作為激光雷達(dá)、分布式傳感及量子信息處理的核心組件，該器件在保持低噪聲特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速無跳模頻率調(diào)諧。通過創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的外部分布式布拉格反射器（E-DBR）架構(gòu)——即低成本反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA）與晶圓級電光驅(qū)動DBR光柵的混合集成——器件關(guān)鍵性能指標(biāo)顯著超越現(xiàn)有方案：無跳模調(diào)諧范圍突破10 GHz，調(diào)諧效率高達(dá)550 MHz·V?1，調(diào)諧速率達(dá)艾赫茲每秒量級，并具備15 mW光纖耦合輸出功率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該激光器在調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)100 ms內(nèi)20,000個(gè)體素采集與4 cm距離分辨率；在氰化氫光譜檢測中精準(zhǔn)匹配吸收特征。經(jīng)商用蝶形封裝后，器件在2.5小時(shí)內(nèi)自由運(yùn)行頻率漂移低于25 MHz，展現(xiàn)出卓越的環(huán)境穩(wěn)定性。

圖 1 | 混合集成泡克爾斯擴(kuò)展DBR激光器的概念設(shè)計(jì)。

a, 混合集成 E-DBR 激光器的示意圖。TFLN：薄膜鈮酸鋰。插圖為：InP RSOA 與 PIC 之間的對接耦合界面的詳細(xì)顯微照片（左）；布拉格光柵和調(diào)諧電極（中）；用于輸出耦合的雙層錐形結(jié)構(gòu)和透鏡光纖（右）。
b, 掃描電子顯微照片，顯示經(jīng)過蝕刻步驟定義波導(dǎo)和布拉格光柵柱后的 LiNbO? E-DBR PIC 的一個(gè)截面。
c, LiNbO? 光子芯片垂直截面的掃描電子顯微照片，顯示了嵌入式金電極和二氧化硅（SiO?）頂部包層。
d, 模擬的 LiNbO? E-DBR PIC 的歸一化布拉格反射（線）和布拉格反射峰的半高全寬（FWHM）帶寬（色標(biāo)條），作為光柵柱尺寸和位置（間隙）的函數(shù)。紅星表示所報(bào)道的泡克爾斯 E-DBR 激光器的光柵設(shè)計(jì)。
e, 單片 X 切 LiNbO? 和 SiO? 包層中光學(xué)和射頻電場分布的有限元法模擬。射頻電場被歸一化，使兩個(gè)電極之間的電壓為 1 V。
f, 在施加 0 V 和 19 V 電壓時(shí)模擬的布拉格光柵反射峰調(diào)諧情況，描繪出大于 0.5 GHz V?1 的調(diào)諧效率。

薄膜鈮酸鋰（LiNbO?）集成光子學(xué)憑借強(qiáng)泡克爾斯效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的快速、低損耗折射率調(diào)制，推動了高性能光子集成電路的發(fā)展。盡管基于自注入鎖定鈮酸鋰微腔的激光器已實(shí)現(xiàn)太赫茲每秒級調(diào)諧速率，但其固有局限導(dǎo)致無跳模調(diào)諧范圍被壓縮至2 GHz以下，輸出功率限于毫瓦級，難以滿足高分辨率大氣氣體傳感與相干激光測距等應(yīng)用對＞10 GHz調(diào)諧范圍的需求。

圖 2 | E-DBR 泡克爾斯激光器的調(diào)諧特性表征。

a, DBR PIC 布拉格反射中心頻率的電壓調(diào)諧，調(diào)諧效率為 550 MHz/V。
b, 帶有金電極的鈮酸鋰（LiNbO?）光子芯片（編號 D148_01_F2_C3）的照片，該芯片包含 7.25 毫米長的 DBR。
c, 表征泡克爾斯 E-DBR 激光器電光調(diào)諧帶寬的測量裝置圖。S?? 調(diào)諧響應(yīng)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）進(jìn)行表征：將激光輸出饋入集成馬赫-曾德爾干涉儀（iMZI），并在快速光電二極管上檢測輸出光強(qiáng)。調(diào)整調(diào)諧范圍和延遲線長度，以利用 MZI 傳遞函數(shù)的線性部分（如插圖所示），將頻率調(diào)制轉(zhuǎn)換為光電二極管上的幅度調(diào)制。LUT：被測激光器；BPD：平衡光電探測器。
d, E-DBR 泡克爾斯激光器的電光 S?? 調(diào)諧響應(yīng)。該調(diào)諧響應(yīng)是通過從 VNA 測得的 S??（灰色曲線）中除去 MZI 傳遞函數(shù)的影響后得到的。3 dB 帶寬由水平虛線標(biāo)出，突顯了激光器在高達(dá)約 200 MHz 頻率范圍內(nèi)的平坦驅(qū)動響應(yīng)。

針對這一挑戰(zhàn)，本研究提出基于晶圓級薄膜鈮酸鋰平臺的新型外部分布式布拉格波導(dǎo)光柵反射器（E-DBR）架構(gòu)。該設(shè)計(jì)采用高背反射率RSOA作為增益介質(zhì)，通過低反射率傾角前腔面將激光模式耦合至E-DBR光子芯片（構(gòu)成諧振腔第二反射鏡），在保證性能的同時(shí)顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

