基于铌酸锂薄膜的高功率窄线宽激光器

逍遥设计自动化

引言
集成光子技术在开发小型化、节能和可扩展解决方案方面取得显著进展，应用范围涵盖通信、计算和传感等多个领域。铌酸锂薄膜（TFLN）平台因其独特的材料特性和多功能性而备受关注。本文探讨了TFLN技术的一项重大进展：通过光子线键合集成实现的高功率窄线宽激光器[1]。
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TFLN技术基础
铌酸锂薄膜相比传统平台具有多项优势。其大的电光系数使其非常适合制作高速、宽带调制器。材料的二阶非线性特性和周期性极化能力实现了高效的非线性过程。此外，宽透明窗口使得光在不同波长下都能低损耗传输。这些特性使TFLN成为大规模多样化光子系统的理想选择。

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图1：光子线键合TFLN基扩展腔激光器概览，展示了(a)完整集成的激光器，包含InP放大器和TFLN反馈线路的照片，(b)InP-LN界面和光子线键合的显微镜图像，以及(c)连接到TFLN波导的光子线键合的扫描电子显微镜图像。

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创新的光子线键合集成方法
由于铌酸锂缺乏直接带隙，将激光器与TFLN器件集成是一项重大挑战。光子线键合(PWB)技术通过聚合物波导实现了不同光子芯片之间的三维低损耗光学连接。PWB工艺可以适应各种组件位置并匹配不同的光学模式剖面，使系统集成具有高度灵活性。
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图2：铌酸锂扩展腔激光器设计示意图，展示了(a)包含InP放大器和反馈线路的完整激光器系统，(b)可调输出耦合器设计，以及(c-e)马赫-曾德尔干涉仪、相位移相器和维尼尔滤波器等关键组件的显微镜图像。

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设计与实现
该激光器系统将磷化铟(InP)放大器与铌酸锂反馈线路相结合。TFLN波导线路通过两个可调谐微环谐振器组成的维尼尔滤波器提供腔体扩展和频率选择功能。这种设计允许精确的波长调谐和激光器性能优化。
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性能特征

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7 ?3 O- D9 Z( e  Q3 X图3：激光器性能特征展示了(a)芯片上光功率与电流的关系，(b)单频运行时实现61 dB边模抑制比的光谱，以及(c)跨越43.7 nm的波长可调谐性演示。

% A- T7 X. P5 m" E! x该激光器展现出卓越的性能指标：
芯片上输出功率达到76.2 mW边模抑制比超过60 dB波长可调范围超过43 nm本征线宽仅为550 Hz
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图4：频率稳定性测量结果，展示了(a)证明超窄线宽的频率噪声功率谱密度，(b)长期光谱稳定性，(c)光功率稳定性，以及(d)58小时运行期间的频率漂移测量。
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长期稳定性和未来发展
该激光器表现出卓越的稳定性，在58小时内保持无模式跳变运行，频率漂移仅为4.4 MHz/h。这种稳定性对通信和传感系统的实际应用极为重要。光子线键合的成功实施为提升系统复杂度和实现更高输出功率提供了技术支持。
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, v+ ~! ?1 _9 h6 b1 q! s& m( ^这项进展代表了集成光子技术的重大突破，特别是在需要高功率、稳定激光源的应用领域。TFLN的多功能特性与创新集成技术的结合将促进更复杂光子系统的发展。
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% ^# A, p& L  R) ]: g4 B参考文献
[1] C. A. A. Franken, R. Cheng, K. Powell, G. Kyriazidis, V. Rosborough, J. Musolf, M. Shah, D. R. Barton III, G. Hills, L. Johansson, K.-J. Boller, and M. Lon?ar, "High-power and narrow-linewidth laser on thin-film lithium niobate enabled by photonic wire bonding," APL Photonics, vol. 10, no. 026107, pp. 026107-1-026107-8, Feb. 2025, doi: 10.1063/5.0231827
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