基于薄膜鈮酸鋰和光子線鍵合的高功率窄線寬激光器

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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應用。
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% r0 C) l4 V7 x& |; W本文探討利用光子線鍵合技術實現(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]。




薄膜薄膜鈮酸鋰的重要性
% G2 ~" i% T/ T7 T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制器

強二階非線性：能夠實現(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)，包括電光調制器、超連續(xù)譜生成、克爾梳生成和非線性頻率轉換。

挑戰(zhàn)：TFLN的片上激光器
: i' y+ w( l% g5 K' @/ g2 l8 u* fTFLN技術取得了眾多進展，但一個重要挑戰(zhàn)依然存在：開發(fā)可調諧、窄線寬和高功率的片上激光器。這個組件對于驅動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
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。


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' t5 P, s8 Z0 _& w5 q. ?9 \圖1：基于光子線鍵合的TFLN擴展腔激光器示意圖。

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( n* X' a) M/ S# S) y3 G' ?# H/ \/ m1 y8 r集成激光器的關鍵組件
% @* m1 g, X% ^$ j9 T/ o該集成激光器由幾個關鍵組件組成：
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。
, X+ Z# S) f' \1 Y) ^. ?b）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
相位移動器：用于微調有效腔長
+ V% r* Z) B6 {- G" i% P可調輸出耦合器：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。
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0 I5 I3 C. b, c1 B; `3 I4 u: k光子線鍵合過程
光子線鍵合過程是集成激光器設計的關鍵方面。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結構

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。
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性能特征
! E" {. a6 n' x- A6 }2 h) {6 B% \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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* P1 Z9 u! X" v# Z, n* j, V  M讓我們更詳細地研究這些特征：
+ i( T/ J/ c; t0 O0 n8 B3 Y: L1.輸出功率和可調諧性：
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7 N8 i7 v/ i! a# K3 I( r+ {圖3：激光器輸出功率隨電流的變化和波長可調范圍。
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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的寬范圍內調諧，超過了兩個放大器的3 dB增益帶寬。
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* `0 _6 W. H9 [) C1 Y7 j2.頻率穩(wěn)定性：
3 o" m8 p" ^. }& |" g5 L5 V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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# u3 j6 G* r" ]# r' W! b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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短期穩(wěn)定性：激光器表現(xiàn)出550 Hz的超窄本征線寬。
1 y0 m* D8 n+ J* F: T' C, ~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。

1 R9 V1 V6 k& @5 o1 K: @4 ]$ M光子線鍵合方法的優(yōu)勢
在這種集成激光器設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：該技術可以適應不同的光學模式剖面，克服組件之間的錯位。
6 x0 E) [9 B+ |/ c性能：這種方法產生高片上功率和優(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。
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' {1 b' k* l3 j7 C9 _: `+ d* k' F未來方向和應用
& Q: V5 b' V8 h" 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)展和應用開辟了眾多機遇：
進一步功率擴展：
, ~& e9 n1 _5 h8 f' C% k與錐形放大器集成可能導致瓦級輸出功率。
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：
與其他TFLN組件結合，如高性能電光調制器和頻率梳源。
  h. V6 m9 }& f" }* Z- e) w1 S+ `特定應用集成：
( u5 t2 B( J: k6 b7 [& K* C針對通信、傳感和微波光子學等特定應用定制激光器設計。
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結論
5 K) h6 k& ]. `& s利用光子線鍵合技術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的重大進展。通過提供可調諧、高性能的片上激光源，解決了薄膜鈮酸鋰平臺面臨的關鍵挑戰(zhàn)。
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5 _6 Z. t' M# _; X( b" R7 \( {該演示激光器具有高輸出功率、寬可調范圍、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，可以期待看到更令人印象深刻的性能特征和新穎的應用。

本文概述了創(chuàng)新激光器設計的關鍵概念、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)在廣泛應用領域的發(fā)展。
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參考文獻
! a$ L# I$ ~! m[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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