高速調(diào)諧鈮酸鋰窄線寬激光器

----翻譯自Viacheslav Snigirev等人

摘要：展示了一種鎖定在異質(zhì)集成的鈮酸鋰-大馬士革氮化硅微諧振器模式上的電光可調(diào)諧混合集成激光自注入器。觀測(cè)到的固有線寬為 3 kHz，頻率調(diào)諧率為 12 × 1015 Hz/s。進(jìn)行了原理性相干激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)。

鈮酸鋰薄膜光子集成電路已被應(yīng)用于電光調(diào)制器[1, 2]、電光頻率梳[3]和微波光量子傳感器[4]?；阝壦徜嚨墓庾与娐愤€可以利用自注入鎖定和相關(guān)的頻率拉動(dòng)效應(yīng) [5]，實(shí)現(xiàn)低相噪的電光可調(diào)諧激光器。具體來(lái)說(shuō)，激光振蕩器可以鎖定到外部高品質(zhì)因數(shù)腔的光學(xué)模式，并通過(guò)腔模式的調(diào)諧（例如利用波克爾斯效應(yīng)）來(lái)調(diào)制激光的輸出頻率。

這一概念曾在分布式反饋磷化銦二極管激光器與大馬士革氮化硅微孔諧振器之間實(shí)現(xiàn)過(guò)，該諧振器集成了一個(gè)氮化鋁壓電致動(dòng)器，可對(duì)微諧振器模式進(jìn)行應(yīng)力光學(xué)調(diào)制[6]。雖然報(bào)告稱(chēng)[6]非線性度低、調(diào)諧效率高，但調(diào)制速度從根本上受限于集成器件的芯片的機(jī)械共振，因此需要額外的聲子工程。在這方面，電光調(diào)制可為激光波長(zhǎng)調(diào)制提供更有效的解決方案。為此，在大馬士革氮化硅（LNOD）上采用了鈮酸鋰的異質(zhì)集成，將前者的電光調(diào)諧能力與后者的超低傳播損耗相結(jié)合[7]。

該器件的示意圖見(jiàn)圖 1(a)，LNOD 結(jié)構(gòu)的特征截面圖見(jiàn)圖 1(b)。氮化硅波導(dǎo)埋在二氧化硅中，上面覆蓋著一層薄薄的鈮酸鋰層和鎢電極。大馬士革氮化硅結(jié)構(gòu)的超低損耗[8]使 LNOD 微諧振器的中值本征衰減率達(dá)到 100 MHz（圖 1(c)）。相應(yīng)的高品質(zhì)因數(shù) Q≈ 2×106 使鎖定帶寬達(dá)到 1.1 GHz，頻率噪聲功率譜密度抑制為 20 dB。鎖定激光器的測(cè)量本征線寬為 3 kHz。

圖 1(d)顯示了微諧振器的電光調(diào)諧響應(yīng)，由此可見(jiàn)該平臺(tái)在快速激光波長(zhǎng)調(diào)諧方面的潛力。我們將激光頻率設(shè)定為諧振側(cè)，并將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的調(diào)制電壓施加到器件電極上，從而測(cè)量其響應(yīng)。小信號(hào)頻率響應(yīng)平坦，最高可達(dá) 100 兆赫，遠(yuǎn)高于之前應(yīng)力光致動(dòng)所達(dá)到的數(shù)值。三角斜坡波形測(cè)得的最高調(diào)諧頻率為 10 MHz，頻率偏移為 600 MHz，相當(dāng)于 12×1015 Hz/s的調(diào)諧速度。在調(diào)制頻率為 100 kHz 時(shí)，觀察到調(diào)諧非線性小于 1%（相對(duì)于頻率偏移）（圖 1(e)）。這些結(jié)果為將這種可調(diào)諧激光源用于頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)鋪平了道路[9]。在原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，我們展示了一個(gè)由聚苯乙烯甜甜圈形狀和作為背景的儀器箱壁組成的簡(jiǎn)單場(chǎng)景的重建，分辨率為 20 厘米（圖 1(f)）。

圖 1. (a) 自注入鎖定原理示意圖。通過(guò)在鎢電極上施加電壓信號(hào)（如線性斜坡）來(lái)實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)調(diào)諧。(b) 顯示 LNOD 設(shè)備橫截面的假色掃描電子顯微鏡圖像。(c) 顯示自由光譜范圍（FSR）為 102 GHz 的 LNOD 微波諧振器的本征衰減率 κ0/2π 分布的直方圖。分布的中值為 100 MHz，相當(dāng)于品質(zhì)因數(shù) Q ～ 2×106。(d) FSR 為 102 GHz 的 LNOD 微諧振器的電光調(diào)制響應(yīng)。(e) 當(dāng)調(diào)制頻率為 100 kHz 和 1 MHz 時(shí)，在 LNOD 微諧振器的電極上施加三角電壓斜坡時(shí)，集成激光源和參考外腔二極管激光器（ECDL）之間的外差拍頻時(shí)頻圖。(f) 點(diǎn)云顯示了在對(duì)原理驗(yàn)證 FMCW 激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，由一個(gè)聚苯乙烯甜甜圈形狀和后面的儀器箱塑料壁組成的場(chǎng)景的重建情況。

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