中国科学家开发新型宽带集成激光器，实现通信与可见光的同时激射，展示三五族半导体的集成光学应用潜力

  半导体激光器在光纤通信领域的发展潜力巨大。得益于半导体激光器成本低、功耗低的优势，目前其已在光纤通信网络领域被广泛地应用。

  从全球发展来看，目前主流光芯片厂商仍分布在国外。英特尔以每年制造数千万个集成半导体激光器的速度供应于全球。

  英特尔的核心技术在于三五族半导体材料与硅的集成，其在光芯片领域的成功，不仅得益于它半个世纪以来的半导体基础，也受益于它在光芯片领域的十数年的技术积累。

  然而，随着应用场景的增多，人们越来越多地对光芯片实现更多的功能提出了需求与期待。而现实情况是，材料体系仍存在着很大的局限性，这制约着该领域的发展。

  近日，美国罗切斯特大学与加州大学圣芭芭拉分校、加州理工学院等团队合作，开创了三五族化合物半导体与铌酸锂两种材料体系的新融合技术。他们把薄膜铌酸锂外腔引进到片上激光器，制备出调频速度达 1018Hz/s 量级的窄线宽激光器，以及首个通信与可见光同时激射的集成激光器。

  9 月 12 日，相关论文以《集成 Pockels 激光器》(Integrated Pockels Laser)为题发表在 Nature Communications 上[1]。罗切斯特大学电气和计算机工程系博士生李鸣骁和加州大学圣芭芭拉分校常林博士(现北京大学信息与通信研究所研究员、助理教授)为论文共同第一作者，罗切斯特大学电气和计算机工程系教授林强为论文通讯作者。

  常林表示，“未来，该技术有望实现调频连续波激光雷达和量子信息系统光源的芯片化，并在硅光产线量产。这个工作展示了三五族化合物半导体与铌酸锂在集成光学中融合的巨大潜力，拓展了光子芯片的应用领域。”

  图丨相关论文(来源：Nature Communications)

  审稿人对该研究评价道：“该项工作在展现激光的快速调制和模式切换的同时，也提供了其他性能的保证，例如支持器件性能的激光线宽和频率噪声。同时，利用二阶非线性产生的多色激光是一个很好的展示。这是第一次展现这样的集成系统，该工作本身不仅意义重大，而且对于社区也极具价值。”

  新型宽带集成激光器首次实现通信与可见光的同时激射

  铌酸锂作为广泛应用的非线性材料之一，在光通信中扮演着不可或缺的角色，尤其是在电光性效应中。而在众多非线性效应中，该团队使用基于二阶非线性效应的 Pockels(泡克耳斯)电光效应和二阶谐波产生，利用低损耗的铌酸锂激光外腔，实现了通信波段的窄线宽激射。

  通过 Pockels 电光效应，该团队通过激光腔内的移相器，得以高速调制铌酸锂的折射率，从而高速、有效地对激光的纵模频率进行调制，达到超高的调频速度。

图丨集成 Pockels 激光器示意图(来源：Nature Communications)

  利用腔内的二阶谐波产生，该团队进一步得到可见光的出射，首次在集成激光器实现通信与可见光的同时激射。“通过腔内 Pockels 电光效应，我们能够实现对产生的可见光与通信光同时高速调制，无论是调频或是调幅。”李鸣骁说。

  除了调频速度上的突破，该技术对于现实中的应用场景，最重要的是性能上的进步。例如对于调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达，其线宽、线性度要求很高，决定了激光雷达探测的性能。“我们的工作在实现了快速调制的同时，kHz 级别的线宽和小于 3% 的非线性度，避免了调幅产生的不必要信号干扰。”李鸣骁说。

图丨李鸣骁(来源：李鸣骁)

  不仅如此，通过 Vernier 环结构和耦合光条件的优化，使激光达到了优秀的性能指标——20 纳米带宽的通信光，和 10 纳米带宽的可见光出射，可用于多波长激光雷达探测。并且，该环形结构也帮助该团队缩小了激光线宽、满足了基本的应用要求。

  该研究共经历约四年时间，由罗切斯特大学团队承担主要课题，完成了芯片的设计、制作和测试。2018 年夏天，罗切斯特大学林强团队与克莱姆森大学的朱林(Lin Zhu)教授开始一起构想集成 Pockels 激光器，并进行了初期尝试，但遇到了一些阻碍。

图丨激光器调频调幅工作原理(来源：Nature Communications)

  由于缺乏激光器设计经验，该团队在一开始就遇到了极大挑战。李鸣骁表示，“无论是 Vernier 环结构还是环镜的设计，都经过了很久的优化。同时在三五族芯片与铌酸锂芯片耦合的损耗也过高，导致无法实现足够的受激辐射增益。”

