摘要

集成半导体激光器的发展使传统的笨重激光系统小型化，使广泛的光子应用成为可能。从纯III-V基激光器到III-V/外腔结构的发展利用了不同材料体系中的低损耗波导，导致了激光相干性和稳定性的显著提高。然而，尽管取得了这些成功，关键功能仍然缺失。在这项工作中，我们通过将Pockels效应集成到半导体激光器中来解决一个关键的缺失函数。使用混合集成III-V/铌酸锂结构，演示了一些在以前的集成激光器中不存在的基本功能。此外，该装置通过二次谐波频率转换过程，以红外和可见光频率共振光，这是第一个集成多色激光器。结合其窄线宽和宽可调谐性，这种新型集成激光器在许多应用领域都有希望，包括激光雷达、微波光子学、原子物理和AR/VR。

介绍

过去几十年来，集成半导体激光器领域取得了许多进展，涵盖了信息技术和基础科学。这些器件采用晶圆级制造工艺，大大降低了传统台式激光设备的形状因子，并提供了低得多的功耗和成本。早期的激光设计完全基于III-V半导体，配置为发射多波长的Fabry-Perot，或用于单频发射的分布式反馈（DFB）设计。除了在许多应用中提供相干光产生外，这些器件还通过驱动光子集成电路（PIC），成为片上系统的关键组成部分。

微加工光子光学原子钟示意图。

随着硅光子学的不断成功，集成激光器采用了与III-V增益部分耦合的无源腔。这些集成外腔二极管激光器（ECDL）结构具有增强的光子寿命和可重构性，通过模拟其体积对应物，显著提高了集成光子的相干性和可调谐性。甚至最近，随着低损耗Si/SiN波导的制造取得显著进展，集成激光器的线宽现在可与最先进的台式ECDL甚至光纤激光器相媲美。相干性方面的这些进步极大地提高了通信的数据容量，以及片上传感和频率计量系统的精度。

在台式激光系统中，通常通过外部空腔中组件的快速机械运动来实现，但集成光子学中的类似策略更具挑战性。最常见的情况是，集成激光器的频率调谐依赖于热光效应，它相对较慢（kHz级速度）。即使可以通过III-V或硅波导的PN结的电流扫描实现MHz级频率调谐，这种载波诱导效应也会产生不必要的强度调制以及与窄线宽激光器不兼容的额外损耗。

（a）基于单波长微环的激光器结构示意图；（b）环形谐振器（红色）和DBR光栅（蓝色/绿色）组合的反射特性；并添加纵向模式间距（虚线）作为参考。

激光调制是利用激光作为载波进行调制的过程，激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密。激光调制主要可分为内调制和外调制两类。

目前在集成光子学中，激光器的频率调制必须依赖于激光器外部的调制器或光泵。在低于硅带隙波长的短波长处，这种限制更为严重，目前只有热调谐可用于集成激光器的外部腔。与自由空间激光腔不同，在自由空间激光腔内，非线性介质可以很容易地在谐振器内实现，从而通过频率转换产生短波长光，到目前为止，适合电泵浦的集成非线性腔仍然难以实现。

电泵集成激光调制器发射机。

在这项工作中，我们提出并演示了一种新的激光器家族，即Pockels激光器，以填补集成光子学范式中的这些长期空白。通过使用绝缘铌酸锂（LNOI）波导元件形成外腔，我们将集成激光器中的III-V增益部分与Pockels效应结合起来。这为片上激光器工具箱增加了几个新功能，包括窄线宽激光器（基本线宽11.3 kHz）。由于所需的驱动电压较低，这些功能可以由互补金属氧化物半导体（CMOS）信号直接驱动。此外，使用嵌入其中一个游标环中的内腔周期极化铌酸锂（PPLN）波导段，展示了第一台在电信波长和可见波段发射高相干光的多色集成激光器。它也是第一台在可见波段具有快速可重构性的窄线宽激光器。

