特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。在绝缘体上的薄膜铌酸锂(LiNbO3)的相关研究进展已使低损耗光子集成电路、改进半波电压的调制器、电光频率梳和片上电光器件成为可能，其应用范围从微波光子学到微波-光的量子界面。尽管最近的进展已经证明了基于LiNbO3的可调谐集成激光器，但是这个平台在展示频率灵活、窄线宽集成激光器方面的全部潜力还没有实现。有鉴于此，瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg等人报道了一种基于混合氮化硅(Si3N4)-LiNbO3光子平台的快速调谐速率激光器，并演示了其在相干激光测距中的应用。该的平台是基于超低损耗的Si3N4光子集成电路与薄膜LiNbO3在晶圆级直接键合的异质集成，其传播损耗低至每米8.5分贝，通过自注入锁定激光二极管实现窄线宽激光(3千赫兹的本征线宽)。该谐振腔的混合模式允许电光激光器以每秒12×1015Hz的速度进行频率调谐，在保持窄线宽的同时具有高线性度和低滞后。利用混合集成激光器，作者进行了概念验证相干光测距(FMCW LiDAR)实验。将Si3N4光子集成电路与LiNbO3结合，创造了一个结合了薄膜LiNbO3和Si3N4各自优点的平台，具有精确的光刻控制、成熟的制造和超低的损耗。作者将光子Damascene Si3N4波导制作过程与晶圆级键合相结合，以实现在无源超低损耗Si3N4上的电光调制。谐振腔透射谱的统计分析显示，44 mhz的中位固有腔线宽对应于4.8×106的q因子和8.5 dB m−1的线性传播损耗。图 异构，低损耗，Si3N4-LiNbO3光子集成平台，用于快速可调谐自注入锁定激光器激光自注入锁定是通过InP DFB二极管激光器与非均质Si3N4-LiNbO3芯片对接耦合而启动的，并调整激光电流以使输出频率与非均质Si3N4-LiNbO3微谐振器的谐振频率相匹配。微谐振腔表面的光后反射或腔内的体积不均匀性通过顺时针和逆时针传播模式的耦合向激光二极管提供频谱窄带反馈。作者发现由于自注入锁定，几乎没有激光频率调谐的区域。为了揭示锁定带宽，在锁定状态内设置DFB电流，并通过对电极施加三角电压啁啾来扫描腔共振。自注入锁定在大约1 GHz的频率范围内实现;然而，由于非均质Si3N4-LiNbO3微谐振器的低后反射，仅在600 mhz波段内观察到线性调谐。
为了测量非均质Si3N4-LiNbO3微谐振腔的电压-频率响应，将网络分析仪的信号施加到电极上，并将激光频率固定在腔共振的斜率上。这一测量揭示了异质Si3N4-LiNbO3平台的一个关键优势——102 Ghz-FSR微谐振器的调制响应函数平坦到100 MHz的腔线宽。为了证明激光的频率敏捷性和激光频率对大幅电压调制的响应，DFB激光器对微谐振器谐振进行了自注入锁定。虽然高线性斜坡频率调制对于FMCW激光雷达应用是必不可少的，但频率可以以任意方式调制，同时保持高调谐速率。为了说明这一点，作者编写了一个任意波形发生器来再现EPFL的标志，并将信号应用到异质Si3N4-LiNbO3器件上。
为了证明激光器的应用潜力，作者在实验室环境中进行了概念证明光学测距实验。FMCW激光雷达方法由激光源的三角调频和目标反射光信号的延迟零差探测组成。激光相位噪声限制了该方法的最大工作距离和测距精度。然而，FMCW激光雷达在远距离的一个关键要求是频率敏捷性，即实现快速、线性和无迟滞调优。
Snigirev, V., Riedhauser, A., Lihachev, G. et al. Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics. Nature 615, 411–417 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-05724-2https://doi.org/10.1038/s41586-023-05724-2
