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(lái)，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(kāi)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。
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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(guò)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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! E4 K  ^. c+ y$ l. ]. ^& b薄膜薄膜鈮酸鋰的重要性
薄膜鈮酸鋰（TFLN）具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，使其成為集成光子學(xué)的優(yōu)秀平臺(tái)：

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(guò)程

寬透明窗口：允許在寬波長(zhǎng)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(kāi)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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7 ?: F" a. a1 `( }0 h挑戰(zhàn)：TFLN的片上激光器
: ]+ r* H0 s/ E- nTFLN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(kāi)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(duì)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。

解決方案：光子線鍵合
為解決這一挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)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。
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( ?1 K, e- A% N/ d# ~8 K圖1：基于光子線鍵合的TFLN擴(kuò)展腔激光器示意圖。


. W, M5 ^) g7 O8 z集成激光器的關(guān)鍵組件
該集成激光器由幾個(gè)關(guān)鍵組件組成：
$ V5 \$ i  d# I  o# pa）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：
! h9 [+ }1 z8 V$ X) ?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
相位移動(dòng)器：用于微調(diào)有效腔長(zhǎng)
可調(diào)輸出耦合器：用于優(yōu)化輸出耦合
. [" f% B2 E5 X: Z8 V# t% Fc） 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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光子線鍵合過(guò)程
光子線鍵合過(guò)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(duì)準(zhǔn)組件

使用共焦顯微鏡和機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)組件位置

使用雙光子聚合寫(xiě)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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$ D5 ?8 Q0 J* `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。
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性能特征
8 t+ ?9 D3 K, Q; D8 b  k' M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(zhǎng)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(wú)模式跳變運(yùn)行
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讓我們更詳細(xì)地研究這些特征：
# W& v4 G: S$ D' s, u% `1.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(zhǎng)可調(diào)范圍。
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; k9 ~3 i6 a8 G! e. y9 K% ?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(zhǎng)可在43.7 nm的寬范圍內(nèi)調(diào)諧，超過(guò)了兩個(gè)放大器的3 dB增益帶寬。

2.頻率穩(wěn)定性：
: k, ~: v8 c7 ?& R3 X1 F5 ~該激光器在短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間尺度上都表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性。


( m8 h- j- F0 H1 I0 W圖4：激光器在短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間尺度上的頻率穩(wěn)定性。
9 [( h, j' r1 Q5 ?
4 y4 @/ Y& F2 M4 v1 \1 R: p短期穩(wěn)定性：激光器表現(xiàn)出550 Hz的超窄本征線寬。
長(zhǎng)期穩(wěn)定性：激光器保持58小時(shí)無(wú)模式跳變運(yùn)行，頻率漂移趨勢(shì)僅為4.4 MHz/h。

光子線鍵合方法的優(yōu)勢(shì)
* A4 H- }% z3 X$ E" g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(shì)：
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(jí)集成。
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。
( o1 s/ j7 z. b' y/ ^3 r& G. B' h) 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(lái)方向和應(yīng)用
這種基于TFLN的高功率窄線寬激光器的成功演示為未來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟了眾多機(jī)遇：
- T" P3 X# D4 {- w$ f進(jìn)一步功率擴(kuò)展：
1 J) P1 i5 \+ y: m7 {2 L' f! X與錐形放大器集成可能導(dǎo)致瓦級(jí)輸出功率。
提高穩(wěn)定性：
與光學(xué)隔離器集成可以提供完全保護(hù)的激光腔。
; E: ^# R6 m2 i6 u% X增強(qiáng)功能：
! C0 }, l+ h8 r0 e- \與其他TFLN組件結(jié)合，如高性能電光調(diào)制器和頻率梳源。
8 E- a7 k* s1 K+ X特定應(yīng)用集成：
+ |: g% }1 P0 Z( h' [針對(duì)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
4 s- }4 a1 ?; K6 `5 `利用光子線鍵合技術(shù)在薄膜鈮酸鋰上開(kāi)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(guò)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)。
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% X: h. Z0 c6 t4 F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(kāi)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。
5 R0 I0 F' Z7 @( Y, O$ A
/ T" P( ?: \3 d3 f4 A1 ]9 J8 V' _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(guò)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(wú)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。
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& `8 D/ O% r, ]# ?% j# L參考文獻(xiàn)
[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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