美国两高校研制出可见光通讯宽带集成激光器

　光通信技术发展至今，进入了规模化，集成化的阶段。其中以基于硅半导体技术的光芯片发展为最核心，并大量应用在光通信数据中心。

　　半导体激光器历经了几十年的发展，从信息科学到基础科学，从晶圆工艺到制片流程，将台式设备的性能与微型芯片的低功耗，高性价比相结合。它的设计由法布里-波洛(Fabry-Perot)到 DFB，不仅为大量应用场景提供了关键的相干光源，同时也突破了许多台式设备的客观限制。

　　随着对硅光领域的大量投入，越来越多困难被逐步克服。通过使用无源腔与三五组材料的结合，在可调范围，可重构性上都实现了台式设备的性能。同时，得益于低损耗氮化硅波导的出现，极大的推动了窄线宽激光器的发展，甚至在质量上与台式设备不相上下。

　　然而，随着应用场景的增多，人们越来越多的开始期待和要求光芯片实现更多的功能，而三五组作为半导体激光的基础有他的材料局限性。例如在激光雷达的应用中，人们要求光源同时拥有窄线宽以及高速和线性的调频功能。在台式机中通常使用的机械系统无法在片上集成，而可集成的热光效应的速度不够快，载流子注入效应又会有调幅导致的噪声。因此，目前的解决方案是使用激光器外的调制器。

　　另一方面，在对激光显示，三维成像， AR/VR，激光传感等有重要应用也对多色光源提出了很高的要求。目前更多的解决方案是针对不同种的增益介质进行设计和集成，并期望实现多种三五族材料可兼容的工艺流程，这对于材料科学带来了极大的挑战。同时在原子物理的应用中，针对离子和原子的控制需要(近)可见光波段的开关调控。这在光芯片上也很难实现。

　　鉴于此，近日，罗切斯特大学的林强教授课题组与加州大学圣塔芭芭拉分校的John Bowers教授课题组，加州理工的Kerry Vahala教授课题组合作，利用低损耗的铌酸锂激光外腔及其Pockels电光效应，实现快速而线性的激光调频，同时受益于腔内的二阶谐波产生，完成了通信与可见光同时激射的宽带集成激光器，并进一步展示了对产生的可见光与通信光同时高速调制的性能。

　　该团队将薄膜铌酸锂外腔引入片上激光器中，实现了调频速度达到1018Hz/s量级的窄线宽激光器和首个通信与可见光同时激射的集成激光器。

　　该成果“Integrated Pockels Laser”为题发表在Nature Communications。罗切斯特大学的李鸣骁博士和加州大学圣塔芭芭拉分校的常林博士为论文的共同第一作者。值得一提的是，常林博士现任北京大学博士生导师。

　　宽谱窄线宽激光器

　　该团队设计的激光器结构如图1所示，他们将薄膜铌酸锂外腔引入片上激光器中，通过将其与反射式半导体放大器边缘耦合，实现了无源平台与有源器件的融合，构成了激光器的主体结构。在铌酸锂芯片上他们使用了Vernier环结构进行选模，并利用片上加热器，通过热光效应，实现了20纳米带宽的通信光和10纳米带宽的可见光出射。同时，利用选模的滤波效果及铌酸锂低损耗平台，实现了11.3千赫兹的洛伦兹线宽。

图1：集成Pockels激光器示意图
图源：Nat Commun 13, 5344 (2022), Fig.1

　　超高速可调性能

　　该激光器的调控工作原理如图2所示。通过一个设计在激光腔内的移相器，右图中(b)所对应的位置，来调制铌酸锂的折射率从而高速而且有效的调制激光的纵模频率，达到极高的调频速度。同时，他们通过使用在右图中(c)对应位置上的环上调制器，改变Vernier环结构中其中一个环的模式波长，实现两环结构的模式错位，最终达到激光的开关和模式切换。

图2：激光器调频调幅工作原理
图源：Nat Commun 13, 5344 (2022), Fig.3, Fig.4

　　该团队的激光器调频性能如图3所示。在图(a, b)中他们展示了在不同调制频率与电压下的激光性能及效率(图c)，激光调频速度达到了1018Hz/s量级(图d)，同时也限制了调频的非线性度到小于3%，并实现了低于10%的调幅噪声(图e)。

图3：不同速度与调制电压下的激光器调频性能(a, b)，调制效率与速率(c, d)，同步调幅噪声(e)
图源：Nat Commun 13, 5344 (2022), Fig.3

　　双色激光开关

　　如图4所示，论文作者利用铌酸锂的二阶非线性效应，依靠腔内的二阶谐波产生(图中a)，进一步实现了可见光的出射，从而完成了通信与可见光同时激射的集成激光器(图中b,c,d)。随后结合腔内的Pockels电光效应，展现了对产生的可见光与通信光同步高速调制(图中e)。

图4：双色激光器的示意图(a)，可见光出射测试(b,c,d)，开关性能展示(e)
图源：Nat Commun 13, 5344 (2022), Fig.4

　　总结与展望

　　目前激光器中的可见光输出能量还没有到达许多应用的标准，一般为毫瓦级别。这需要对器件进行进一步的调试与设计优化。另外，在原子物理领域的应用需要更窄的激光线宽，目前这还没有在铌酸锂材料中实现。

　　在FMCW激光雷达的应用中，激光的调频幅度所决定的分辨率至关重要，这一项指标在铌酸锂结构中还有很大的提升空间，也是研究的一个重要方向。

　　同时对于规模化集成的应用，异构集成(heterogeneous integration)不可或缺。这个改变不仅对于 Pockels laser 是一个突破，同时也可以被用于所有与三五，铌酸锂相关的应用，例如电光调制器和波长转换器，将会成为产业化的基础。