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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(yīng)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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薄膜薄膜鈮酸鋰的重要性& N" @0 S0 R; X5 Y8 O* L0 c5 G
薄膜鈮酸鋰(TFLN)具有多項優(yōu)勢,使其成為集成光子學(xué)的優(yōu)秀平臺:
! r5 S# e$ }1 Q9 {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7 N5 G9 Z* {2 i/ l9 @$ ` a! ^
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。1 c5 i9 K: y) V' i
" t+ b* g) Q \0 x8 C- H挑戰(zhàn):TFLN的片上激光器5 {. y, `# q4 a. x: {" h; D5 R; P/ f
TFLN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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解決方案:光子線鍵合/ l5 a+ F6 @8 m7 T
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。$ t- a& o w/ W: i
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圖1:基于光子線鍵合的TFLN擴展腔激光器示意圖。1 B" V' @+ d; x
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集成激光器的關(guān)鍵組件. L$ e: E! o o1 E9 Y9 I9 o
該集成激光器由幾個關(guān)鍵組件組成:
* U9 V1 h3 Z; m- Xa)InP放大器:兩個磷化銦(InP)放大器波導(dǎo)提供激光的增益介質(zhì)。
$ E; @6 ~# c2 T# q) ^0 eb)TFLN反饋電路。該電路包括:
# G' I# |2 {2 P% K0 E9 V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
0 s: g7 Q. m9 B* M5 Y相位移動器:用于微調(diào)有效腔長
5 W- q: ]3 R+ U! S V可調(diào)輸出耦合器:用于優(yōu)化輸出耦合
5 X4 S' |- s$ R4 ic) 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。0 `7 _9 _# `, X V' b
/ C& _3 d T8 X' U光子線鍵合過程; X; e9 R4 I& V/ \. b& @
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(zhǔn)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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H I5 c: j7 q: S' o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。$ f/ @4 Y( q X: X' q
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性能特征. S4 a! O1 _+ k1 ]
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- K Y7 a4 C: h" c: i
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讓我們更詳細地研究這些特征:
u/ T R% N, X: x1.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。. t' v4 G/ }% b+ @. `# g$ E1 i
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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。2 D2 N- m! N4 S, l" H
2 u3 |; j* ~, {7 t, D
2.頻率穩(wěn)定性:
- p N, s" T6 q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。' [, j5 }$ L" j1 r/ x9 m7 A
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. T$ T: J8 _2 B( i; _* d圖4:激光器在短時間和長時間尺度上的頻率穩(wěn)定性。
. H( q9 H# e% T4 N# c, `% g$ x% ^+ C2 d
短期穩(wěn)定性:激光器表現(xiàn)出550 Hz的超窄本征線寬。
( A* F* U9 s- f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7 j/ W+ v7 g4 f) H$ Z1 X
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:1 e% Y" u( C: H, O- S: B; 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。- i! n9 S' E7 P2 f
靈活性:該技術(shù)可以適應(yīng)不同的光學(xué)模式剖面,克服組件之間的錯位。7 W+ V+ O& i9 H0 A6 i. ^
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。; B3 k" y$ C- u* D0 u: j
兼容性:PWB可用于各種光電子工藝平臺,包括TFLN、硅和氮化硅。' @5 l1 B! P) z5 Z3 H
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3 N6 s! O) [# n+ Y# ]! r9 p未來方向和應(yīng)用
3 J: v7 d5 M8 u& y8 d" B* s% G) x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)用開辟了眾多機遇:
+ ]3 k$ `$ B; v# @8 L進一步功率擴展:
/ v6 V$ x: Y* D0 H- Z I: V, ?與錐形放大器集成可能導(dǎo)致瓦級輸出功率。, D, h2 U+ o6 n# v2 c
提高穩(wěn)定性:2 ^+ `5 A4 q: O. _$ w# Z
與光學(xué)隔離器集成可以提供完全保護的激光腔。
" z7 u* g- L" @* x增強功能:
; I7 A. f3 A: X8 [與其他TFLN組件結(jié)合,如高性能電光調(diào)制器和頻率梳源。+ P1 m" k) I8 J: X
特定應(yīng)用集成:1 s( f# \/ `" z, \% r7 M! m
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。' U3 j3 {0 `7 u! w: x A. a2 U1 u
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1 ^1 G( J/ W" {4 c9 A結(jié)論; z* v5 n" T8 Y$ W9 ?* \: P; \. T8 M
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)。
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0 {9 I4 s. V( o( L6 B: _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(yīng)用。) r( i! a- b3 `1 l" ~
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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(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。2 O* [ ~; ]/ D
) a& s# y8 N8 h- W/ l# ^% q: k0 i
參考文獻
( J% ^3 ~8 B3 K# E+ j: e3 P0 u[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.: d% M! J' F% ]; U
) x2 t4 B# i5 d
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& V2 W: G L* y7 j, v( W& u' j4 u歡迎轉(zhuǎn)載' D9 T7 A, U0 a
d3 D H+ e% T$ S轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!$ R+ D7 u( y$ S6 N5 r
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9 s& ?3 r' H% z; a深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)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(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)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(dǎo)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(wù)。
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