结果

激光器设计

激光器结构如图1a所示，其中III-V反射半导体光放大器（RSOA）与LNOI芯片上的外腔边缘耦合，形成混合集成激光器。铌酸锂（LN）以其在光调制和频率转换方面的卓越性能而闻名。建立在其上的激光腔将使有趣的激光功能大大超出传统集成激光器的范围，我们将在下面详细说明。为了最小化端面反射，III-V端面涂有抗反射（AR）层，LNOI的输入端面耦合波导成10度角，以实现降低的反射率（FDTD Lumerical模拟约10%）并匹配注入光的角度。通过在LNOI的输入面上涂覆AR涂层，可以进一步降低反射率。

图1 集成Pockels激光器的概念和结构。

为了将多功能组合到一个激光器结构中，每个谐振器都是为不同的目的而设计的。第一个集成了一个微型加热器，用于通过TO效应进行宽波长调谐，而第二个集成了用于高速EO调谐的驱动电极。此外，第二谐振器被定制为与二次谐波产生（SHG）过程兼容，PPLN部分直接嵌入谐振器内。得益于LN中较大的EO Pockels因子，相位控制部分通过EO效应而不是常用的TO效应操作。与传统的TO方法相比，EO Pockels方法速度慢(kHz-speed)、耗电大、容易出现热串扰问题，它实现了高速、节能和独立控制单个功能，如下所示。最后，在器件的末端放置一个Sagnac环作为激光腔的输出端镜，反射率为30%。输出小面波导被设计为优化耦合到锥形光纤的性能表征，如图1b所示。

线性性能

制造的设备如图1c所示。赛道谐振器的固有质量（Q）因子约为120万，而外部耦合Q则低得多，在5.0 × 10⁴ ~ 1.5 × 10⁵之间，这决定了器件的负载Q。对1581.12 nm处的激光模式进行激光光电流-电压(LIV)曲线测量，阈值电流为80 mA，在200 mA时片上功率约为3.7 mW，如图2a所示。通过调节游标镜条件，从该设备测量的最高片上功率可以达到超过5.5 mW。

图2 激光器的功率、线宽和波长调谐特性。

这两个赛道谐振器使用不同的耦合结构：第一个使用滑轮耦合器，但第二个赛道采用直波导耦合器，用于电信和近红外波长的SHG操作。两种总线波导均设计为仅适用于基本准TE模式。图2b显示了这两种结构的细节及其记录的透射光谱。滑轮耦合结构有利于激光光谱的带宽，但也会增加多模激光的风险（图2b，左下方）。这里，使用一个谐振器的直耦合设计可以显著抑制一个游标FSR之外的模式（图2b，右下角）。通过这种设计，实现了单模激光器，高边模抑制比（SMSR）大于50 dB，如图2c所示。

激光器的超快频率调谐和开关

窄线宽激光器的高速调频(啁啾)在各种应用中都有迫切的需求。例如，当前调频连续波（FMCW）LiDAR使用MHz级激光频率调制率和GHz级啁啾范围。在调频光谱等应用中需要更高的速度可重构性。Pockels激光器非常适合于此目的，其中激光频率可以通过电光调谐移相器部分进行快速调谐。这种移相器的EO调谐仅改变激光腔的有效光路长度，而不会引入任何损耗，为快速频率调谐提供了一种优雅的方法，而不会造成线宽退化或寄生强度调制。

为了显示这一能力，应用一个高速驱动电信号到移相器，并通过使用一个频率具有8.0 GHz初始偏移的参考窄线宽激光器击打激光输出来监测激光频率调谐。为了更好地说明通过EO Pockels效应的精细调谐性能，驱动电信号呈三角形波形，调制频率从0.1 MHz到1 GHz，幅值VP = 3.0 V。调制频率在1 MHz到500 MHz范围内的记录数据如图3a所示，以及激光频率调制线性的偏差。如图所示，在所有频率下，激光调频波形与驱动电信号波形(虚线曲线)一致，当调制频率达到500 MHz时，非线性小于10%。如图3b所示，当驱动电压VP = 2.0 V时，激光调频的非线性可降低到3%。在图3a中，谱图的分辨率随着调制速度的增加而下降，这只是由于用于记录激光跳动信号的示波器的采样率有限所致。

