作為激光雷達(dá)、分布式傳感及量子信息處理的核心組件，該器件在保持低噪聲特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速無(wú)跳模頻率調(diào)諧。通過(guò)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的外部分布式布拉格反射器（E-DBR）架構(gòu)——即低成本反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA）與晶圓級(jí)電光驅(qū)動(dòng)DBR光柵的混合集成——器件關(guān)鍵性能指標(biāo)顯著超越現(xiàn)有方案：無(wú)跳模調(diào)諧范圍突破10 GHz，調(diào)諧效率高達(dá)550 MHz·V?1，調(diào)諧速率達(dá)艾赫茲每秒量級(jí)，并具備15 mW光纖耦合輸出功率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該激光器在調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)100 ms內(nèi)20,000個(gè)體素采集與4 cm距離分辨率；在氰化氫光譜檢測(cè)中精準(zhǔn)匹配吸收特征。經(jīng)商用蝶形封裝后，器件在2.5小時(shí)內(nèi)自由運(yùn)行頻率漂移低于25 MHz，展現(xiàn)出卓越的環(huán)境穩(wěn)定性。

圖 1 | 混合集成泡克爾斯擴(kuò)展DBR激光器的概念設(shè)計(jì)。

a, 混合集成 E-DBR 激光器的示意圖。TFLN：薄膜鈮酸鋰。插圖為：InP RSOA 與 PIC 之間的對(duì)接耦合界面的詳細(xì)顯微照片（左）；布拉格光柵和調(diào)諧電極（中）；用于輸出耦合的雙層錐形結(jié)構(gòu)和透鏡光纖（右）。
b, 掃描電子顯微照片，顯示經(jīng)過(guò)蝕刻步驟定義波導(dǎo)和布拉格光柵柱后的 LiNbO? E-DBR PIC 的一個(gè)截面。
c, LiNbO? 光子芯片垂直截面的掃描電子顯微照片，顯示了嵌入式金電極和二氧化硅（SiO?）頂部包層。
d, 模擬的 LiNbO? E-DBR PIC 的歸一化布拉格反射（線）和布拉格反射峰的半高全寬（FWHM）帶寬（色標(biāo)條），作為光柵柱尺寸和位置（間隙）的函數(shù)。紅星表示所報(bào)道的泡克爾斯 E-DBR 激光器的光柵設(shè)計(jì)。
e, 單片 X 切 LiNbO? 和 SiO? 包層中光學(xué)和射頻電場(chǎng)分布的有限元法模擬。射頻電場(chǎng)被歸一化，使兩個(gè)電極之間的電壓為 1 V。
f, 在施加 0 V 和 19 V 電壓時(shí)模擬的布拉格光柵反射峰調(diào)諧情況，描繪出大于 0.5 GHz V?1 的調(diào)諧效率。

薄膜鈮酸鋰（LiNbO?）集成光子學(xué)憑借強(qiáng)泡克爾斯效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的快速、低損耗折射率調(diào)制，推動(dòng)了高性能光子集成電路的發(fā)展。盡管基于自注入鎖定鈮酸鋰微腔的激光器已實(shí)現(xiàn)太赫茲每秒級(jí)調(diào)諧速率，但其固有局限導(dǎo)致無(wú)跳模調(diào)諧范圍被壓縮至2 GHz以下，輸出功率限于毫瓦級(jí)，難以滿足高分辨率大氣氣體傳感與相干激光測(cè)距等應(yīng)用對(duì)＞10 GHz調(diào)諧范圍的需求。

圖 2 | E-DBR 泡克爾斯激光器的調(diào)諧特性表征。

a, DBR PIC 布拉格反射中心頻率的電壓調(diào)諧，調(diào)諧效率為 550 MHz/V。
b, 帶有金電極的鈮酸鋰（LiNbO?）光子芯片（編號(hào) D148_01_F2_C3）的照片，該芯片包含 7.25 毫米長(zhǎng)的 DBR。
c, 表征泡克爾斯 E-DBR 激光器電光調(diào)諧帶寬的測(cè)量裝置圖。S?? 調(diào)諧響應(yīng)通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）進(jìn)行表征：將激光輸出饋入集成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（iMZI），并在快速光電二極管上檢測(cè)輸出光強(qiáng)。調(diào)整調(diào)諧范圍和延遲線長(zhǎng)度，以利用 MZI 傳遞函數(shù)的線性部分（如插圖所示），將頻率調(diào)制轉(zhuǎn)換為光電二極管上的幅度調(diào)制。LUT：被測(cè)激光器；BPD：平衡光電探測(cè)器。
d, E-DBR 泡克爾斯激光器的電光 S?? 調(diào)諧響應(yīng)。該調(diào)諧響應(yīng)是通過(guò)從 VNA 測(cè)得的 S??（灰色曲線）中除去 MZI 傳遞函數(shù)的影響后得到的。3 dB 帶寬由水平虛線標(biāo)出，突顯了激光器在高達(dá)約 200 MHz 頻率范圍內(nèi)的平坦驅(qū)動(dòng)響應(yīng)。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本研究提出基于晶圓級(jí)薄膜鈮酸鋰平臺(tái)的新型外部分布式布拉格波導(dǎo)光柵反射器（E-DBR）架構(gòu)。該設(shè)計(jì)采用高背反射率RSOA作為增益介質(zhì)，通過(guò)低反射率傾角前腔面將激光模式耦合至E-DBR光子芯片（構(gòu)成諧振腔第二反射鏡），在保證性能的同時(shí)顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

