撰稿：Xiaodong Shi (新加坡科技研究局(A*STAR))
开发同时具有窄线宽、高稳定性、可高速调频性能的激光器近年来一直是前沿技术的重点任务之一，这样的激光器在精密频率计量、高分辨率光谱学、光学传感器、光通信、原子钟等很多领域都有巨大的应用。
目前一些常用于优化二极管激光器的方法都具有一定的局限性。比如，通过光注入将稳定的低功率激光器的窄频谱转移到高功率的宽谱二极管激光器可获得高功率、窄线宽、稳定的二极管激光输出，但这种方法需要复杂的实验系统并且对环境因素比较敏感。通过将二极管激光锁定到外部的高品质因数的谐振腔的方法也可以有效的减小带宽，稳定激光输出。然而，传统的使用基于镜面镀膜反射和法布里－珀罗外部腔的方法通常无法改变波长，并且相对笨重。
在高品质因数的微腔中，这两个问题都可被解决，并可以显著降低激光线宽和噪声。当二极管激光耦合进微腔里并谐振时，由于背向散射光的存在，可以引起自注入锁定效应，将激光发射频率锁定到相近的微腔谐振频率。基于氮化硅的集成微腔的自注入锁定的二极管激光器具有很高的性能，然而并不具备高速片上可调谐的能力。
近日，来自EPFL和IBM的研究人员，在铌酸锂-氮化硅异质集成光学平台上实现了低损耗、窄线宽、高调制速率、稳定的激光输出。新型激光器可能会对激光雷达和光学测距产生重大影响。
该成果在以“Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics”为题在Nature上发表。
铌酸锂集成光学平台近年来一直是集成光学研究的热点，因为它具有低损耗、高二阶非线性等优点，可以用于高速调制器、频梳，并实现大规模紧凑高性能片上光路。
电光效应是指外加电场可以引起介质折射率的改变，非中心对称的晶体存在线性电光效应，即Pockels效应，是一种二阶非线性现象。铌酸锂作为非中心对称的单轴晶体具有极高的电光系数，因此基于铌酸锂薄膜的片上可调谐激光器也成为了一个重要的研究方向。然而，之前尝试开发的基于铌酸锂薄膜的激光器并不具备窄线宽和高速调频的能力，极大地限制了该集成平台的应用范围。
在该研究中，作者开发出晶圆级铌酸锂-氮化硅异质集成光学平台的制备方法，利用基于高品质因数微腔的激光自注入锁定技术产生窄线宽、低噪声的激光，实现拍赫兹每秒(PHz/s)级的频率捷变，并用于相干光测距。
作者使用大马士革工艺制备氮化硅波导以及4英寸晶圆级键合技术将铌酸锂集成到氮化硅光路上，并通过多种流程降低波导损耗、优化键合界面的平整度和粗糙度，增加键合强度。
图1：a) 异质集成工艺示意图，b) 异质集成波导横截面，c) 激光自注入锁定系统示意图，d) 测试装置照片。
激光自注入锁定是将InP分布式反馈激光器对接耦合到氮化硅-铌酸锂异质集成光芯片，通过调整激光器的电流使其输出频率与氮化硅-铌酸锂异质集成光芯片上的微腔的谐振频率相匹配，并通过耦合顺时针和逆时针的传播模式为半导体激光器提供窄带宽的反馈。低损耗、高品质因数的微腔可促进激光线宽变窄并增大频率锁定的范围。该实验实现了1555.4nm的激光输出，50dB的边模抑制比，以及3.14kHz的本征线宽。
图2：激光线宽测试装置图（左）。自注入锁定机制产生激光的光谱和原始输入光谱的对比（右）。
作者利用钨电极在该氮化硅-铌酸锂异质集成光芯片上实现了12PHz/s的高速激光调制，并验证了调频连续波雷达光学测距实验。激光光源的相干性、单色性、方向性、稳定性、噪声是相干测量中非常重要的因素，可直接决定雷达系统的性能。激光线宽会影响测量的分辨率，输出功率的稳定性会产生强度噪声，并和光信噪比共同限制了测量的精度和可靠性。作者利用本文中开发的高性能铌酸锂薄膜的片上可调谐激光器，通过对其进行三角形频率调制，从目标反射的光信号的延迟零差检测来实现调频连续波雷达。该系统不需要信号预失真或主动反馈即可实现15厘米分辨率。该基于铌酸锂薄膜的超快可调激光器不仅具有很低的激光相位噪声增加了工作距离和测距精度，同时还具备的超快频率捷变，实现快速、线性和无滞后的调谐，在高精度远距激光雷达中起到了关键的作用。
图3：相干光测距的实验装置图（左），测量目标场景的点云图（右）。
综上所述，这项工作开发了氮化硅-铌酸锂异质集成光学平台，使用了自注入锁定技术来控制激光线宽、抑制噪声，实现超快可调的激光器，并用光学相干测距展示了该激光器在实际应用中的潜在价值。除集成激光器之外，该平台还可用于微波和毫米波跟踪发生器、光子计算的交换网络、玻色子采样和集成收发器等多种应用。此外，铌酸锂和氮化硅同时具有超宽透明窗口，可以将频率捷变扩展到其他波长范围，例如中红外或可见光，用于痕量气体传感等应用。
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
