據(jù)悉,洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)和IBM的科學(xué)家開發(fā)了一種新型激光器,相關(guān)研究成果以“ Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics”為題發(fā)表在《Nature》上。
盡管已經(jīng)證明了基于LiNbO3的可調(diào)諧集成激光器,但該平臺(tái)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(bào)道了一種基于混合氮化硅( Si 3 N 4 - LiNbO 3)光子平臺(tái)的快速調(diào)諧激光器,并演示了其在激光測(cè)距中的應(yīng)用。
這種激光器基于一種叫做鈮酸鋰的材料,這種材料經(jīng)常用于光調(diào)制器領(lǐng)域,它可以控制通過設(shè)備傳輸?shù)墓獾念l率或強(qiáng)度。開發(fā)人員表示,新型激光器可能對(duì)激光雷達(dá)和光學(xué)測(cè)距產(chǎn)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(shù)”,這意味著當(dāng)對(duì)其施加電場(chǎng)時(shí),它可以改變其光學(xué)性質(zhì)。
本研究研制的 LiNbO 3- Si 3 N 4芯片。圖片來(lái)源:Grigorii Likhachev (EPFL)
研究人員通過將鈮酸鋰與氮化硅結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了他們的突破,這使他們能夠生產(chǎn)出一種新型的混合集成可調(diào)諧激光器。為此,該團(tuán)隊(duì)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(jié)合。
LiNbO 3在 Si 3 N 4 PIC上的異構(gòu)集成
異構(gòu)、低損耗 Si 3 N 4- LiNbO 3光子集成平臺(tái),用于快速可調(diào)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(tái)。
研究人員的平臺(tái)基于超低損耗Si3N4光子集成電路與薄膜LiNbO3的異質(zhì)集成,通過在晶片級(jí)直接鍵合,與之前演示的芯片級(jí)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(shí)現(xiàn)窄線寬激光。
自注入鎖定DFB激光器的電光頻率調(diào)諧。
諧振器以12 × 1015Hz的速度進(jìn)行電光激光頻率調(diào)諧,具有高線性度和低遲滯,同時(shí)保持窄線寬。使用混合集成激光器,進(jìn)行概念驗(yàn)證相干光學(xué)測(cè)距(FMCW激光雷達(dá))實(shí)驗(yàn)。賦予Si3N4光子集成電路LiNbO3,創(chuàng)造了一個(gè)平臺(tái),結(jié)合了薄膜LiNbO3和Si3N4的個(gè)人優(yōu)勢(shì),顯示出精確的光刻控制,成熟的制造和超低損耗。
激光雷達(dá)的應(yīng)用
這種方法產(chǎn)生了一種具有低頻噪聲(衡量激光頻率穩(wěn)定性的指標(biāo))的激光,同時(shí)具有快速的波長(zhǎng)調(diào)諧——這兩種特性都是用于光探測(cè)和測(cè)距(激光雷達(dá))應(yīng)用的激光器的優(yōu)良品質(zhì)。然后研究人員進(jìn)行了光學(xué)測(cè)距實(shí)驗(yàn),用激光高精度地測(cè)量距離。
光學(xué)相干測(cè)距演示
使用混合集成激光器的相干FMCW激光雷達(dá)演示。
研究人員表示,這一結(jié)果的顯著之處在于,激光同時(shí)提供了低相位噪聲和快速調(diào)諧,這是以前從未有過的芯片級(jí)集成激光器實(shí)現(xiàn)過的。
非均相 Si 3 N 4- LiNbO 3波導(dǎo)的掃描電子顯微鏡圖像。
FMCW激光雷達(dá)設(shè)置
除了集成激光器之外,混合平臺(tái)還有潛力實(shí)現(xiàn)用于電信的集成收發(fā)器以及用于量子計(jì)算的微波光學(xué)換能器。
相關(guān)論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05724-2
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。