图3 激光器的高速调谐和开关特性。

如图3c所示，在高达600 MHz的调制频率范围内，激光频率调制的幅度保持在一个相当恒定的水平 ，数值范围为（1.6–2.0）GHz，对应于（0.26–0.34）GHz/V的调谐效率。因此，激光频率调制率几乎随调制速度线性增加，如图3d所示，达到2.0 EHz/s（2.0 × 1018 Hz/s），调制频率为600  MHz。当调制频率超过700 MHz时，频率调制率开始饱和 ，因为调制速度达到激光腔的光子寿命极限（估计约为0.2 ns），导致EO调谐效率降低（图3c）。

本文激光器的激光频率调制与强度调制相当独立，因为在腔内进行直接相位调制时，激光器的强度变化仅仅是由腔纵模和游标模之间的模式失配引起的，而游标模在游标模的带宽内很小。该特征如图3e所示，它还绘制了振幅范围放大的时频谱图。它清楚地表明，观察到一个连续的信号，振幅变化小于10%。这与其他频率调制方法形成强烈对比，例如二极管激光器的电流调制，后者受到相当大的共存强度调制的影响，从而破坏了相关应用的质量。通过对移相器和游标环谐振器进行协同EO调谐，可以进一步抑制激光器中的残余强度调制。

（a） FSR为192 GHz的微环的SEM图像。（b）针对微环的滑轮耦合区域进行缩放。（c） FIB抛光后的端面。（d）微环波导中的四种模式。

除上述纯频率调制外，Pockels激光器还允许快速开关激光模式。这种纯强度调制是通过应用方波电光驱动赛道谐振器来实现的。两个谐振器之间的相应模式失配导致游标模式快速退化，导致腔内损耗急剧变化，从而实现激光器的开关行为，充当高速开关。如图3f所示，应用的调制频率范围为0.1 MHz至50 MHz时，可以清楚地观察到接通和断开状态，上升和下降时间为10-90%，约为3 ns，受应用驱动信号速度的限制。当调制频率超过50 MHz时，开关性能下降 ，这可能是由于激光在腔模稳定期间的振荡性质。

双波长激光器

在传统的集成光子学中，SHG只能使用外部激光泵浦，操作复杂，难以实现快速可重构。在这里，我们首次将PPLN直接纳入集成激光腔中，实现了集成激光本身固有的SHG，显著降低了系统复杂性，如图4a所示。此外，与激光输出相比，强腔内激光功率可以进一步增强SHG工艺。SHG过程的基频(FF)和二次谐波(SH)模式之间的共振匹配由激光芯片的温度(图1b中的TEC)精确控制。当器件在1581.12 nm处开始激光时，在激光芯片的输出面上很容易看到产生的SH，如图4b所示。图4c显示了电信基频激光器和倍频可见波的光谱，显示了双波长的激光行为。两种波长下记录的激光输出如图4d所示，图4d显示了两种颜色之间明显的二次功率依赖关系，这是SHG过程的固有性质。

图4 双波长激光器的性能。

Pockels激光器的一大优点是能够在激光腔内集成波长转换器，从而通过操作电信泵浦激光器，提供可见光的快速重新配置。如图4e所示，可以清楚地观察到开关，调制频率为0.1 MHz至10 MHz，波形紧跟图3f所示。这样的开关速度可以满足几乎所有原子/离子操纵实验的速度要求。

混合集成激光系统示意图。

当前双色激光器的波长可调性为~10 nm。内腔PPLN可进一步设计用于宽带相位匹配，以覆盖基波的整个激光波长范围，从而实现双色激光器的宽调谐操作。另一方面，通过优化RSOA和LN芯片之间的耦合效率，可以进一步提高产生的SH光的功率，目前该耦合效率相对较低，并将腔内激光功率限制在基频。SH功率也可以通过在腔体内使用更长的PPLN段来提高SHG效率。此外，通过优化谐振腔在基波和二次谐波波长的外部耦合Q，可以提高倍频效率。

