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引言近年來,光電子集成芯片在通信、計算和傳感等領(lǐng)域的低成本、節(jié)能和可擴展解決方案開發(fā)中展現(xiàn)出巨大潛力。在眾多可用平臺中, 薄膜鈮酸鋰(TFLN)因其獨特的材料特性,成為硅絕緣體的有力替代方案,適用于多種光電子技術(shù)應用。
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本文探討利用光子線鍵合技術(shù)實現(xiàn)的基于薄膜鈮酸鋰的高功率窄線寬激光器。通過集成可調(diào)諧、高功率和窄線寬的片上激光器,解決了TFLN平臺面臨的重要挑戰(zhàn)[1]。" T7 @( j; @) z9 H1 ~
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k, a! ]* R9 d* s6 A# z, b薄膜薄膜鈮酸鋰的重要性0 ]# Z5 e# _7 E* [
薄膜鈮酸鋰(TFLN)具有多項優(yōu)勢,使其成為集成光子學的優(yōu)秀平臺:
& P* {# F. S: q大電光系數(shù):適用于高效的高速寬帶調(diào)制器強二階非線性:能夠?qū)崿F(xiàn)高效的非線性三波混頻過程寬透明窗口:允許在寬波長范圍內(nèi)實現(xiàn)低損耗傳輸; L1 L4 u# i8 l! E( p$ x
這些特性促進了TFLN平臺上各種高性能組件的開發(fā),包括電光調(diào)制器、超連續(xù)譜生成、克爾梳生成和非線性頻率轉(zhuǎn)換。
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挑戰(zhàn):TFLN的片上激光器
0 ~5 ?8 `- D4 Z0 [& F( tTFLN技術(shù)取得了眾多進展,但一個重要挑戰(zhàn)依然存在:開發(fā)可調(diào)諧、窄線寬和高功率的片上激光器。這個組件對于驅(qū)動TFLN上的完全集成系統(tǒng)重要,可以避免依賴芯片外的體光源。
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- t' d( W; q7 u# U# P. j5 R) a解決方案:光子線鍵合
0 N1 Z9 U' r d$ s為解決這一挑戰(zhàn),研究人員開發(fā)了新方法,使用光子線鍵合(PWB)將光放大器與薄膜鈮酸鋰反饋電路集成。這種方法能夠創(chuàng)建具有出色性能特征的擴展腔二極管激光器。5 N- U( |3 Z4 ^
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- [- x. e: Y& S2 i4 Z# Z. G圖1:基于光子線鍵合的TFLN擴展腔激光器示意圖。
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2 c8 V& U$ u, Q5 M集成激光器的關(guān)鍵組件
% A1 X" `' n# h+ @% e7 H. D, p3 J- G該集成激光器由幾個關(guān)鍵組件組成:' P+ a' h, V. M4 x/ W8 a
a)InP放大器:兩個磷化銦(InP)放大器波導提供激光的增益介質(zhì)。
* X) `0 K1 }7 h4 }: k" ]% Sb)TFLN反饋電路。該電路包括:2 m& H# X, `: K* u7 L
維尼爾濾波器:兩個耦合的微環(huán)諧振器,用于頻率選擇性反饋
. t( h) N0 x4 L8 I h' ^# _5 g% |相位移動器:用于微調(diào)有效腔長& H r: J( Y8 Y0 f5 V
可調(diào)輸出耦合器:用于優(yōu)化輸出耦合, f5 I/ o1 R; J0 k- `& J
c) 光子線鍵合:這些3D聚合物波導將InP放大器連接到TFLN電路和輸出光纖陣列。) D; d6 P: M1 P O) k4 G
' j" Q2 A) q' U9 g C' ^光子線鍵合過程7 [' r4 z% P. m @) |
光子線鍵合過程是集成激光器設(shè)計的關(guān)鍵方面。以下是步驟概述:在共同安裝基座上粗略放置和對準組件使用共焦顯微鏡和機器視覺檢測組件位置使用雙光子聚合寫入PWB結(jié)構(gòu)顯影光刻膠并包覆PWB界面以提高穩(wěn)定性
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圖2:連接到TFLN波導的光子線鍵合的掃描電子顯微鏡圖像。" c. r& e. y# t) H% X
4 m9 j; M0 f Y) I3 J4 D4 ?- B, W性能特征; X; P% E; S. m# m. Z; k
該集成激光器展現(xiàn)出令人印象深刻的性能特征:高片上功率:高達78 mW寬波長可調(diào)范圍:43.7 nm超窄本征線寬:550 Hz優(yōu)秀的被動穩(wěn)定性:58小時無模式跳變運行$ X) v4 g J0 P" ~" G2 \
[/ol]9 U, ^, i; Y9 f! `- f* P
讓我們更詳細地研究這些特征:
0 S: N7 u; f+ D2 a( v! t1.輸出功率和可調(diào)諧性:( J! Y S& }- s1 ~, s0 f( X# I
' w5 f( a; K9 {6 l& V# R
, }4 C1 e/ s7 P( }. W+ n1 E {8 l
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圖3:激光器輸出功率隨電流的變化和波長可調(diào)范圍。
