Kristallijn lithiumniobaat (LN) wordt beschouwd als het "silicium van de fotonica" vanwege zijn uitstekende optische eigenschappen, waaronder een breed transparantievenster en hoge piëzo-elektrische, akoesto-optische, tweede-orde niet-lineaire en elektro-optische coëfficiënten, die cruciaal zijn voor fotonische geïntegreerde circuit (PIC) toepassingen. Recente doorbraken in nanofabricagetechnologie maken een verscheidenheid aan hoogwaardige geïntegreerde fotonische apparaten op dunne-film LN mogelijk, zoals ultrasnelle elektro-optische modulatoren, breedband optische frequentiekammen en zeer efficiënte optische frequentieomvormers.

Als een onmisbaar onderdeel voor PIC's zijn recentelijk on-chip microlasers gerealiseerd op een met zeldzame aarde gedoteerde LN-chip bij verschillende golflengtebanden (~ 1550 nm en 1030 nm). Om veel toepassingen mogelijk te maken, variërend van lidar tot metrologie, moeten de LN-microlasers werken met ultrasmalle lijnbreedten en een hoge afstembaarheid van de golflengte.

Een hoge Q-factor is een belangrijke parameter. Volgens de Schawlow-Townes-theorie zal het verhogen van de Q-factor leiden tot kwadratische reductie van een microlaser-lijnbreedte. De hoogste Q-factoren die tot nu toe zijn aangetoond, zijn die van microholtes in de fluistergalerijmodus (WGM) waar lichtopsluiting wordt bereikt door de continue totale interne reflectie rond de gladde cirkelvormige periferie. De dichte WGM's binnen de optische versterkingsbandbreedte geven echter meestal aanleiding tot multimode lasering in de microholte. In principe kan single-mode laseren worden bereikt door de grootte van de WGM-microcaviteit te verkleinen, vanwege de verbreding van het vrije spectrale bereik (FSR). Helaas leidt een dergelijke strategie onvermijdelijk tot meer stralingsverlies, wat ongunstig is voor lasergeneratie. Het blijft dus een uitdaging om single-mode lasering te realiseren op een single-microdisk resonator.

Om deze uitdaging aan te gaan, hebben onderzoekers van het Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, East China Normal University, University of Victoria, Zhejiang University en Zhejiang Lab onlangs een unieke, ultrasmalle, erbium-gedoteerde LN-microschijflaser met enkele frequentie, ultrasmalle lijnbreedte gedemonstreerd. Zoals gemeld in Geavanceerde fotonica , bereikten ze dit door gelijktijdige excitatie van high-Q polygoonmodi bij zowel pomp- als lasergolflengten. Ze gebruikten fotolithografie-geassisteerd chemomechanisch etsen (PLACE) om de LN-microholtes geïntegreerd met micro-elektroden op een controleerbare en kosteneffectieve manier te fabriceren. De microholtes zorgen voor een ultraglad oppervlak, wat ultrahoge Q-factoren voor de holte-WGM's mogelijk maakt.

De polygoonmodi werden coherent gecombineerd door meerdere WGM's veroorzaakt door een zwakke verstoring van een taps toelopende vezel. De polygoonmodi zijn schaars binnen de optische versterkingsbandbreedte in vergelijking met de WGM-tegenhanger, terwijl hun Q-factoren ultrahoog blijven (bijv. ~ 10 miljoen), wat resulteert in lasering met één frequentie met een lijnbreedte zo smal als 322 Hz. Bovendien biedt het systeem realtime elektro-optische afstemming van de microlasergolflengte, dankzij de sterke lineaire elektro-optische coëfficiënt van LN; het onderzoeksteam heeft een hoge afstemmingsefficiëntie van ∼50 pm/100V aangetoond.

De vorming van coherente polygoonmodi met ultrahoge Q-factoren zorgt voor de realisatie van single-mode microlasers met smalle lijnbreedte in enkele LN-microschijven, wat aanzienlijke implicaties heeft voor geminiaturiseerde optische systemen die zeer coherente laserbronnen moeten bevatten. Verdere verkenning van de sterke piëzo-elektrische, akoesto-optische en tweede-orde niet-lineaire eigenschappen van het LN-substraat belooft de prestaties en functionaliteit van de single-mode microschijflaser te verbeteren, om de behoefte aan heterogene integraties te omzeilen. + Verder verkennen

Modusregeling voor vierkante microresonatorlasers geschikt voor integratie