《Nature》：科学家开发了新的铌酸锂激光技术

长三角G60激光联盟导读

据悉，洛桑联邦理工学院（EPFL）和IBM的科学家开发了一种新型激光器，相关研究成果以“Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics”为题发表在《Nature》上。

尽管已经证明了基于LiNbO3的可调谐集成激光器，但该平台在证明频率敏捷、窄线宽集成激光器方面的潜力尚未完全挖掘。本文报道了一种基于混合氮化硅(Si3N4 - LiNbO3)光子平台的快速调谐激光器，并演示了其在激光测距中的应用。

这种激光器基于一种叫做铌酸锂的材料，这种材料经常用于光调制器领域，它可以控制通过设备传输的光的频率或强度。开发人员表示，新型激光器可能对激光雷达和光学测距产生“重大影响”。

铌酸锂它可以处理大量的光功率，并且具有很高的“Pockels系数”，这意味着当对其施加电场时，它可以改变其光学性质。

本研究研制的LiNbO3-Si3N4芯片。图片来源:Grigorii Likhachev (EPFL)

研究人员通过将铌酸锂与氮化硅结合，实现了他们的突破，这使他们能够生产出一种新型的混合集成可调谐激光器。为此，该团队在EPFL制造了基于氮化硅的光集成电路，然后在IBM将其与铌酸锂晶圆结合。

LiNbO3在Si3N4 PIC上的异构集成

异构、低损耗Si3N4-LiNbO3光子集成平台，用于快速可调谐自注入锁定激光器。

激光自注入锁定

集成、杂化Si3N4-LiNbO3平台。

研究人员的平台基于超低损耗Si3N4光子集成电路与薄膜LiNbO3的异质集成，通过在晶片级直接键合，与之前演示的芯片级集成相比，具有8.5分贝/米的低传播损耗，通过自注入锁定激光二极管实现窄线宽激光。

自注入锁定DFB激光器的电光频率调谐。

谐振器以12 1015Hz的速度进行电光激光频率调谐，具有高线性度和低迟滞，同时保持窄线宽。使用混合集成激光器，进行概念验证相干光学测距(FMCW激光雷达)实验。赋予Si3N4光子集成电路LiNbO3，创造了一个平台，结合了薄膜LiNbO3和Si3N4的个人优势，显示出精确的光刻控制，成熟的制造和超低损耗。

激光雷达的应用

这种方法产生了一种具有低频噪声(衡量激光频率稳定性的指标)的激光，同时具有快速的波长调谐——这两种特性都是用于光探测和测距(激光雷达)应用的激光器的优良品质。然后研究人员进行了光学测距实验，用激光高精度地测量距离。

光学相干测距演示

使用混合集成激光器的相干FMCW激光雷达演示。

研究人员表示，这一结果的显著之处在于，激光同时提供了低相位噪声和快速调谐，这是以前从未有过的芯片级集成激光器实现过的。

非均相Si3N4-LiNbO3波导的扫描电子显微镜图像。

FMCW激光雷达设置

除了集成激光器之外，混合平台还有潜力实现用于电信的集成收发器以及用于量子计算的微波光学换能器。

相关论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05724-2