中國科學家開發(fā)新型寬帶集成激光器，實現(xiàn)通信與可見光的同時激射，展示三五族半導體的集成光學應用潛力

  半導體激光器在光纖通信領域的發(fā)展?jié)摿薮?。得益于半導體激光器成本低、功耗低的優(yōu)勢，目前其已在光纖通信網(wǎng)絡領域被廣泛地應用。

  從全球發(fā)展來看，目前主流光芯片廠商仍分布在國外。英特爾以每年制造數(shù)千萬個集成半導體激光器的速度供應于全球。

  英特爾的核心技術在于三五族半導體材料與硅的集成，其在光芯片領域的成功，不僅得益于它半個世紀以來的半導體基礎，也受益于它在光芯片領域的十數(shù)年的技術積累。

  然而，隨著應用場景的增多，人們越來越多地對光芯片實現(xiàn)更多的功能提出了需求與期待。而現(xiàn)實情況是，材料體系仍存在著很大的局限性，這制約著該領域的發(fā)展。

  近日，美國羅切斯特大學與加州大學圣芭芭拉分校、加州理工學院等團隊合作，開創(chuàng)了三五族化合物半導體與鈮酸鋰兩種材料體系的新融合技術。他們把薄膜鈮酸鋰外腔引進到片上激光器，制備出調頻速度達 1018Hz/s 量級的窄線寬激光器，以及首個通信與可見光同時激射的集成激光器。

  9 月 12 日，相關論文以《集成 Pockels 激光器》(Integrated Pockels Laser)為題發(fā)表在 Nature Communications 上[1]。羅切斯特大學電氣和計算機工程系博士生李鳴驍和加州大學圣芭芭拉分校常林博士(現(xiàn)北京大學信息與通信研究所研究員、助理教授)為論文共同第一作者，羅切斯特大學電氣和計算機工程系教授林強為論文通訊作者。

  常林表示，“未來，該技術有望實現(xiàn)調頻連續(xù)波激光雷達和量子信息系統(tǒng)光源的芯片化，并在硅光產(chǎn)線量產(chǎn)。這個工作展示了三五族化合物半導體與鈮酸鋰在集成光學中融合的巨大潛力，拓展了光子芯片的應用領域。”

  圖丨相關論文(來源：Nature Communications)

  審稿人對該研究評價道：“該項工作在展現(xiàn)激光的快速調制和模式切換的同時，也提供了其他性能的保證，例如支持器件性能的激光線寬和頻率噪聲。同時，利用二階非線性產(chǎn)生的多色激光是一個很好的展示。這是第一次展現(xiàn)這樣的集成系統(tǒng)，該工作本身不僅意義重大，而且對于社區(qū)也極具價值。”

  新型寬帶集成激光器首次實現(xiàn)通信與可見光的同時激射

  鈮酸鋰作為廣泛應用的非線性材料之一，在光通信中扮演著不可或缺的角色，尤其是在電光性效應中。而在眾多非線性效應中，該團隊使用基于二階非線性效應的 Pockels(泡克耳斯)電光效應和二階諧波產(chǎn)生，利用低損耗的鈮酸鋰激光外腔，實現(xiàn)了通信波段的窄線寬激射。

  通過 Pockels 電光效應，該團隊通過激光腔內的移相器，得以高速調制鈮酸鋰的折射率，從而高速、有效地對激光的縱模頻率進行調制，達到超高的調頻速度。

圖丨集成 Pockels 激光器示意圖(來源：Nature Communications)

  利用腔內的二階諧波產(chǎn)生，該團隊進一步得到可見光的出射，首次在集成激光器實現(xiàn)通信與可見光的同時激射?！巴ㄟ^腔內 Pockels 電光效應，我們能夠實現(xiàn)對產(chǎn)生的可見光與通信光同時高速調制，無論是調頻或是調幅?！崩铠Q驍說。

  除了調頻速度上的突破，該技術對于現(xiàn)實中的應用場景，最重要的是性能上的進步。例如對于調頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)激光雷達，其線寬、線性度要求很高，決定了激光雷達探測的性能。“我們的工作在實現(xiàn)了快速調制的同時，kHz 級別的線寬和小于 3% 的非線性度，避免了調幅產(chǎn)生的不必要信號干擾。”李鳴驍說。

圖丨李鳴驍(來源：李鳴驍)

  不僅如此，通過 Vernier 環(huán)結構和耦合光條件的優(yōu)化，使激光達到了優(yōu)秀的性能指標——20 納米帶寬的通信光，和 10 納米帶寬的可見光出射，可用于多波長激光雷達探測。并且，該環(huán)形結構也幫助該團隊縮小了激光線寬、滿足了基本的應用要求。

  該研究共經(jīng)歷約四年時間，由羅切斯特大學團隊承擔主要課題，完成了芯片的設計、制作和測試。2018 年夏天，羅切斯特大學林強團隊與克萊姆森大學的朱林(Lin Zhu)教授開始一起構想集成 Pockels 激光器，并進行了初期嘗試，但遇到了一些阻礙。

圖丨激光器調頻調幅工作原理(來源：Nature Communications)

  由于缺乏激光器設計經(jīng)驗，該團隊在一開始就遇到了極大挑戰(zhàn)。李鳴驍表示，“無論是 Vernier 環(huán)結構還是環(huán)鏡的設計，都經(jīng)過了很久的優(yōu)化。同時在三五族芯片與鈮酸鋰芯片耦合的損耗也過高，導致無法實現(xiàn)足夠的受激輻射增益。”

