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来源：研之成理收集编辑：SSC
▲第一作者：Viacheslav Snigirev, Annina Riedhauser, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev
通讯作者：Paul Seidler，Tobias J. Kippenberg通讯单位： 瑞士IBM研究实验室（Zurich研究中心），瑞士洛桑联邦理工学院https://doi.org/10.1038/s41586-023-05724-2早期的研究和在绝缘体上的薄膜NbO3(LiNbO3)的最新进展使得人们能用低损耗的光子集成电路去改进半波电压的调制器，因此，电光频率组合和片上电光器件得以实现，其应用范围从微波光子学到微波-光学量子接口。尽管最近的进展已经证明了基于LiNbO3的可调谐集成激光器。但是，该平台演示频率捷变、窄线宽集成激光器的全部潜力尚未实现。本研究报道了一种基于氮化硅(Si3N4)-LiNbO3混合光子平台的快速调谐激光器，并展示了它在相干激光测距中的应用。本研究的平台基于通过晶片级别直接键合的超低损耗Si3N4光子集成电路与薄膜LiNbO3的异质集成，与先前展示的芯片级集成不同，该集成具有每米8.5 分贝的低传播损耗，通过自注入锁定到激光二极管实现窄线宽激光(固有线宽为3 千赫)。该谐振器的混合模式允许电光激光器以每秒12 × 1015 Hz的速度进行频率调谐，因而具有高的线性度和低的滞后，同时保持了窄的线宽。本研究利用混合集成激光器进行了概念验证相干光学测距(FMCW LiDAR)实验。本研究通过将LiNbO3赋予Si3N4光子集成电路开发了一个平台，通过结合薄膜LiNbO3和Si3N4的各自优势，该平台表现出精确的光刻控制、成熟的制造和超低损耗。▲图1|用于快速可调谐自注入锁定激光器的异质、低损耗、Si3N4-LiNbO3光子集成平台1、本研究将Si3N4波导制造工艺与晶圆级键合相结合，实现了无源超低损耗Si3N4的电光调制，如图1a中的示意图描述。本研究的工艺从使用光子大马士革工艺制造图案化和平坦化的Si3N4衬底开始。在衬底上沉积二氧化硅(SiO2)中间层，然后进行致密化。2、图1b描绘了具有以下层厚度的异质集成LiNbO3-on-Si3N4波导的扫描电子显微镜（SEM）横截面：底部二氧化硅包层为4μm;Si3N4层为950 纳米;二氧化硅顶部包层为150 nm;LiNbO3为300 纳米;金属电极为200 nm。图1b显示了器件混合模式下电场幅值的空间分布模拟，LiNbO3的参与率为12%。3、通过将InP DFB二极管激光器与异质Si3N4-LiNbO3芯片对接，启动激光自射锁定（图1c,d），并调整激光器电流，使输出频率与异质Si3N4-LiNbO3微谐振器的谐振频率相匹配。微谐振器内部的表面或体积不均匀性上的光学背反射通过耦合顺时针和逆时针传播的模式为激光二极管提供光谱窄带反馈。顺时针模式下的光辐射回激光器，其功率分数由反射系数R给出，它取决于模式的相互作用强度和谐振器的耦合效率。▲图2|表征集成的混合异质Si3N4-LiNbO3平台1、为了大幅度地减小激光线宽，增加锁频范围，需要高Q共振和强反射。本研究的实验中使用的器件具有102 GHz的自由光谱范围(FSR)和κ/2π = 100 MHz的共振总线宽(图2a，b)，其工作在接近临界耦合的位置。微谐振器κ0/2π ≈ 50 Mhz的本征损耗为8.5 db m−1。2、尽管背反射对比很弱，但由于光学共振的线宽很窄，因此可以观察到注入锁定。通过引入片上放置端口耦合环形镜，可以进一步改善任何水平的固有背散射的激光稳定性。通过调整端口镜的耦合和反馈相位来调整光学反馈，可以改善锁定范围和频率噪声抑制。自射锁定的DFB发射光谱（图2c）表明，激光波长为1,555.4纳米，边模抑制比为50 dB。