Nature子刊：研究人员演示了集成Pockels激光器( 三 ) _激光器

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。

Nature子刊：研究人员演示了集成Pockels激光器( 三 )

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