據悉，洛桑聯邦理工學院（EPFL）和IBM的科學家開發了一種新型激光器，相關研究成果以“ Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics”為題發表在《Nature》上。
盡管已經證明了基于LiNbO3的可調諧集成激光器，但該平臺在證明頻率敏捷、窄線寬集成激光器方面的潛力尚未完全挖掘。本文報道了一種基于混合氮化硅( Si 3 N 4 - LiNbO 3)光子平臺的快速調諧激光器，并演示了其在激光測距中的應用。
這種激光器基于一種叫做鈮酸鋰的材料，這種材料經常用于光調制器領域，它可以控制通過設備傳輸的光的頻率或強度。開發人員表示，新型激光器可能對激光雷達和光學測距產生“重大影響”。
鈮酸鋰它可以處理大量的光功率，并且具有很高的“Pockels系數”，這意味著當對其施加電場時，它可以改變其光學性質。
本研究研制的 LiNbO 3- Si 3 N 4芯片。圖片來源:Grigorii Likhachev (EPFL)
研究人員通過將鈮酸鋰與氮化硅結合，實現了他們的突破，這使他們能夠生產出一種新型的混合集成可調諧激光器。為此，該團隊在EPFL制造了基于氮化硅的光集成電路，然后在IBM將其與鈮酸鋰晶圓結合。
LiNbO 3在 Si 3 N 4 PIC上的異構集成
異構、低損耗 Si 3 N 4- LiNbO 3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
集成、雜化 Si 3 N 4- LiNbO 3平臺。
研究人員的平臺基于超低損耗Si3N4光子集成電路與薄膜LiNbO3的異質集成，通過在晶片級直接鍵合，與之前演示的芯片級集成相比，具有8.5分貝/米的低傳播損耗，通過自注入鎖定激光二極管實現窄線寬激光。
自注入鎖定DFB激光器的電光頻率調諧。
諧振器以12 × 1015Hz的速度進行電光激光頻率調諧，具有高線性度和低遲滯，同時保持窄線寬。使用混合集成激光器，進行概念驗證相干光學測距(FMCW激光雷達)實驗。賦予Si3N4光子集成電路LiNbO3，創造了一個平臺，結合了薄膜LiNbO3和Si3N4的個人優勢，顯示出精確的光刻控制，成熟的制造和超低損耗。
激光雷達的應用
這種方法產生了一種具有低頻噪聲(衡量激光頻率穩定性的指標)的激光，同時具有快速的波長調諧——這兩種特性都是用于光探測和測距(激光雷達)應用的激光器的優良品質。然后研究人員進行了光學測距實驗，用激光高精度地測量距離。
光學相干測距演示
使用混合集成激光器的相干FMCW激光雷達演示。
研究人員表示，這一結果的顯著之處在于，激光同時提供了低相位噪聲和快速調諧，這是以前從未有過的芯片級集成激光器實現過的。
非均相 Si 3 N 4- LiNbO 3波導的掃描電子顯微鏡圖像。
FMCW激光雷達設置
除了集成激光器之外，混合平臺還有潛力實現用于電信的集成收發器以及用于量子計算的微波光學換能器。
相關論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05724-2
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