中國科學(xué)家開發(fā)新型寬帶集成激光器，實現(xiàn)通信與可見光的同時激射，展示三五族半導(dǎo)體的集成光學(xué)應(yīng)用潛力

  半導(dǎo)體激光器在光纖通信領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮?。得益于半?dǎo)體激光器成本低、功耗低的優(yōu)勢，目前其已在光纖通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。

  從全球發(fā)展來看，目前主流光芯片廠商仍分布在國外。英特爾以每年制造數(shù)千萬個集成半導(dǎo)體激光器的速度供應(yīng)于全球。

  英特爾的核心技術(shù)在于三五族半導(dǎo)體材料與硅的集成，其在光芯片領(lǐng)域的成功，不僅得益于它半個世紀(jì)以來的半導(dǎo)體基礎(chǔ)，也受益于它在光芯片領(lǐng)域的十?dāng)?shù)年的技術(shù)積累。

  然而，隨著應(yīng)用場景的增多，人們越來越多地對光芯片實現(xiàn)更多的功能提出了需求與期待。而現(xiàn)實情況是，材料體系仍存在著很大的局限性，這制約著該領(lǐng)域的發(fā)展。

  近日，美國羅切斯特大學(xué)與加州大學(xué)圣芭芭拉分校、加州理工學(xué)院等團隊合作，開創(chuàng)了三五族化合物半導(dǎo)體與鈮酸鋰兩種材料體系的新融合技術(shù)。他們把薄膜鈮酸鋰外腔引進到片上激光器，制備出調(diào)頻速度達 1018Hz/s 量級的窄線寬激光器，以及首個通信與可見光同時激射的集成激光器。

  9 月 12 日，相關(guān)論文以《集成 Pockels 激光器》(Integrated Pockels Laser)為題發(fā)表在 Nature Communications 上[1]。羅切斯特大學(xué)電氣和計算機工程系博士生李鳴驍和加州大學(xué)圣芭芭拉分校常林博士(現(xiàn)北京大學(xué)信息與通信研究所研究員、助理教授)為論文共同第一作者，羅切斯特大學(xué)電氣和計算機工程系教授林強為論文通訊作者。

  常林表示，“未來，該技術(shù)有望實現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波激光雷達和量子信息系統(tǒng)光源的芯片化，并在硅光產(chǎn)線量產(chǎn)。這個工作展示了三五族化合物半導(dǎo)體與鈮酸鋰在集成光學(xué)中融合的巨大潛力，拓展了光子芯片的應(yīng)用領(lǐng)域。”

  圖丨相關(guān)論文(來源：Nature Communications)

  審稿人對該研究評價道：“該項工作在展現(xiàn)激光的快速調(diào)制和模式切換的同時，也提供了其他性能的保證，例如支持器件性能的激光線寬和頻率噪聲。同時，利用二階非線性產(chǎn)生的多色激光是一個很好的展示。這是第一次展現(xiàn)這樣的集成系統(tǒng)，該工作本身不僅意義重大，而且對于社區(qū)也極具價值?！?

  新型寬帶集成激光器首次實現(xiàn)通信與可見光的同時激射

  鈮酸鋰作為廣泛應(yīng)用的非線性材料之一，在光通信中扮演著不可或缺的角色，尤其是在電光性效應(yīng)中。而在眾多非線性效應(yīng)中，該團隊使用基于二階非線性效應(yīng)的 Pockels(泡克耳斯)電光效應(yīng)和二階諧波產(chǎn)生，利用低損耗的鈮酸鋰激光外腔，實現(xiàn)了通信波段的窄線寬激射。

  通過 Pockels 電光效應(yīng)，該團隊通過激光腔內(nèi)的移相器，得以高速調(diào)制鈮酸鋰的折射率，從而高速、有效地對激光的縱模頻率進行調(diào)制，達到超高的調(diào)頻速度。

圖丨集成 Pockels 激光器示意圖(來源：Nature Communications)

  利用腔內(nèi)的二階諧波產(chǎn)生，該團隊進一步得到可見光的出射，首次在集成激光器實現(xiàn)通信與可見光的同時激射?！巴ㄟ^腔內(nèi) Pockels 電光效應(yīng)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)生的可見光與通信光同時高速調(diào)制，無論是調(diào)頻或是調(diào)幅?！崩铠Q驍說。