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該激光器展示了輸出功率隨電流的線性增加,達到最大片上功率78 mW。波長可在43.7 nm的寬范圍內(nèi)調(diào)諧,超過了兩個放大器的3 dB增益帶寬。0 s; o& ]+ }- w7 W6 d* _
7 }& r& v `) f: E5 \( F# X9 p$ T2.頻率穩(wěn)定性:
6 v: y/ ?6 ` z! F該激光器在短時間和長時間尺度上都表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性。
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圖4:激光器在短時間和長時間尺度上的頻率穩(wěn)定性。
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7 d ]- y, O6 ^( @短期穩(wěn)定性:激光器表現(xiàn)出550 Hz的超窄本征線寬。
: ]8 h" Y1 J# o" N7 H長期穩(wěn)定性:激光器保持58小時無模式跳變運行,頻率漂移趨勢僅為4.4 MHz/h。
, y# Q) g" y$ \% v$ @% u+ U0 s) \! O/ S$ \
光子線鍵合方法的優(yōu)勢
: A* ?8 ?: B2 _在這種集成激光器設(shè)計中使用光子線鍵合提供了幾個優(yōu)勢:+ M) I; e* R% ^- u
可擴展性:PWB允許集成多個組件,實現(xiàn)功率擴展和系統(tǒng)級集成。) v% i5 }: d/ ]" z. F/ }
靈活性:該技術(shù)可以適應不同的光學模式剖面,克服組件之間的錯位。
q- d& n5 l! f/ {! M! F, v性能:這種方法產(chǎn)生高片上功率和優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性。! z' ~$ U* M9 \; [9 H) T
兼容性:PWB可用于各種光電子工藝平臺,包括TFLN、硅和氮化硅。) x" x8 r" u6 ~9 C1 y$ z
[/ol]
* d; W0 m3 F7 k# U1 y未來方向和應用
/ T! W; c7 D0 g, m; Z1 u這種基于TFLN的高功率窄線寬激光器的成功演示為未來的發(fā)展和應用開辟了眾多機遇:
3 [, n7 ~9 T" k& h& f9 {進一步功率擴展:$ s3 m" V0 l8 T' n1 L7 @7 ]" R- F
與錐形放大器集成可能導致瓦級輸出功率。
, u- P6 @* o, ?! ?9 H提高穩(wěn)定性:: ?5 j) o3 m) U+ q2 `9 w
與光學隔離器集成可以提供完全保護的激光腔。) `6 f* o g4 O+ p+ L0 b
增強功能:
: j1 t2 a6 ~1 F5 h% g與其他TFLN組件結(jié)合,如高性能電光調(diào)制器和頻率梳源。
; K+ l7 n9 Z( Z+ Z特定應用集成:! i0 H+ w9 Y( b% V
針對通信、傳感和微波光子學等特定應用定制激光器設(shè)計。 Y) Y0 y0 M3 B8 W- x1 [
[/ol]
+ ?, G' N W0 V' B$ g8 u結(jié)論. O" Q5 H# x9 R4 h( e. I; w
利用光子線鍵合技術(shù)在薄膜鈮酸鋰上開發(fā)高功率窄線寬激光器代表了集成光電子技術(shù)的重大進展。通過提供可調(diào)諧、高性能的片上激光源,解決了薄膜鈮酸鋰平臺面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。/ z2 c# C3 a) L6 F4 k
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該演示激光器具有高輸出功率、寬可調(diào)范圍、超窄線寬和優(yōu)異的被動穩(wěn)定性,為完全集成的光電子系統(tǒng)開辟了新的機遇。隨著研究人員繼續(xù)完善和擴展這項技術(shù),可以期待看到更令人印象深刻的性能特征和新穎的應用。* |- F9 r+ ?0 c o! s7 t9 x/ _
: {. R' \/ s- \) M; H& Z, K( ^本文概述了創(chuàng)新激光器設(shè)計的關(guān)鍵概念、組件和性能特征。通過利用薄膜鈮酸鋰的獨特特性和光子線鍵合的靈活性,研究人員創(chuàng)造了一個強大的工具,無有助于推動集成光電子系統(tǒng)在廣泛應用領(lǐng)域的發(fā)展。
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6 M K9 V$ a! t/ v0 T9 ]8 O8 d參考文獻( J/ K9 u$ A. S+ V* Y r2 w% n+ J
[1]C. A. A. Franken et al., "High-power and narrow-linewidth laser on thin-film lithium niobate enabled by photonic wire bonding," arXiv:2407.00269v2 [physics.optics], Jul. 5, 2024.
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0 Q' d. }+ g1 I) Z1 Z* r4 ~2 P深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務,廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務。: P7 b+ Z2 N( ]0 I% u; x. N
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