基于鈮酸鋰薄膜的超快可調(diào)激光器

  開(kāi)發(fā)同時(shí)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(lái)一直是前沿技術(shù)的重點(diǎn)任務(wù)之一，這樣的激光器在精密頻率計(jì)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(guò)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并且對(duì)環(huán)境因素比較敏感。通過(guò)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(wú)法改變波長(zhǎng)，并且相對(duì)笨重。

  在高品質(zhì)因數(shù)的微腔中，這兩個(gè)問(wèn)題都可被解決，并可以顯著降低激光線寬和噪聲。當(dāng)二極管激光耦合進(jìn)微腔里并諧振時(shí)，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。基于氮化硅的集成微腔的自注入鎖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(lái)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(tái)上實(shí)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(huì)對(duì)激光雷達(dá)和光學(xué)測(cè)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(tái)近年來(lái)一直是集成光學(xué)研究的熱點(diǎn)，因?yàn)樗哂械蛽p耗、高二階非線性等優(yōu)點(diǎn)，可以用于高速調(diào)制器、頻梳，并實(shí)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(chǎng)可以引起介質(zhì)折射率的改變，非中心對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)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(gè)重要的研究方向。然而，之前嘗試開(kāi)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(tái)的應(yīng)用范圍。

  在該研究中，作者開(kāi)發(fā)出晶圓級(jí)鈮酸鋰-氮化硅異質(zhì)集成光學(xué)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)拍赫茲每秒(PHz/s)級(jí)的頻率捷變，并用于相干光測(cè)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(jí)鍵合技術(shù)將鈮酸鋰集成到氮化硅光路上，并通過(guò)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(qiáng)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(cè)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(duì)接耦合到氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)集成光芯片，通過(guò)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(guò)耦合順時(shí)針和逆時(shí)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(jìn)激光線寬變窄并增大頻率鎖定的范圍。該實(shí)驗(yàn)實(shí)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(cè)試裝置圖(左)。自注入鎖定機(jī)制產(chǎn)生激光的光譜和原始輸入光譜的對(duì)比(右)。

  高速激光調(diào)諧和相干光測(cè)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(shí)現(xiàn)了12PHz/s的高速激光調(diào)制，并驗(yàn)證了調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)光學(xué)測(cè)距實(shí)驗(yàn)。激光光源的相干性、單色性、方向性、穩(wěn)定性、噪聲是相干測(cè)量中非常重要的因素，可直接決定雷達(dá)系統(tǒng)的性能。激光線寬會(huì)影響測(cè)量的分辨率，輸出功率的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度噪聲，并和光信噪比共同限制了測(cè)量的精度和可靠性。作者利用本文中開(kāi)發(fā)的高性能鈮酸鋰薄膜的片上可調(diào)諧激光器，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行三角形頻率調(diào)制，從目標(biāo)反射的光信號(hào)的延遲零差檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。該系統(tǒng)不需要信號(hào)預(yù)失真或主動(dòng)反饋即可實(shí)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(cè)距精度，同時(shí)還具備的超快頻率捷變，實(shí)現(xiàn)快速、線性和無(wú)滯后的調(diào)諧，在高精度遠(yuǎn)距激光雷達(dá)中起到了關(guān)鍵的作用。

圖3：相干光測(cè)距的實(shí)驗(yàn)裝置圖(左)，測(cè)量目標(biāo)場(chǎng)景的點(diǎn)云圖(右)。

  綜上所述，這項(xiàng)工作開(kāi)發(fā)了氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)集成光學(xué)平臺(tái)，使用了自注入鎖定技術(shù)來(lái)控制激光線寬、抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)超快可調(diào)的激光器，并用光學(xué)相干測(cè)距展示了該激光器在實(shí)際應(yīng)用中的潛在價(jià)值。除集成激光器之外，該平臺(tái)還可用于微波和毫米波跟蹤發(fā)生器、光子計(jì)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(shí)具有超寬透明窗口，可以將頻率捷變擴(kuò)展到其他波長(zhǎng)范圍，例如中紅外或可見(jiàn)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))