基于薄膜鈮酸鋰和光子線鍵合的高功率窄線寬激光器

逍遙設(shè)計自動化

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]。

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  k, a! ]* R9 d* s6 A# z, b薄膜薄膜鈮酸鋰的重要性
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：
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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
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。



- [- 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：
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：
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
可調(diào)輸出耦合器：用于優(yōu)化輸出耦合
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。

' j" Q2 A) q' U9 g  C' ^光子線鍵合過程
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。

4 m9 j; M0 f  Y) I3 J4 D4 ?- B, W性能特征
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
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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：


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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。

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。
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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：
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。
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。
兼容性：PWB可用于各種光電子工藝平臺，包括TFLN、硅和氮化硅。
[/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：
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：
與光學隔離器集成可以提供完全保護的激光腔。
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：
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。
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+ ?, G' N  W0 V' B$ g8 u結(jié)論
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)。

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。

: {. 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
[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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