  為解決該問題，林強團隊在 2020 年，與彼時在加州大學圣芭芭拉分校約翰·鮑爾斯(John Bowers)課題組的博士后研究員常林進行了交流，隨后雙方建立起了新的團隊，并共同開展工作。在常林的支持和指導下，該團隊經(jīng)過優(yōu)化束斑轉換器、優(yōu)化截面拋光技術，實現(xiàn)了損耗降低和較低的激光閾值。

  此外，在測試過程中，激光器線寬性能測試的方法還得到了加州理工學院克里·瓦哈拉(Kerry Vahala)教授組博士生武略、博士后研究員王賀明及沈博強博士的支持。

  系迄今唯一可搭配 FMCW 激光雷達的全芯片化線性調頻光源方案

  正如很多業(yè)內人士討論的那樣，光電結合是未來發(fā)展的必然趨勢，而鈮酸鋰作為二者結合的橋梁，必然是不可或缺的一環(huán)。

  那么，該技術有哪些具體的應用場景呢?實際上，該技術的主要應用之一在 FMCW 激光雷達?！敖刂聊壳埃@是世界上唯一能滿足 FMCW 激光雷達需求的全芯片化線性調頻光源方案?！崩铠Q驍指出。

  同時，該研究中實現(xiàn)的激光頻率可重構性(laser-frequency reconfigurability)和激光電流調制實現(xiàn)的調幅，可以實現(xiàn)微型化的任意光波形產(chǎn)生，在微波光子學會有良好的應用前景。

  此外，由腔內光頻率轉換產(chǎn)生的多色光源，可以克服三五族帶寬的限制，最終實現(xiàn)可高速調制的多波段激射的新型激光源。李鳴驍舉例說道：“比如藍、綠、紅光源的集成，可見光與紅外光源的集成，對激光顯示、三維成像、AR/VR、激光傳感和診斷等?！?

圖丨激光器的功率、線寬和波長調諧特性(來源：Nature Communications)

  三五族半導體與鈮酸鋰結合的最大潛力在于光通信領域，鈮酸鋰的電光調制功能是收發(fā)器的核心。

  目前，該領域的大量工作已經(jīng)證明，鈮酸鋰作為電光調制器的性能及其價值，很多國內外團隊也在進行兩個平臺的融合研究?！岸叩募珊艽蟪潭壬咸嵘水a(chǎn)品性能，并且降低了成本，這對行業(yè)的發(fā)展是重大利好?！崩铠Q驍說。

  當然，該研究只是一個好的開端，該團隊也正在朝著異構集成(heterogeneous integration)的方向努力，這也是對于規(guī)模化集成的應用不可或缺的方向。他認為，“這個變化不僅對于 Pockels 激光器是突破，同時也可以被應用在所有與三五族半導體、鈮酸鋰相關的應用，例如電光調制器和波長轉換器，這將會成為產(chǎn)業(yè)化的基礎?！?

  談及該技術具體到應用的可能實現(xiàn)路徑，李鳴驍認為，最早實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的應是在數(shù)據(jù)中心的收發(fā)器，其后是在波長變換器以及調頻激光器，以及兩者的結合?！捌鋵嵲跀?shù)年前，商業(yè)化的起步已經(jīng)開始了，目前最主要的障礙在于實現(xiàn)大規(guī)模集成工藝。我認為，該技術在三年左右就會實現(xiàn)突破?！?

  “只是時間問題，不是你成功就是別人成功”

  科技的進步能夠推動世界的發(fā)展，對于李鳴驍而言，科研的目的也在于此。正因為這樣，他更聚焦于應用科學方面的研究。

  他認為，集成光子學是在集成電子學之后，下一個應用科學的核心領域之一。因此，在南京大學本科畢業(yè)后，他來到羅切斯特大學在該方向繼續(xù)深耕。

圖丨李鳴驍(來源：李鳴驍)

  一路走來，李鳴驍在研究成果方面也收獲頗豐，并作為多篇重要論文的第一作者。在該研究之前，該團隊還應用光子晶體結構，實現(xiàn)了鈮酸鋰調制器的微型化。他們利用微米級別大小的設備，同時完成了 10 吉字節(jié)每秒以上的調制速率和 22 飛焦的能量消耗[2]，向鈮酸鋰集成的邁出了重要的一步。

  此外，林強課題組還首次在鈮酸鋰微腔中，觀測到三倍頻光的產(chǎn)生。在光子晶體結構中，利用其微米級別的光模體積，以及鈮酸鋰材料的二階以及三階非線性效應，實現(xiàn)了光的二倍頻與三倍頻[3]。

  李鳴驍表示，優(yōu)秀的成果離不開導師的全力支持與幫助。其導師林強教授在知識經(jīng)驗上全面指導的同時，也給予了他很大的科研自由空間。不僅在時間上，也在項目合作和未來選擇上。

  他的科研經(jīng)驗是，在失敗中汲取經(jīng)驗、在實驗中找到快樂。并且還要不卑不亢、不驕不躁。“科研從來都是困難的，成功是必然，只是時間問題。不是你成功就是別人成功，要在別人的成功中找到自己的問題與不足，這都會對自己的進步起到積極作用。”他說。

  參考資料：

  1.Li, M., Chang, L., Wu, L. et al. Integrated Pockels laser. Nature Communications 13, 5344 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33101-6

  2.Li, M., Ling, J., He, Y. et al. Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator. Nature Communications 11, 4123 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17950-7

  3.Li, M., Liang H. et al.Laser &Photonics Reviews (2019). https://doi.org/10.1002/lpor.201970024