221.1 мВт накачки на выходе чипа получили 29.3 мВт и 24.4 пДж на импульс. Спектр около 1551 нм имеет ширину 9.5 нм по уровню 3 дБ; в нём разрешили более 950 линий с шагом 1.2 ГГц. Двухчасовое гетеродинное измерение дало стандартное отклонение дрейфа линии 8.0 МГц, или 0.67% от frep. Фазовый шум сигнала повторения на отстройке 10 кГц составил −113.5 dBc/Hz, интегральный timing jitter в полосе 10 кГц–10 МГц — 46.9 фс.
Упакованная версия объединяет III–V диод, фотонный чип, SESAM и одномодовый волоконный выход. Она непрерывно работала более 140 минут. Число 300 фс относится к импульсам после EDFA и внешнего программируемого компенсатора дисперсии: прямо с чипа они выходят сильно чирпированными. Встроенный компрессор остаётся необходимой частью следующей версии модуля.
Гребёнка пока работает свободно: f–2f-самореференсировка, фиксация frep и fceo, абсолютная частотная привязка не показаны. Но физическая идея уже собрана. Резонатор, который связывает оптические частоты с радиочастотной частотой повторения, теперь формируется рисунком волноводов и решёток. Для компактной метрологии, оптического синтеза частот и нелинейной фотоники это меняет размер самой установки.