  为解决该问题，林强团队在 2020 年，与彼时在加州大学圣芭芭拉分校约翰·鲍尔斯(John Bowers)课题组的博士后研究员常林进行了交流，随后双方建立起了新的团队，并共同开展工作。在常林的支持和指导下，该团队经过优化束斑转换器、优化截面抛光技术，实现了损耗降低和较低的激光阈值。

  此外，在测试过程中，激光器线宽性能测试的方法还得到了加州理工学院克里·瓦哈拉(Kerry Vahala)教授组博士生武略、博士后研究员王贺明及沈博强博士的支持。

  系迄今唯一可搭配 FMCW 激光雷达的全芯片化线性调频光源方案

  正如很多业内人士讨论的那样，光电结合是未来发展的必然趋势，而铌酸锂作为二者结合的桥梁，必然是不可或缺的一环。

  那么，该技术有哪些具体的应用场景呢?实际上，该技术的主要应用之一在 FMCW 激光雷达。“截至目前，这是世界上唯一能满足 FMCW 激光雷达需求的全芯片化线性调频光源方案。”李鸣骁指出。

  同时，该研究中实现的激光频率可重构性(laser-frequency reconfigurability)和激光电流调制实现的调幅，可以实现微型化的任意光波形产生，在微波光子学会有良好的应用前景。

  此外，由腔内光频率转换产生的多色光源，可以克服三五族带宽的限制，最终实现可高速调制的多波段激射的新型激光源。李鸣骁举例说道：“比如蓝、绿、红光源的集成，可见光与红外光源的集成，对激光显示、三维成像、AR/VR、激光传感和诊断等。”

图丨激光器的功率、线宽和波长调谐特性(来源：Nature Communications)

  三五族半导体与铌酸锂结合的最大潜力在于光通信领域，铌酸锂的电光调制功能是收发器的核心。

  目前，该领域的大量工作已经证明，铌酸锂作为电光调制器的性能及其价值，很多国内外团队也在进行两个平台的融合研究。“二者的集成很大程度上提升了产品性能，并且降低了成本，这对行业的发展是重大利好。”李鸣骁说。

  当然，该研究只是一个好的开端，该团队也正在朝着异构集成(heterogeneous integration)的方向努力，这也是对于规模化集成的应用不可或缺的方向。他认为，“这个变化不仅对于 Pockels 激光器是突破，同时也可以被应用在所有与三五族半导体、铌酸锂相关的应用，例如电光调制器和波长转换器，这将会成为产业化的基础。”

  谈及该技术具体到应用的可能实现路径，李鸣骁认为，最早实现大规模商业化的应是在数据中心的收发器，其后是在波长变换器以及调频激光器，以及两者的结合。“其实在数年前，商业化的起步已经开始了，目前最主要的障碍在于实现大规模集成工艺。我认为，该技术在三年左右就会实现突破。”

  “只是时间问题，不是你成功就是别人成功”

  科技的进步能够推动世界的发展，对于李鸣骁而言，科研的目的也在于此。正因为这样，他更聚焦于应用科学方面的研究。

  他认为，集成光子学是在集成电子学之后，下一个应用科学的核心领域之一。因此，在南京大学本科毕业后，他来到罗切斯特大学在该方向继续深耕。

图丨李鸣骁(来源：李鸣骁)

  一路走来，李鸣骁在研究成果方面也收获颇丰，并作为多篇重要论文的第一作者。在该研究之前，该团队还应用光子晶体结构，实现了铌酸锂调制器的微型化。他们利用微米级别大小的设备，同时完成了 10 吉字节每秒以上的调制速率和 22 飞焦的能量消耗[2]，向铌酸锂集成的迈出了重要的一步。

  此外，林强课题组还首次在铌酸锂微腔中，观测到三倍频光的产生。在光子晶体结构中，利用其微米级别的光模体积，以及铌酸锂材料的二阶以及三阶非线性效应，实现了光的二倍频与三倍频[3]。

  李鸣骁表示，优秀的成果离不开导师的全力支持与帮助。其导师林强教授在知识经验上全面指导的同时，也给予了他很大的科研自由空间。不仅在时间上，也在项目合作和未来选择上。

  他的科研经验是，在失败中汲取经验、在实验中找到快乐。并且还要不卑不亢、不骄不躁。“科研从来都是困难的，成功是必然，只是时间问题。不是你成功就是别人成功，要在别人的成功中找到自己的问题与不足，这都会对自己的进步起到积极作用。”他说。

  参考资料：

  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