薄膜铌酸锂thin-film lithium niobate（LiNbO3）已经实现了低损耗光子集成电路、提升了半波电压的调制器、电光频率梳和片上电光器件，其应用范围从微波光子学到微波到光量子接口。尽管最近的进展已经证明了基于铌酸锂LiNbO3的可调谐集成激光器，然而，薄膜铌酸锂平台演示频率捷变 frequency-agile、窄线宽集成激光器的全部潜力，尚未实现。

近日，来自IBM和瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究团队在Nature上发文，报道了一种基于混合氮化硅Si3N4–LiNbO3光子平台的快速调谐激光器，并展示了其在相干激光测距中的应用，可能对光学测距技术产生重大影响。该激光器基于铌酸锂，由于其低噪声和快速波长调谐的特性，有可能彻底改变光探测和测距(LiDAR)应用。

铌酸锂是光调制器领域常用的材料，因为它具有较高的光功率容量，并且具有很高的“Pockels系数”，这意味着当施加电场时，它可以改变其光学性质。IBM和EPFL的研究人员通过将铌酸锂与氮化硅结合，实现了一种新型的混合集成可调谐激光器。

图1：用于快速可调谐自注入锁定激光器的异质、低损耗氮化硅Si3N4–铌酸锂LiNbO3光子集成平台。

为了制造激光器，该团队在EPFL制造了基于氮化硅的光子集成电路，然后在IBM将其与铌酸锂晶圆结合。该平台基于超低损耗Si3N4光子集成电路与薄膜LiNbO3的异质集成，通过在晶片级直接键合，与之前演示的芯片级集成不同，具有8.5B/m的低传播损耗。通过自注入锁定到激光二极管，实现了窄线宽激光(固有线宽为3千赫兹)。谐振腔的混合模式允许其以12 PHz/s 的速度进行电光激光频率调谐，其在高线性度和低迟滞的同时，可保持窄线宽。

图2：表征集成的混合异质Si3N4–LiNbO3平台。

该激光器具有低噪声和快速波长调谐的特性，使其成为激光雷达应用的理想选择。然后，该团队使用激光进行了光学测距实验，实现了高精度测量距离。这种新型激光器在激光雷达应用之外也有潜力。该混合平台有潜力实现用于电信的集成收发器和用于量子计算的微波光学换能器。

图3：自注入锁定分布式反馈distributed feedback，DFB激光器的电光频率调谐

图4：使用混合集成激光器的相干调频连续波frequency-modulated continuous-wave，FMCW激光雷达演示。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05724-2