半導體(ti) 激光器在光纖通信領域的發展潛力巨大。得益於(yu) 半導體(ti) 激光器成本低、功耗低的優(you) 勢，目前其已在光纖通信網絡領域被廣泛地應用。

從(cong) 全球發展來看，目前主流光芯片廠商仍分布在國外。英特爾以每年製造數千萬(wan) 個(ge) 集成半導體(ti) 激光器的速度供應於(yu) 全球。

英特爾的核心技術在於(yu) 三五族半導體(ti) 材料與(yu) 矽的集成，其在光芯片領域的成功，不僅(jin) 得益於(yu) 它半個(ge) 世紀以來的半導體(ti) 基礎，也受益於(yu) 它在光芯片領域的十數年的技術積累。

然而，隨著應用場景的增多，人們(men) 越來越多地對光芯片實現更多的功能提出了需求與(yu) 期待。而現實情況是，材料體(ti) 係仍存在著很大的局限性，這製約著該領域的發展。

近日，美國羅切斯特大學與(yu) 加州大學聖芭芭拉分校、加州理工學院等團隊合作，開創了三五族化合物半導體(ti) 與(yu) 铌酸鋰兩(liang) 種材料體(ti) 係的新融合技術。他們(men) 把薄膜铌酸鋰外腔引進到片上激光器，製備出調頻速度達 1018Hz/s 量級的窄線寬激光器，以及首個(ge) 通信與(yu) 可見光同時激射的集成激光器。

9 月 12 日，相關(guan) 論文以《集成 Pockels 激光器》（Integrated Pockels Laser）為(wei) 題發表在 Nature Communications 上[1]。羅切斯特大學電氣和計算機工程係博士生李鳴驍和加州大學聖芭芭拉分校常林博士（現北京大學信息與(yu) 通信研究所研究員、助理教授）為(wei) 論文共同第一作者，羅切斯特大學電氣和計算機工程係教授林強為(wei) 論文通訊作者。

常林表示，“未來，該技術有望實現調頻連續波激光雷達和量子信息係統光源的芯片化，並在矽光產(chan) 線量產(chan) 。這個(ge) 工作展示了三五族化合物半導體(ti) 與(yu) 铌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(guan) 論文（來源：Nature Communications）

審稿人對該研究評價(jia) 道：“該項工作在展現激光的快速調製和模式切換的同時，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(chan) 生的多色激光是一個(ge) 很好的展示。這是第一次展現這樣的集成係統，該工作本身不僅(jin) 意義(yi) 重大，而且對於(yu) 社區也極具價(jia) 值。”

新型寬帶集成激光器首次實現通信與(yu) 可見光的同時激射

铌酸鋰作為(wei) 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(zhong) 多非線性效應中，該團隊使用基於(yu) 二階非線性效應的 Pockels（泡克耳斯）電光效應和二階諧波產(chan) 生，利用低損耗的铌酸鋰激光外腔，實現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(nei) 的移相器，得以高速調製铌酸鋰的折射率，從(cong) 而高速、有效地對激光的縱模頻率進行調製，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(nei) 的二階諧波產(chan) 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通信與(yu) 可見光的同時激射。“通過腔內(nei) Pockels 電光效應，我們(men) 能夠實現對產(chan) 生的可見光與(yu) 通信光同時高速調製，無論是調頻或是調幅。”李鳴驍說。

除了調頻速度上的突破，該技術對於(yu) 現實中的應用場景，最重要的是性能上的進步。例如對於(yu) 調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）激光雷達，其線寬、線性度要求很高，決(jue) 定了激光雷達探測的性能。“我們(men) 的工作在實現了快速調製的同時，kHz 級別的線寬和小於(yu) 3% 的非線性度，避免了調幅產(chan) 生的不必要信號幹擾。”李鳴驍說。

圖丨李鳴驍（來源：李鳴驍）

不僅(jin) 如此，通過 Vernier 環結構和耦合光條件的優(you) 化，使激光達到了優(you) 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，可用於(yu) 多波長激光雷達探測。並且，該環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。

該研究共經曆約四年時間，由羅切斯特大學團隊承擔主要課題，完成了芯片的設計、製作和測試。2018 年夏天，羅切斯特大學林強團隊與(yu) 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，並進行了初期嚐試，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）

