----翻譯自Viacheslav Snigirev等人

摘要：展示了一種鎖定在異質集成的鈮酸鋰-大馬士革氮化硅微諧振器模式上的電光可調諧混合集成激光自注入器。觀測到的固有線寬為 3 kHz，頻率調諧率為 12 × 1015 Hz/s。進行了原理性相干激光雷達實驗。

鈮酸鋰薄膜光子集成電路已被應用于電光調制器[1, 2]、電光頻率梳[3]和微波光量子傳感器[4]。基于鈮酸鋰的光子電路還可以利用自注入鎖定和相關的頻率拉動效應 [5]，實現低相噪的電光可調諧激光器。具體來說，激光振蕩器可以鎖定到外部高品質因數腔的光學模式，并通過腔模式的調諧（例如利用波克爾斯效應）來調制激光的輸出頻率。

這一概念曾在分布式反饋磷化銦二極管激光器與大馬士革氮化硅微孔諧振器之間實現過，該諧振器集成了一個氮化鋁壓電致動器，可對微諧振器模式進行應力光學調制[6]。雖然報告稱[6]非線性度低、調諧效率高，但調制速度從根本上受限于集成器件的芯片的機械共振，因此需要額外的聲子工程。在這方面，電光調制可為激光波長調制提供更有效的解決方案。為此，在大馬士革氮化硅（LNOD）上采用了鈮酸鋰的異質集成，將前者的電光調諧能力與后者的超低傳播損耗相結合[7]。

該器件的示意圖見圖 1(a)，LNOD 結構的特征截面圖見圖 1(b)。氮化硅波導埋在二氧化硅中，上面覆蓋著一層薄薄的鈮酸鋰層和鎢電極。大馬士革氮化硅結構的超低損耗[8]使 LNOD 微諧振器的中值本征衰減率達到 100 MHz（圖 1(c)）。相應的高品質因數 Q≈ 2×106 使鎖定帶寬達到 1.1 GHz，頻率噪聲功率譜密度抑制為 20 dB。鎖定激光器的測量本征線寬為 3 kHz。

圖 1(d)顯示了微諧振器的電光調諧響應，由此可見該平臺在快速激光波長調諧方面的潛力。我們將激光頻率設定為諧振側，并將矢量網絡分析儀的調制電壓施加到器件電極上，從而測量其響應。小信號頻率響應平坦，最高可達 100 兆赫，遠高于之前應力光致動所達到的數值。三角斜坡波形測得的最高調諧頻率為 10 MHz，頻率偏移為 600 MHz，相當于 12×1015 Hz/s的調諧速度。在調制頻率為 100 kHz 時，觀察到調諧非線性小于 1%（相對于頻率偏移）（圖 1(e)）。這些結果為將這種可調諧激光源用于頻率調制連續波（FMCW）激光雷達鋪平了道路[9]。在原理驗證實驗中，我們展示了一個由聚苯乙烯甜甜圈形狀和作為背景的儀器箱壁組成的簡單場景的重建，分辨率為 20 厘米（圖 1(f)）。

圖 1. (a) 自注入鎖定原理示意圖。通過在鎢電極上施加電壓信號（如線性斜坡）來實現激光波長調諧。(b) 顯示 LNOD 設備橫截面的假色掃描電子顯微鏡圖像。(c) 顯示自由光譜范圍（FSR）為 102 GHz 的 LNOD 微波諧振器的本征衰減率 κ0/2π 分布的直方圖。分布的中值為 100 MHz，相當于品質因數 Q ～ 2×106。(d) FSR 為 102 GHz 的 LNOD 微諧振器的電光調制響應。(e) 當調制頻率為 100 kHz 和 1 MHz 時，在 LNOD 微諧振器的電極上施加三角電壓斜坡時，集成激光源和參考外腔二極管激光器（ECDL）之間的外差拍頻時頻圖。(f) 點云顯示了在對原理驗證 FMCW 激光雷達實驗中收集的數據進行處理后，由一個聚苯乙烯甜甜圈形狀和后面的儀器箱塑料壁組成的場景的重建情況。

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