  除了調(diào)頻速度上的突破，該技術(shù)對于現(xiàn)實中的應(yīng)用場景，最重要的是性能上的進步。例如對于調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)激光雷達，其線寬、線性度要求很高，決定了激光雷達探測的性能?！拔覀兊墓ぷ髟趯崿F(xiàn)了快速調(diào)制的同時，kHz 級別的線寬和小于 3% 的非線性度，避免了調(diào)幅產(chǎn)生的不必要信號干擾。”李鳴驍說。

圖丨李鳴驍(來源：李鳴驍)

  不僅如此，通過 Vernier 環(huán)結(jié)構(gòu)和耦合光條件的優(yōu)化，使激光達到了優(yōu)秀的性能指標(biāo)——20 納米帶寬的通信光，和 10 納米帶寬的可見光出射，可用于多波長激光雷達探測。并且，該環(huán)形結(jié)構(gòu)也幫助該團隊縮小了激光線寬、滿足了基本的應(yīng)用要求。

  該研究共經(jīng)歷約四年時間，由羅切斯特大學(xué)團隊承擔(dān)主要課題，完成了芯片的設(shè)計、制作和測試。2018 年夏天，羅切斯特大學(xué)林強團隊與克萊姆森大學(xué)的朱林(Lin Zhu)教授開始一起構(gòu)想集成 Pockels 激光器，并進行了初期嘗試，但遇到了一些阻礙。

圖丨激光器調(diào)頻調(diào)幅工作原理(來源：Nature Communications)

  由于缺乏激光器設(shè)計經(jīng)驗，該團隊在一開始就遇到了極大挑戰(zhàn)。李鳴驍表示，“無論是 Vernier 環(huán)結(jié)構(gòu)還是環(huán)鏡的設(shè)計，都經(jīng)過了很久的優(yōu)化。同時在三五族芯片與鈮酸鋰芯片耦合的損耗也過高，導(dǎo)致無法實現(xiàn)足夠的受激輻射增益?！?

  為解決該問題，林強團隊在 2020 年，與彼時在加州大學(xué)圣芭芭拉分校約翰·鮑爾斯(John Bowers)課題組的博士后研究員常林進行了交流，隨后雙方建立起了新的團隊，并共同開展工作。在常林的支持和指導(dǎo)下，該團隊經(jīng)過優(yōu)化束斑轉(zhuǎn)換器、優(yōu)化截面拋光技術(shù)，實現(xiàn)了損耗降低和較低的激光閾值。

  此外，在測試過程中，激光器線寬性能測試的方法還得到了加州理工學(xué)院克里·瓦哈拉(Kerry Vahala)教授組博士生武略、博士后研究員王賀明及沈博強博士的支持。

  系迄今唯一可搭配 FMCW 激光雷達的全芯片化線性調(diào)頻光源方案

  正如很多業(yè)內(nèi)人士討論的那樣，光電結(jié)合是未來發(fā)展的必然趨勢，而鈮酸鋰作為二者結(jié)合的橋梁，必然是不可或缺的一環(huán)。

  那么，該技術(shù)有哪些具體的應(yīng)用場景呢?實際上，該技術(shù)的主要應(yīng)用之一在 FMCW 激光雷達?！敖刂聊壳埃@是世界上唯一能滿足 FMCW 激光雷達需求的全芯片化線性調(diào)頻光源方案?！崩铠Q驍指出。

  同時，該研究中實現(xiàn)的激光頻率可重構(gòu)性(laser-frequency reconfigurability)和激光電流調(diào)制實現(xiàn)的調(diào)幅，可以實現(xiàn)微型化的任意光波形產(chǎn)生，在微波光子學(xué)會有良好的應(yīng)用前景。

  此外，由腔內(nèi)光頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的多色光源，可以克服三五族帶寬的限制，最終實現(xiàn)可高速調(diào)制的多波段激射的新型激光源。李鳴驍舉例說道：“比如藍、綠、紅光源的集成，可見光與紅外光源的集成，對激光顯示、三維成像、AR/VR、激光傳感和診斷等?！?