圖 3 | 泡克爾斯 E-DBR 激光器的工作特性。

a. 用于表征激光器功率、頻率噪聲和調(diào)諧特性的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。設(shè)置激光器電流以實(shí)現(xiàn)單模工作，并通過任意函數(shù)發(fā)生器 (AFG) 調(diào)制激光頻率。激光頻率噪聲的測量方法：在平衡光電探測器 (BPD) 上測量其與一個(gè)經(jīng)體腔 (bulk cavity) 穩(wěn)頻和濾波后的外腔二極管激光器 (ECDL) 的外差拍頻信號，該信號由電頻譜分析儀 (ESA) 記錄和分析。激光調(diào)諧特性的表征方法：通過一個(gè) 10 米長的集成馬赫-曾德爾干涉儀 (iMZI) 測量零差拍頻信號，并使用數(shù)字示波器 (OSC) 記錄。CW ref.：腔穩(wěn)連續(xù)波參考激光器。
b. 安裝在耦合臺上的鈮酸鋰 (LiNbO?) DBR PIC 照片，包括對接耦合的 RSOA、輸出透鏡光纖以及用于在電極間施加電場的探針。
c. E-DBR 激光器輸出功率隨 RSOA 驅(qū)動電流的變化關(guān)系。激光器工作點(diǎn)選擇在曲線的局部最小值處，以最大化無跳模 (mode-hop free) 的激光調(diào)諧范圍。
d. 鈮酸鋰 (LN) E-DBR 激光器的單邊帶激光頻率噪聲功率譜密度 Sf(f)。虛線表示：用于計(jì)算積分線寬的 β 線（綠色）、熱載流子折射率噪聲（紅色）和自發(fā)輻射噪聲（灰色）。70 kHz 處的頻率噪聲峰值源于懸空 PIC 的機(jī)械模態(tài)。
e. E-DBR 激光器的光譜，在 0.02 nm 分辨率帶寬下，邊模抑制比 (SMSR) 約為 63 dB。
f. 混合激光器調(diào)諧范圍、速度和線性度的表征。使用頻率在 10 kHz（左）和 1 MHz（右）之間的三角波調(diào)制 E-DBR 激光器。非線性度通過將理想三角波形擬合到由 iMZI 輸出的希爾伯特變換 (Hilbert transform) 得到的調(diào)諧曲線來確定。
g. 由 AFG 施加到電極上的電壓波形，形似 EPFL 標(biāo)志。
h. 時(shí)頻譜圖，顯示以 EPFL 標(biāo)志形式演變的激光頻率，調(diào)諧速率達(dá)到 3 PHz s?1。
i. 泡克爾斯 E-DBR 激光器在不同調(diào)制速度（即施加到電極上的三角波電壓斜坡的重復(fù)頻率）下的調(diào)諧效率。垂直柱狀條表示在電極上施加每 1 V 三角波斜坡電壓時(shí)激光器調(diào)諧的非線性度。

圖 4 | FMCW激光雷達(dá)的概念驗(yàn)證演示。

a, 基于FMCW激光雷達(dá)的相干光學(xué)測距實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，并附有目標(biāo)場景的照片：兩個(gè)Thorlabs立柱基座（直徑分別為1毫米和2.5毫米）以及后面的一堵平墻。DSO：數(shù)字采樣示波器；FPC：光纖偏振控制器；BOA：后置光放大器；CIRC：環(huán)形器；COLL：準(zhǔn)直器。
b, 來自目標(biāo)的信號時(shí)頻譜圖，顯示了來自準(zhǔn)直器、光纖連接器和環(huán)形器的反射峰，以及來自目標(biāo)場景的反射峰。
c, 顯示三個(gè)目標(biāo)物體計(jì)算距離值分布的直方圖；報(bào)告了每個(gè)目標(biāo)的平均距離值及其標(biāo)準(zhǔn)差 (s.d.)。
d, e, 從不同視角測量的目標(biāo)場景點(diǎn)云圖，使用光束掃描圖案獲得，其垂直 (d) 和水平 (e) 三角掃描頻率分別為1 kHz和10 Hz。

本研究成功開發(fā)出泡克爾斯可調(diào)諧混合集成激光器，通過晶圓級絕緣體上鈮酸鋰平臺集成低成本RSOA與電光DBR光柵。創(chuàng)新性鈮酸鋰柱狀光柵設(shè)計(jì)規(guī)避了亞250納米制造工藝瓶頸，其基于泡克爾斯效應(yīng)的強(qiáng)頻率調(diào)制特性可充當(dāng)超快可調(diào)反射鏡。器件核心性能包括：＞10 GHz無跳模調(diào)諧范圍、1 MHz調(diào)制速度、1%殘余非線性、15 mW光纖耦合輸出功率，以及2.8 kHz本征線寬（對應(yīng)800 Hz2/Hz頻率噪聲）。

在概念驗(yàn)證中，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)應(yīng)用以4 cm分辨率實(shí)現(xiàn)100 ms內(nèi)20,000個(gè)體素場景重建；氰化氫光譜檢測結(jié)果與HITRAN數(shù)據(jù)庫高度吻合。該激光器以550 MHz·V?1超高調(diào)諧效率（達(dá)應(yīng)力光調(diào)諧方案的100倍）、晶圓級制造兼容性及單電流/電壓控制模式，確立了性能與成本效益的雙重優(yōu)勢。未來可依托鈮酸鋰材料的中紅外透明窗口拓展工作波段，為高精度傳感與量子技術(shù)提供革新性光源解決方案