高速调谐铌酸锂窄线宽激光器

----翻译自Viacheslav Snigirev等人

摘要：展示了一种锁定在异质集成的铌酸锂-大马士革氮化硅微谐振器模式上的电光可调谐混合集成激光自注入器。观测到的固有线宽为 3 kHz，频率调谐率为 12 × 1015 Hz/s。进行了原理性相干激光雷达实验。

铌酸锂薄膜光子集成电路已被应用于电光调制器[1, 2]、电光频率梳[3]和微波光量子传感器[4]。基于铌酸锂的光子电路还可以利用自注入锁定和相关的频率拉动效应 [5]，实现低相噪的电光可调谐激光器。具体来说，激光振荡器可以锁定到外部高品质因数腔的光学模式，并通过腔模式的调谐（例如利用波克尔斯效应）来调制激光的输出频率。

这一概念曾在分布式反馈磷化铟二极管激光器与大马士革氮化硅微孔谐振器之间实现过，该谐振器集成了一个氮化铝压电致动器，可对微谐振器模式进行应力光学调制[6]。虽然报告称[6]非线性度低、调谐效率高，但调制速度从根本上受限于集成器件的芯片的机械共振，因此需要额外的声子工程。在这方面，电光调制可为激光波长调制提供更有效的解决方案。为此，在大马士革氮化硅（LNOD）上采用了铌酸锂的异质集成，将前者的电光调谐能力与后者的超低传播损耗相结合[7]。

该器件的示意图见图 1(a)，LNOD 结构的特征截面图见图 1(b)。氮化硅波导埋在二氧化硅中，上面覆盖着一层薄薄的铌酸锂层和钨电极。大马士革氮化硅结构的超低损耗[8]使 LNOD 微谐振器的中值本征衰减率达到 100 MHz（图 1(c)）。相应的高品质因数 Q≈ 2×106 使锁定带宽达到 1.1 GHz，频率噪声功率谱密度抑制为 20 dB。锁定激光器的测量本征线宽为 3 kHz。

图 1(d)显示了微谐振器的电光调谐响应，由此可见该平台在快速激光波长调谐方面的潜力。我们将激光频率设定为谐振侧，并将矢量网络分析仪的调制电压施加到器件电极上，从而测量其响应。小信号频率响应平坦，最高可达 100 兆赫，远高于之前应力光致动所达到的数值。三角斜坡波形测得的最高调谐频率为 10 MHz，频率偏移为 600 MHz，相当于 12×1015 Hz/s的调谐速度。在调制频率为 100 kHz 时，观察到调谐非线性小于 1%（相对于频率偏移）（图 1(e)）。这些结果为将这种可调谐激光源用于频率调制连续波（FMCW）激光雷达铺平了道路[9]。在原理验证实验中，我们展示了一个由聚苯乙烯甜甜圈形状和作为背景的仪器箱壁组成的简单场景的重建，分辨率为 20 厘米（图 1(f)）。

  图 1. (a) 自注入锁定原理示意图。通过在钨电极上施加电压信号（如线性斜坡）来实现激光波长调谐。(b) 显示 LNOD 设备横截面的假色扫描电子显微镜图像。(c) 显示自由光谱范围（FSR）为 102 GHz 的 LNOD 微波谐振器的本征衰减率 κ0/2π 分布的直方图。分布的中值为 100 MHz，相当于品质因数 Q ∼ 2×106。(d) FSR 为 102 GHz 的 LNOD 微谐振器的电光调制响应。(e) 当调制频率为 100 kHz 和 1 MHz 时，在 LNOD 微谐振器的电极上施加三角电压斜坡时，集成激光源和参考外腔二极管激光器（ECDL）之间的外差拍频时频图。(f) 点云显示了在对原理验证 FMCW 激光雷达实验中收集的数据进行处理后，由一个聚苯乙烯甜甜圈形状和后面的仪器箱塑料壁组成的场景的重建情况。

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