3、为了描述激光自注入锁定的特点，本研究在快速光电二极管上产生了解锁或锁定DFB激光与参考激光的外差节拍，并使用电频谱分析仪进行处理（图2d）。观察到DFB激光器锁定时节拍音变窄（图2e）。当改变DFB的激光电流时，发现由于自射锁定，几乎没有激光频率调整的区域（图2f）。4、为了揭示锁定带宽，将DFB电流设置在锁定状态内，并通过对电极施加三角电压啁啾来扫描腔体共振（图2g）。在大约1 GHz的频率范围内实现了自注入锁定；然而，由于异质Si3N4-LiNbO3微谐振器的低背反射，仅在600MHz的频段内观察到线性调谐。1、为了测量异质Si3N4-LiNbO3微谐振器的电压-频率响应，本研究将来自网络分析仪的信号施加到电极上，并将激光频率固定在谐振腔的斜率上。这一测量揭示了异质Si3N4-LiNbO3平台的一个关键优势--102 GHz-FSR微谐振器的调制响应函数可以平坦到100 MHz的腔线宽(图3a)。为了证明激光器的频率敏捷性和激光频率对大幅度电压调制的响应，本研究将DFB激光器自注入锁定到微谐振器谐振，并施加25 Vpp的三角电压信号，调制频率从1 kHz到10 MHz。2、结果表明：频率漂移保持在500 MHz的水平，与调制频率无关，而非线性随着调制频率的增加而增加。当调谐频率为100 kHz，调谐效率为28 V−1时，频率漂移的最小非线性度为1%。图3c的顶行显示了处理后的激光频谱图，这些频谱图是通过时间分段傅立叶变换计算的，而底行显示了与数据相适应的完美三角调制后的相应残差。图3b显示了激光频率漂移和测量轮廓与通过曲线拟合确定的理想三角调频之间的均方根偏差。▲图4|使用混合集成激光器的相干FMCW LiDAR演示1、为了证明本研究的激光器的应用潜力，在实验室环境中进行了概念验证光学测距实验。FMCW LiDAR 方法包括激光源的三角形频率调制和从目标反射的光信号的延迟零差检测。激光相位噪声限制了该方法的最大工作距离和测距精度。然而，FMCW LiDAR 在远距离上的一个关键要求是频率捷变，即实现快速、线性和无迟滞的调谐。实验设置如图4a所示。2、MZI仅用于距离校准，并且没有应用信号预失真或主动反馈。图4b显示了三种不同的时间框架，其中有来自壁面、甜甜圈和准直器反射的本振的节拍音符，以及它们各自的信噪比值。最后，以MZI长度为参考，识别拍音谱的中心频率并将其映射到距离域。距离值的结果分布被绘制为图4c中的直方图，其中显示了两个峰值，分别代表甜甜圈在2.1 m处和壁面在2.8 m处。双高斯拟合揭示了两个物体距离值的统计分布(图4c)。三维光学测距的点云由距离数据和激光镜控制器的电压-角度转换推断出来,如图4d,e所示。综上所述，本研究展示了一种集成了超低损耗Si3N4波导和薄膜LiNbO3的异质晶片规模的电光光子集成电路平台。通过赋予超低损耗Si3N4光子集成电路芯片上LiNbO3电光调制，实现了同时具有12 PHz s−1窄线宽和快速调谐的混合自注入锁定激光器。该激光器允许快速连续波光学测距，不需要信号预失真或有源反馈，分辨率约为15 cm。随着光子电路设计和制造方面的进一步改进，如减小SiO2层厚度和优化电极位置，本研究相信该平台将为实现10 ns级开关时间、数十千兆赫以上无跳模调谐、基频线宽低于100 Hz和千米级相干长度的快速可调谐激光器奠定基础。通过充分利用LiNbO3的高电光系数，加上光子集成电路设计的进一步改进，这些器件可以在互补的金属-氧化物-半导体兼容电压下工作，或实现毫米级距离分辨率。除了集成激光器，该混合平台还可用于实现其他功能，如光子微波和毫米波跟踪发生器、用于光子计算的交换网络、玻色子采样和集成收发机。此外，LiNbO3和Si3N4的宽透明窗口允许将这种频率敏捷性扩展到其他波长范围，例如中红外或可见光，为应用于痕量气体传感的快速可调激光器提供了平台。https://www.nature.com/articles/s41586-023-05724-2更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。