特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。在絕緣體上的薄膜鈮酸鋰(LiNbO3)的相關研究進展已使低損耗光子集成電路、改進半波電壓的調制器、電光頻率梳和片上電光器件成為可能，其應用范圍從微波光子學到微波-光的量子界面。盡管最近的進展已經證明了基于LiNbO3的可調諧集成激光器，但是這個平臺在展示頻率靈活、窄線寬集成激光器方面的全部潛力還沒有實現。有鑒于此，瑞士洛桑聯邦理工學院Tobias J. Kippenberg等人報道了一種基于混合氮化硅(Si3N4)-LiNbO3光子平臺的快速調諧速率激光器，并演示了其在相干激光測距中的應用。該的平臺是基于超低損耗的Si3N4光子集成電路與薄膜LiNbO3在晶圓級直接鍵合的異質集成，其傳播損耗低至每米8.5分貝，通過自注入鎖定激光二極管實現窄線寬激光(3千赫茲的本征線寬)。該諧振腔的混合模式允許電光激光器以每秒12×1015Hz的速度進行頻率調諧，在保持窄線寬的同時具有高線性度和低滯后。利用混合集成激光器，作者進行了概念驗證相干光測距(FMCW LiDAR)實驗。將Si3N4光子集成電路與LiNbO3結合，創造了一個結合了薄膜LiNbO3和Si3N4各自優點的平臺，具有精確的光刻控制、成熟的制造和超低的損耗。作者將光子Damascene Si3N4波導制作過程與晶圓級鍵合相結合，以實現在無源超低損耗Si3N4上的電光調制。諧振腔透射譜的統計分析顯示，44 mhz的中位固有腔線寬對應于4.8×106的q因子和8.5 dB m?1的線性傳播損耗。圖 異構，低損耗，Si3N4-LiNbO3光子集成平臺，用于快速可調諧自注入鎖定激光器激光自注入鎖定是通過InP DFB二極管激光器與非均質Si3N4-LiNbO3芯片對接耦合而啟動的，并調整激光電流以使輸出頻率與非均質Si3N4-LiNbO3微諧振器的諧振頻率相匹配。微諧振腔表面的光后反射或腔內的體積不均勻性通過順時針和逆時針傳播模式的耦合向激光二極管提供頻譜窄帶反饋。作者發現由于自注入鎖定，幾乎沒有激光頻率調諧的區域。為了揭示鎖定帶寬，在鎖定狀態內設置DFB電流，并通過對電極施加三角電壓啁啾來掃描腔共振。自注入鎖定在大約1 GHz的頻率范圍內實現;然而，由于非均質Si3N4-LiNbO3微諧振器的低后反射，僅在600 mhz波段內觀察到線性調諧。
為了測量非均質Si3N4-LiNbO3微諧振腔的電壓-頻率響應，將網絡分析儀的信號施加到電極上，并將激光頻率固定在腔共振的斜率上。這一測量揭示了異質Si3N4-LiNbO3平臺的一個關鍵優勢——102 Ghz-FSR微諧振器的調制響應函數平坦到100 MHz的腔線寬。為了證明激光的頻率敏捷性和激光頻率對大幅電壓調制的響應，DFB激光器對微諧振器諧振進行了自注入鎖定。雖然高線性斜坡頻率調制對于FMCW激光雷達應用是必不可少的，但頻率可以以任意方式調制，同時保持高調諧速率。為了說明這一點，作者編寫了一個任意波形發生器來再現EPFL的標志，并將信號應用到異質Si3N4-LiNbO3器件上。
為了證明激光器的應用潛力，作者在實驗室環境中進行了概念證明光學測距實驗。FMCW激光雷達方法由激光源的三角調頻和目標反射光信號的延遲零差探測組成。激光相位噪聲限制了該方法的最大工作距離和測距精度。然而，FMCW激光雷達在遠距離的一個關鍵要求是頻率敏捷性，即實現快速、線性和無遲滯調優。
Snigirev, V., Riedhauser, A., Lihachev, G. et al. Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics. Nature 615, 411–417 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-05724-2https://doi.org/10.1038/s41586-023-05724-2
