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(jì)自動(dòng)化

引言近年來，光電子集成芯片在通信、計(jì)算和傳感等領(lǐng)域的低成本、節(jié)能和可擴(kuò)展解決方案開發(fā)中展現(xiàn)出巨大潛力。在眾多可用平臺(tái)中， 薄膜鈮酸鋰（TFLN）因其獨(dú)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(yīng)用。

) F0 X! Y) r- n' Y) w! A本文探討利用光子線鍵合技術(shù)實(shí)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(tái)面臨的重要挑戰(zhàn)[1]。
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薄膜薄膜鈮酸鋰的重要性
4 a5 s$ W) W, |- G薄膜鈮酸鋰（TFLN）具有多項(xiàng)優(yōu)勢，使其成為集成光子學(xué)的優(yōu)秀平臺(tái)：
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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(qiáng)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(shí)現(xiàn)低損耗傳輸
這些特性促進(jìn)了TFLN平臺(tái)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。

" W, I6 B& h* o$ j" ]挑戰(zhàn)：TFLN的片上激光器
TFLN技術(shù)取得了眾多進(jìn)展，但一個(gè)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(gè)組件對于驅(qū)動(dòng)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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1 r6 ]# B' e* C. r( a) a2 C解決方案：光子線鍵合
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(kuò)展腔二極管激光器。



* \9 }4 h7 D5 z. Q% \圖1：基于光子線鍵合的TFLN擴(kuò)展腔激光器示意圖。


6 c" S# L3 q* [/ C* x集成激光器的關(guān)鍵組件
9 l+ Y7 E- P( o. w/ j$ k7 n該集成激光器由幾個(gè)關(guān)鍵組件組成：
. C4 N+ O) Z& f' s2 J) ~a）InP放大器：兩個(gè)磷化銦（InP）放大器波導(dǎo)提供激光的增益介質(zhì)。
b）TFLN反饋電路。該電路包括：
0 i" K. e2 u* _7 k( V2 }& |6 F4 v) I維尼爾濾波器：兩個(gè)耦合的微環(huán)諧振器，用于頻率選擇性反饋
- o4 k8 R! s4 v" J( `9 y2 }相位移動(dòng)器：用于微調(diào)有效腔長
9 v: {' o/ R# H  R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(dǎo)將InP放大器連接到TFLN電路和輸出光纖陣列。
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- u1 ?& m# U7 c光子線鍵合過程
0 l) Y, M! |; `) K+ `: Y1 ^. d" F光子線鍵合過程是集成激光器設(shè)計(jì)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(zhǔn)組件

使用共焦顯微鏡和機(jī)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(dǎo)的光子線鍵合的掃描電子顯微鏡圖像。

性能特征
/ g! U3 N$ D; J& n: m! P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(dá)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(dòng)穩(wěn)定性：58小時(shí)無模式跳變運(yùn)行
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, E4 ]; Q7 f* |讓我們更詳細(xì)地研究這些特征：
1.輸出功率和可調(diào)諧性：
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0 q4 l9 J" D* k3 f圖3：激光器輸出功率隨電流的變化和波長可調(diào)范圍。

! h" W- V8 [% N& V' R該激光器展示了輸出功率隨電流的線性增加，達(dá)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(gè)放大器的3 dB增益帶寬。
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2.頻率穩(wěn)定性：
5 p) m) k% Q2 s% _( `: [" m" g該激光器在短時(shí)間和長時(shí)間尺度上都表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性。


+ g8 y4 g( ?9 J, ^8 h圖4：激光器在短時(shí)間和長時(shí)間尺度上的頻率穩(wěn)定性。
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短期穩(wěn)定性：激光器表現(xiàn)出550 Hz的超窄本征線寬。
長期穩(wěn)定性：激光器保持58小時(shí)無模式跳變運(yùn)行，頻率漂移趨勢僅為4.4 MHz/h。

光子線鍵合方法的優(yōu)勢
在這種集成激光器設(shè)計(jì)中使用光子線鍵合提供了幾個(gè)優(yōu)勢：
- q' ]$ [- E  r: t7 I9 {4 r可擴(kuò)展性：PWB允許集成多個(gè)組件，實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展和系統(tǒng)級集成。
! a# O6 w( f4 T3 t* |/ O靈活性：該技術(shù)可以適應(yīng)不同的光學(xué)模式剖面，克服組件之間的錯(cuò)位。
# {" [2 O6 y/ E% z" G% S8 k% w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(tái)，包括TFLN、硅和氮化硅。
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未來方向和應(yīng)用
/ B. V' }8 d# f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(yīng)用開辟了眾多機(jī)遇：
- d& [0 q$ e" ?5 V7 V  B" t, t& j進(jìn)一步功率擴(kuò)展：
與錐形放大器集成可能導(dǎo)致瓦級輸出功率。
提高穩(wěn)定性：
* r" a) B7 ^( f/ p  }與光學(xué)隔離器集成可以提供完全保護(hù)的激光腔。
/ t: ?: ^; V" o3 \增強(qiáng)功能：
與其他TFLN組件結(jié)合，如高性能電光調(diào)制器和頻率梳源。
  R- n2 m: K" r# c. m7 ]特定應(yīng)用集成：
( y- p6 R: W/ q; h針對通信、傳感和微波光子學(xué)等特定應(yīng)用定制激光器設(shè)計(jì)。
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結(jié)論
% Y8 w2 e: Q3 C& V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(jìn)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(tái)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

6 l. m5 _/ D  g& _* B+ R/ w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(dòng)穩(wěn)定性，為完全集成的光電子系統(tǒng)開辟了新的機(jī)遇。隨著研究人員繼續(xù)完善和擴(kuò)展這項(xiàng)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(yīng)用。

# E  @% v. n! M2 `' t( k; E9 Q9 H0 G本文概述了創(chuàng)新激光器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵概念、組件和性能特征。通過利用薄膜鈮酸鋰的獨(dú)特特性和光子線鍵合的靈活性，研究人員創(chuàng)造了一個(gè)強(qiáng)大的工具，無有助于推動(dòng)集成光電子系統(tǒng)在廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)
; i7 @9 ~+ Y/ x; x[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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