作為激光雷達、分布式傳感及量子信息處理的核心組件，該器件在保持低噪聲特性的同時實現了快速無跳模頻率調諧。通過創新性設計的外部分布式布拉格反射器（E-DBR）架構——即低成本反射式半導體光放大器（RSOA）與晶圓級電光驅動DBR光柵的混合集成——器件關鍵性能指標顯著超越現有方案：無跳模調諧范圍突破10 GHz，調諧效率高達550 MHz·V?1，調諧速率達艾赫茲每秒量級，并具備15 mW光纖耦合輸出功率。實驗驗證表明，該激光器在調頻連續波（FMCW）激光雷達應用中可實現100 ms內20,000個體素采集與4 cm距離分辨率；在氰化氫光譜檢測中精準匹配吸收特征。經商用蝶形封裝后，器件在2.5小時內自由運行頻率漂移低于25 MHz，展現出卓越的環境穩定性。
圖 1 | 混合集成泡克爾斯擴展DBR激光器的概念設計。
a, 混合集成 E-DBR 激光器的示意圖。TFLN：薄膜鈮酸鋰。插圖為：InP RSOA 與 PIC 之間的對接耦合界面的詳細顯微照片（左）；布拉格光柵和調諧電極（中）；用于輸出耦合的雙層錐形結構和透鏡光纖（右）。
b, 掃描電子顯微照片，顯示經過蝕刻步驟定義波導和布拉格光柵柱后的 LiNbO? E-DBR PIC 的一個截面。
c, LiNbO? 光子芯片垂直截面的掃描電子顯微照片，顯示了嵌入式金電極和二氧化硅（SiO?）頂部包層。
d, 模擬的 LiNbO? E-DBR PIC 的歸一化布拉格反射（線）和布拉格反射峰的半高全寬（FWHM）帶寬（色標條），作為光柵柱尺寸和位置（間隙）的函數。紅星表示所報道的泡克爾斯 E-DBR 激光器的光柵設計。
e, 單片 X 切 LiNbO? 和 SiO? 包層中光學和射頻電場分布的有限元法模擬。射頻電場被歸一化，使兩個電極之間的電壓為 1 V。
f, 在施加 0 V 和 19 V 電壓時模擬的布拉格光柵反射峰調諧情況，描繪出大于 0.5 GHz V?1 的調諧效率。
薄膜鈮酸鋰（LiNbO?）集成光子學憑借強泡克爾斯效應實現的快速、低損耗折射率調制，推動了高性能光子集成電路的發展。盡管基于自注入鎖定鈮酸鋰微腔的激光器已實現太赫茲每秒級調諧速率，但其固有局限導致無跳模調諧范圍被壓縮至2 GHz以下，輸出功率限于毫瓦級，難以滿足高分辨率大氣氣體傳感與相干激光測距等應用對＞10 GHz調諧范圍的需求。
圖 2 | E-DBR 泡克爾斯激光器的調諧特性表征。
a, DBR PIC 布拉格反射中心頻率的電壓調諧，調諧效率為 550 MHz/V。
b, 帶有金電極的鈮酸鋰（LiNbO?）光子芯片（編號 D148_01_F2_C3）的照片，該芯片包含 7.25 毫米長的 DBR。
c, 表征泡克爾斯 E-DBR 激光器電光調諧帶寬的測量裝置圖。S?? 調諧響應通過矢量網絡分析儀（VNA）進行表征：將激光輸出饋入集成馬赫-曾德爾干涉儀（iMZI），并在快速光電二極管上檢測輸出光強。調整調諧范圍和延遲線長度，以利用 MZI 傳遞函數的線性部分（如插圖所示），將頻率調制轉換為光電二極管上的幅度調制。LUT：被測激光器；BPD：平衡光電探測器。
d, E-DBR 泡克爾斯激光器的電光 S?? 調諧響應。該調諧響應是通過從 VNA 測得的 S??（灰色曲線）中除去 MZI 傳遞函數的影響后得到的。3 dB 帶寬由水平虛線標出，突顯了激光器在高達約 200 MHz 頻率范圍內的平坦驅動響應。
針對這一挑戰，本研究提出基于晶圓級薄膜鈮酸鋰平臺的新型外部分布式布拉格波導光柵反射器（E-DBR）架構。該設計采用高背反射率RSOA作為增益介質，通過低反射率傾角前腔面將激光模式耦合至E-DBR光子芯片（構成諧振腔第二反射鏡），在保證性能的同時顯著降低系統復雜度。
圖 3 | 泡克爾斯 E-DBR 激光器的工作特性。
a. 用于表征激光器功率、頻率噪聲和調諧特性的實驗裝置示意圖。設置激光器電流以實現單模工作，并通過任意函數發生器 (AFG) 調制激光頻率。激光頻率噪聲的測量方法：在平衡光電探測器 (BPD) 上測量其與一個經體腔 (bulk cavity) 穩頻和濾波后的外腔二極管激光器 (ECDL) 的外差拍頻信號，該信號由電頻譜分析儀 (ESA) 記錄和分析。激光調諧特性的表征方法：通過一個 10 米長的集成馬赫-曾德爾干涉儀 (iMZI) 測量零差拍頻信號，并使用數字示波器 (OSC) 記錄。CW ref.：腔穩連續波參考激光器。
