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(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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. v6 |, q2 D' |4 S薄膜薄膜鈮酸鋰的重要性
0 j: K) s( j9 ?. z$ I" T& t! {9 [$ Y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：

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)實現(xiàn)低損耗傳輸
, N! L( B* V2 _$ \: _這些特性促進(jìn)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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$ c+ d) m4 h+ u/ u# ^' h5 _挑戰(zhàn)：TFLN的片上激光器
: S) [# S4 D/ L; \5 y! h" g1 A7 F# rTFLN技術(shù)取得了眾多進(jìn)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
$ N, a1 ?) P5 {: O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。



4 `! h, J' u& y6 R  L% |7 W圖1：基于光子線鍵合的TFLN擴(kuò)展腔激光器示意圖。


, h) @6 G5 N$ y, U( b集成激光器的關(guān)鍵組件
* n+ w8 D$ J' Q0 z% j該集成激光器由幾個關(guān)鍵組件組成：
5 f0 @) w2 i6 Va）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)。
% y, s. _: T* J  }) fb）TFLN反饋電路。該電路包括：
6 x; p' H5 ?( u% `3 w4 j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(diào)有效腔長
9 C3 F/ J4 J6 Q+ C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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光子線鍵合過程
* w& f! I) G8 x  V+ t+ T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(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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% W5 e/ P- Q+ _% C2 k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
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)秀的被動穩(wěn)定性：58小時無模式跳變運行
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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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圖3：激光器輸出功率隨電流的變化和波長可調(diào)范圍。

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，超過了兩個放大器的3 dB增益帶寬。
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2.頻率穩(wěn)定性：
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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. X* _# b% j1 j# h3 K5 Y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
. t3 p" l- X$ `1 A" [1 c5 T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(kuò)展性：PWB允許集成多個組件，實現(xiàn)功率擴(kuò)展和系統(tǒng)級集成。
  s. A. W, [3 F: V/ g  @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。
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。
: [5 U3 J1 V8 G) X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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未來方向和應(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的發(fā)展和應(yīng)用開辟了眾多機(jī)遇：
進(jìn)一步功率擴(kuò)展：
( w  P. y0 x5 R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：
' G- V6 B* M: G與光學(xué)隔離器集成可以提供完全保護(hù)的激光腔。
' k6 f1 U+ v! H( c; \+ E) f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。
特定應(yīng)用集成：
( Q) S) U2 o3 `# {2 S% u5 J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。
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結(jié)論
. z' w: F6 i1 @1 Y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面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
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+ V1 N, L/ d6 c8 h9 Y5 n# y7 T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(jī)遇。隨著研究人員繼續(xù)完善和擴(kuò)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。

0 R. c- r0 {9 I  h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(qiáng)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。
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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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