圖 3 | 泡克爾斯 E-DBR 激光器的工作特性。

a. 用于表征激光器功率、頻率噪聲和調(diào)諧特性的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。設(shè)置激光器電流以實(shí)現(xiàn)單模工作，并通過(guò)任意函數(shù)發(fā)生器 (AFG) 調(diào)制激光頻率。激光頻率噪聲的測(cè)量方法：在平衡光電探測(cè)器 (BPD) 上測(cè)量其與一個(gè)經(jīng)體腔 (bulk cavity) 穩(wěn)頻和濾波后的外腔二極管激光器 (ECDL) 的外差拍頻信號(hào)，該信號(hào)由電頻譜分析儀 (ESA) 記錄和分析。激光調(diào)諧特性的表征方法：通過(guò)一個(gè) 10 米長(zhǎng)的集成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x (iMZI) 測(cè)量零差拍頻信號(hào)，并使用數(shù)字示波器 (OSC) 記錄。CW ref.：腔穩(wěn)連續(xù)波參考激光器。
b. 安裝在耦合臺(tái)上的鈮酸鋰 (LiNbO?) DBR PIC 照片，包括對(duì)接耦合的 RSOA、輸出透鏡光纖以及用于在電極間施加電場(chǎng)的探針。
c. E-DBR 激光器輸出功率隨 RSOA 驅(qū)動(dòng)電流的變化關(guān)系。激光器工作點(diǎn)選擇在曲線的局部最小值處，以最大化無(wú)跳模 (mode-hop free) 的激光調(diào)諧范圍。
d. 鈮酸鋰 (LN) E-DBR 激光器的單邊帶激光頻率噪聲功率譜密度 Sf(f)。虛線表示：用于計(jì)算積分線寬的 β 線（綠色）、熱載流子折射率噪聲（紅色）和自發(fā)輻射噪聲（灰色）。70 kHz 處的頻率噪聲峰值源于懸空 PIC 的機(jī)械模態(tài)。
e. E-DBR 激光器的光譜，在 0.02 nm 分辨率帶寬下，邊模抑制比 (SMSR) 約為 63 dB。
f. 混合激光器調(diào)諧范圍、速度和線性度的表征。使用頻率在 10 kHz（左）和 1 MHz（右）之間的三角波調(diào)制 E-DBR 激光器。非線性度通過(guò)將理想三角波形擬合到由 iMZI 輸出的希爾伯特變換 (Hilbert transform) 得到的調(diào)諧曲線來(lái)確定。
g. 由 AFG 施加到電極上的電壓波形，形似 EPFL 標(biāo)志。
h. 時(shí)頻譜圖，顯示以 EPFL 標(biāo)志形式演變的激光頻率，調(diào)諧速率達(dá)到 3 PHz s?1。
i. 泡克爾斯 E-DBR 激光器在不同調(diào)制速度（即施加到電極上的三角波電壓斜坡的重復(fù)頻率）下的調(diào)諧效率。垂直柱狀條表示在電極上施加每 1 V 三角波斜坡電壓時(shí)激光器調(diào)諧的非線性度。

圖 4 | FMCW激光雷達(dá)的概念驗(yàn)證演示。

a, 基于FMCW激光雷達(dá)的相干光學(xué)測(cè)距實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，并附有目標(biāo)場(chǎng)景的照片：兩個(gè)Thorlabs立柱基座（直徑分別為1毫米和2.5毫米）以及后面的一堵平墻。DSO：數(shù)字采樣示波器；FPC：光纖偏振控制器；BOA：后置光放大器；CIRC：環(huán)形器；COLL：準(zhǔn)直器。
b, 來(lái)自目標(biāo)的信號(hào)時(shí)頻譜圖，顯示了來(lái)自準(zhǔn)直器、光纖連接器和環(huán)形器的反射峰，以及來(lái)自目標(biāo)場(chǎng)景的反射峰。
c, 顯示三個(gè)目標(biāo)物體計(jì)算距離值分布的直方圖；報(bào)告了每個(gè)目標(biāo)的平均距離值及其標(biāo)準(zhǔn)差 (s.d.)。
d, e, 從不同視角測(cè)量的目標(biāo)場(chǎng)景點(diǎn)云圖，使用光束掃描圖案獲得，其垂直 (d) 和水平 (e) 三角掃描頻率分別為1 kHz和10 Hz。

本研究成功開(kāi)發(fā)出泡克爾斯可調(diào)諧混合集成激光器，通過(guò)晶圓級(jí)絕緣體上鈮酸鋰平臺(tái)集成低成本RSOA與電光DBR光柵。創(chuàng)新性鈮酸鋰柱狀光柵設(shè)計(jì)規(guī)避了亞250納米制造工藝瓶頸，其基于泡克爾斯效應(yīng)的強(qiáng)頻率調(diào)制特性可充當(dāng)超快可調(diào)反射鏡。器件核心性能包括：＞10 GHz無(wú)跳模調(diào)諧范圍、1 MHz調(diào)制速度、1%殘余非線性、15 mW光纖耦合輸出功率，以及2.8 kHz本征線寬（對(duì)應(yīng)800 Hz2/Hz頻率噪聲）。

在概念驗(yàn)證中，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)應(yīng)用以4 cm分辨率實(shí)現(xiàn)100 ms內(nèi)20,000個(gè)體素場(chǎng)景重建；氰化氫光譜檢測(cè)結(jié)果與HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)高度吻合。該激光器以550 MHz·V?1超高調(diào)諧效率（達(dá)應(yīng)力光調(diào)諧方案的100倍）、晶圓級(jí)制造兼容性及單電流/電壓控制模式，確立了性能與成本效益的雙重優(yōu)勢(shì)。未來(lái)可依托鈮酸鋰材料的中紅外透明窗口拓展工作波段，為高精度傳感與量子技術(shù)提供革新性光源解決方案