由於(yu) 缺乏激光器設計經驗，該團隊在一開始就遇到了極大挑戰。李鳴驍表示，“無論是 Vernier 環結構還是環鏡的設計，都經過了很久的優(you) 化。同時在三五族芯片與(yu) 铌酸鋰芯片耦合的損耗也過高，導致無法實現足夠的受激輻射增益。”

為(wei) 解決(jue) 該問題，林強團隊在 2020 年，與(yu) 彼時在加州大學聖芭芭拉分校約翰·鮑爾斯（John Bowers）課題組的博士後研究員常林進行了交流，隨後雙方建立起了新的團隊，並共同開展工作。在常林的支持和指導下，該團隊經過優(you) 化束斑轉換器、優(you) 化截麵拋光技術，實現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裏·瓦哈拉（Kerry Vahala）教授組博士生武略、博士後研究員王賀明及沈博強博士的支持。

係迄今唯一可搭配 FMCW 激光雷達的全芯片化線性調頻光源方案

正如很多業(ye) 內(nei) 人士討論的那樣，光電結合是未來發展的必然趨勢，而铌酸鋰作為(wei) 二者結合的橋梁，必然是不可或缺的一環。

那麽(me) ，該技術有哪些具體(ti) 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。“截至目前，這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。”李鳴驍指出。

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

此外，由腔內(nei) 光頻率轉換產(chan) 生的多色光源，可以克服三五族帶寬的限製，最終實現可高速調製的多波段激射的新型激光源。李鳴驍舉(ju) 例說道：“比如藍、綠、紅光源的集成，可見光與(yu) 紅外光源的集成，對激光顯示、三維成像、AR/VR、激光傳(chuan) 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(ti) 與(yu) 铌酸鋰結合的最大潛力在於(yu) 光通信領域，铌酸鋰的電光調製功能是收發器的核心。

目前，該領域的大量工作已經證明，铌酸鋰作為(wei) 電光調製器的性能及其價(jia) 值，很多國內(nei) 外團隊也在進行兩(liang) 個(ge) 平台的融合研究。“二者的集成很大程度上提升了產(chan) 品性能，並且降低了成本，這對行業(ye) 的發展是重大利好。”李鳴驍說。

當然，該研究隻是一個(ge) 好的開端，該團隊也正在朝著異構集成（heterogeneous integration）的方向努力，這也是對於(yu) 規模化集成的應用不可或缺的方向。他認為(wei) ，“這個(ge) 變化不僅(jin) 對於(yu) Pockels 激光器是突破，同時也可以被應用在所有與(yu) 三五族半導體(ti) 、铌酸鋰相關(guan) 的應用，例如電光調製器和波長轉換器，這將會(hui) 成為(wei) 產(chan) 業(ye) 化的基礎。”

談及該技術具體(ti) 到應用的可能實現路徑，李鳴驍認為(wei) ，最早實現大規模商業(ye) 化的應是在數據中心的收發器，其後是在波長變換器以及調頻激光器，以及兩(liang) 者的結合。“其實在數年前，商業(ye) 化的起步已經開始了，目前最主要的障礙在於(yu) 實現大規模集成工藝。我認為(wei) ，該技術在三年左右就會(hui) 實現突破。”

“隻是時間問題，不是你成功就是別人成功”

科技的進步能夠推動世界的發展，對於(yu) 李鳴驍而言，科研的目的也在於(yu) 此。正因為(wei) 這樣，他更聚焦於(yu) 應用科學方麵的研究。

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

圖丨李鳴驍（來源：李鳴驍）

一路走來，李鳴驍在研究成果方麵也收獲頗豐(feng) ，並作為(wei) 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(ti) 結構，實現了铌酸鋰調製器的微型化。他們(men) 利用微米級別大小的設備，同時完成了 10 吉字節每秒以上的調製速率和 22 飛焦的能量消耗[2]，向铌酸鋰集成的邁出了重要的一步。

此外，林強課題組還首次在铌酸鋰微腔中，觀測到三倍頻光的產(chan) 生。在光子晶體(ti) 結構中，利用其微米級別的光模體(ti) 積，以及铌酸鋰材料的二階以及三階非線性效應，實現了光的二倍頻與(yu) 三倍頻[3]。

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

他的科研經驗是，在失敗中汲取經驗、在實驗中找到快樂(le) 。並且還要不卑不亢、不驕不躁。“科研從(cong) 來都是困難的，成功是必然，隻是時間問題。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(yu) 不足，這都會(hui) 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