Ondanks alle recente ontwikkelingen in geïntegreerde lithiumniobaat fotonische circuits - van frequentiekammen tot frequentieomvormers en modulatoren - is één groot onderdeel frustrerend moeilijk te integreren gebleven:lasers.

Telecommunicatienetwerken voor lange afstanden, optische verbindingen van datacenters en fotonische microgolfsystemen zijn allemaal afhankelijk van lasers om een ​​optische drager te genereren die wordt gebruikt bij gegevensoverdracht. In de meeste gevallen zijn lasers op zichzelf staande apparaten, buiten de modulatoren, waardoor het hele systeem duurder en minder stabiel en schaalbaar wordt.

Nu hebben onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in samenwerking met industriepartners bij Freedom Photonics en HyperLight Corporation de eerste volledig geïntegreerde krachtige laser op een lithiumniobaatchip ontwikkeld, waarmee de weg wordt vrijgemaakt voor onder meer krachtige telecommunicatiesystemen, volledig geïntegreerde spectrometers, optische teledetectie en efficiënte frequentieconversie voor kwantumnetwerken.

"Geïntegreerde lithiumniobaatfotonica is een veelbelovend platform voor de ontwikkeling van hoogwaardige optische systemen op chipschaal, maar het is een van de grootste ontwerpuitdagingen gebleken om een ​​laser op een lithiumniobaatchip te krijgen", zegt Marko Loncar, de Tiantsai Lin. Hoogleraar Electrical Engineering and Applied Physics bij SEAS en senior auteur van de studie. "In dit onderzoek hebben we alle nanofabricagetrucs en -technieken gebruikt die we hebben geleerd van eerdere ontwikkelingen in geïntegreerde lithiumniobaat-fotonica om die uitdagingen te overwinnen en het doel te bereiken om een ​​krachtige laser te integreren op een dunne-film lithiumniobaatplatform. "

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Optica .

Loncar en zijn team gebruikten kleine maar krachtige lasers met gedistribueerde feedback voor hun geïntegreerde chip. Op de chip zitten de lasers in kleine putjes of greppels die in het lithiumniobaat zijn geëtst en leveren tot 60 milliwatt optisch vermogen in de golfgeleiders die in hetzelfde platform zijn vervaardigd. De onderzoekers combineerden de laser met een 50 gigahertz elektro-optische modulator in lithiumniobaat om een ​​krachtige zender te bouwen.

"Het integreren van krachtige plug-and-play-lasers zou de kosten, complexiteit en het stroomverbruik van toekomstige communicatiesystemen aanzienlijk verminderen", zegt Amirhassan Shams-Ansari, een afgestudeerde student aan SEAS en eerste auteur van het onderzoek. "Het is een bouwsteen die kan worden geïntegreerd in grotere optische systemen voor een reeks toepassingen, in detectie, lidar en datatelecommunicatie."

Door dunne-film lithiumniobaat-apparaten te combineren met krachtige lasers met behulp van een industrievriendelijk proces, vertegenwoordigt dit onderzoek een belangrijke stap in de richting van grootschalige, goedkope en hoogwaardige zenderarrays en optische netwerken. Vervolgens wil het team het vermogen en de schaalbaarheid van de laser vergroten voor nog meer toepassingen. + Verder verkennen

On-chip frequentieverschuivers in het gigahertz-bereik kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers en -netwerken van de volgende generatie