基于鈮酸鋰薄膜的超快可調激光器

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

  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，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-氮化硅異質集成光學平臺上實現(xiàn)了低損耗、窄線寬、高調制速率、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。

  鈮酸鋰集成光學平臺近年來一直是集成光學研究的熱點，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。

  電光效應是指外加電場可以引起介質折射率的改變，非中心對稱的晶體存在線性電光效應，即Pockels效應，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頻的能力，極大地限制了該集成平臺的應用范圍。

  在該研究中，作者開發(fā)出晶圓級鈮酸鋰-氮化硅異質集成光學平臺的制備方法，利用基于高品質因數(shù)微腔的激光自注入鎖定技術產(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-鈮酸鋰異質集成光路

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

  圖1：a) 異質集成工藝示意圖，b) 異質集成波導橫截面，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-鈮酸鋰異質集成光芯片，通過調整激光器的電流使其輸出頻率與氮化硅-鈮酸鋰異質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體激光器提供窄帶寬的反饋。低損耗、高品質因數(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)。

  高速激光調諧和相干光測距

  作者利用鎢電極在該氮化硅-鈮酸鋰異質集成光芯片上實現(xiàn)了12PHz/s的高速激光調制，并驗證了調頻連續(xù)波雷達光學測距實驗。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諧激光器，通過對其進行三角形頻率調制，從目標反射的光信號的延遲零差檢測來實現(xiàn)調頻連續(xù)波雷達。該系統(tǒng)不需要信號預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、線性和無滯后的調諧，在高精度遠距激光雷達中起到了關鍵的作用。

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-鈮酸鋰異質集成光學平臺，使用了自注入鎖定技術來控制激光線寬、抑制噪聲，實現(xiàn)超快可調的激光器，并用光學相干測距展示了該激光器在實際應用中的潛在價值。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、玻色子采樣和集成收發(fā)器等多種應用。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))