圖丨激光器的功率、線寬和波長調(diào)諧特性(來源：Nature Communications)

  三五族半導(dǎo)體與鈮酸鋰結(jié)合的最大潛力在于光通信領(lǐng)域，鈮酸鋰的電光調(diào)制功能是收發(fā)器的核心。

  目前，該領(lǐng)域的大量工作已經(jīng)證明，鈮酸鋰作為電光調(diào)制器的性能及其價值，很多國內(nèi)外團隊也在進行兩個平臺的融合研究?！岸叩募珊艽蟪潭壬咸嵘水a(chǎn)品性能，并且降低了成本，這對行業(yè)的發(fā)展是重大利好?！崩铠Q驍說。

  當(dāng)然，該研究只是一個好的開端，該團隊也正在朝著異構(gòu)集成(heterogeneous integration)的方向努力，這也是對于規(guī)?；傻膽?yīng)用不可或缺的方向。他認(rèn)為，“這個變化不僅對于 Pockels 激光器是突破，同時也可以被應(yīng)用在所有與三五族半導(dǎo)體、鈮酸鋰相關(guān)的應(yīng)用，例如電光調(diào)制器和波長轉(zhuǎn)換器，這將會成為產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)?！?

  談及該技術(shù)具體到應(yīng)用的可能實現(xiàn)路徑，李鳴驍認(rèn)為，最早實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的應(yīng)是在數(shù)據(jù)中心的收發(fā)器，其后是在波長變換器以及調(diào)頻激光器，以及兩者的結(jié)合?！捌鋵嵲跀?shù)年前，商業(yè)化的起步已經(jīng)開始了，目前最主要的障礙在于實現(xiàn)大規(guī)模集成工藝。我認(rèn)為，該技術(shù)在三年左右就會實現(xiàn)突破?！?

  “只是時間問題，不是你成功就是別人成功”

  科技的進步能夠推動世界的發(fā)展，對于李鳴驍而言，科研的目的也在于此。正因為這樣，他更聚焦于應(yīng)用科學(xué)方面的研究。

  他認(rèn)為，集成光子學(xué)是在集成電子學(xué)之后，下一個應(yīng)用科學(xué)的核心領(lǐng)域之一。因此，在南京大學(xué)本科畢業(yè)后，他來到羅切斯特大學(xué)在該方向繼續(xù)深耕。

圖丨李鳴驍(來源：李鳴驍)

  一路走來，李鳴驍在研究成果方面也收獲頗豐，并作為多篇重要論文的第一作者。在該研究之前，該團隊還應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了鈮酸鋰調(diào)制器的微型化。他們利用微米級別大小的設(shè)備，同時完成了 10 吉字節(jié)每秒以上的調(diào)制速率和 22 飛焦的能量消耗[2]，向鈮酸鋰集成的邁出了重要的一步。

  此外，林強課題組還首次在鈮酸鋰微腔中，觀測到三倍頻光的產(chǎn)生。在光子晶體結(jié)構(gòu)中，利用其微米級別的光模體積，以及鈮酸鋰材料的二階以及三階非線性效應(yīng)，實現(xiàn)了光的二倍頻與三倍頻[3]。

  李鳴驍表示，優(yōu)秀的成果離不開導(dǎo)師的全力支持與幫助。其導(dǎo)師林強教授在知識經(jīng)驗上全面指導(dǎo)的同時，也給予了他很大的科研自由空間。不僅在時間上，也在項目合作和未來選擇上。

  他的科研經(jīng)驗是，在失敗中汲取經(jīng)驗、在實驗中找到快樂。并且還要不卑不亢、不驕不躁?！翱蒲袕膩矶际抢щy的，成功是必然，只是時間問題。不是你成功就是別人成功，要在別人的成功中找到自己的問題與不足，這都會對自己的進步起到積極作用?！彼f。

  參考資料：

  1.Li, M., Chang, L., Wu, L. et al. Integrated Pockels laser. Nature Communications 13, 5344 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33101-6

  2.Li, M., Ling, J., He, Y. et al. Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator. Nature Communications 11, 4123 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17950-7

  3.Li, M., Liang H. et al.Laser &Photonics Reviews (2019). https://doi.org/10.1002/lpor.201970024