基于鈮酸鋰薄膜的超快可調(diào)激光器

  開發(fā)同時具有窄線寬、高穩(wěn)定性、可高速調(diào)頻性能的激光器近年來一直是前沿技術(shù)的重點任務(wù)之一，這樣的激光器在精密頻率計量、高分辨率光譜學(xué)、光學(xué)傳感器、光通信、原子鐘等很多領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用。

  目前一些常用于優(yōu)化二極管激光器的方法都具有一定的局限性。比如，通過光注入將穩(wěn)定的低功率激光器的窄頻譜轉(zhuǎn)移到高功率的寬譜二極管激光器可獲得高功率、窄線寬、穩(wěn)定的二極管激光輸出，但這種方法需要復(fù)雜的實驗系統(tǒng)并且對環(huán)境因素比較敏感。通過將二極管激光鎖定到外部的高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔的方法也可以有效的減小帶寬，穩(wěn)定激光輸出。然而，傳統(tǒng)的使用基于鏡面鍍膜反射和法布里-珀羅外部腔的方法通常無法改變波長，并且相對笨重。

  在高品質(zhì)因數(shù)的微腔中，這兩個問題都可被解決，并可以顯著降低激光線寬和噪聲。當二極管激光耦合進微腔里并諧振時，由于背向散射光的存在，可以引起自注入鎖定效應(yīng)，將激光發(fā)射頻率鎖定到相近的微腔諧振頻率?；诘璧募晌⑶坏淖宰⑷腈i定的二極管激光器具有很高的性能，然而并不具備高速片上可調(diào)諧的能力。

  近日，來自EPFL和IBM的研究人員，在鈮酸鋰-氮化硅異質(zhì)集成光學(xué)平臺上實現(xiàn)了低損耗、窄線寬、高調(diào)制速率、穩(wěn)定的激光輸出。新型激光器可能會對激光雷達和光學(xué)測距產(chǎn)生重大影響。

  該成果在以“Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics”為題在Nature上發(fā)表。

  鈮酸鋰集成光學(xué)平臺近年來一直是集成光學(xué)研究的熱點，因為它具有低損耗、高二階非線性等優(yōu)點，可以用于高速調(diào)制器、頻梳，并實現(xiàn)大規(guī)模緊湊高性能片上光路。

  電光效應(yīng)是指外加電場可以引起介質(zhì)折射率的改變，非中心對稱的晶體存在線性電光效應(yīng)，即Pockels效應(yīng)，是一種二階非線性現(xiàn)象。鈮酸鋰作為非中心對稱的單軸晶體具有極高的電光系數(shù)，因此基于鈮酸鋰薄膜的片上可調(diào)諧激光器也成為了一個重要的研究方向。然而，之前嘗試開發(fā)的基于鈮酸鋰薄膜的激光器并不具備窄線寬和高速調(diào)頻的能力，極大地限制了該集成平臺的應(yīng)用范圍。

  在該研究中，作者開發(fā)出晶圓級鈮酸鋰-氮化硅異質(zhì)集成光學(xué)平臺的制備方法，利用基于高品質(zhì)因數(shù)微腔的激光自注入鎖定技術(shù)產(chǎn)生窄線寬、低噪聲的激光，實現(xiàn)拍赫茲每秒(PHz/s)級的頻率捷變，并用于相干光測距。

  氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)集成光路

  作者使用大馬士革工藝制備氮化硅波導(dǎo)以及4英寸晶圓級鍵合技術(shù)將鈮酸鋰集成到氮化硅光路上，并通過多種流程降低波導(dǎo)損耗、優(yōu)化鍵合界面的平整度和粗糙度，增加鍵合強度。

  圖1：a) 異質(zhì)集成工藝示意圖，b) 異質(zhì)集成波導(dǎo)橫截面，c) 激光自注入鎖定系統(tǒng)示意圖，d) 測試裝置照片。

  激光自注入鎖定

  激光自注入鎖定是將InP分布式反饋激光器對接耦合到氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)集成光芯片，通過調(diào)整激光器的電流使其輸出頻率與氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)集成光芯片上的微腔的諧振頻率相匹配，并通過耦合順時針和逆時針的傳播模式為半導(dǎo)體激光器提供窄帶寬的反饋。低損耗、高品質(zhì)因數(shù)的微腔可促進激光線寬變窄并增大頻率鎖定的范圍。該實驗實現(xiàn)了1555.4nm的激光輸出，50dB的邊模抑制比，以及3.14kHz的本征線寬。

圖2：激光線寬測試裝置圖(左)。自注入鎖定機制產(chǎn)生激光的光譜和原始輸入光譜的對比(右)。

  高速激光調(diào)諧和相干光測距

  作者利用鎢電極在該氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)集成光芯片上實現(xiàn)了12PHz/s的高速激光調(diào)制，并驗證了調(diào)頻連續(xù)波雷達光學(xué)測距實驗。激光光源的相干性、單色性、方向性、穩(wěn)定性、噪聲是相干測量中非常重要的因素，可直接決定雷達系統(tǒng)的性能。激光線寬會影響測量的分辨率，輸出功率的穩(wěn)定性會產(chǎn)生強度噪聲，并和光信噪比共同限制了測量的精度和可靠性。作者利用本文中開發(fā)的高性能鈮酸鋰薄膜的片上可調(diào)諧激光器，通過對其進行三角形頻率調(diào)制，從目標反射的光信號的延遲零差檢測來實現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波雷達。該系統(tǒng)不需要信號預(yù)失真或主動反饋即可實現(xiàn)15厘米分辨率。該基于鈮酸鋰薄膜的超快可調(diào)激光器不僅具有很低的激光相位噪聲增加了工作距離和測距精度，同時還具備的超快頻率捷變，實現(xiàn)快速、線性和無滯后的調(diào)諧，在高精度遠距激光雷達中起到了關(guān)鍵的作用。

圖3：相干光測距的實驗裝置圖(左)，測量目標場景的點云圖(右)。

  綜上所述，這項工作開發(fā)了氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)集成光學(xué)平臺，使用了自注入鎖定技術(shù)來控制激光線寬、抑制噪聲，實現(xiàn)超快可調(diào)的激光器，并用光學(xué)相干測距展示了該激光器在實際應(yīng)用中的潛在價值。除集成激光器之外，該平臺還可用于微波和毫米波跟蹤發(fā)生器、光子計算的交換網(wǎng)絡(luò)、玻色子采樣和集成收發(fā)器等多種應(yīng)用。此外，鈮酸鋰和氮化硅同時具有超寬透明窗口，可以將頻率捷變擴展到其他波長范圍，例如中紅外或可見光，用于痕量氣體傳感等應(yīng)用。

  論文信息 Snigirev, V., Riedhauser, A., Lihachev, G. et al. Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics. Nature 615, 411–417 (2023).

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

  撰稿：Xiaodong Shi (新加坡科技研究局(A*STAR))