薄膜鈮酸鋰thin-film lithium niobate（LiNbO3）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低損耗光子集成電路、提升了半波電壓的調(diào)制器、電光頻率梳和片上電光器件，其應(yīng)用范圍從微波光子學(xué)到微波到光量子接口。盡管最近的進(jìn)展已經(jīng)證明了基于鈮酸鋰LiNbO3的可調(diào)諧集成激光器，然而，薄膜鈮酸鋰平臺(tái)演示頻率捷變 frequency-agile、窄線寬集成激光器的全部潛力，尚未實(shí)現(xiàn)。

近日，來自IBM和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的研究團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)文，報(bào)道了一種基于混合氮化硅Si3N4–LiNbO3光子平臺(tái)的快速調(diào)諧激光器，并展示了其在相干激光測(cè)距中的應(yīng)用，可能對(duì)光學(xué)測(cè)距技術(shù)產(chǎn)生重大影響。該激光器基于鈮酸鋰，由于其低噪聲和快速波長(zhǎng)調(diào)諧的特性，有可能徹底改變光探測(cè)和測(cè)距(LiDAR)應(yīng)用。

鈮酸鋰是光調(diào)制器領(lǐng)域常用的材料，因?yàn)樗哂休^高的光功率容量，并且具有很高的“Pockels系數(shù)”，這意味著當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，它可以改變其光學(xué)性質(zhì)。IBM和EPFL的研究人員通過將鈮酸鋰與氮化硅結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種新型的混合集成可調(diào)諧激光器。

圖1：用于快速可調(diào)諧自注入鎖定激光器的異質(zhì)、低損耗氮化硅Si3N4–鈮酸鋰LiNbO3光子集成平臺(tái)。

為了制造激光器，該團(tuán)隊(duì)在EPFL制造了基于氮化硅的光子集成電路，然后在IBM將其與鈮酸鋰晶圓結(jié)合。該平臺(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)集成不同，具有8.5B/m的低傳播損耗。通過自注入鎖定到激光二極管，實(shí)現(xiàn)了窄線寬激光(固有線寬為3千赫茲)。諧振腔的混合模式允許其以12 PHz/s 的速度進(jìn)行電光激光頻率調(diào)諧，其在高線性度和低遲滯的同時(shí)，可保持窄線寬。

圖2：表征集成的混合異質(zhì)Si3N4–LiNbO3平臺(tái)。

該激光器具有低噪聲和快速波長(zhǎng)調(diào)諧的特性，使其成為激光雷達(dá)應(yīng)用的理想選擇。然后，該團(tuán)隊(duì)使用激光進(jìn)行了光學(xué)測(cè)距實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量距離。這種新型激光器在激光雷達(dá)應(yīng)用之外也有潛力。該混合平臺(tái)有潛力實(shí)現(xiàn)用于電信的集成收發(fā)器和用于量子計(jì)算的微波光學(xué)換能器。

圖3：自注入鎖定分布式反饋distributed feedback，DFB激光器的電光頻率調(diào)諧

圖4：使用混合集成激光器的相干調(diào)頻連續(xù)波frequency-modulated continuous-wave，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)演示。