讨论

除了我们在这里介绍的性能外，与以前的集成激光器相比，在集成激光器中实现Pockels效应可以带来更新颖的功能。EO效应带来的快速激光频率重构能力，再加上通过改变电流进行的强度调制，有可能实现通信和微波光子学用芯片上的全集成光学任意波形发生器（AWG）。可以通过设计环形谐振器的质量因子来进一步优化腔体设计，以支持更高的速度调制，同时保持与当前ECDL相同的窄线宽。此外，通过改变谐振器内PPLN的设计，可以通过级联和频产生将泵浦频率转换为更宽的光谱范围，从而在绿色或蓝色波长下更短的波长，或通过光学参量振荡器将泵浦转换为中红外波长。这种灵活的波长产生芯片可以大大缓解不同激光外延结构的材料生长和器件加工的困难。我们还预计，随着制造业在提高集成水平（异质集成）方面的进步，这种新型激光器的完全集成、基于铸造的解决方案将在不久的将来出现。

集成PZT压电致动器的低压快速调谐。

总之，通过LN外腔与III-V RSOA的混合集成，本文展示了第一台集成Pockels激光器。基于EO效应，该设备具有良好的可重构性，具有创纪录的2.0倍激光频率调制速度 EHz/s，切换速度高达50 MHz。这种卓越的性能为激光雷达和许多其他应用提供了一个有前途的解决方案。此外，通过结合LN的高非线性频率转换能力，实现了第一台集成电信多色激光器及其倍频波长输出。这两个功能的进一步组合有助于演示波长转换器的快速切换，最多10个 MHz速度，为集成光源在原子物理、AR/VR和传感领域的应用铺平了道路。

本工作中的演示不仅扩展了LNOI平台的应用，而且更广泛地提供了纳米光子学中各种问题的解决方案。它们还为具有各种功能的多色完全集成系统提供了设计途径。这种系统在非线性光学、光信号处理系统、量子光子学和光通信中有许多潜在的应用。

实验部分：

在系统中引入了一个光斑大小转换器，以匹配RSOA边缘的模式轮廓。通过使用5 μm宽和600 LN薄膜的nm厚度，由FEM软件模拟，如图5所示。LN蚀刻深度超过200 nm，可以观察到匹配效率的微小变化，使我们可以简单地将其用于各种设计。估计边缘耦合损耗约为3–4 dB。

图5 光斑大小转换器的设计。

激光频率调制是通过电光调制器件的移相器来实现的。具有三角形波形的电气驱动信号由高速任意波形发生器（AWG）（Keysight M8196A）生成，并在应用于移相器之前由宽带射频放大器放大至目标电压幅值。其波形如图6的第一行所示。激光模式切换行为通过图7所示的设置进行了探索。

图6 激光频率调制线性的表征。

图7 激光器高速调谐和切换的实验装置。

本文采用的激光器具有通过热光效应实现的宽调谐能力，允许均匀的激光功率，如图2c和图8顶部所示。为了进一步在可见波长实现宽调谐范围，定制了PPLN谐振器的设计，并在1575获得了理论相位匹配窗口 20多nm nm带宽。通过将它们结合在一起，谐振器中的基波和二次谐波模式在宽带上准相位匹配，从而在腔体中产生极强的非线性效应。在图8底部的同一装置上观察并记录了产生的可见光，这证明了我们的激光器在可见光波段的宽可调谐性超过10 纳米。未来可以通过修改PPLN谐振器SH共振处的耦合强度，进一步优化SH光的轻微功率变化。

图8 基频激光模式（顶部）和二次谐波上转换光（底部）的光谱。

来源：Integrated Pockels laser, nature communications, doi.org/10.1038/s41467-022-33101-6

参考文献：An optical-frequency synthesizer using integrated photonics. Nature 557, 81–85 (2018)；Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon. Science 373, 99–103 (2021).