b. 安裝在耦合臺上的鈮酸鋰 (LiNbO?) DBR PIC 照片，包括對接耦合的 RSOA、輸出透鏡光纖以及用于在電極間施加電場的探針。
c. E-DBR 激光器輸出功率隨 RSOA 驅動電流的變化關系。激光器工作點選擇在曲線的局部最小值處，以最大化無跳模 (mode-hop free) 的激光調諧范圍。
d. 鈮酸鋰 (LN) E-DBR 激光器的單邊帶激光頻率噪聲功率譜密度 Sf(f)。虛線表示：用于計算積分線寬的 β 線（綠色）、熱載流子折射率噪聲（紅色）和自發輻射噪聲（灰色）。70 kHz 處的頻率噪聲峰值源于懸空 PIC 的機械模態。
e. E-DBR 激光器的光譜，在 0.02 nm 分辨率帶寬下，邊模抑制比 (SMSR) 約為 63 dB。
f. 混合激光器調諧范圍、速度和線性度的表征。使用頻率在 10 kHz（左）和 1 MHz（右）之間的三角波調制 E-DBR 激光器。非線性度通過將理想三角波形擬合到由 iMZI 輸出的希爾伯特變換 (Hilbert transform) 得到的調諧曲線來確定。
g. 由 AFG 施加到電極上的電壓波形，形似 EPFL 標志。
h. 時頻譜圖，顯示以 EPFL 標志形式演變的激光頻率，調諧速率達到 3 PHz s?1。
i. 泡克爾斯 E-DBR 激光器在不同調制速度（即施加到電極上的三角波電壓斜坡的重復頻率）下的調諧效率。垂直柱狀條表示在電極上施加每 1 V 三角波斜坡電壓時激光器調諧的非線性度。
圖 4 | FMCW激光雷達的概念驗證演示。
a, 基于FMCW激光雷達的相干光學測距實驗裝置示意圖，并附有目標場景的照片：兩個Thorlabs立柱基座（直徑分別為1毫米和2.5毫米）以及后面的一堵平墻。DSO：數字采樣示波器；FPC：光纖偏振控制器；BOA：后置光放大器；CIRC：環形器；COLL：準直器。
b, 來自目標的信號時頻譜圖，顯示了來自準直器、光纖連接器和環形器的反射峰，以及來自目標場景的反射峰。
c, 顯示三個目標物體計算距離值分布的直方圖；報告了每個目標的平均距離值及其標準差 (s.d.)。
d, e, 從不同視角測量的目標場景點云圖，使用光束掃描圖案獲得，其垂直 (d) 和水平 (e) 三角掃描頻率分別為1 kHz和10 Hz。
本研究成功開發出泡克爾斯可調諧混合集成激光器，通過晶圓級絕緣體上鈮酸鋰平臺集成低成本RSOA與電光DBR光柵。創新性鈮酸鋰柱狀光柵設計規避了亞250納米制造工藝瓶頸，其基于泡克爾斯效應的強頻率調制特性可充當超快可調反射鏡。器件核心性能包括：＞10 GHz無跳模調諧范圍、1 MHz調制速度、1%殘余非線性、15 mW光纖耦合輸出功率，以及2.8 kHz本征線寬（對應800 Hz2/Hz頻率噪聲）。
圖 5 | HCN 光譜學的概念驗證演示。
b, 使用泡克爾斯 E-DBR 激光器測得的 HCN 在約 1545 nm 附近的吸收光譜，顯示出與 HITRAN 數據庫模擬的吸收譜的良好一致性。
c, 測量全混合集成泡克爾斯 E-DBR 激光器長期穩定性的實驗裝置示意圖。使用一個完全穩頻的光學頻率梳 (FC1500, Menlo Systems) 作為參考，相對于頻率梳的 250 MHz 重復頻率來監測泡克爾斯 E-DBR 激光器的漂移。使用光纖布拉格光柵 (FBG) 濾出泡克爾斯激光器發射波長附近的若干梳齒，并在電頻譜分析儀 (ESA) 上同時測量這些梳齒與泡克爾斯激光器的拍頻信號以及頻率梳的重復頻率信號。
d, 全混合集成泡克爾斯 E-DBR 激光器的時頻譜圖，展示了激光器的長期穩定性：在連續 2.5 小時內，頻率偏差小于 25 MHz。
在概念驗證中，FMCW激光雷達應用以4 cm分辨率實現100 ms內20,000個體素場景重建；氰化氫光譜檢測結果與HITRAN數據庫高度吻合。該激光器以550 MHz·V?1超高調諧效率（達應力光調諧方案的100倍）、晶圓級制造兼容性及單電流/電壓控制模式，確立了性能與成本效益的雙重優勢。未來可依托鈮酸鋰材料的中紅外透明窗口拓展工作波段，為高精度傳感與量子技術提供革新性光源解決方案
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