Nature子刊：研究人员演示了集成Pockels激光器( 二 ) _激光器

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。

Nature子刊：研究人员演示了集成Pockels激光器( 二 )

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